Как исчезает снег
Кандидат географических наук Марк Софер. Фото Натальи Домриной
Зима ещё хлопочет
И на Весну ворчит…
Ф. И. Тютчев
Какой бы долгой ни была зима, рано или поздно она сменяется весной, а когда именно произойдёт поворот от зимы к весне, точнее всего скажет… снег. Время достижения наибольшей высоты снежного покрова — переломный момент в годовом цикле природы. Зима кончается, как только снежный покров перестаёт расти (кроме тех мест, где он неустойчив или кратковременен). На огромных пространствах северной Европы и Сибири к концу февраля — началу марта, как правило, накапливаются максимальные снегозапасы. Если в это время сделать гигантский «снежный разрез», то по нему можно прочитать «биографию» уходящей зимы, ведь каждый слой — страничка из жизни снега.
Размер кристаллов свидетельствует о возрасте слоя. В самом низу, у более старого снега, кристаллы к марту становятся крупными и прозрачными. Чем выше, тем они мельче, а на самом верху снег совсем не успевает перекристаллизироваться. По числу ледяных прослоек можно установить, сколько было оттепелей. Тёмные, грязные полоски (особенно явные вблизи крупных населённых пунктов) — «справка» о том, что снег долго не выпадал. Каждый последующий слой свидетельствует об очередном снегопаде.
На большей части Евразии в феврале — марте происходит уплотнение и таяние снега. Сначала солнечные лучи только прогревают его толщу. Затем, когда температура во всём слое поднимается до нуля, начинается быстрое таяние. Снег пропитывается водой. Этот процесс напоминает поведение куска сахара в воде. А Сергей Есенин подметил, что:
Снег, словно мёд ноздреватый,
Лёг под прямой частокол.
Действительно, талая вода прокладывает вертикальные ходы в снежном покрове, и он приобретает вот такой «ноздреватый» вид.
Наступает основной период снеготаяния, который длится до схода снега на половине площади. Именно в этот период, очень короткий по сравнению со временем снегонакопления, теряется до 80% зимних снегозапасов.
Обильные северные снега, накопленные природой в течение почти полугода, могут стаять за 20 дней (примерно за такой срок освобождаются от снега Финляндия, Швеция, север России). В средней полосе процесс идёт ещё быстрее — за 8—10 дней. Всего за неделю сходит снег почти во всей Украине и в Поволжье.
Продолжительность снеготаяния имеет исключительное значение. Чем она короче, тем больше в единицу времени стекает талой воды с поверхности почвы. Трудно найти более краткое и точное описание этого периода, чем в знаменитых строках Фёдора Ивановича Тютчева (1836 год):
Ещё в полях белеет снег,
А воды уж весной шумят…
Почти через полвека ленинградский поэт Иван Дементьев написал:
Сугроб уже сутулится
От солнечных лучей,
И побежал по улице
Сверкающий ручей.
И «шум воды» и «бегущий ручей» свидетельствуют о таком бурном таянии, которое не может пройти бесследно. Не каждая речка способна принять в себя гигантский поток талой воды, особенно если она не успела освободиться ото льда после зимней спячки. Именно в период интенсивного снеготаяния возникает угроза катастрофических половодий, сильного разрушения (эрозии) почвы, деформации русел рек.
По данным метеорологов, стаивающий за сутки снег может дать около 30 л воды с 1 м 2 поверхности. При особо благоприятных условиях — до 80 л. Представьте, что столько воды выливается за сутки на 1 м 2 участка — в некоторых регионах страны это соответствует месячной норме осадков.
Но это там, где снега много. Где его мало, таяние заканчивается намного быстрее. В степных районах из-за сухости воздуха и интенсивной солнечной радиации возможно прямое испарение снега, без превращения его в воду. Такое «съедание» снега не угрожает разрушительным половодьем, однако лишает почву живительной влаги под будущий урожай.
Как же узнать, где снега много, а где мало, какой окажется предстоящая весна и какие «сюрпризы» нам преподнесёт природа? Чтобы получить ответы на эти вопросы, метеорологи систематически проводят снегомерную съёмку почти на всей заснеженной площади планеты. Из-за разнообразия климата и рельефа картина распределения снега получается довольно пёстрой.
