Снег состоит из отдельных кристаллов льда , которые растут, находясь в подвешенном состоянии в атмосфере (обычно внутри облаков), а затем падают, накапливаясь на земле, где претерпевают дальнейшие изменения. [2] Он состоит из замороженной кристаллической воды на протяжении всего ее жизненного цикла, начиная с того момента, когда при подходящих условиях кристаллы льда образуются в атмосфере, увеличиваются до миллиметровых размеров, выпадают в осадок и накапливаются на поверхностях, затем метаморфизуются на месте и, в конечном итоге, тают, скользят. или сублимировать .
Метели организуются и развиваются, питаясь источниками атмосферной влаги и холодного воздуха. Снежинки зарождаются вокруг частиц в атмосфере, притягивая переохлажденные капли воды, которые замерзают в кристаллы шестиугольной формы. Снежинки принимают разнообразную форму, основными среди которых являются пластинки, иголки, столбики и иней . Когда снег накапливается в снежный покров , он может сдуться в сугробы. С течением времени накопленный снег метаморфозируется путем спекания , сублимации и замораживания-оттаивания . Там, где климат достаточно холодный для ежегодного накопления, может образоваться ледник . В противном случае снег обычно тает сезонно, вызывая сток в ручьи и реки и пополняющий запасы грунтовых вод .
Основные районы, подверженные снегу, включают полярные регионы , самую северную половину Северного полушария и горные регионы по всему миру с достаточной влажностью и низкими температурами. В Южном полушарии снег приурочен преимущественно к горным районам, за исключением Антарктиды . [3]
Снег влияет на такую деятельность человека, как транспорт : создавая необходимость содержать в чистоте дороги, крылья и окна; сельское хозяйство : обеспечение водой сельскохозяйственных культур и охрана скота; такие виды спорта , как катание на лыжах , сноуборде и путешествия на снегоходах ; и война . Снег также влияет на экосистемы , обеспечивая зимой изолирующий слой, под которым растения и животные могут пережить холод. [1]
Снег образуется в облаках , которые сами по себе являются частью более крупной погодной системы. Физика образования снежных кристаллов в облаках является результатом сложного набора переменных, включая содержание влаги и температуру. Полученные формы падающих и упавших кристаллов можно разделить на ряд основных форм и их комбинаций. Иногда под ясным небом с очень холодной температурной инверсией могут образовываться пластинчатые, дендритные и звездчатые снежинки. [4]
Снежные облака обычно возникают в контексте более крупных погодных систем, наиболее важной из которых является область низкого давления, которая обычно включает в себя теплые и холодные фронты как часть своей циркуляции. Двумя дополнительными и локально продуктивными источниками снега являются штормы, вызываемые озером (а также морским эффектом), и воздействие высоты, особенно в горах.
Циклоны в средних широтах — это области низкого давления , которые способны вызывать что угодно — от облачности и слабых снежных бурь до сильных метелей . [5] Осенью , зимой и весной в полушарии атмосфера над континентами может быть достаточно холодной в глубине тропосферы, чтобы вызвать снегопад. В Северном полушарии больше всего снега выпадает на северной стороне области низкого давления. [6] В южных средних широтах той стороной циклона , которая производит больше всего снега, является южная сторона.
Холодный фронт , передний край более прохладной массы воздуха, может вызывать фронтальные снежные шквалы — интенсивную фронтальную конвективную линию (похожую на полосу дождя ), когда температура на поверхности близка к нулю. Возникающая сильная конвекция имеет достаточно влаги, чтобы создать условия белого света в местах, над которыми проходит линия, поскольку ветер вызывает сильную метель. [7] Этот тип снежного шквала обычно длится менее 30 минут в любой точке своего пути, но движение линии может охватывать большие расстояния. Фронтальные шквалы могут образовываться на небольшом расстоянии перед приземным холодным фронтом или за холодным фронтом, где может быть углубляющаяся система низкого давления или серия впадин, которые действуют аналогично традиционному проходу холодного фронта. В ситуациях, когда шквалы развиваются позади фронта, нет ничего необычного в том, что две или три линейные полосы шквалов проходят в быстрой последовательности, разделенные всего лишь 25 милями (40 километрами), причем каждая из них проходит одну и ту же точку с интервалом примерно в 30 минут. В тех случаях, когда наблюдается сильный вертикальный рост и перемешивание, шквал может образовывать вкрапленные кучево-дождевые облака, что приводит к молниям и грому, которые получили название грозового снега .
