Добавить публикацию
Сообщить об ошибке
Сообщить об ошибке
! Не заполнены обязательные поля
В царстве снега
В царстве снега
Автор книги: А. К. Дюнин
Год издания: 1983
Издательство: Издательство "Наука" Сибирское отделение Новосибирск
Тип материала: книга
Категория сложности: нет или не указано

Книга посвящена проблемам современного снеговедения - недавно сформировавшейся науки о снежной мантии нашей планеты, призванной наряду с другими науками о Земле сохранить и улучшить природу. Автор рассказывает о свойствах снежного покрова, о причинах, вызывающих жестокие бураны и грозные горные лавины, о средствах укрощения этих опасных явлений, о многочисленных формах использования снега - от дорожных тоннелей в снежной толще Гренландии до защиты нежных плодовых культур от вымерзания.

В царстве снега на сервере Скиталец


В царстве снега

А. К. Дюнин

Академия наук СССР, Сибирское отделение

Серия "Человек и окружающая среда"

Ответственный редактор чл.-кор. АН СССР П. И. Мельников

Издательство "Наука"
Сибирское отделение
Новосибирск 1983

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие автора

Глава первая. Снеговодоние - новая наука?
- Свидетельства истории
- Снеговедение - ветвь гляциологии
- Снег и ледниковые периоды
- Инженерное снеговедение

Глава вторая. Необычные свойства снега
- Теплофизнка снега. Его испарение
- Чудо метаморфизма
- Теплопроводность снега
- Радиационные свойства снега
- Твердение снега
- Разнообразие снежных кристаллов
- Стратиграфия снежного покрова

Глава третья. Бураны
- Классификация метелей
- Начало буранов
- Зона разгона
- Транспортирующая способность метелей
- Предельная дальность переноса снега
- Законы снежных заносов
- Метелевый рельеф
- Горные метели
- "Метелевое электричество"
- Есть ли метели на Марсе?

Глава четвертая. "Белая смерть"
- География лавин
- Физика лавин
- Дальность выброса лавин
- Удар лавины
- Прогноз лавин
- "Дактилоскопия" лавин

Глава пятая. Борьба со снежными фуриями
- Проблема уборки снега
- Защита от буранов
- Первые шаги в борьбе с лавинами
- Современные средства защиты от снежных лавин

Глава шестая. Снег служит человеку
- Снегомелиорация
- Снегопахание
- Сибирские фрукты и снег
- Снежный транспорт
- Снег - строительный материал
- Снег и спорт
- Снег-летописец
- Снег и охрана окружающей среды

Примечания

Литература для дополнительного чтения

Книга посвящена проблемам современного снеговедения - недавно сформировавшейся науки о снежной мантии нашей планеты, призванной наряду с другими науками о Земле сохранить и улучшить природу. Автор рассказывает о свойствах снежного покрова, о причинах, вызывающих жестокие бураны и грозные горные лавины, о средствах укрощения этих опасных явлений, о многочисленных формах использования снега - от дорожных тоннелей в снежной толще Гренландии до защиты нежных плодовых культур от вымерзания.

Для широкого круга читателей - инженеров, преподавателей, студентов, учащейся молодежи.

ПРЕДИСЛОВИЕ АВТОРА

Книга, предлагаемая читателям и освещающая в популярной форме современное состояние снеговедения как ветви общей гляциологии, написана, пожалуй, впервые на эту тему и в такой форме.

Сведений о науке снеговедение пока нет ни в одной энциклопедии, так как она оформилась сравнительно недавно в связи с резким усилением темпов освоения Заполярья, Антарктиды, севера Сибири, Канады, Аляски. Снег - решающий погодный фактор, он оказывает влияние на все отрасли народного хозяйства и особенно в районах сурового климата. Снеговедение, бурно развивающееся в СССР и за рубежом, становится серьезной, многосложной современной дисциплиной, общенаучная значимость которой весьма велика, а практические приложения неисчислимы.

