Sněhová věda - Snow science

Sněhová jáma na povrchu ledovce, která profiluje vlastnosti sněhu, které se postupně proměňují k ledu a jsou stále hustší.

Sněhová věda adresy jak sníh formy, jeho distribuce a procesy ovlivňující, jak se sněhové pokrývky v průběhu času mění. Vědci zlepšují předpovědi bouří, studují globální sněhovou pokrývku a její vliv na klima, ledovce a zásoby vody po celém světě. Studie zahrnuje fyzikální vlastnosti materiálu při jeho změně, hromadné vlastnosti místních sněhových obalů a souhrnné vlastnosti oblastí se sněhovou pokrývkou. Přitom používají techniky fyzického měření na zemi základní pravda a dálkový průzkum Země techniky pro rozvoj porozumění sněhovým procesům na velkých plochách.^[1]

Dějiny

Časná klasifikace sněhových vloček od Izrael Perkins Warren.^[2]

Sníh byl popsán v Číně již v roce 135 př. N.l. v knize Han Ying „Odpojení, která kontrastovala s pětiúhelníkový symetrie květin se šestihrannou symetrií sněhu.^[3] Albertus Magnus dokázal, co může být nejdříve podrobný evropský popis sněhu v roce 1250. Johannes Kepler se pokusil vysvětlit, proč jsou sněhové krystaly šestihranné ve své knize z roku 1611, Strenaseu De Nive Sexangula.^[4] V roce 1675 Friedrich Martens, německý lékař, katalogizoval 24 druhů sněhových krystalů. V roce 1865 publikovala Frances E. Chickering Cloud Crystals - album se sněhovými vločkami.^[5][6] V roce 1894 A. A. Sigson fotografoval sněhové vločky pod mikroskopem Wilson Bentley série fotografií jednotlivých sněhových vloček v Měsíční přehled počasí.

Ukichiro Nakaya zahájil rozsáhlou studii o sněhových vločkách v roce 1932. V letech 1936 až 1949 Nakaya vytvořila první umělé sněhové krystaly a zmapovala vztah mezi teplotou a vodní pára nasycení, později nazvaný Nakaya Diagram a další práce na výzkumu sněhu, které byly publikovány v roce 1954 Harvard University Press publikuje jako Sněhové krystaly: přírodní a umělé. Teisaku Kobayashi, ověřeno a vylepšeno Nakaya Diagram s rokem 1960 Kobayashi diagram, později rafinovaný v roce 1962.^[7][8]

Další zájem o genezi umělých sněhových vloček pokračoval v roce 1979 Toshio Kurodem a Rolfem Lacmannem z Braunschweig University of Technology, vydavatelství Růstový mechanismus ledu z parní fáze a jeho růstové formy. V srpnu 1983 astronauti syntetizovali sněhové krystaly obíhat na Raketoplán Challenger v době mise STS-8.^[9] Do roku 1988 Norihiko Fukuta et al. potvrdil Nakaya Diagram s krystaly umělého sněhu, vyrobené v updraft^[10][11][12] a Yoshinori Furukawa prokázali růst krystalů sněhu v roce prostor.^[13]

Měření

Vědci o sněhu obvykle vykopávají sněhovou jámu, ve které mohou provádět základní měření a pozorování. Pozorování mohou popsat vlastnosti způsobené větrem, prosakováním vody nebo vykládáním sněhu ze stromů. Perkolace vody do sněhové pokrývky může vytvářet proudění prstů a vodní toky nebo proudění podél kapilárních bariér, které se mohou v sněhové pokrývce znovu zmrazit na vodorovné a svislé pevné ledové útvary. Mezi měřeními vlastností sněhových obalů (spolu s jejich kódy), které Mezinárodní klasifikace pro sezónní sníh na zemi dárky jsou:^[14]