Теплый фронт может на какое-то время вызвать снег, поскольку теплый влажный воздух преобладает над воздухом ниже нуля и вызывает осадки на границе. В теплом секторе за фронтом часто снег переходит в дождь. [7]
Снег с эффектом озера образуется в более прохладных атмосферных условиях, когда холодная воздушная масса движется по длинным пространствам с более теплой озерной водой, нагревая нижний слой воздуха, который собирает водяной пар из озера, поднимается вверх через более холодный воздух наверху, замерзает и откладывается на подветренных (подветренных) берегах. [8] [9]
Тот же эффект, возникающий над водоемами с соленой водой, называется снегом с эффектом океана или снегом с эффектом залива . Эффект усиливается, когда движущаяся воздушная масса поднимается из-за орографического влияния возвышенностей на подветренных берегах. Это поднятие может привести к образованию узких, но очень интенсивных полос осадков, которые могут выпадать со скоростью несколько дюймов снега в час, что часто приводит к большому количеству общего снегопада. [10]
Районы, затронутые снежным эффектом озер, называются снежными поясами . К ним относятся районы к востоку от Великих озер , западное побережье северной Японии, полуостров Камчатка в России, а также районы вблизи Большого Соленого озера , Черного моря , Каспийского моря , Балтийского моря и части северной части Атлантического океана. [11]
Орографический или рельефный снегопад образуется, когда влажный воздух вытесняется вверх по наветренной стороне горных хребтов крупномасштабным ветровым потоком. Подъем влажного воздуха вверх по склону горного хребта приводит к адиабатическому охлаждению и, в конечном итоге, к конденсации и осадкам. В результате этого процесса влага постепенно удаляется из воздуха, оставляя более сухой и теплый воздух на нисходящей или подветренной стороне. [12] В результате усиливается снегопад, [13] наряду с понижением температуры с высотой, [14] в совокупности увеличивается глубина снежного покрова и сезонная устойчивость снежного покрова в подверженных снегу районах. [1] [15]
Также было обнаружено, что горные волны помогают увеличить количество осадков с подветренной стороны от горных хребтов за счет увеличения подъемной силы, необходимой для конденсации и осадков. [16]
.jpg/1280px-Feathery_Snow_Crystals_(2217830221).jpg)
Снежинка состоит примерно из 10 19 молекул воды , которые добавляются к ее ядру с разной скоростью и по разным схемам в зависимости от изменения температуры и влажности в атмосфере, через которую снежинка проваливается на пути к земле. В результате снежинки отличаются друг от друга, хотя и имеют схожие узоры. [17] [18] [19]
Кристаллы снега образуются, когда крошечные переохлажденные капельки облаков ( диаметром около 10 мкм ) замерзают . Эти капли могут оставаться жидкими при температурах ниже -18 °C (0 °F), поскольку для замерзания нескольким молекулам в капле необходимо случайно собраться вместе, чтобы сформировать структуру, аналогичную той, что имеется в решетке льда. Капелька замерзает вокруг этого «ядра». В более теплых облаках аэрозольная частица или «ледяное ядро» должна присутствовать в капле (или находиться в контакте с ней), чтобы действовать как ядро. Ядра льда встречаются очень редко по сравнению с ядрами конденсации облаков, на которых образуются капли жидкости. Зародышами могут быть глины, пустынная пыль и биологические частицы. [20] Искусственные ядра включают частицы йодида серебра и сухого льда , которые используются для стимулирования осадков при засеве облаков . [21]
После того как капля замерзла, она растет в перенасыщенной среде, где воздух насыщен льдом, когда температура ниже точки замерзания. Затем капля растет за счет диффузии молекул воды из воздуха (пара) на поверхность кристаллов льда, где они собираются. Поскольку капель воды гораздо больше, чем кристаллов льда, кристаллы могут вырасти до сотен микрометров или миллиметров в размерах за счет капель воды в результате процесса Вегенера -Бержерона-Финдейзена . Эти крупные кристаллы являются эффективным источником осадков, поскольку из-за своей массы они падают в атмосферу, могут сталкиваться и слипаться в кластеры или агрегаты. Эти агрегаты представляют собой снежинки и обычно представляют собой частицы льда, падающие на землю. [22] Хотя лед прозрачный, рассеяние света гранями кристалла и впадинами/несовершенствами означает, что кристаллы часто кажутся белыми по цвету из-за диффузного отражения всего спектра света мелкими частицами льда. [23]
Микрография тысяч снежинок, начиная с 1885 года, начиная с Уилсона Алвина Бентли , выявила широкое разнообразие снежинок в пределах классифицируемого набора узоров. [25] Близкие по размеру снежные кристаллы наблюдались. [26]
Укичиро Накая разработал диаграмму морфологии кристаллов, связывающую форму кристаллов с условиями температуры и влажности, при которых они образовались, которая обобщена в следующей таблице. [1]
Накая обнаружил, что форма также зависит от того, находится ли преобладающая влажность выше или ниже насыщения. Формы ниже линии насыщения более склонны к твердым и компактным формам, тогда как кристаллы, образовавшиеся в перенасыщенном воздухе, более склонны к кружевному, нежному и богато украшенному виду. Также образуются многие более сложные модели роста, которые включают боковые плоскости, пулевидные розетки и плоские типы, в зависимости от условий и ядер льда. [27] [28] [29] Если кристалл начал формироваться в режиме колонного роста при температуре около -5 °C (23 °F), а затем перешел в более теплый пластинчатый режим, на конце прорастают пластинчатые или дендритные кристаллы. столбца, создавая так называемые «столбцы с заглушками». [22]
Магоно и Ли разработали классификацию свежеобразованных снежных кристаллов, которая включает 80 различных форм. Каждый из них документировали микрофотографиями. [30]