Как же исчезает снег? Постепенно, почти незаметно. Даже в устойчивую, без единой оттепели морозную зиму снежный покров истончается, так что к весне он оказывается полностью «съеденным». Не успевая растаять, снег испаряется.
Физики называют процесс испарения снега или льда, то есть перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое, сублимацией или возгонкой. Физические законы (включая термодинамические), по которым происходит испарение и кристаллизация ледяных частиц, достаточно сложны. Количественные характеристики этих процессов зависят как от многообразных свойств снега, так и от условий внешней среды, к которым помимо температуры и влажности воздуха относится и ветер — он иногда становится хозяином снега. Благодаря ветру снег может не только падать вниз, но и взлетать, перемещаться на большие расстояния, рассеиваться, усиленно испаряться.
Учесть все перемещения снега, оценить его потери, определить сроки исчезновения позволяют балансовые методы расчёта. Как в хорошей бухгалтерии, по ним можно проследить каждый этап жизни снега: выпадение, перемещение, отложение, исчезновение.
Если сопоставить массу всех выпадающих из облака снежинок с массой снега, уже достигшего земли, то они не будут равны. Внизу наверняка обнаружится существенная «недостача». Естественным объяснением этого будет «усушка» снега по дороге между небом и землёй. Действительно, количество снега, достигшего земли, гораздо меньше, чем начавшего падать с облака. Но это явление — в рамках законов физики.
Известно, что мелкие капли и ледяные кристаллики испаряются при дефиците влажности воздуха поразительно быстро, буквально на лету. Объясняется это тем, что продолжительность испарения таких частиц приблизительно пропорциональна квадрату их радиуса. Следовательно, при прочих равных условиях частица радиусом 0,1 мм испарится и исчезнет в 100 раз быстрее, чем частица радиусом 1 мм. Чем меньше становится снежинка, тем быстрее она испаряется, а начав «худеть», она уже не может остановиться.
Но для сильного «похудания» нужно время. Хватит ли его снежинке на сравнительно коротком пути к земле? Временем она располагает немалым, ведь срок жизни свободно парящей снежинки составляет десятки минут. Например, при высоте облачного слоя 2 км над поверхностью земли и средней скорости падения снежинок 1 м/с снежинка пройдёт свой путь за 2000 секунд, или 33 минуты. Если воздух достаточно холодный и влажный, то снежинки, не очень «исхудав», успевают долететь до земли и образовать снежный покров. Если же воздух окажется более тёплым и сухим, то снежинки испарятся, не достигнув земли. Ситуация, о которой говорят: «тучи есть, а снега нет».
Знание высоты и продолжительности полёта снега, его способности испаряться в воздухе имеет большое практическое значение. От этих параметров зависят весенние снегозапасы, а следовательно, и водность рек. Установлено, что в одном и том же географическом районе на возвышенностях снега выпадает больше, чем на равнинах. Причина — меньший путь от облаков до земли и соответственно меньшие потери снега на испарение. Балансовые расчёты снега позволяют увидеть многие знакомые явления с новой, неожиданной стороны, дают им научное объяснение.
Например, уже давно замечен интересный факт: после сильной метели количество снега в наметённых сугробах не соответствует убыли снега на обдуваемых полях — оно значительно меньше. Куда же исчезает с поля остальной снег?
Лишь сравнительно недавно удалось экспериментально доказать, что переносимые ветром частицы снега во время своего полёта интенсивно испаряются. Выяснилось, что в сухом воздухе для снежинки среднего размера существует максимальная длина переноса, которая определяет, быть снежинке в сугробе или исчезнуть по дороге. Чем больше скорость ветра, тем меньше время перелёта этого критического расстояния и, следовательно, больше дальность переноса снега.
Какой же путь успевает совершить снежинка до своего исчезновения? Это зависит и от рельефа, и от сухости (влажности) воздуха. Различия в «длине пробега» очень велики. Например, в горных районах на расстояние больше 0,5 км снег не перемещается. На равнинах Западной Сибири снежинки могут улететь за 30—50 км от того места, где их подхватил порыв ветра. Вот почему при сравнительно небольшом количестве зимних осадков снега там всегда вдосталь.
