Мал. 2. Міжнародна класифікація сніжинок
Залежно від погодних умов в різних місцевостях випадає «свій» сніг. У Прибалтиці і в центральних областях часто йде сніг у вигляді великих, складних сніжинок або безладно зрощених кристал-лов - волохатих пластівців. У 1944 році в Москві випали снігові пластівці до 10 см в діаметрі. Максимальний зареєстрований діаметр пластівці-їв понад 30 см, вага - понад 500 г. При низьких температурах і сильному вітрі випадають тонкі крижані голки, а також уламки стовпчиків або інших форм. В Якутії такий сніг називають «алмазним пилом». На землі він утворює шар пухнастого снігу.
Крім опадів, що випадають з атмосфери, взимку спостерігаються і
наростаючі опади, які утворюються на поверхні Землі, снігового покриву або різних предметів. Це - іній, паморозь і ожеледь.
Крім цих первинних форм опадів в сніговому покриві в соот-повідно го структурою і фізичними властивостями виділяють 3 типу (за класифікацією Г. К. Тушинського, 1968):
1) Свіжий сніг - щойно випав або свежеотложенний, що утворився при хуртовини або поземці.
2) Старий сніг - ущільнений або фірнізірованний сніг з різновидами дрібно- середньо- або крупнозернистого, а також сніг-пливун або глибинна паморозь (пухкий сніг, що складається з порожнистих келихоподібних кристалів, мало пов'язаних, рухливих).
3) Фірн - перехідна форма від снігу до льоду. Розрізняють інфільтраційний фірн, що виникає при повторному замерзанні води в снігу, і рекрісталлізаціонний, що утворюється в результаті метаморфізму снігу без участі рідкої води. За величиною зерен фірн може бути дрібнозернистим (менше 1 мм), середньозернисті (1-3 мм) і грубішим (більше 3 мм).
Фізико-механічні властивості снігу і сніжного покриву
Сніг є найбільш поширеним видом твердих атмосферних опадів. Сніжинки, складові падаючий сніг і утворюють сніговий покрив, є плоскими кристалами льоду досить різноманітної форми, в основному гексагональної, шестигранною і шестипроменевої. Розміри окремих, вільно падаючих в повітрі сніжинок доходять до 10 мм.
Сніговим покривом називають шар снігу, що лежить на поверхні землі і утворився при снігопадах. Склад снігового покриву дуже різноманітний, він має шарувату будову, обумовлене цілою низкою причин: перемежованими снігопадами, власною масою сніжинок, сублімацією і сублімацією снігових кристалів, впливом атмосферних факторів (сонячної радіації, вітру, інших атмосферних опадів та ін.).
Таким чином, сніговий покрив не є стабільним; його потужність і все фізико-механічні властивості безперервно змінюються.
Сухий сніговий покрив є двухфазную, а мокрий - трифазну систему, що складається з кристалів льоду, води і повітря, що містить водяну пару.
Всі характеристики снігу залежать від його щільності, але разом з тим щільність снігу в надзвичайно мінлива, від 10 до 700 кг / м 3. Зазвичай розглядають: щільність різних видів снігу, щільність снігу на відкритій місцевості, щільність снігу в лісі, щільність снігу в сніжниках, щільність талого снігу.
Щільність снігу досить неоднорідна по висоті снігового покриву і залежить від тривалості та глибини його залягання. Тому щільність снігового покриву є величиною усередненої.
Наявність вологи (води, водяної пари) істотно збільшує щільність снігу. Щільність талого снігу має велике значення для прогнозу повені на річках. Спостереження показують, що в більшості випадків вона змінюється на початку танення від 180 до 350 кг / м 3. в розпал танення від 350 до 450 кг / м 3. в кінці танення доходить до 600 кг / м 3.
Щільність снігу в лісі менше, ніж на відкритій місцевості, що пояснюється зменшенням вітру в лісі і меншою інтенсивністю зимових відлиг.
Пористість снігового покриву обумовлена наявністю великої кількості проміжків між кристалами льоду, що утворюють сполучені між собою пори і пронизують сніговий покрив у всіх напрямках.
Пористість снігового покриву пов'язана з його структурою і змінюється в міру його ущільнення від 98 до 20%. До початку сніготанення (зазвичай при щільності 280 - 300 кг / м 3) вона становить 73-67%.
Повітропроникність снігового покриву пояснюється наявністю в ньому наскрізних пір і характеризується коефіцієнтом воздухопроводності. При відсутності рідкої фази сніговий покрив буде повітропроникним, якщо розміри пір або капілярів будуть достатніми для вільного переміщення молекул повітря. Отже, коефіцієнт повітропроникності істотно залежить від структури снігового покриву; він зменшується в міру його ущільнення.
Водопроникність снігового покриву для гравітаційної води, що надходить від дощу або від танення верхнього шару снігу, залежить від кількості, розмірів і форми пор в сніговому покриві, від наявності крижаних прошарків тощо. Т. Е. Від структури снігового покриву.