Снег накапливается в результате серии снегопадов, перемежающихся замерзанием и оттаиванием, в районах, которые достаточно холодны, чтобы сохранять снег сезонно или постоянно. Основные регионы, подверженные снегу, включают Арктику и Антарктику , Северное полушарие и альпийские регионы. Жидкий эквивалент снега можно оценить с помощью снегомера [31] или стандартного дождемера , приспособленного для зимы путем снятия воронки и внутреннего цилиндра. [32] Оба типа датчиков растапливают скопившийся снег и сообщают о количестве собранной воды. [33] На некоторых автоматических метеостанциях в дополнение к осадкомеру может использоваться ультразвуковой датчик глубины снега. [34]
Снежный шквал , снежный ливень , снежная буря и метель описывают снежные явления, которые становятся все более продолжительными и интенсивными. [35] Метель — это погодное явление , связанное со снегом, которое имеет разные определения в разных частях мира. В Соединенных Штатах метель возникает, когда в течение трех часов или более соблюдаются два условия: устойчивый ветер или частые порывы ветра до 35 миль в час (16 м/с), а также достаточное количество снега в воздухе, чтобы ухудшить видимость до менее 0,4 км (0,25 мили). [36] В Канаде и Великобритании критерии аналогичны. [37] [38] Хотя во время метели часто случаются обильные снегопады, выпадение снега не является обязательным требованием, поскольку метель может вызвать наземную метель . [39]
Интенсивность снежной бури можно классифицировать по видимости и глубине скопления. [40] Интенсивность снегопада определяется видимостью следующим образом: [41]
Снежные шквалы могут оставлять снег полосами, которые простираются от водоемов в результате погодных явлений на озере или возникают в результате прохождения фронта на верхних уровнях. [42] [43] [44]
Международная классификация сезонного снега на земле определяет «высоту нового снега» как глубину свежевыпавшего снега в сантиметрах, измеренную линейкой, который накопился на сноуборде в течение периода наблюдения в 24 часа или другого интервала наблюдения. После измерения снег с доски очищается, и доска устанавливается заподлицо с поверхностью снега, чтобы обеспечить точное измерение в конце следующего интервала. [4] Таяние, уплотнение, выдувание и занос затрудняют измерение снегопада. [45]
Ледники с их постоянными снежными покровами покрывают около 10% поверхности Земли, а сезонный снег покрывает около девяти процентов, [1] в основном в Северном полушарии, где сезонный снег покрывает около 40 миллионов квадратных километров (15 × 10 6 квадратных миль), согласно данным по оценке 1987 года. [46] Оценка снежного покрова в Северном полушарии, проведенная в 2007 году, показала, что в среднем снежный покров колеблется от минимальной площади в 2 миллиона квадратных километров (0,77 × 10 6 квадратных миль) каждый август до максимальной площади в 45 миллионов квадратных километров. (17 × 10 6 квадратных миль) каждый январь или почти половина поверхности суши в этом полушарии. [47] [48] Исследование протяженности снежного покрова Северного полушария за период 1972–2006 годов предполагает сокращение на 0,5 миллиона квадратных километров (0,19 × 10 6 квадратных миль) за 35-летний период. [48]
Ниже приведены мировые рекорды по количеству снегопада и снежинок:
Городами (более 100 000 жителей) с наибольшим годовым количеством снегопадов являются Аомори (792 см), Саппоро (485 см) и Тояма (363 см) в Японии , за ними следуют Сент-Джонс (332 см) и Квебек (315 см). в Канаде и Сиракьюс, штат Нью-Йорк (325 см). [53]
По данным Международной ассоциации криосферных наук, метаморфизм снега — это «преобразование, которому снег подвергается в период от отложения до таяния или перехода в ледниковый лед». [4] Начиная с порошкообразного отложения, снег становится более зернистым, когда он начинает уплотняться под собственным весом, разноситься ветром, спекать частицы вместе и начинать цикл таяния и повторного замерзания. Водяной пар играет важную роль, поскольку в холодных и неподвижных условиях он откладывает кристаллы льда, известные как иней . [54] Во время этого перехода снег «представляет собой высокопористый спеченный материал, состоящий из непрерывной структуры льда и непрерывно связанного порового пространства, вместе образующих микроструктуру снега». Снежный покров почти всегда близок к температуре плавления и постоянно меняет эти свойства, при этом могут сосуществовать все три фазы воды, включая жидкую воду, частично заполняющую поровое пространство. После отложения снег продвигается по одному из двух путей, определяющих его судьбу: либо путем абляции (в основном за счет таяния) от снегопада или сезонного снежного покрова, либо путем перехода из фирна (многолетнего снега) в ледниковый лед . [4]
С течением времени снежный покров может оседать под собственным весом до тех пор, пока его плотность не станет примерно 30% воды. Увеличение плотности сверх этого первоначального сжатия происходит в основном за счет плавления и повторного замерзания, вызванного температурами выше точки замерзания или прямой солнечной радиацией. В более холодном климате снег лежит на земле всю зиму. К концу весны плотность снега обычно достигает 50% воды. [55] Снег, который сохраняется до лета, превращается в неве , зернистый снег, который частично растаял, повторно замерз и уплотнился. Неве имеет минимальную плотность 500 кг на кубический метр (31 фунт/куб фут), что составляет примерно половину плотности жидкой воды. [56]
Фирн — это снег, который сохранялся в течение нескольких лет и перекристаллизовался в вещество более плотное, чем неве , но менее плотное и твердое, чем ледниковый лед . Фирн напоминает запеченный сахар и очень устойчив к сгребанию лопатой. Его плотность обычно колеблется от 550 килограммов на кубический метр (34 фунта на кубический фут) до 830 килограммов на кубический метр (52 фунта на кубический фут), и его часто можно найти под снегом, который скапливается в вершине ледника . Минимальная высота, на которой фирн накапливается на леднике, называется границей фирна , линией фирна или снеговой линией . [1] [57]
Существует четыре основных механизма движения отложившегося снега: занос неспеченного снега, лавины скопившегося снега на крутых склонах, таяние снега в условиях оттепели и движение ледников после того, как снег сохранялся в течение нескольких лет и превратился в ледниковый лед.