В Приволжье, в степях Казахстана и Западной Сибири потери снега с открытых мест в среднем составляют 50% от выпавших осадков. В условиях малоснежных зим это губительно отражается на урожае. Недаром возникла старинная пословица, фиксирующая эту связь: «снегу надует — хлеба прибудет» (то есть надует на поля).
Многие, возможно, обращали внимание, что падающий без ветра снег старательно повторяет все тонкости местного рельефа. Но уже через несколько часов эти тонкости начинают стираться. Через несколько дней поверхность снежного покрова выравнивается, а к концу сезона приближается к плоской, какой её видел А. И. Полежаев (1835 год):
Вдали, кругом, холодная немая —
Везде одна равнина снеговая;
Везде один безбрежный океан,
Окованный зимою великан!
Снег тщательно сглаживает неровности рельефа. Чем вызвана такая «самонивелировка»?
Дело в том, что испарение снежных частиц зависит от площади их внешней поверхности и происходит с любой стороны, куда есть доступ воздуху, а тем более ветру. Чем больше открытой поверхности, тем больше испарение. Минимально оно с плотной плоской поверхности. Вот почему снежинки стараются «не высовываться», как можно плотнее прижаться друг к другу, а поверхность снежного покрова — принять форму, наиболее устойчивую к ветру. Это либо плоскость, либо очень пологие сугробы.
Те же небольшие скопления снега, что оказались открытыми, незащищёнными, подвергаются сильнейшему воздействию ветра и вынуждены исчезнуть, точнее — превратиться в водяной пар. Самая незавидная участь — у отдельных снежинок. Если они не прикроют своими «телами» друг друга, то, обдуваемые ветром со всех сторон, испаряются в 10—100 раз быстрее, чем в безветрие. Вот почему снег так быстро исчезает с крон деревьев, проводов, шпилей. Иногда он почти полностью рассеивается во время метелей. Происходит процесс, о котором можно сказать: «ветер снег съедает».
Но не только сублимация и ветер определяют судьбу снега. Он испытывает множество других воздействий: давление вышележащих слоёв, колебания температуры в зимние месяцы, оттепели, поверхностное таяние и последующее замерзание воды, просачивающейся вглубь, а также конденсацию — прямой переход воды из газообразного в твёрдое состояние. Известно, что в интервале плотности лежалого снега от 270 до 360 кг/м 3 увеличение температуры всего на 1 градус даёт увеличение плотности на 4 кг/м 3 . Со временем снег настолько уплотняется, что перестаёт быть собственно снегом, превращаясь в фирн, или зернистый лёд. В зависимости от погодных условий плотность фирна колеблется от 360 до 800 кг/м 3 , что в 3—5 раз превышает плотность своего самого первого предшественника. Таким образом, под влиянием погодных факторов снег уплотняется, проседает, высота снежных сугробов заметно уменьшается.
В шутку этот процесс можно назвать «утруской» снега.
Более плотный снег и ледяная корка, в том числе и наст, ничуть не снижают темпов исчезновения некогда обширного белого покрова, а даже увеличивают его из-за повышения плотности и, как следствие, теплопроводности. Температура поверхности при этом будет выше температуры поверхности рыхлого снега, поскольку с увеличением плотности вещества толщина слоя поглощения солнечной радиации уменьшается, что приводит к большему его нагреву.
Лёд испаряется не только при положительных температурах воздуха, но и при самых сильных морозах, тем более что им сопутствует низкая влажность воздуха.
Именно весной, при уже хорошо пригревающем солнце, мы замечаем, что от тающего снега веет холодом. Он ощутим даже при плюсовых температурах воздуха. Недаром говорят, что весеннее тепло обманчиво. Причина известна: в соответствии с законами термодинамики процесс таяния «отбирает» у прилегающих слоёв воздуха тепло и тем самым холодит его.
Перейдя на участок, где снег уже растаял, вы заметите, что стало ощутимо теплее — земля быстро прогревается и подсыхает. Этот процесс также не остался без поэтического отражения. Слова А. К. Толстого (1856 год) лаконичны и точны:
Вот уж снег последний в поле тает.
Тёплый пар восходит от земли.