• Výška (H) se měří svisle od povrchu země, obvykle v centimetrech.
• Tloušťka (D) je hloubka sněhu měřená v pravém úhlu ke svahu na šikmých sněhových pokrývkách, obvykle v centimetrech.
• Výška sněhové pokrývky (HS) je celková hloubka sněhové pokrývky, měřená svisle v centimetrech od základny k povrchu sněhu.
• Výška nového sněhu (HN) je hloubka čerstvě napadaného sněhu v centimetrech, která se nahromadila na sněhové desce během 24 hodin nebo v jiném stanoveném období.
• Ekvivalent sněhové vody (SWE) je hloubka vody, která by vznikla, kdyby se sněhová hmota úplně roztavila, ať už v dané oblasti nebo na omezeném sněhovém pozemku, vypočtená jako součin výšky sněhu v metrech vynásobená vertikálně integrovanou hustotou v kilogramech na metr krychlový.
• Vodní ekvivalent sněžení (HNW) je ekvivalent sněhové vody ve sněhu, měřený pro standardní pozorovací období 24 hodin nebo jiné období.
• Síla sněhu (Σ) zda lze pevnost ve sněhu v tlaku, v tahu nebo ve smyku považovat za maximální namáhání, které sníh vydrží bez poškození nebo prasknutí, vyjádřeno v pascaly za sekundu na druhou.
• Pronikavost sněhové plochy (P) je hloubka, kterou předmět proniká do sněhu z povrchu, obvykle měřená švýcarským rammsonde, nebo hruběji osobou stojící na lyžích, v centimetrech.
• Vlastnosti povrchu (SF) popisuje obecný vzhled povrchu sněhu v důsledku usazování, přerozdělování a eroze větrem, tání a opětovného zmrazování, sublimace a odpařování a deště. Následující procesy mají odpovídající výsledky: hladký — depozice bez větru; vlnitý - vítr uložený sníh; konkávní brázdy - tání a sublimace; konvexní brázdy - déšť nebo tání; náhodné brázdy - eroze.
• Zasněžená oblast (SCA) popisuje rozsah zasněžené země, obvykle vyjádřený jako zlomek (%) z celkového počtu.
• Úhel sklonu (Φ) je úhel měřený od horizontály k rovině svahu pomocí klinometru.
• Aspekt sklonu (AS) je směr kompasu, ke kterému směřuje sklon, kolmý k výškovým obrysům, daný buď stupněm od skutečného severu N = 0 ° = 360 ° nebo jako N, SV, SV, JV, J, JZ, Z, SZ.
• Čas (t) se obvykle udává v sekundách po dobu měření nebo v delších jednotkách k popisu stáří sněhových nánosů a vrstev.

Nástroje

Ultrazvukový senzor hloubky sněhu

Hloubka - Hloubka sněhu se měří pomocí a snowboard (typicky kus překližky natřený na bílo) pozorovaný během šesti hodin. Na konci šestihodinového období je z měřicí plochy odklízen veškerý sníh. Pro celkové denní sněžení se sečtou čtyři šesthodinová měření sněžení. Sněžení může být velmi obtížné měřit kvůli tání, zhutňování, foukání a unášení.^[15]

Kapalný ekvivalent podle rozchodu sněhu - Kapalný ekvivalent sněžení lze vyhodnotit pomocí a rozchod sněhu^[16] nebo se standardem srážkoměr o průměru 100 mm (4 palce; plast) nebo 200 mm (8 palců; kov).^[17] Dešťové měřiče jsou upraveny na zimu odstraněním nálevky a vnitřního válce a tím, že se sníh / mrznoucí déšť shromažďují uvnitř vnějšího válce. Nemrznoucí směs k roztavení sněhu nebo ledu, který spadá do měřidla, lze přidat kapalinu.^[18] U obou typů měřidel, jakmile se sněžení / led hromadí, nebo jakmile se jeho výška v rozchodu přiblíží 300 mm (12 palců), sníh se roztaje a zaznamená se množství vody.^[19]