Когда рыхлый снег сносится ветром с места, где он первоначально выпал, [58] в изолированных местах образуются отложения глубиной до нескольких метров. [59] Прикрепившись к склонам холмов, перенесенный снег может превратиться в снежную плиту, которая представляет лавинную опасность на крутых склонах. [60]
Лавина (также называемая снежным обвалом или снегопадом) — это быстрый скат снега по наклонной поверхности. Лавины обычно возникают в стартовой зоне из-за механического повреждения снежного покрова (плитная лавина), когда силы, действующие на снег, превышают его силу, но иногда только при постепенном расширении (рыхлая снежная лавина). После возникновения лавины обычно быстро ускоряются и увеличиваются в массе и объеме, увлекая за собой все больше снега. Если лавина движется достаточно быстро, часть снега может смешаться с воздухом, образуя порошкообразную снежную лавину, которая является разновидностью гравитационного течения . Они происходят по трем основным механизмам: [60]
Многие реки, берущие начало в горных или высокоширотных регионах, получают значительную часть своего стока за счет таяния снегов. Это часто делает сток реки весьма сезонным, что приводит к периодическим наводнениям [61] в весенние месяцы и, по крайней мере, в засушливых горных регионах, таких как горный запад США или большая часть Ирана и Афганистана , в остальное время года сток очень низкий. Напротив, если большая часть таяния происходит из ледниковых или почти ледниковых районов, таяние продолжается в течение теплого сезона, при этом пиковые потоки приходятся на середину и конец лета. [62]
Ледники образуются там, где накопление снега и льда превышает абляцию. Область, в которой формируется альпийский ледник, называется цирком (корри или cwm), типично геологическим образованием в форме кресла, которое собирает снег и где снежный покров уплотняется под тяжестью последовательных слоев накапливающегося снега, образуя неве. Дальнейшее дробление отдельных кристаллов снега и уменьшение содержания захваченного в снеге воздуха превращает его в ледниковый лед. Этот ледниковый лед будет заполнять цирк до тех пор, пока не выйдет за пределы геологической слабости или пути эвакуации, например, через пропасть между двумя горами. Когда масса снега и льда становится достаточно толстой, она начинает двигаться под действием наклона поверхности, силы тяжести и давления. На более крутых склонах это может произойти при толщине снежного льда всего 15 м (50 футов). [1]
Ученые изучают снег на самых разных уровнях, включая физику химических связей и облаков ; распространение, накопление, метаморфоз и абляция снежных покровов; и вклад таяния снегов в речную гидравлику и гидрологию грунта . При этом они используют различные инструменты для наблюдения и измерения изучаемых явлений. Их результаты вносят вклад в знания, применяемые инженерами , которые адаптируют транспортные средства и конструкции для снега, агрономами , которые решают проблему использования таяния снега в сельском хозяйстве , и теми, кто проектирует оборудование для занятий спортом на снегу. Ученые разрабатывают, а другие используют системы классификации снега, которые описывают его физические свойства в масштабах от отдельного кристалла до совокупного снежного покрова. Отдельной специализацией являются лавины , которые беспокоят как инженеров, так и людей, занимающихся спортом на открытом воздухе.
Наука о снеге изучает, как формируется снег, его распределение и процессы, влияющие на изменение снежного покрова с течением времени. Ученые улучшают прогнозирование штормов, изучают глобальный снежный покров и его влияние на климат, ледники и запасы воды во всем мире. Исследование включает в себя физические свойства материала по мере его изменения, объемные свойства локальных снежных покровов и совокупные свойства регионов со снежным покровом. При этом они используют методы физических измерений на местах для установления истины и методы дистанционного зондирования для лучшего понимания процессов, связанных со снегом, на больших территориях. [63]
В полевых условиях исследователи снега часто выкапывают снежную яму, внутри которой можно проводить основные измерения и наблюдения. Наблюдения могут описывать особенности, вызванные ветром, просачиванием воды или сбросом снега с деревьев. Просачивание воды в снежный покров может привести к образованию пальцев потока и затоплению или течению вдоль капиллярных барьеров, которые могут повторно замерзнуть в горизонтальные и вертикальные образования твердого льда внутри снежного покрова. Международная классификация сезонного снега на земле включает в себя следующие измерения свойств снежных покровов : высоту снега, водный эквивалент снега, прочность снега и протяженность снежного покрова. Каждый имеет обозначение с кодом и подробным описанием. Классификация расширяет предыдущие классификации Накая и его преемников на соответствующие типы осадков и цитируется в следующей таблице: [4]
Все они образуются в облаках, за исключением инея, которая образуется на предметах, подвергшихся воздействию переохлажденной влаги.