Эти термодинамические процессы в определённых ситуациях мы успешно используем в своей практической деятельности. Например, «сухое» испарение льда (возгонку), когда вывешиваем зимой на улице мокрое бельё. Казалось бы, как можно высушить его на морозе? Оно же просто замёрзнет! Бельё действительно замерзает, превращаясь в твёрдое несгибаемое полотно, но в таком состоянии оно тоже сохнет — процесс испарения продолжается, но не с поверхности жидкости, а с поверхности льда. Открытое пространство, а тем более ветер способствуют испарению и ускорению сушки.
Поэтому для ускорения схода снега в городах ближе к весне производится сколка уплотнённого снега у поребриков тротуаров, разрушение залежалых снежных скоплений во дворах. И с этой же целью садоводы перелопачивают снег на своих участках. Несколько сухих, а ещё лучше ветреных дней — и все остатки снега бесследно исчезают, даже мокрого места не остаётся. Значит, весна полностью вступила в свои права.
Источник
Про Погоду
Погода, много ли мы про неё знаем? Казалось бы, что может быть проще — всё у нас на виду, всё прозрачно, всё так обыденно, что дальше некуда, всё разложено по нашим полочкам ещё в школе, причём разложено понятно и неопровержимо, что никаких сомнений не оставляет. Да и нужны ли сомнения в таком простом вопросе? В чём сомневаться-то? А, оказывается, есть нюанс.
Факты? Давайте посмотрим. Вроде бы простая вещь — смена времён года — всё нам вроде ясно, но всё ли? Мы ведь знаем лишь то, что обыденно происходит, но знаем ли мы почему? Вроде как знаем. Или лишь вроде как? Вот мы знаем, что зимой Солнце ниже над горизонтом, а значит, оно меньше греет Землю, а соответственно это вызывает похолодание. Вроде бы логично, но греет оно меньше, чем меньше показывается над горизонтом, но тогда самым холодным днём года должен быть день 22 декабря, самый длинный в году, самый мало солнечный! Но так ли это? Нет!
Говорят нам, что Земля ещё не успела остыть? Может и так, но почему она продолжает остывать до самого марта? Неужели солнце так плохо греет, что до самого марта не может остановить процесс остывания земли? Неужели Солнце такое слабое, что нам привычно, что в феврале стоят трескучие морозы? Морозы морозами, но в застеклённой комнате в такие дни очень даже жарко и сильно-сильно светит ослепительное Солнце на трескучем морозе, а вот если открыть, то остывает помещение быстро. Даже морозец чувствуется через стёкла, хоть солнце февральское печёт! Неужели это не странно?
Мы же привыкли рассматривать Солнце как большой нагревательный прибор, эдакую греющую нас лампу – где же вы видели, чтобы нагревательный прибор грел именно так? А затянутые тучами осенние дни не приводят нас к мысли, что тучи помогают сохранять оставшееся тепло? Приводят. И что же мы видим в сумрачном декабре-январе? То же самое, но холоднее! Да, но солнце продолжает светить на эти скопившиеся тучи — неужели оно так слабо, что не может их согреть и испарить? Они бы давно разбежались под жаркими лучами Солнца!
И всё бы логично, если не посмотреть на другое полушарие — там и зимы, как известно мягче, где вы видели в Африканском Кейптауне снег? И Лето жарче, как мы слышали, что аж до самого конца материковых южных широт. А вроде Земля как из 2-х полушарий, но почему-то в северном полушарии в Лето холоднее на тех же широтах, чем в южном полушарии! Разве ж это справедливо? Или половинки не такие уж и одинаковые?
Думаете, что в это из-за смещённой орбиты Земли к Солнцу в это время? Из-за такой причины те же широты лучше прогреваются? Правда? Может быть, если не казус с Южным полюсом. Он холоднее Северного. Пингвинам на северном полюсе будет жарковато! Странно, не правда ли, что на таком жарком южном полушарии есть места более холодные на самом полюсе, чем в более холодном северном полушарии на его полюсе? Половинки какие-то не половинистые получается. И не совсем равноправные. Но это всё ещё можно попытаться списать на глобальные циклоны, шторма, течения, океаны, которые так или иначе, невидимым, но понятным нам образом влияют на всё это.