Klasifikace

The Mezinárodní klasifikace pro sezónní sníh na zemi má rozsáhlejší klasifikaci ukládaného sněhu než ty, které se týkají polétavého sněhu. Seznam hlavních kategorií (citovaných společně s jejich kódy) obsahuje:^[14]

• Srážkové částice (PP) (Viz. níže)
• Strojově vyrobený sníh (MM) - Mohou to být kulaté polykrystalické částice ze zamrzání velmi malých kapiček vody z povrchu dovnitř nebo rozdrcené částice ledu z drcení a nucené distribuce
• Rozkládající se a fragmentované srážecí částice (DF) - Rozklad je způsoben zmenšením povrchové plochy, aby se snížil počáteční rozpad volné energie na povrchu slabým větrem. Vítr způsobuje fragmentaci, shlukování a zaokrouhlování částic.
• Zaoblená zrna (RG) - Liší se od zaoblených, obvykle podlouhlých částic o velikosti kolem 0,25 mm, které jsou vysoce slinuté. Mohou být také zabalené do větru nebo do tváře zaoblené.
• Facetované krystaly (FC) - Růst s difúzí par zrna k zrnu poháněnou velkým teplotním gradientem je hlavním hnacím motorem tvářích krystalů v suchém sněhu.
• Hloubkový kopyto (DH) - Difúze par zrn do zrn poháněná velkým teplotním spádem je hlavním hnacím motorem hloubkového pokope v suchém sněhu.
• Surar Hoar (SH) - Rychlý růst krystalů na povrchu sněhu přenosem vodní páry z atmosféry směrem k povrchu sněhu, který je chlazen radiačním chlazením pod teplotu okolí.
• Tavné formy (MF) - Rozsah od seskupených kulatých zrn vlhkého sněhu přes zaokrouhlené polykrystaly zmrazené taveninou, když voda v žilách zamrzne, až po volně spojené, úplně zaoblené jednotlivé krystaly a polykrystaly. Až po polykrystaly z povrchové vrstvy mokrého sněhu, které po navlhnutí taveninou nebo deštěm zmrzly .
• Ledové útvary (IF) - Zahrňte následující funkce: Vodorovné vrstvy, které jsou výsledkem deště nebo taveniny z povrchu prosakujícího do studeného sněhu a opětovného zamrzání podél bariéry vrstev. Svislé prsty zmrzlé vypuštěné vody. Oživení bazální kůry z roztavené vody pramenící nad substrátem a zamrzá. Glazura ledu na povrchu sněhu vyplývající z mrznoucího deště na sněhu. Sluneční kůra z roztavené vody na povrchu sněhu zmrzne na povrchu v důsledku radiačního chlazení.

Srážkové částice

Klasifikace zmrazených částic rozšiřuje předchozí klasifikaci Nakaya a jeho následovníků a je uvedena v následující tabulce:^[14]

Všechny jsou tvořeny v oblacích, s výjimkou rýmu, který se tvoří na objektech vystavených podchlazené vlhkosti, a některých desek, dendritů a hvězd, které se pod jasnou oblohou mohou tvořit v teplotní inverzi.

Fyzikální vlastnosti

Každá taková vrstva sněhové pokrývky se liší od sousedních vrstev jednou nebo více charakteristikami, které popisují její mikrostrukturu nebo hustotu, které společně definují typ sněhu, a dalšími fyzikálními vlastnostmi. Kdykoli tedy musí být definován typ a stav sněhu tvořícího vrstvu, protože na nich závisí jeho fyzikální a mechanické vlastnosti. The Mezinárodní klasifikace pro sezónní sníh na zemi stanoví následující měření vlastností sněhu (spolu s jejich kódy):^[14]

