Тарасов Л.В. - Ветры и грозы в атмосфере Земли (1109048), страница 32
Текст из файла (страница 32)
На рис. 2.22 представлены три фотоснимка частиц снежного покрова при значительном увеличении: а) сразу после выпадения снега; б) на следующий день; в) еше через день, после кратковременной оттепели. Можно видеть, как сильно изменяется со временем микроструктура снега. Общий характер изменений понятен. Частицы снега постепенно укрупняются и все более утрачивают свою индивидуальность. Воздушные промежутки в снежной постройке уменьшаются. В итоге снег делается плотнее и прочнее; как говорят, снег твердеет.
Рыхлый свежий снег постепенно превращается в слежавшийся, затем в уплотненный снег и, наконец; может стать фирном — очень плотным крупнозернистым снегом, состоящим из спрессованных ледяных зерен. Слоистая структура снежных покровов Рассматривая процессы, происходящие внутри снежного покрова, мы до сих пор молчаливо полагали, что покров однороден по всей своей глубине.
Но на самом деле это, конечно, не так. Ведь тот или иной снежный покров формируется не в один день. Уже отсюда следует, что он должен иметь слоистую структуру: сверху слои более свежего снега, внизу слои слежавшегося снега. При этом существенно, что снезкные слои нельзя рассматривать изолированно друг от друга — между ними происходит обмен водяными парами; талые воды из верхних слоев стекают в нижние, верхние слои давят на нижние.
В целом картина физических процессов оказывается очень сложной. Упрощая ее, ограничимся рассмотрением двух случаев— они показаны на рис. 2.23. Обычно температура снежного покрова уменьшается в направлении снизу вверх: вблизи грунта она выше, чем у поверхности снега (на рис. 2.23, а: Т вЂ” температура, Н вЂ” расстояние до поверхности покрова, штриховая линия — температурная кривая).
Как известно, давление паров воды, насыщающих воздух, тем больше, чем выше температура. Значит, в данном случае давление водяных паров внутри снежного покрова будет расти с глубиной. Поэтому возникает дви- 174 Глава 2 Фазовме переходи в атмосфере жение пара снизу вверх (на рисунке оно отмечено крупной стрелкой).
Из нижних слоев снежного покрова водяной пар будет непрерывно удаляться, там образуется рыхлый слой глуоинного инея. Кристаллизация поднявшихся вверх водяных паров приводит к уплотнению верхних слоев; возникающий у поверхности слой уплотненного снега называют снежной доской. Под действием солнечных лучей происходит кратковременное таяние самого верхнего тонкого слоя снега, сменяющееся замерзанием образовавшейся воды, и в результате на поверхности снежного покрова нарастает ледяная корочка, называемая настом. Рис. 2.23 Мы видим, таким образом, что плотность снежного покрова повмигается в направлении снизу вверх — от рыхлого глубинного инея к уплотненной снежной доске, прикрытой сверху коркой наста.
При этом важно, чтобы общая толщина снежного покрова была не слишком большой; в противном случае станет существенным давление верхних слоев на нижние, способствующее уплотнению нижних слоев. Изображенная здесь картина характерна для заснеженных равнин нашей средней полосы. В других условиях будет наблюдаться иная картина. Например, исследователи Антарктиды столкнулись с неожиданной и довольно неприятной особенностью антарктического снежного покрова — его верхние слои оказались очень рыхлыми, что сильно затрудняло движение лыжников, взлет и посадку самолетов.
В данном случае снежный покров формируется не на грунте, а на материковом льду. По- Дд Атиос(Ьерные осадки 175 этому температура снежного покрова в направлении сверху вниз не увеличивается (как это было в рассмотренном ранее случае), а, напротив, уменьшается (рис. 2.23, б). Теперь давление воляных паров в верхних слоях покрова оказывается больше, чем в нижних, и водяные пары устремляются сверху вниз. Они кристаллизуются в нижних слоях, что приводит к уплотнению этих слоев. Кроме того, надо учитывать, что толщина антарктического снежного покрова достаточно велика, поэтому уплотнение нижних слоев усиливается за счет давления, оказываемого слоями, лежащими выше.
В данном случае оба фактора (сила тяготения и внутриснежное перемещение водяных паров) действуют в одном направлении; в итоге сильное уплотнение самых нижних слоев снега приводит к образованию фирна, который переходит в материковый лед. Физика возникновения снежных лавин В солнечный зимний день во всем великолепии предстают горные склоны, покрытые искрящимся снегом. Белое безмолвие... Его величественная холодная красота и неподвижность порождают ощущение мира и спокойствия.
Но обманчиво спокойствие в горах. Внезапно ровный белый склон рассекается трещиной. Огромные массы снега устремляются вниз со скоростью экспресса, с оглушающим гулом. Внизу остановка, удар; вверх вздымается снежное облако. Таково одно из наиболее эффектных и опасных явлений природы — снехсная лавина (рис. 2.24). В одной лишь Европе (в Альпах, Пиренеях, Скандинавских горах) каждый год гибнут, будучи застигнутыми снежной лавиной, до тысячи и более человек. Известны случаи, когда лавина за несколько минут стирала с лица земли целые поселки и даже города. Различные случаи рождения снежных лавин можно разбить на четыре группы.
Вот первая группа. Долго бушует сильная горная метель с обильным снегопадом (о горных метелях см. в разд. 2.6). На подветренном склоне горы скопилось много снега. В какой-то момент количество накопившегося снега оказывается чрезмерным и рождается лавина (начинается сход лавины). А вот вгаараа группа. Метель бушевала накануне, а сегодня ясный день. Довольно сильный мороз.