А теперь возьмём вот такой факт: видели ли вы как сходит снег? Как он тает, что и как происходит? Если вы оттаивали холодильник, то замечали, что всегда сначала снег/лёд оттаивает от поверхностей! Да, тут есть объяснение — эти поверхности быстрее нагреваются. Но теперь посмотрим, как тает снег в природе, весной. Солнце вовсю греет, а снег лежит на полях, на больших полях, покрытых толстенным слоем снега и постепенно, кое-где начинают пробиваться ручьи! Заметим, что они образуются под снегом! Снег начинает таять снизу, а не сверху, откуда светит солнце, а снизу! Снег оттаивает от земли, оседая постепенно! Более того, если внутри снега затерялся предмет, то таять снег начнёт вокруг него, даже если предмет под толстенным слоем снега! И? Предмет постепенно провалится через протаявший снег вниз! Вы видели, как предметы, застрявшие в снегу, при таянии сугробов показывались снаружи, не достигнув перед этим земли вместе с оседающим снегом? И не увидите! А внимательные заметят, что если в снегу затерялись предметы, то оседающий снег в местах их нахождения проваливается лунками! Ибо снег вокруг предметов тает быстрее! Но как?! Неужели свет солнца проникает сквозь толщу снега и нагревает их?
Разве земля под снегом может так нагреваться от Солнца, чтобы снег начал таять? Как, разве снег прозрачен для света и тепла Солнца? Если вы пробовали когда-нибудь растопить лёд, то знаете, что на это надо потратить довольно много энергии, откуда она берётся под снегом? Неужели солнце просвечивает снег насквозь и согревает землю сквозь толщу снега? Или же немногочисленные выступы земли на поверхность в самом начале этого процесса могут передать тепло в таких масштабах под все сугробы вокруг? Нет. Попробуйте разморозить сосульку хотя бы на языке — вы увидите, сколько надо потратить тепла на это, а снег на полях тает сразу по всей площади, хотя и под светом Солнца, а в тенёчках залёживается. Сомневаетесь? Обратите внимание на срез такого льда — вы увидите снизу точно такую же корочку льда, как и у оттаявшего снега в холодильнике. А если предмет затерялся в сугробе? То талая вода вокруг него леденеет при весеннем заморозке, и он укутывается в корочку люда. Выходит, что предмет до этого растопил снег?
Или ещё интересный случай — мы всё знаем, что в горах лежит снег. Но так же знаем, что оттуда текут талые воды — как же они тают, а снег продолжает лежать? А тают они под снегом! Но при этом талый снег, что стёк водой, должен образовать немалые пустоты под толщей снега? И вся масса снега рухнуть в эту пустоту. Вон горы, вон снежные шапки, вон ручьи, что текут, и текут, и текут, но снег не кончается и не проваливается в протаявшие полости внутри. Казус. Если земля даже в этом месте такая горячая, то почему лежит снег? Если не такая горячая, то откуда берётся вода и почему она не замерзает по дороге? И почему эти ручьи текут и текут, а снег лежит и лежит, как если бы там где-то высоко в горах, под снежными шапками били родники?
Реки. Мы знаем, что они замерзают сверху, но вот то, что они оттаивают снизу, мы как-то не задумываемся! Лёд утончается снизу, не сверху, как будто сначала вода начинает нагреваться и это является причиной таяния льда и это ещё понятно при реках текущих с тёплых мест, но в реках с гор? А в озёрах и других водоёмах? Как же они прогреваются? Неужели тоже солнцем? Тем «слабым» солнцем, которое не может до марта прогреть землю и отогнать холод в феврале!
Казус, который не имеет объяснения и потому в школе, где рассказывают о природе не упоминаемый, но упоминаемый на уроках физики, но кто же из нас соотнесёт эти явления — предметы-то разные. Вот и живём в такой двойственности, принимая это как данность, ибо так говорили в школе.
Но на это можно посмотреть и с другой стороны. Не кажется ли вам, что при таких фактах единственно правильным выводом является то, что не солнце является первопричиной такого положения дел, а внутренние дела планеты? Только она сама способна на такие кульбиты в таком привычном нам варианте. И если она способна на такое, то ей ничего не стоит, при желании их немного подкорректировать!
А Солнце? А что Солнце? Оно тоже может светить и греть, но не в таких масштабах, как мы ему приписываем и не в такой безнадёжной обречённости, что ему приписываем, что де погаснет, и все-все помёрзнем. Ну, возможно будет несколько темнее, но вот помёрзнем ли – это вопрос.
Источник