Он также имеет более обширную классификацию отложившегося снега, чем те, которые относятся к снегу, переносимому по воздуху. Категории включают как природные, так и искусственные типы снега, описания снежных кристаллов в процессе их метаморфизма и таяния, образование инея в снежном покрове и образование в нем льда. Каждый такой слой снежного покрова отличается от соседних слоев одной или несколькими характеристиками, описывающими его микроструктуру или плотность, которые в совокупности определяют тип снега и другие физические свойства. Таким образом, в любой момент времени необходимо определить тип и состояние снега, образующего слой, поскольку от них зависят его физические и механические свойства. Физические свойства включают микроструктуру, размер и форму зерен, плотность снега, содержание жидкой воды и температуру. [4]
Когда дело доходит до измерения снежного покрова на земле, обычно измеряются три переменные: протяженность снежного покрова (SCE) — площадь суши, покрытая снегом, продолжительность снежного покрова (SD) — как долго конкретная область покрыта снегом и накопление снега, часто выражаемое как эквивалент воды в снегу (SWE), которое показывает, сколько воды было бы в снеге, если бы он весь растаял: последний показатель является измерением объема снежного покрова. [64] Для измерения этих переменных используются различные методы: наземные наблюдения, дистанционное зондирование , модели поверхности суши и результаты реанализа . Эти методы часто комбинируются для формирования наиболее полных наборов данных. [64]
Дистанционное зондирование снежных покровов с помощью спутников и других платформ обычно включает многоспектральный сбор изображений. [65] Многогранная интерпретация полученных данных позволяет сделать выводы о том, что наблюдается. Наука, лежащая в основе этих удаленных наблюдений, была подтверждена достоверными исследованиями реальных условий. [1] [66]
Спутниковые наблюдения фиксируют уменьшение заснеженных площадей с 1960-х годов, когда начались спутниковые наблюдения. В некоторых регионах, таких как Китай, тенденция увеличения снежного покрова наблюдалась с 1978 по 2006 год. Эти изменения объясняются глобальным изменением климата, которое может привести к более раннему таянию и уменьшению площади покрытия. В некоторых районах высота снежного покрова увеличивается из-за более высоких температур в широтах к северу от 40°. Для Северного полушария в целом среднемесячная протяженность снежного покрова уменьшается на 1,3% за десятилетие. [67]
Наиболее часто используемые методы картирования и измерения площади снежного покрова, глубины снега и эквивалента снеговой воды используют несколько входных данных в видимом и инфракрасном спектре для определения наличия и свойств снега. Национальный центр данных по снегу и льду (NSIDC) использует коэффициент отражения видимого и инфракрасного излучения для расчета нормализованного разностного индекса снега, который представляет собой соотношение параметров излучения, позволяющее различать облака и снег. Другие исследователи разработали деревья решений, используя доступные данные для более точных оценок. Одна из проблем этой оценки заключается в том, что снежный покров неоднороден, например, в периоды накопления или абляции, а также в лесных районах. Облачный покров препятствует оптическому измерению отражательной способности поверхности, что привело к появлению других методов оценки состояния почвы под облаками. Для гидрологических моделей важно иметь непрерывную информацию о снежном покрове. Пассивные микроволновые датчики особенно ценны для обеспечения временной и пространственной непрерывности, поскольку они могут отображать поверхность под облаками и в темноте. В сочетании с измерениями на отражение, пассивное микроволновое зондирование значительно расширяет возможные выводы о снежном покрове. [67]
Спутниковые измерения показывают, что с 1978 года снежный покров во многих регионах мира уменьшается. [64]
Наука о снеге часто приводит к созданию прогнозных моделей, которые включают в себя отложение снега, таяние снега и гидрологию снега — элементы водного цикла Земли — которые помогают описать глобальное изменение климата . [1]
Модели глобального изменения климата (GCM) учитывают снег в качестве фактора в своих расчетах. Некоторые важные аспекты снежного покрова включают его альбедо (отражательная способность падающего излучения, включая свет) и изоляционные свойства, которые замедляют скорость сезонного таяния морского льда. По состоянию на 2011 год считалось, что фаза таяния моделей снега GCM плохо работает в регионах со сложными факторами, регулирующими таяние снега, такими как растительный покров и рельеф. Эти модели обычно каким-то образом определяют эквивалент воды в снегу (SWE) на основе спутниковых наблюдений за снежным покровом. [1] Международная классификация сезонного снега на земле определяет SWE как «глубину воды, которая образовалась бы в случае полного таяния массы снега». [4]
Учитывая важность таяния снега для сельского хозяйства, гидрологические модели стока, которые включают снег в свои прогнозы, учитывают фазы накопления снежного покрова, процессы таяния и распределения талой воды по речным сетям и в грунтовые воды. Ключом к описанию процессов таяния являются поток солнечного тепла, температура окружающей среды, ветер и осадки. Первоначальные модели таяния снега использовали градусно-суточный подход, который подчеркивал разницу температур между воздухом и снежным покровом для расчета эквивалента снеговой воды, SWE. В более поздних моделях используется подход энергетического баланса, который учитывает следующие факторы для расчета Q m , энергии, доступной для плавления. Это требует измерения множества факторов снежного покрова и окружающей среды для расчета шести механизмов теплового потока, которые способствуют Q m . [1]
Снег обычно влияет на цивилизацию в четырех основных областях: транспорт, сельское хозяйство, строительство и спорт. Большинству видов транспорта препятствует наличие снега на дорожном покрытии. Сельское хозяйство часто использует снег как источник сезонной влаги. Конструкции могут выйти из строя под снеговыми нагрузками. В заснеженных ландшафтах люди находят множество развлечений. Это также влияет на ведение войны.
