stringtranslate.com

Наука о снеге

Снежная яма на поверхности ледника, определяющая свойства снега, который становится все более плотным по мере превращения в лед.

Наука о снеге изучает, как формируется снег , его распределение и процессы, влияющие на то, как снежные покровы меняются с течением времени. Ученые улучшают прогнозирование штормов, изучают глобальный снежный покров и его влияние на климат, ледники и водоснабжение по всему миру. Исследование включает физические свойства материала по мере его изменения, объемные свойства снежных покровов на месте и совокупные свойства регионов со снежным покровом. При этом они используют наземные методы физических измерений для установления истинности наземных данных и методы дистанционного зондирования для развития понимания процессов, связанных со снегом, на больших территориях. [1]

История

Ранняя классификация снежинок Израиля Перкинса Уоррена . [2]

Снег был описан в Китае еще в 135 г. до н. э. в книге Хань Ина «Разрыв» , в которой пятиугольная симметрия цветов противопоставлялась шестиугольной симметрии снега. [3] Альберт Великий доказал то, что может быть самым ранним подробным европейским описанием снега в 1250 г. Иоганн Кеплер попытался объяснить, почему снежные кристаллы имеют шестиугольную форму, в своей книге 1611 г. « Strena seu De Nive Sexangula» . [4] В 1675 г. Фридрих Мартенс , немецкий врач, каталогизировал 24 типа снежных кристаллов. В 1865 г. Фрэнсис Э. Чикеринг опубликовала книгу « Облачные кристаллы — альбом снежинок» . [5] [6] В 1894 г. А. А. Сигсон сфотографировал снежинки под микроскопом, опередив серию фотографий отдельных снежинок Уилсона Бентли в «Monthly Weather Review» .

Укитиро Накая начал обширное исследование снежинок в 1932 году. С 1936 по 1949 год Накая создал первые искусственные снежные кристаллы и составил диаграмму взаимосвязи между температурой и насыщенностью водяным паром , позже названную Диаграммой Накая , а также другие работы по исследованию снега, которые были опубликованы в 1954 году издательством Гарвардского университета под названием « Снежные кристаллы: естественные и искусственные» . Тейсаку Кобаяши проверил и улучшил Диаграмму Накая с помощью Диаграммы Кобаяши 1960 года , позже уточненной в 1962 году. [7] [8]

Дальнейший интерес к искусственному генезису снежинок продолжился в 1982 году, когда Тошио Курода и Рольф Лакманн из Брауншвейгского технологического университета опубликовали работу «Кинетика роста льда из паровой фазы и формы его роста» . [9] В августе 1983 года астронавты синтезировали снежные кристаллы на орбите на космическом челноке «Челленджер» во время миссии STS-8 . [10] К 1988 году Норихико Фукута и др. подтвердили диаграмму Накая с помощью искусственных снежных кристаллов, созданных в восходящем потоке воздуха [11] [12] [13] , а Ёсинори Фурукава продемонстрировал рост снежных кристаллов в космосе . [14]

Измерение

Ученые, изучающие снег, обычно выкапывают снежную яму, в которой проводят основные измерения и наблюдения. Наблюдения могут описывать особенности, вызванные ветром, просачиванием воды или сбросом снега с деревьев. Просачивание воды в снежный покров может создавать пальцы потока и запруживание или поток вдоль капиллярных барьеров, которые могут замерзать в горизонтальные и вертикальные твердые ледяные образования внутри снежного покрова. Среди измерений свойств снежных покровов (вместе с их кодами), которые представляет Международная классификация сезонного снега на земле, есть: [15]

Инструменты

Ультразвуковой датчик глубины снега

Глубина – Глубина снега измеряется сноубордом ( обычно это кусок фанеры, окрашенный в белый цвет), наблюдаемым в течение шестичасового периода. По окончании шестичасового периода весь снег очищается с измерительной поверхности. Для ежедневного общего снегопада суммируются четыре шестичасовых измерения снегопада. Снегопад может быть очень трудно измерить из-за таяния, уплотнения, выдувания и заноса. [16]