Водоутримуюча здатність снігового покриву характеризується тим найбільшою кількістю води, яке він здатний утримати в даному його стані. Ця характеристика має велике значення для розрахунку повеней. Вона вивчалася П.П.Кузьміним дослідним шляхом на спеціально розроблених приладах з використанням вагового та калориметричного способів.
В результаті досліджень було встановлено, що водоутримуюча здатність снігового покриву залежить від його структури і щільності: меншої щільності відповідає велика водоутримуюча здатність.
Вологість снігу - кількість води, яке сніговий покрив містить в даний момент. Вона є дуже важливою його фізичної характеристикою і визначається калориметричних способом.
Коефіцієнт відбиття сонячної радіації снігом значно вище, ніж у льоду і, тим більше, у води.
Коефіцієнт поглинання сонячної радіації снігом також високий; поглинається вона самим верхнім шаром снігу і тому не доходить до його підстильної поверхні.
Електричні, радіоактивні і акустичні властивості снігу останнім часом набувають все більшого значення, але вони поки вивчені недостатньо.
Сухий сніг, перш за все, характеризується малою електричну провідність, що дозволяє розташовувати на його поверхні навіть не ізольовані проводи. Виконані дослідження для сухого снігу щільністю близько 100 - 500 кг / м 3 при температурі від -2 до -16 ° С показали, що питомий електричний опір ρе досить висока (2,8 × 10 5 - 2,6 × 10 7 Ом · м ) і близько до питомій опору сухого льоду. Навпаки, вологий сніг володіє малим електричним опором, що падає до 10 Ом · м.
Сухий сніговий покрив є діелектриком. Діелектрична проникність снігового покриву ε залежить від частоти електромагнітних хвиль, їх довжини і від стану снігу (температури, щільності, структури, вологості). Діелектрична проникність снігу значно менше, ніж льоду (εол = 73. 95, ε∞л = 3. 8), і збільшується зі зростанням його щільності і вологості.
Акустичні властивості снігу проявляються, наприклад, в скрипі під лижами, полозами саней, під ногами пішоходів і в інших випадках. Скрип снігу залежить від його щільності, тиску на нього і від його температури. Помічено, що скрип чути при температурі від -2 до -20 ° С; нижче цієї температури скрип не чутний. Зв'язок скрипу з температурою можна пояснити тим, що зі зниженням температури збільшується міцність снігових кристалів і тому злам їх під тиском супроводжується звуком. При температурі нижче -20 ° С сніжинки досить міцні і дуже мало ламаються під тиском.
Механічні властивості снігу мають велике значення при використанні його в якості будівельного матеріалу, при транспортуванні по ньому вантажів, а також при вивченні снігових лавин.
Встановлено, що залежність тертя ковзання по снігу різних тіл від температури снігу неоднозначна. Найкращі умови для руху лиж і саней спостерігаються при температурі від -3 до -10 ° С. Зі збільшенням щільності снігу та швидкості руху коефіцієнт тертя ковзання зменшується.
Опір снігу розтягування досліджувалося по розриву зразка від власної ваги шляхом пропилювання заздалегідь наміченої шийки. Який щойно випав сніг надає невелику, практично рівне нулю опір розриву, а в ущільнити снігу опір розриву зростає зі збільшенням щільності і досягає значення 0,027 × 10 5 Па. Опір розриву вологого снігу менше, ніж сухого. В цілому опір снігу розриву залежить від його температури, щільності і структури.
Стиснення снігу під дією навантаження є однією з його характеристик. У дослідах встановлено, що злежаний сухий сніг руйнується при навантаженні близько 1,5 × 10 5 Па. Міцність снігу значно збільшується після додавання води і замерзання її. Безсумнівно, що міцність снігу на стиск залежить від його щільності, але надійних даних з цього питання немає.
Твердість - це властивість речовини чинити опір впровадженню в нього іншого тіла, теоретично не деформується. Вона характеризує міцність снігу і, зокрема, несучу здатність снігового покриву. Мірою твердості є розмір сліду (подряпина, поглиблення), що залишається на досліджуваному матеріалі абсолютно (умовно) твердим тілом, що впроваджуються під певним навантаженням.
За технічними умовами, в зимових снігових дорогах щільність і твердість снігу, як мінімум, повинні бути рівні 600 кг / м 3 і 10 6 Па.
В'язкість снігу грає велику роль в процесах формування снігових обвалів. Свіжий сніг володіє більшою пластичністю і меншою в'язкістю в порівнянні з щільним снігом і тим більше з льодом. Укрупнення зерен снігу - фірнізація - веде до зменшення його пластичних властивостей.