Снег нарушает права проезда автомобильных дорог, аэродромов и железных дорог. Снегоочиститель является общим для всех рабочих, хотя на дорогах используются противообледенительные химикаты для предотвращения слипания льда, а на аэродромах их нет ; железные дороги используют абразивы для обеспечения тяги путей.
Согласно отчету Кюммеля за 1994 год, в конце 20-го века в Северной Америке ежегодно тратилось около 2 миллиардов долларов на содержание дорог в зимнее время из-за снегопада и других зимних погодных явлений. В ходе исследования была изучена практика юрисдикций 44 штатов США и девяти провинций Канады. Он оценил политику, практику и оборудование, используемое для зимнего обслуживания. Было обнаружено, что аналогичная практика и прогресс широко распространены в Европе. [68]
Преобладающее влияние снега на контакт транспортного средства с дорогой заключается в уменьшении трения. Эту проблему можно улучшить с помощью зимних шин , протектор которых предназначен для уплотнения снега и улучшения сцепления с дорогой. Ключом к содержанию проезжей части, способной обеспечить движение транспорта во время и после снегопада, является эффективная программа противообледенения, в которой используются как химикаты, так и вспашка . [68] В «Практическом руководстве по эффективной противообледенительной программе» Федерального управления шоссейных дорог особое внимание уделяется «противообледенительным» процедурам, которые предотвращают прилипание снега и льда к дороге. Ключевые аспекты практики включают в себя: понимание противообледенительной защиты в свете уровня обслуживания, которого необходимо достичь на данной дороге, климатических условий, с которыми придется столкнуться, а также различной роли противообледенительных, противообледенительных и абразивных материалов и применений; и использование противообледенительных «наборов инструментов»: одного для операций, одного для принятия решений и другого для персонала. Элементами ящиков для инструментов являются: [69]
В руководстве представлены матрицы, учитывающие различные типы снега и интенсивность снегопадов, что позволяет правильно и эффективно адаптировать приложения.
Снежные ограждения , построенные с наветренной стороны от дорог, контролируют снос снега, заставляя переносимый ветром снег скапливаться в нужном месте. Их также используют на железных дорогах. Кроме того, фермеры и владельцы ранчо используют снежные заграждения для создания наносов в бассейнах для обеспечения запасов воды весной. [70] [71]
Чтобы аэропорты оставались открытыми во время зимних штормов, взлетно-посадочные полосы и рулежные дорожки требуют уборки снега. В отличие от дорог, где обычно применяется химическая обработка хлоридами для предотвращения прилипания снега к поверхности дорожного покрытия, такие химикаты обычно запрещены в аэропортах из-за их сильного коррозионного воздействия на алюминиевые самолеты. Следовательно, механические щетки часто используются в качестве дополнения к снегоочистителям. Учитывая ширину взлетно-посадочных полос на аэродромах, обслуживающих крупные самолеты, для расчистки снега на взлетно-посадочных полосах и рулежных дорожках используются машины с большими плугами, эшелон плугов или роторные снегоочистители . Для расчистки перронов терминалов может потребоваться 6 гектаров (15 акров) или более. [72]
Правильно оборудованные самолеты способны летать сквозь метели по правилам полетов по приборам . Перед взлетом, во время метели им требуется противообледенительная жидкость для предотвращения скопления и замерзания снега и других осадков на крыльях и фюзеляжах, что может поставить под угрозу безопасность самолета и его пассажиров. [73] В полете самолеты полагаются на различные механизмы, позволяющие избежать инея и других типов обледенения в облаках, [74] к ним относятся пульсирующие пневматические ботинки , электротермические зоны, генерирующие тепло, и жидкие антиобледенители, которые вытекают на поверхность. [75]
На железных дорогах традиционно используются два типа снегоочистителей для расчистки пути: клиновой плуг , который отбрасывает снег в обе стороны, и роторный снегоочиститель , который подходит для борьбы с сильным снегопадом и отбрасывания снега далеко в одну или другую сторону. До изобретения роторного снегоочистителя ок. В 1865 году потребовалось несколько локомотивов , чтобы проехать клиновой плуг по глубокому снегу. После расчистки пути такими плугами используется «флэнджер» для очистки снега между рельсами, которые находятся вне досягаемости других типов плугов. Там, где обледенение может повлиять на контакт стали со сталью колес локомотива на пути, абразивы (обычно песок) используются для обеспечения тяги на крутых подъемах. [76]
На железных дорогах используются навесы для снега — конструкции, закрывающие пути, — чтобы предотвратить скопление сильного снега или лавин для покрытия путей в заснеженных горных районах, таких как Альпы и Скалистые горы . [77]
Снег можно уплотнять, образуя снежную дорогу , и он может стать частью зимнего маршрута для транспортных средств, подъезжающих к изолированным населенным пунктам или строительным объектам зимой. [78] Снег также можно использовать в качестве несущей конструкции и поверхности взлетно-посадочной полосы, как в случае с аэродромом Феникс в Антарктиде. Уплотненная снегом взлетно-посадочная полоса рассчитана примерно на 60 полетов колесных тяжелых военных самолетов в год. [79]
Снегопад может быть полезен для сельского хозяйства, поскольку служит теплоизолятором , сохраняет тепло Земли и защищает посевы от минусовой погоды. Некоторые сельскохозяйственные районы зависят от накопления снега зимой, который постепенно тает весной, обеспечивая воду для роста сельскохозяйственных культур как напрямую, так и через стоки через ручьи и реки, которые снабжают оросительные каналы. [1] Ниже приведены примеры рек, которые полагаются на талую воду ледников или сезонный снежный покров как важную часть своего стока, от которого зависит орошение: Ганг , многие из притоков которого берут начало в Гималаях и которые обеспечивают обильное орошение на северо-востоке Индии , [80] река Инд , которая берет свое начало в Тибете [81] и обеспечивает Пакистан водой для орошения из быстро отступающих тибетских ледников, [82] и река Колорадо , которая получает большую часть своей воды из сезонного снежного покрова в Скалистых горах [83] и обеспечивает оросительной водой около 4 миллионов акров (1,6 миллиона гектаров). [84]
Снег является важным фактором нагрузки на конструкции. Для решения этих проблем европейские страны используют Еврокод 1: Воздействия на конструкции. Часть 1-3: Общие действия. Снеговые нагрузки . [85] В Северной Америке « Минимальные расчетные нагрузки для зданий и других конструкций ASCE» содержат рекомендации по снеговым нагрузкам. [86] Оба стандарта используют методы, которые переводят максимальные ожидаемые снеговые нагрузки на грунт в расчетные нагрузки на крыши.