Но, как и в любом новом деле, в учении о снеге остаются еще нерешенные проблемы, ждущие своих энтузиастов. То, что "обыденный" снег раньше плохо изучался, может показаться курьезом, но нетрудно привести множество примеров подобного отставания в изучении и других обычных явлений. Не надо забывать и то, что снеговедение имеет дело с материалом, требующим применения специальных разделов физики в механики, тончайших методов экспериментальных и полевых наблюдений, которые разработаны недавно.

Главная цель, поставленная автором, - вызвать у читателя интерес к Снежной Мантии нашей Планеты, к большим проблемам ее исследования и практического использования, а также к проблемам защиты от таких снежных фурий, как бураны и горные лавины.

Автор глубоко признателен члену-корреспонденту АН СССР П. И. Мельникову, поддержавшему идею издания книги и взявшему на себя тяжкий труд ее редактирования, и члену корреспонденту ЛИ СССР О. Ф. Васильеву - рецензенту, оказавшему огромную помощь ценнейшими советами и критическими замечаниями.

В царстве снега на сервере СкиталецГЛАВА ПЕРВАЯ
СНЕГОВЕДЕНИЕ - НОВАЯ НАУКА

Как необыкновенно красивы, как трагичны золотые, зеленые, в пышной листве, багряные, алые, неопавшие деревья под шапками снега/.. Каждая ветка на дереве под слоем снега, каждая железка в ограде, каждый ев завиток - все белое, игольчатое, пуховое.
Ольга Кожухова, Рано утром и поздно вечером

Трудно себе представить леса и равнины, величавые горы, да и всю нашу жизнь без снега, без его очарования. Он, пушистый, искрящийся, кипенный, дарит нам радость, учит прекрасному с самого детства.

Однажды было сказано, что в каждой капле дождя отражается весь мир. В каждой снежинке предстают перед нами красота и гармония природы.

Снег - чудеснейшая особенность нашей планеты. Он образуется на всех континентах в огромных количествах. Ежегодно снегом покрывается до 130 миллионов квадратных километров - четвертая часть всей поверхности Земли вместе с океанами.

Восьмая часть покрываемой снегом территории приходится на ледники, в том числе на ледяные щиты Антарктиды и Гренландии. Снег, отлагающийся там, почти полностью расходуется на питание ледников, постепенно превращаясь в лед и обновляя таким образом тела ледяных гигантов.

Треть заснеженной территории планеты составляют морские льды в Арктическом и Антарктическом бассейнах. Снежное укрытие есть одно из главных условий существования паковых (Пак - толстый и плотный многолетний лед в полярных водах) льдов.

Свободную от ледяного панциря сушу покрывает половина Снежной Мантии. При ее таянии увлажняется почва, рождаются родники, возникают речные половодья.

Всем известно, что снег образуется не на земной поверхности, он - детище высоких слоев атмосферы. Облака состоят из мелких снежинок и переохлажденных капель воды, и поэтому даже дожди, жидкие осадки могут иметь своим прямым предшественником атмосферный снег.

В круговороте влаги на планете Земля, от которого, зависит существование всего живого, снег играет решающую роль. Без него безвозвратно нарушилось бы существующее устойчивое состояние ледников и большая часть суши превратилась бы в безводную и безжизненную пустыню.

Можно предполагать, что столь распространенный в природе материал достаточно хорошо изучен и свойства его общеизвестны. У многих термин снеговедение вызывает скептическую улыбку: ну что нового можно найти в снеге? Какие тайны он еще хранит в наш атомный и космический век?

Тридцать лет тому назад, начиная весьма неохотно по настоятельному требованию моего учителя профессора В. Е. Еврейскова изучение снежных заносов на сибирских железных дорогах, я тоже думал, что снег - предмет заурядный, недостойный серьезного внимания инженера. Но уже первые шаги показали, что Еврейсков был прав, что я неожиданно для себя вступил в неизведанное царство, на нехоженые тропы познания. Приведу небольшой пример из своих плутаний па одной из таких, казалось бы ясных, троп.