Сніговий покрив протягом всього періоду свого існування піддається впливу різних фізичних і механічних факторів, що призводять до безперервного зміни його структури, складу і обсягу. Ці фактори і надаються ними впливу ще далеко недостатньо вивчені.
До фізичних факторів і процесів можна віднести режеляціі, рекристалізацію, сублімацію і сублімацію, геліо- і геотепловие впливу. До механічних факторів належать сила тяжіння і вітер.
Режеляціі (повторне змерзання) полягає в плавленні і повторному змерзанням крижаних кристалів, що утворюють сніжинки, під впливом питомої тиску. Режеляціі снігу протікає з помітною інтенсивністю лише при температурі, близькій до 0 ° С, т. Е. При температурі, при якій не потрібно великого питомого тиску, щоб викликати плавлення льоду.
Рекристалізація є фізичний процес, при якому атоми молекул перескакують з кристалічної решітки одного кристала на решітку іншого кристала і обумовлюють зрощення окремих кристалів (сніжинок).
У твердих тілах існує деяка кількість атомів і молекул, кінетична енергія яких достатня для переходу в газоподібний стан. Процес переходу речовини з твердої фази в газоподібну, минаючи рідку, називають сублімацією, а процес кристалізації речовини з пара - сублімацією. З ознакою сублімації будь-якого твердого тіла ми зустрічаємося при відчутті його запаху в навколишньому повітрі.
Так як в сніговому покриві є велика кількість межкристаллических пір з поверхнями кристалів дуже малого радіуса і різних напрямків кривизни, то в його товщі розподіл парціального тиску водяної пари буде дуже нерівномірно. Водяна пара, що утворився на гострих ребрах кристалів, буде стікати в западини і, насичуючи тут повітря, перейде в воду і замерзне. Внаслідок цього виникає процес округлення кристалів льоду і збільшення їх обсягу, т. Е. Відбувається так звана фірнізація снігу. Процес цей спостерігається при изотермии і активізується при наявності температурної стратифікації. У сніговому покриві має місце значний температурний перепад, так як його поверхня охолоджується набагато нижче нуля в порівнянні з приземним шаром. У зв'язку з цим створюється додаткова різниця парціального тиску водяної пари в сніговому покриві з градієнтом, спрямованим знизу вгору, що ще більше посилює міграцію водяної пари і фірнізацію снігу.
Повторне танення кристалів льоду і замерзання води також сприяють фірнізаціі снігу. Танення кристалів починається з їх виступаючих частин - кутів, променів, ребер. Тому частково відталий кристал набуває округлу форму у вигляді зерна. При повторному таненні кристалічні зерна збільшуються в розмірах за рахунок попадання на них крапельок води з сусідніх кристаликів і т. Д. При цьому в сніговому покриві збільшуються пори і на їхніх стінках осідає іній, обумовлений сублімацією. Процес прискорюється за рахунок гравітаційної води, проникаючої зверху в результаті танення самого
верхнього шару снігового покрив.
Важливе екологічне значення має повітропроникність С.п. Завдяки руху повітря через сніг можлива зимівля рослин під С.п. поширення запахів з-під снігу, що допомагає північним оленям відшукувати ягель, а лисицям - мишей. Радіаційні характеристики С.п. знаходяться в залежності від стану снігу. Альбедо (див.) Снігу для сумарної сонячної радіації взимку (при відсутності забруднень) може досягати 95%, але в міру забруднення і ущільнення альбедо знижується. Середні значення альбедо для свіжого сухого снігу - 82%, мокрого - 72%, старого сухого 65% і мокрого 50% (за даними для європейської частини Росії). Проникнення сонячної радіації в залежності від структури С.п. обмежується глибиною 30-50 см для сухого снігу і 10-15 см для вологого. Здатність снігу пропускати світло грає важливу роль в розвитку рано зацвітають рослин (проліски, солданелли і ін.). Сніг непрозорий для довгохвильової радіації, це призводить до своєрідного парникового ефекту: при невеликій потужності сухого снігу короткохвильова сонячна радіація, проникаючи через сніг, прогріває грунт і при слабконегативним температурах повітря може викликати танення снігу знизу. Нічне випромінювання і денний відображення сонячної радіації С.п. призводять до сильного охолоджувального дії снігового покриву на розташований під ним повітря: найбільш низькі температури зазвичай виникають в ясні ночі безпосередньо під щойно випав снігом. На транспорті та в будівництві сніг завдає великої шкоди в результаті снігових заметів, обвалів і лавин в горах.
1.2 Залежність снігового покриву від погодних умов.
1.3. Закономірності формування сніжного покриву на Руській рівнині.
Практично опади випадають з усіх повітряних мас, але основна частина їх пов'язана з атлантичним повітрям помірних широт. На південний захід багато вологи приносить тропічне повітря. Випадання опадів головним чином обумовлено циркуляцією повітряних мас на арктичному і полярному фронтах, і тільки 10% їх дають внутрімасові процеси в літній період.