Снеговые нагрузки и обледенение являются двумя основными проблемами для крыш. Снеговые нагрузки зависят от климата, в котором расположено сооружение. Обледенение обычно возникает в результате того, что здание или сооружение выделяет тепло, которое тает находящийся на нем снег.
Снеговые нагрузки – Минимальные расчетные нагрузки для зданий и других конструкций дают рекомендации о том, как преобразовать следующие факторы в снеговые нагрузки на крышу: [86]
В нем приведены таблицы снеговых нагрузок на грунт по регионам и методология расчета снеговых нагрузок на грунт, которые могут меняться в зависимости от высоты от близлежащих измеренных значений. В Еврокоде 1 используются аналогичные методологии, начиная с снеговых нагрузок на грунт, которые приведены в таблицах для некоторых частей Европы. [85]
Обледенение . Крыши также должны быть спроектированы так, чтобы избежать образования ледяных плотин , которые возникают в результате попадания талой воды под снег на крышу и замерзания у карниза. Ледяные плотины на крышах образуются, когда скопившийся на наклонной крыше снег тает и стекает по крыше под изолирующий снежный покров, пока не достигнет температуры ниже нуля, обычно у карнизов . Когда талая вода достигает замерзающего воздуха, лед накапливается, образуя плотину, и снег, который тает позже, не может должным образом стекать через плотину. [87] Ледяные плотины могут привести к повреждению строительных материалов, повреждениям или травмам в результате падения ледяной плотины или в результате попыток ее устранения. Таяние происходит в результате прохождения тепла через крышу под высокоизолирующий слой снега. [88] [89]
На участках с деревьями линии электропередачи на опорах менее подвержены снеговым нагрузкам, чем повреждениям от падения на них деревьев, поваленных тяжелым мокрым снегом. [90] В других местах снег может скапливаться на линиях электропередачи в виде «рукавов» из инея. Инженеры проектируют такие нагрузки, которые измеряются в кг/м (фунт/фут), а у энергетических компаний есть системы прогнозирования, которые предвидят типы погоды, которые могут вызвать такие нарастания. Наледь можно удалить вручную или путем создания достаточного короткого замыкания на пораженном участке линии электропередачи, чтобы растопить наросты. [91] [92]
Снег используется во многих зимних видах спорта и видах отдыха, включая катание на лыжах и санях . Общие примеры включают беговые лыжи , горные лыжи , сноуборд , прогулки на снегоступах и катание на снегоходах . Конструкция используемого оборудования, например лыж и сноубордов, обычно зависит от несущей способности снега и коэффициента трения по снегу.