Жидкий эквивалент по снегомеру – Жидкий эквивалент снегопада можно оценить с помощью снегомера [17] или стандартного дождемера диаметром 100 мм (4 дюйма; пластик) или 200 мм (8 дюймов; металл). [18] Дождемеры настраиваются на зиму, снимая воронку и внутренний цилиндр и позволяя снегу/замерзающему дождю собираться внутри внешнего цилиндра. Можно добавить незамерзающую жидкость, чтобы растопить снег или лед, которые попадают в датчик. [19] В обоих типах датчиков после того, как снегопад/лед перестает накапливаться или когда его высота в датчике приближается к 300 мм (12 дюймов), снег тает, и количество воды регистрируется. [20]

Классификация

Международная классификация сезонного снега на земле имеет более обширную классификацию отложенного снега, чем те, которые относятся к переносимому по воздуху снегу. Список основных категорий (приведенных вместе с их кодами) включает: [15]

Частицы осадков

Классификация замороженных частиц расширяет предыдущие классификации Накайи и его последователей и приводится в следующей таблице: [15]

Все они образуются в облаках, за исключением изморози, которая образуется на объектах, подвергающихся воздействию переохлажденной влаги, а также некоторых пластинчатых, дендритов и звездчатых облаков, которые могут образовываться в условиях температурной инверсии под ясным небом.

Физические свойства

Каждый такой слой снежного покрова отличается от соседних слоев одной или несколькими характеристиками, которые описывают его микроструктуру или плотность, которые вместе определяют тип снега и другие физические свойства. Таким образом, в любой момент времени тип и состояние снега, образующего слой, должны быть определены, поскольку его физические и механические свойства зависят от них. Международная классификация сезонного снега на земле устанавливает следующие измерения свойств снега (вместе с их кодами): [15]

Свежевыпавшие и преобразившиеся снежные кристаллы

Спутниковые данные и анализ

Дистанционное зондирование снежных покровов с помощью спутников и других платформ обычно включает в себя многоспектральный сбор изображений. Сложная интерпретация полученных данных позволяет делать выводы о том, что наблюдается. Наука, лежащая в основе этих дистанционных наблюдений, была проверена наземными исследованиями реальных условий. [21]

Спутниковые наблюдения фиксируют уменьшение площадей, покрытых снегом, с 1960-х годов, когда начались спутниковые наблюдения. В некоторых регионах, таких как Китай, наблюдалась тенденция увеличения снежного покрова (с 1978 по 2006 год). Эти изменения объясняются глобальным изменением климата, которое может привести к более раннему таянию и меньшему покрытию акваторий. Однако в некоторых районах может наблюдаться увеличение глубины снега из-за более высоких температур для широт севернее 40°. Для Северного полушария в целом среднемесячная протяженность снежного покрова уменьшается на 1,3% за десятилетие. [22]

Спутниковое наблюдение за снегом опирается на полезность физических и спектральных свойств снега для анализа данных дистанционного зондирования. Диц и др. резюмируют это следующим образом: [22]

Наиболее часто используемые методы картирования и измерения протяженности снега, глубины снега и водного эквивалента снега используют несколько входных данных в видимом и инфракрасном спектре для определения наличия и свойств снега. Национальный центр данных по снегу и льду (NSIDC) использует отражательную способность видимого и инфракрасного излучения для расчета нормализованного индекса разницы снега, который представляет собой отношение параметров излучения, позволяющее различать облака и снег. Другие исследователи разработали деревья решений, используя имеющиеся данные для более точных оценок. Одной из проблем этой оценки является то, 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 грунта под облаками. Для гидрологических моделей важно иметь непрерывную информацию о снежном покрове. Применимые методы включают интерполяцию, используя известное для определения неизвестного. Пассивные микроволновые датчики особенно ценны для временной и пространственной непрерывности, поскольку они могут отображать поверхность под облаками и в темноте. В сочетании с отражательными измерениями пассивное микроволновое зондирование значительно расширяет возможные выводы о снежном покрове. [22]

Модели

Снегопад и таяние снега являются частями круговорота воды на Земле.