• Mikrostruktura sněhu je složité a těžko měřitelné, přesto má zásadní vliv na tepelné, mechanické a elektromagnetické vlastnosti sněhu. Ačkoli existuje více prostředků pro charakterizaci mikrostruktury, neexistuje standardní metoda.
• Tvar zrna (F ) zahrnuje jak přírodní, tak umělé usazeniny, které se mohly rozložit nebo mohou zahrnovat nově vytvořené krystaly zmrazené-rozmrzlé nebo z jinovatky.
• Velikost zrna (E ) představuje průměrnou velikost zrn, každé měřeno v největším rozsahu, měřeno v milimetrech.
• Hustota sněhu (ρ_s ) je hmotnost na jednotku objemu sněhu známého objemu, počítaná jako kg / m³. Klasifikace probíhá od velmi jemných pod 0,2 mm do velmi hrubých (2,0–5,0 mm) a dále.
• Tvrdost sněhu (R ) je odolnost proti vniknutí předmětu do sněhu. Většina studií sněhu používá pěst nebo prsty pro měkčí sníh (velmi měkký až střední) a tužku (tvrdý) nebo nůž (velmi tvrdý) pod hranicí tvrdosti ledu.
• Obsah kapalné vody (LWC ) (nebo obsah volné vody) je množství vody ve sněhu v kapalné fázi z taveniny, deště nebo z obou. Měření jsou vyjádřena jako objemový nebo hmotnostní zlomek v procentech. Suchý sníh má průměrný objemový podíl 0%. Mokrý sníh 5,5% a promočený je větší než 15%.
• Teplota sněhu (T_s ) se často měří v různých nadmořských výškách ve sněhovém sloupci a nad ním: na zemi, na povrchu a udávaná výška nad povrchem ve ° C.
• Nečistoty (J ) běžně jsou to prach, písek, saze, kyseliny, organické a rozpustné materiály; každý by měl být plně popsán a uveden jako hmotnostní zlomek (%, ppm).
• Tloušťka vrstvy (L ) každé vrstvy sněhové pokrývky se měří v cm.

• 

  Dendritická vločka—mikrograf podle Wilson Bentley.

• 

  Trombocyty a jehly, dvě alternativní formy sněhových vloček.

• 

  Čerstvý, suchý sníh s nově vytvořenými vazbami, ukazující hranici zrn (uprostřed nahoře).

• 

  Shluk ledových zrn ve vlhkém sněhu s nízkým obsahem kapaliny - krystaly zrn se pohybují v rozmezí 0,5 až 1,0 mm.

Satelitní data a analýza

Dálkový průzkum Země sněhových balíčků se satelity a jinými platformami obvykle zahrnuje multispektrální sbírku snímků. Sofistikovaná interpretace získaných dat umožňuje vyvodit závěry o tom, co je pozorováno. Věda za těmito vzdálenými pozorováními byla ověřena studiemi pozemské pravdy o skutečných podmínkách.^[20]

Satelitní pozorování zaznamenávají pokles zasněžených oblastí od šedesátých let, kdy začala satelitní pozorování. V některých oblastech, jako je Čína, byl pozorován trend zvyšování sněhové pokrývky (od roku 1978 do roku 2006). Tyto změny se připisují globální změně klimatu, což může vést k dřívějšímu tání a menšímu pokrytí oblastí. V některých oblastech však může dojít ke zvýšení hloubky sněhu kvůli vyšším teplotám pro zeměpisné šířky severně od 40 °. Pro severní polokouli jako celek průměrný měsíční rozsah sněhové pokrývky klesá o 1,3% za deset let.^[21]

Satelitní pozorování sněhu se spoléhá na užitečnost fyzikálních a spektrálních vlastností sněhu pro analýzu dálkově snímaných dat. Dietz a kol. shrnout to takto:^[21]

• Sníh odráží vysoký podíl dopadajícího záření ve viditelných vlnových délkách.
• Země nepřetržitě emituje mikrovlnné záření ze svého povrchu, které lze měřit z vesmíru pomocí pasivních mikrovlnných senzorů.
• Použití aktivních mikrovlnných dat k mapování charakteristik sněhové pokrývky je omezeno skutečností, že lze spolehlivě rozpoznat pouze mokrý sníh.