Катание на лыжах — безусловно, самый популярный вид зимнего отдыха. По состоянию на 1994 год из примерно 65–75 миллионов лыжников во всем мире около 55 миллионов занимались горными лыжами , остальные занимались беговыми лыжами . Примерно 30 миллионов лыжников (всех видов) находились в Европе, 15 миллионов в США и 14 миллионов в Японии. Сообщается, что по состоянию на 1996 год насчитывалось 4500 горнолыжных курортов, работало 26 000 подъемников и ежегодно сюда приезжало 390 миллионов лыжников. Преобладающим регионом для катания на горных лыжах была Европа, за ней следовали Япония и США. [93]
Горнолыжные курорты все чаще полагаются на искусственное оснежение — производство снега путем нагнетания воды и сжатого воздуха через снежную пушку на горнолыжных склонах. [94] Производство искусственного снега в основном используется в качестве дополнения к естественному снегу на горнолыжных курортах . [95] Это позволяет им повысить надежность снежного покрова и продлить лыжный сезон с поздней осени до ранней весны. Производство снега требует низких температур. Пороговая температура для оснежения увеличивается по мере снижения влажности. Температура по влажному термометру используется в качестве показателя, поскольку она учитывает температуру воздуха и относительную влажность. Производство снега — относительно дорогостоящий процесс с точки зрения энергопотребления, что ограничивает его использование. [96]
Лыжный воск улучшает способность лыж (или других беговых лыж) скользить по снегу за счет снижения коэффициента трения, который зависит как от свойств снега, так и от свойств лыж, что приводит к получению оптимального количества смазки за счет таяния снега за счет трения. с лыжей — слишком мало — и лыжа взаимодействует с твердыми кристаллами снега, слишком много — и капиллярное притяжение талой воды тормозит лыжу. Прежде чем лыжа сможет скользить, она должна преодолеть статическое трение максимального значения. Кинетическое (или динамическое) трение возникает при движении лыжи по снегу. [97]
Снег влияет на военные действия, ведущиеся зимой, в альпийских условиях или в высоких широтах. Основными факторами являются ухудшение видимости для обнаружения целей во время снегопада, повышенная видимость целей на заснеженном фоне для целеуказания, мобильность как механизированных , так и пехотных войск. Снегопад также может серьезно затруднить логистику снабжения войск . Снег также может служить укрытием и защитой от огня из стрелкового оружия. [98] Известные зимние военные кампании, в которых снег и другие факторы влияли на операции, включают:
Растения и животные, эндемичные для заснеженных территорий, нашли способы адаптироваться. К механизмам адаптации растений относятся химия адаптации к замораживанию, [105] покой, сезонное отмирание, выживаемость семян; а для животных — это спячка, изоляция, химическая защита от замерзания, хранение пищи, использование резервов изнутри тела и группировка для взаимного тепла. [106]
Снег взаимодействует с растительностью двумя основными способами: растительность может влиять на отложение и удержание снега и, наоборот, наличие снега может влиять на распределение и рост растительности. Ветки деревьев, особенно хвойных , перехватывают падающий снег и предотвращают его скопление на земле. Снег, подвешенный на деревьях, тает быстрее, чем на земле, из-за большего воздействия солнца и движения воздуха. Деревья и другие растения также могут способствовать удержанию снега на земле, который в противном случае был бы унесен ветром или растоплен солнцем. Снег влияет на растительность по-разному: наличие накопленной воды может способствовать росту, однако ежегодное начало роста зависит от ухода снежного покрова для тех растений, которые погребены под ним. Кроме того, лавины и эрозия из-за таяния снегов могут уничтожить растительность местности. [1]
.jpg/1280px-Fjellrev_-_Arctic_fox_(24490250823).jpg)
Снег поддерживает множество животных как на поверхности, так и под ней. В снегу обитают многие беспозвоночные , в том числе пауки , осы , жуки , снежные скорпионы и коллемболы . Такие членистоногие обычно активны при температуре до -5 ° C (23 ° F). Беспозвоночные делятся на две группы с точки зрения выживания при отрицательных температурах: устойчивые к замерзанию и те, которые избегают замерзания, поскольку они чувствительны к замерзанию. Первая группа может быть морозостойкой благодаря способности вырабатывать антифризы в жидкостях своего организма, что позволяет им выживать при длительном воздействии минусовых температур. Некоторые организмы зимой голодают , что приводит к вытеснению чувствительного к замерзанию содержимого из пищеварительного тракта. Способность пережить отсутствие кислорода во льду является дополнительным механизмом выживания. [106]
Под снегом активны мелкие позвоночные . Среди позвоночных альпийские саламандры активны в снегу при температуре до -8 ° C (18 ° F); Весной они выкапываются на поверхность и откладывают яйца в талых прудах. Среди млекопитающих те, кто остается активными, обычно весят менее 250 граммов (8,8 унций). Всеядные животные с большей вероятностью впадают в оцепенение или впадают в спячку , тогда как травоядные с большей вероятностью сохраняют запасы пищи под снегом. Полёвки запасают до 3 кг (6,6 фунта) еды, а пищухи — до 20 кг (44 фунта). Полевки также ютятся в общих гнездах, чтобы насладиться теплом друг друга. На поверхности волки , койоты , лисы , рыси и ласки полагаются на этих подземных обитателей в качестве пищи и часто ныряют в снежный покров, чтобы найти их. [106]
Внеземной «снег» включает в себя осадки на водной основе, а также осадки из других соединений, преобладающие на других планетах и лунах Солнечной системы . Примеры:
Лексикон
Известные снежные события
Отдых
Связанные понятия
Наука и ученые
Снежные конструкции
Но там два кристалла были рядом, на предметном стекле, выставленном в облаке во время исследовательского полета над Уосау, штат Висконсин.
.jpg/1280px-Winter_Operations_@_Brussels_Airport_January_2013_(8387468508).jpg)
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)Противообледенение на автомагистралях — это метод борьбы со снегом и льдом, направленный на предотвращение образования или развития связанного снега и льда путем своевременного применения химического депрессора точки замерзания.
{{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )Противообледенительное оборудование включается перед входом в условия гололеда и предназначено для предотвращения образования льда.
Противообледенительное оборудование предназначено для удаления льда после того, как он начнет скапливаться на планере.
И снег, и лед вызывают отключения электроэнергии, главным образом, из-за того, что они отягощают ветки деревьев и линии электропередачи, вызывая их поломку.
...температура системы низкого давления часто ниже точки конденсации углекислого газа, поэтому газ конденсируется, падает с неба в виде снега и скапливается на земле в виде инея.
Определения из Викисловаря
СМИ из Commons
Новости из Викиновостей
Цитаты из Wikiquote
Тексты из Wikisource
Учебники из Wikibooks
Ресурсы из Викиверситета