Наука о снеге часто приводит к созданию прогностических моделей, которые включают в себя отложение снега, таяние снега и гидрологию снега — элементы круговорота воды на Земле , — которые помогают описать глобальное изменение климата . [21]

Глобальное изменение климата

Модели глобального изменения климата (GCM) включают снег в свои расчеты в качестве фактора. Некоторые важные аспекты снежного покрова включают его альбедо (отражательную способность света) и изолирующие качества, которые замедляют скорость сезонного таяния морского льда. По состоянию на 2011 год считалось, что фаза таяния снеговых моделей GCM плохо работает в регионах со сложными факторами, регулирующими таяние снега, такими как растительный покров и рельеф. Эти модели вычисляют эквивалент воды в снеге (SWE) некоторым образом, например: [21]

SWE = [ –ln( 1 – f c )] / D

где:

Таяние снега

Учитывая важность таяния снега для сельского хозяйства, гидрологические модели стока, включающие снег в свои прогнозы, рассматривают фазы накопления снежного покрова, процессы таяния и распределение 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 подход «градус-день», который подчеркивал разницу температур между воздухом и снежным покровом для вычисления эквивалента воды в снеге (SWE) как: [21]

SWE = M ( T aT m ), когда T aT m

= 0, когда T a < T m

где:

В более поздних моделях используется подход энергетического баланса, который учитывает следующие факторы для расчета энергии, доступной для расплава ( Q m ): [21]

Q m = Q * + Q h + Q e + Q g + Q rQ Θ

где:

Расчет различных величин теплового потока ( Q ) требует измерения гораздо большего диапазона факторов снега и окружающей среды, чем просто температуры. [21]

Инженерное дело

Перемещение радиолокационной станции DYE 2 на новые фундаменты на ледяном покрове Гренландии .

Знания, полученные в науке, преобразуются в инженерию. Четыре примера — строительство и обслуживание объектов на полярных ледяных шапках, создание снежных взлетно-посадочных полос, проектирование зимних шин и скользящих поверхностей для лыж .

Приемочные испытания взлетно-посадочной полосы Финикса для колесных самолетов на станции Мак-Мердо с использованием Boeing C-17 .