Кругом царит спокойствие. И вдруг где-то недалеко от вершины горы возникает «трещина» на снежном покрове — рождается лавина. Ее рождение представляется 176 Глава 2 Фазовые аерелоды в атмосфере неожиданным. Только что стояла тишина, все было неподвижным, надежным — и вдруг огромные массы снега обрушиваются с гор в долину. Рис. 2.24 лретья груииа: произошли подземные толчки, и возникает снежная лавина.
Впрочем, землетрясение отнюдь не обязательно. Известны случаи, когда снежные массы обрушиваются вниз даже от довольно незначительных сотрясений воздуха, например от крика. Недаром для того, чтобы специально вызвать сход лавин, устраивают в горах стрельбу из артиллерийских орудий. %сиверкая груииа связана с оттепелью. Снегопада давно не было, и снег на горных склонах хорошо слежался. Он лежит так уже несколько недель и, кажется, даже артиллерийская стрельба не в состоянии нарушить его устойчивость. Но вот наступила сильная оттепель, снег на склоне горы заметно осел и потемнел. И вдруг массы мокрого снега начинают быстро сползать вниз. Мы показали, когда рождаются лавины.
Выясним теперь, лоаему они рождаются, т. е. обсудим физику возникновения снежных лавин, имея в виду перечисленные выше четыре группы случаев их рождения. Но сначала обратимся к следующей простой задаче из механики. рассмотрим массу снега М, находящуюся на наклонной плоскости с углом наклона ст (рис. 2.25). На снег действуют три силы (для 2Д Атмосферные осадки 177 простоты считаем, что все они приложены в центре масс рассматриваемого объема снега): сила тязкести, равная по модулю Мя, сила нормальной реакции Я и сила г, удерживающая снег на наклонной плоскости (назовем ее силой удерзкания).
Разложим силу тяжести на две составляющих, как это показано на рисунке. Составляющая Мя сов сг уравновешена силой нормальной реакции: Мясоз сг = Я. Поэтому далее будем учитывать только составляющую Мяз!и а (ее называют скатываюгцей силой) и силу удержания г". По второму закону Ньютона, мд Рис. 2.25 Ма = Мяз(п а — г, (2.13) где а — ускорение рассматриваемой массы снега.
Силу удержания Г можно представить в общем случае как сумму трех сил (все они направлены в одну и ту же сторону, так что можно говорить о сложении их модулей): (2.14) Г=Г,+р;+р'„. Здесь г, — сила трения Это есть сила трения покоя, пока снег лежит на склоне горы; она превращается в силу трения скольжения, когда снег начинает двигаться по склону. Сила Г, — сила сцепления снега с поверхностью склона.
Она обусловлена не столько неровностями, за которые «зацепляется» снежная масса, сколько сцеплением вследствие примерзания нижнего слоя снега к грунту, а также образования внутриснежных ледяных связей. Сила г„— так называемая контурная сила. Она возникает за счет того, что нижележащие снежные массы мешают нашей массе снега соскользнуть вниз по склону. Теперь перейдем к рассмотрению каждой из четырех отмеченных ранее групп лавин. Начнем с первой. Обратимся к уравнению (2.11). По мере накопления снега на склоне возрастает сила Мяз!и гх Одновременно растет и сила Г, так что снег пока неподвижен.
Однако сила !с не может возрастать неограниченно. При длительном снегопаде рано или поздно наступит момент, когда сила Г, возрастая, достигнет своего предельного значения Р (для данного угла 1?8 Глава 2. Фаэовые переходи в атме«Фере наклона гг, для данных погодных условий, для данной микроструктуры снега и данной поверхности горного склона). С этого момента механическое равновесие нарушается: скатываюшая сила Мяз)п а" продолжает расти, а сила удержания достигла предела Р— начинается скольжение снега по склону. Рассмотрим вторую группу лавин. В данном случае увеличение скатываюшей силы оказалось недостаточным для того, чтобы возрастающая одновременно с ней сила удержания достигла своего предельного значения.
Снегопад окончился, а лавина так и не возникла. Однако вопрос не следует считать закрытым; ведь внутри выпавшею снега будут происходить иэмененин, микроструктура снежного покрова будет постепенно меняться благодаря процессам испарения, подтаивания, кристаллизации. Это может привести к тому, что предельное значение г" силы удержания начнет с течением времени постепенно уменьшаться. Скатываюшая же сила Мяз)п аостается при этом неизменной.
В результате в какой-то момент времени (он может наступить на следующие сутки или даже через несколько дней) постепенно уменьшающееся предельное значение Р оказывается меньше силы Мдз)п а — тогда равновесие нарушается, и начинается движение снега. Почему сцепление снега с поверхностью склона может уменьшаться с течением времени? Мы уже отмечали, что температура внутри слоя снега понижается в направлении от грунта к поверхности снега; в этом же направлении понижается плотность водяных паров внутри снега, поэтому пары перемешаются снизу вверх.
В результате вблизи грунта образуется рыхлый слой глубинного инея, а наверху, у поверхности снега, уплотненная «снежная доска». В морозный день температура у поверхности снега существенно ниже, чем в его глубине, вблизи [рунта. Поэтому можно считать, что уменьшение сцепления снега с горным склоном есть результат формирования придонного слоя глубинного инея. Впрочем, как показали исследования, дело, по-видимому, не только в глубинном инее. Образование внутри снежного покрова ледяных зерен фирна также способствует тому, что сцепление снега с горным склоном может уменьшиться. При подземных толчках и при стрельбе из орудий, когда образуется достаточно мощная звуковая волна, сцепление снега со склоном понижается скачком, и тогда может начаться движение снеж- 25.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