Nejčastěji používané metody pro mapování a měření rozsahu sněhu, hloubky sněhu a ekvivalentu sněhové vody využívají více vstupů ve viditelném infračerveném spektru k odvození přítomnosti a vlastností sněhu. Národní středisko pro údaje o sněhu a ledu (NSIDC) používá odrazivost viditelného a infračerveného záření k výpočtu normalizovaného rozdílového sněhového indexu, což je poměr parametrů záření, který rozlišuje mezi mraky a sněhem. Jiní vědci vyvinuli rozhodovací stromy využívající dostupné údaje k přesnějšímu hodnocení. Jedním z problémů tohoto posouzení je situace, kdy je sněhová pokrývka nerovnoměrná, například během období akumulace nebo ablace a také v zalesněných oblastech. Mraková pokrývka inhibuje optické snímání povrchové odrazivosti, což vedlo k dalším metodám pro odhad pozemních podmínek pod mraky. U hydrologických modelů je důležité mít průběžné informace o sněhové pokrývce. Použitelné techniky zahrnují interpolaci pomocí známé k odvození neznámého. Pasivní senzory mikrovln jsou obzvláště cenné pro časovou a prostorovou kontinuitu, protože mohou mapovat povrch pod mraky a ve tmě. V kombinaci s reflexními měřeními pasivní mikrovlnné snímání výrazně rozšiřuje možné závěry o sněhové pokrývce.^[21]

Modely

Sněžení a tání sněhu jsou součástí koloběhu vody na Zemi.

Věda o sněhu často vede k prediktivním modelům, které zahrnují ukládání sněhu, tání sněhu a hydrologii sněhu - prvky Země koloběh vody —Které pomáhají popisovat globální změna klimatu.^[20]

Globální změna klimatu

Globální modely změny klimatu (GCM) začleňují sníh jako faktor do svých výpočtů. Mezi důležité aspekty sněhové pokrývky patří její albedo (odrazivost světla) a izolační vlastnosti, které zpomalují rychlost sezónního tání mořského ledu. Od roku 2011 se předpokládalo, že fáze tání sněhových modelů GCM funguje špatně v oblastech se složitými faktory, které regulují tání sněhu, jako je vegetační pokryv a terén. Tyto modely určitým způsobem počítají ekvivalent sněhové vody (SWE), například:^[20]

SWE = [–ln (1 - F_C )] / D

kde:

• F_C = částečné pokrytí sněhu
• D = hloubka maskování vegetace (≈ 0,2 m celosvětově)

Tání sněhu

Vzhledem k důležitosti tání sněhu pro zemědělství se modely hydrologického odtoku, které do svých předpovědí zahrnují sníh, zabývají fázemi akumulace sněhové pokrývky, procesů tavení a distribuce vody z taveniny prostřednictvím proudových sítí a do podzemních vod. Klíčem k popisu procesů tavení jsou sluneční tepelný tok, teplota okolí, vítr a srážky. Původní modely tání sněhu používaly přístup den-stupeň, který k výpočtu ekvivalentu sněhové vody (SWE) zdůraznil teplotní rozdíl mezi vzduchem a sněhovou pokrývkou jako:^[20]

SWE = M (T_A – T_m) když T_A ≥ T_m

= 0 kdy T_A < T_m

kde:

• M = koeficient tání
• T_A = teplota vzduchu
• T_m = teplota sněhové pokrývky

Novější modely používají přístup energetické bilance, který k výpočtu energie dostupné pro tavení zohledňuje následující faktory (Q_m) tak jako:^[20]

Q_m = Q^* +Q_h + Q_E + Q_G + Q_r – Q_Θ

kde:

• Q^* = čisté záření
• Q_h = konvekční přenos citelného tepla mezi sněhovou pokrývkou a vzdušnou hmotou
• Q_E = latentní teplo ztracené odpařováním nebo kondenzací na sněhové pokrývce
• Q_G = vedení tepla ze země do sněhové pokrývky
• Q_r = šíření tepla deštěm
• Q_Θ = rychlost změny vnitřní energie na jednotku plochy

Výpočet různých množství tepelného toku (Q ) vyžaduje měření mnohem většího rozsahu sněhu a faktorů prostředí než jen teploty.^[20]

Inženýrství

Přesun radarového zařízení DYE 2 na nové základy na Grónsko ledová čepička.