Ссылки

  1. ^ "All About Snow—Snow Science". Национальный центр данных по снегу и льду . Университет Колорадо, Боулдер. 2016. Получено 30 ноября 2016 г.
  2. ^ Уоррен, Израиль Перкинс (1863). Снежинки: глава из книги природы. Бостон: Американское общество трактатов. стр. 164. Получено 25.11.2016 .
  3. ^ Olowoyeye, Omolara (2003). "История науки о снежинках" (PDF) . Dartmouth Undergraduate Journal of Science . 5 (3): 18–20. Архивировано (PDF) из оригинала 2020-07-25 . Получено 2022-08-22 .
  4. ^ Кеплер, Иоганнес (1966) [1611]. De nive sexangula [ Шестигранная снежинка ]. Оксфорд: Clarendon Press. OCLC  974730.
  5. ^ "36. ЧИКЕРИНГ, миссис Фрэнсис Э., Dorothy Sloan Books – Bulletin 9 (12/92)" (PDF) . Декабрь 1992. Получено 20 октября 2009 г.
  6. ^ Cloud Crystals - альбом Snow-Flake, Автор: Чикеринг, Фрэнсис Э., Год: 1865 Архивировано 15 июля 2011 г. на Wayback Machine
  7. ^ 油川英明 (Хидэаки Абуракава). 2.雪は「天からの手紙」か? [2. Является ли снег «письмом с неба»?] (PDF) (на японском языке). Метеорологическое общество Японии, отделение Хоккайдо. Архивировано из оригинала (PDF) 10 апреля 2011 г. Проверено 18 июля 2009 г.
  8. ^ Хидеоми Накамура (中村秀臣) и Осаму Абэ (阿部修). "Плотность ежедневного нового снега, наблюдаемая в Синдзё, Ямагата" (PDF) (на японском языке). Национальный исследовательский институт наук о Земле и предотвращения стихийных бедствий (NIED) . Получено 18 июля 2009 г.[ мертвая ссылка ]
  9. ^ Курода, Тошио; Лакманн, Рольф (1982). «Кинетика роста льда из паровой фазы и формы его роста». Журнал роста кристаллов . 56 (1): 189–205. Bibcode : 1982JCrGr..56..189K. doi : 10.1016/0022-0248(82)90028-8 . Получено 22.08.2022 .
  10. ^ 第8話「25年前に宇宙実験室で人工雪作り」 [История №8 Искусственный снег в экспериментальной камере 25 лет назад] (на японском языке). Хирацука, Канагава : KELK . Проверено 23 октября 2009 г.
  11. ^ 樋口敬二 (Кейзо Хигучи). 花島政人先生を偲んで [Подумайте о мертвых, профессор Масато Ханашима] (PDF) (на японском языке). Кага, Исикава . п. 12 . Проверено 18 июля 2009 г.[ мертвая ссылка ]
  12. ^ "Мурай式人工雪発生装置による雪結晶" [Лит. Снежные кристаллы по методу Мурай Производитель искусственных снежных кристаллов] (на японском языке). Архивировано из оригинала 25 января 2010 г. Проверено 26 июля 2010 г.
  13. ^ Японская полезная модель № 3106836
  14. ^ "Рост кристаллов в космосе" (на японском). JAXA . Архивировано из оригинала 22-07-2009.
  15. ^ abcd Fierz, C.; Armstrong, RL; Durand, Y.; Etchevers, P.; Greene, E.; et al. (2009), Международная классификация сезонного снега на земле (PDF) , Технические документы IHP-VII по гидрологии, т. 83, Париж: ЮНЕСКО, стр. 80 , получено 25 ноября 2016 г.
  16. ^ Офис прогнозов Национальной метеорологической службы Северной Индианы (октябрь 2004 г.). "Руководство по измерению снежного покрова для наблюдателей за снегом Национальной метеорологической службы" (PDF) . Штаб-квартира Центрального региона Национальной метеорологической службы.
  17. ^ "Nipher Snow Gauge". On.ec.gc.ca. 2007-08-27. Архивировано из оригинала 2011-09-28 . Получено 2011-08-16 .
  18. Офис Национальной метеорологической службы, Северная Индиана (13.04.2009). "8-дюймовый стандартный нерегистрирующий дождемер". Штаб-квартира Центрального региона Национальной метеорологической службы . Получено 02.01.2009 .
  19. ^ Lehmann, Chris (2009). "Центральная аналитическая лаборатория". Национальная программа атмосферных осадков. Архивировано из оригинала 2004-06-16 . Получено 2009-07-07 .
  20. ^ Национальная метеорологическая служба Бингемтон, Нью-Йорк (2009). Информация о дождемерах. Получено 2009-01-02.
  21. ^ abcdef Майкл П. Бишоп; Хельги Бьёрнссон; Вильфрид Хаеберли; Йоханнес Орлеманс; Джон Ф. Шрёдер; Мартин Трантер (2011), Сингх, Виджай П.; Сингх, Пратап; Хариташья, Умеш К. (ред.), Энциклопедия снега, льда и ледников, Springer Science & Business Media, стр. 1253, ISBN 978-90-481-2641-5
  22. ^ abc Dietz, A.; Kuenzer, C.; Gessner, U.; Dech, S. (2012). «Дистанционное зондирование снега – обзор доступных методов». International Journal of Remote Sensing . 33 (13): 4094–4134. Bibcode : 2012IJRS...33.4094D. doi : 10.1080/01431161.2011.640964. S2CID  6756253.
  23. Мок, Стивен Дж. (март 1973 г.), Операции в Гренландии 17-й тактической авиаэскадрильи и CRREL , дата обращения 4 января 2011 г.
  24. ^ Тобиассон, В.; Тилтон, П. (апрель 1980 г.), «Продление срока службы DYE-2 до 1986 г. Часть 2: выводы и окончательные рекомендации 1979 г.», Научно-исследовательская и инженерная лаборатория холодных регионов армии США (отчет CRREL №: SR 80–13): 37
  25. ^ Lucibella, Michael (21 ноября 2016 г.). «Phoenix Rising – McMurdo Station’s Newest Airfield Passes Its Biggest Test». Antarctic Sun . National Science Foundation . Получено 20 декабря 2016 г.
  26. ^ Хейс, Дональд (11.11.2013). Физика сцепления шин: теория и эксперимент. Springer Science & Business Media. стр. 107. ISBN 978-1-4757-1370-1.
  27. ^ Mastinu, Gianpiero; Manfred, Ploechl (2014), Справочник по динамике систем дорожных и внедорожных транспортных средств, CRC Press, стр. 654, ISBN 978-1-4200-0490-8
  28. ^ Бхавикатти, СС; К.Г. Раджашекараппа (1994). Инженерная механика. Нью Эйдж Интернэшнл. п. 112. ИСБН 978-81-224-0617-7. Получено 21 октября 2007 г.

Внешние ссылки