Образование снежного покрова
Снежный покров формируется главным образом за счет твердых осадков (атмосферного льда). Образование ледяных частиц на твердых ядрах требуют затраты большей работы, чем образование капелек воды, поэтому вероятнее всего, что ледяные зародыши возникают в жидкой фазе (через конденсацию).
После завершения стадии роста ледяных частиц они выпадают из облака, образуя у поверхности земли в зависимости от температурных условий твердые или жидкие осадки. Процесс формирования снежного покрова начинается в условиях отрицательного теплового баланса подстилающей поверхности. Основным источником формирования являются твердые осадки. Иногда в пополнении водных запасов снежного покрова играют некоторую роль жидкие осадки, если они выпадают при уже сформировавшемся снежном покрове, и часть их, удержанная снегом, переходит в твердую фазу[9].
Снежным покровом называется лежащий на поверхности земли слой снега, образованный при снегопадах. Следует отметить, что снежный покров образуется не только из льда, выпадающего из облаков. Частично он может пополняться за счет льда, образующегося непосредственно на земных предметах, на поверхности земли, а иногда и на поверхности снега (конденсация). Однако в том и в другом случае это будет лед атмосферного происхождения[9].
Первый выпавший снег лишь в редких случаях остается лежать всю зиму; чаще всего осенью, при возврате теплых дней, снег неоднократно стаивает и затем вновь выпадает. Промежуток времени между выпадениями первого снега и установлением снежного покрова на зиму называют периодом неустойчивого осеннего снежного покрова, или предзимьем.
За период устойчивого снежного покрова условно принимается такой период времени, когда снег, в многолетнем среднем выводе, остается лежать, не стаивая, не менее трех декад подряд. В течение этого периода происходит более или менее непрерывное нарастание толщины снежного покрова. По достижении максимума толщины начинается быстрое разрушение и таяние снежного покрова. Нередко при возвратах весенних холодов снегопады создают вновь непродолжительный снежный покров. Этот период временного весеннего покрова называют периодом весеннего неустойчивого снежного покрова, или послезимья[15].
Процесс выпадения снега называется снегопадом. Строение молодого снежного покрова и его свойства в значительной мере зависят от характера снегопада.
Свежевыпавший снег предохраняет снежный покров от непосредственного воздействия на него метеорологических факторов (солнечных лучей, ветра, дождя, таяния и замерзания).
На процесс расслоения снежного покрова и дифференциацию физических свойств различных слоев снега наряду с метеорологическими факторами и температурным градиентом в толще снега косвенное влияние оказывает также характер распределения снегопадов во времени их интенсивность[15].
Необходимо отметь весьма важное для формирования снежного покрова следующее обстоятельство. Образование снежинок и других видов твердых гидрометеоров в свободной атмосфере может происходить в любое время года и над любыми широтами, так как известно, что уже на высоте 1-2 км в умеренных широтах и 4-5 км в экваториальных в течение круглого года господствуют отрицательные температуры. С другой стороны, известно также, что снежный покров образуется лишь на тех участках земной поверхности, где температура приземного слоя воздуха в течение более или менее длительного времени держится ниже точки плавления льда. Поэтому при прочих равных условиях, например при постоянстве условий образования и выпадения твердых осадков, появление и исчезновение снежного покрова на поверхности земли определяется одним важнейшим и решающим фактором – тепловым балансом подстилающей поверхности. Твердые осадки накапливаются и являются материалом для формирования нового снежного покрова или для увеличения запасов старого в том случае, если они выпадают на подстилающую поверхность, температура которой не выше 0°, а общий приходо-расход (баланс) тепла отрицателен. При переходе теплового баланса от отрицательных его величин к положительным и прогревании подстилающей поверхности до 0° происходит подтаивание снега. Расход снега вследствие таяния в зимний период наблюдается во время оттепелей. В промежутках между снегопадами снег может убывать также за счет испарения (возгонки)[9].
В ходе величин запасов воды в снежном покрове можно отметить лишь общую тенденцию их увеличения от начала к концу зимы. В ряде районов этот ход может сильно нарушаться зимними оттепелями, во время наступления которых иногда сходит значительная часть снега, а то и весь снежный покров.
В связи с этим следует различать: области с постоянным снежным покровом, где снег не успевает растаять за теплый период; области с временным снежным покровом, где снег, накапливаясь в холодное время года, летом полностью стаивает, и области, лишенные снежного покрова, где температура нижних слоев воздуха постоянно выше 0° и снежный покров образоваться не может. В нашей работе мы будем говорить об области с временным снежным покровом[9].
Основные условия, определяющие структуру и физические свойства снежного покрова
Разнообразие физико-механических свойств снежного покрова зависит как от условий его образования, так и от происходящих в снежном покрове изменений. Изменчивость снежного покрова в пространстве и времени чрезвычайно затрудняет его изучение и создает большие трудности в разработке более или менее исчерпывающей его классификации.
Структура и физико-механические свойства снежного покрова зависят от следующих факторов:
1) характера и формы выпадающих ледяных кристаллов (снежинок), зависящих от метеорологической обстановки в момент образования снега;
2) степени деформации снежинок во время падения;
3) изменения снежного покрова в связи с оседанием инея и изморози и испарением;
4) от уплотнения снежного покрова за счет силы тяжести, подтаивания снега с последующим замерзанием, перекристаллизации снега и фирнизации, механического воздействия ветра и метелей;
5) изменения снега под действием жидких осадков;
6) включения в снежный покров механических примесей (минеральных частиц и пр.);
7) характера подстилающей снег поверхности почвы, ее состояния под снегом (промерзания и пр.)и температурного режима внутри снежного покрова.
Разнообразные сочетания перечисленных основных условий в различных местностях и в различные периоды зимы определяют многообразие физических свойств снежного покрова.
Влияние характера подстилающей снег поверхности и температурного режима внутри снежного покрова
Вследствие малой теплопроводности снега, при достаточной его толщине почвогрунты часто находятся в незамерзшем состоянии; в то же время в верхних слоях снежного покрова при морозах наблюдаются низкие температуры. Такое распределение температур приводит к тому, что водяные пары, содержащиеся в снежном покрове и талой почве, перемещаются из нижних слоев в верхние, где и конденсируются. В результате такого перемещения на поверхности снежного покрова образуется плотный наст, а у поверхности земли снег приобретает зернистую структуру фирнового снега. Если под снегом находится промерзший грунт с низкими температурами, во время оттепелей и весной водяные пары перемещаются из верхних слоев в глубокие. В этом случае в припочвенных горизонтах происходят уплотнения и фирнизация снега, а иногда и образование ледяной корки на поверхности почвы[15].
Замедленная передача тепла в снежном покрове приводит к тому, что при резких колебаниях температур воздуха разница в температурах различных слоев снега достигает нередко значительной величины. Это обстоятельство приводит к сложным процессам внутриснегового перемещения влаги и на различных глубинах корочек более плотного снега или даже льда, изменению крупного зерна в снеге и вообще к значительному изменению структуры снега.
Так как в период накопления снежного покрова все перечисленные ранее факторы действуют, в зависимости от метеорологической обстановки, с разной интенсивностью и продолжительностью, снежный покров приобретает весьма сложное слоистое строение. Зная процессы формирования снежного покрова и физические свойства снега, отлагающегося при различных условиях, можно по разрезу снежного сугроба восстановить характер метеорологической обстановки в период снегонакопления[15].