Znalosti získané z vědy se promítají do inženýrství. Čtyři příklady jsou výstavba a údržba zařízení na polárních ledových čepicích, zřízení sněhových drah, návrh sněhové pneumatiky a kluzné plochy lyží.

Přejímací zkoušky dráhy Phoenix pro kolová letadla v Stanice McMurdo s Boeing C-17.

• Budovy na sněhových základech - Americká armáda Výzkumná a inženýrská laboratoř studených regionů (CRREL) hrál roli při pomoci Americké letectvo založit^[22] a udržovat systém Vzdálené včasné varování (DEW) Zařízení linky během Studená válka éra. V roce 1976 se výzkumný pracovník CRREL podílel na přesunu 10patrové budovy DEW Line o výšce 2900 t (3200 krátkých tun) na Grónská ledová čepička od základu, který byl kompromitován pohybem ledu, na kterém byl postaven, k novému základu.^[23] To vyžadovalo měření in situ síla sněhu a její použití při navrhování nových základů pro budovu.
• Sněhové dráhy - V roce 2016 navrhli, postavili a otestovali nový sníh CRREL Research Civil Engineers přistávací dráha pro Stanice McMurdo s názvem „Phoenix“. Je navržen tak, aby pojal přibližně 60 ročních výpadů těžkých, kolových dopravních letadel. Zhutněná sněhová dráha byla navržena a zkonstruována pro provoz a Boeing C-17 o hmotnosti více než 230 000 kg (500 000 lb). To vyžadovalo technické znalosti vlastností mechanicky vytvrzeného sněhu.^[24]
• Sněhové pneumatiky - Pneumatiky do sněhu plní tři funkce: hutnění, střih a lepení. Na vozovkách zhutňují sníh před sebou a poskytují a stříhat vazba mezi běhouny a utlačeným sněhem. V terénu také ovlivňují utlačený sníh. Kontakt s ložiskem musí být dostatečně nízký, aby pneumatiky neklesly příliš hluboko, aby se zabránilo narušení postupu vpřed zhutněním sněhu před nimi.^[25] Konstrukce běhounu je rozhodující pro sněhové pneumatiky používané na silnicích a představuje kompromis mezi trakcí na sněhu a komfortem a ovladatelností na suché i mokré vozovce.^[26]
• Sněhové jezdce - Schopnost a lyže nebo jiný běžec klouzání po sněhu závisí na vlastnostech sněhu i lyže, což má za následek optimální množství mazání při roztavení sněhu třením s lyží - příliš málo a lyže interaguje s pevnými sněhovými krystaly, příliš mnoho a kapilární přitažlivost taveniny zpomaluje lyže. Předtím, než může lyže sklouznout, musí překonat maximální hodnotu statického tření, ${ displaystyle F_ {max} = mu _ { mathrm {s}} F_ {n} ,}$, pro kontakt na lyže / sníh, kde ${ displaystyle mu _ { mathrm {s}}}$ je koeficient statického tření a ${ displaystyle F_ {n} ,}$ je normální síla lyže na sněhu. Kinetický (nebo dynamický) tření dochází, když se lyže pohybují po sněhu.^[27]

Reference

externí odkazy

• Program OSN pro životní prostředí: Globální výhled na led a sníh
• Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University
• Web Švýcarského federálního institutu pro výzkum lesů, sněhu a krajiny
• Webové stránky amerického Národního sněhového a ledového datového centra o sněhu
• Americká společnost stavebních inženýrů načítá interaktivní mapu pro kontinentální USA
• Mezinárodní klasifikace sezónního sněhu na zemi (ICSSG)