Тогда много говорилось и писалось о возможности переноса на большой высоте масс метелевого снега через железнодорожные пути, станции и даже через поселки. Предполагалось, что снежинки дробятся при взаимных столкновениях в мелкую пыль и эта пыль способна переноситься ветром на большие расстояния и высоко над земной поверхностью. Я разделял это мнение, но экспериментально оно никем не подтверждалось. Надо было как-то изучить процесс дробления снежинок.

Посоветовавшись с геологом П. Д. Долгих, мы решили применить для этой цели геологический ситовой комплект с механическим просеивателем РФ-1. По нашему предположению, после длительного сотрясения в ситовом комплекте снег должен был дробиться, менять свою структуру, гранулометрический состав благодаря увеличению доли мелких фракций.

Тайно, чтобы никто не смеялся над нами, начали сеять снег в маленьком сарайчике. Сеять снег - какое смешное занятие для практического инженера. Мы надеялись управиться быстро, руководствуясь известными инструкциями по определению гранулометрического состава грунтов, Вскоре убедились, что эти инструкции для снега непригодны. Надо было научиться просеивать снег! Это оказалось канительным занятием. Для разработки одной лишь методики достоверного гранулометрического анализа снега потребовалось несколько зимних месяцев.

Впоследствии оказалось, что мы первыми начали измерять гранулометрпческий состав снега ситовым способом. Никто до нас этого не делал. Выдающийся швейцарский снеговод Марсель де-Кэрвен, исследуя структуру снега, применил в 1948 году (тоже впервые!) иной способ - отмучивание снежинок в охлажденном керосине. Он пришел к выводам, сходным с нашими, однако ситовой способ удобнее и надежнее.

Но, увы, цель наших непредвиденно долгих экспериментальных искании не была достигнута. Снежные кристаллики отличались необычайной прочностью и не хотели дробиться. Более того, после длительного просеивания снежной пробы ее солидная часть куда-то таинственно исчезала.

Долго ломали мы головы в поисках причин пропажи снега. Все пути механических потерь его были перекрыты. Куда же он девается? Уж не испаряется ли?

И, как убедились позднее, при просеивании действительно происходило усиленное испарение разделенных, диспергированных снежных частиц. Это сразу натолкнуло на мысль, что при метелевом переносе снега значительная его часть испаряется, минуя жидкую фазу. Такой переход от твердого состояния к газообразному называется возгонкой. На этой основе через несколько лет возникло повое объяснение причин иссушения северных и сибирских степей после их распашки, когда снежный покров становился легкой добычей ветра.

Аппетит приходит во время еды! Мы с П. Д. Долгих мерзли часами возле тарахтящего просеивателя. Моя судьба решилась здесь: отсюда, от крохотного дровяного сарайчика начался путь убежденного исследователя. Именно тогда изменилось мое отношение к снегу как к достойному предмету серьезных теоретических и прикладных изысканий.

Долгое время какой-то признанной науки о снеге не существовало. Ни его роль в формировании климата, ни законы его распределения в равнинах и в горах не были предметом пристального внимания исследователей. С незапамятных времен снег не изучали, его только описывали.

СВИДЕТЕЛЬСТВА ИСТОРИИ

Древние обитатели теплого Средиземноморья почти не знали, что такое снег, и в их письменных источниках он долго не упоминался. Впервые снег вошел в историю как фактор, достойный внимания, после дерзкого броска армии Ганнибала через Альпы. Полибий1 так писал о роковом для Ганнибала дне 7 ноября 218 года до пашей эры: "Приближался заход Плеяд, и вершины Альп покрывались уже снегом... Вследствие трудностей пути и снега Ганнибал потерял почти столько же людей, как и при подъеме на горы... И лишь только они подошли к узкому месту, по которому не могли пройти ни слоны, ни вьючные животные, ибо обрыв, крутой и до того,... стал еще круче после новой (снежной) лавины, войско снова упало духом и трепетало от страха".

Изучением свойств снега и льда в древности почти никто не занимался, за исключением римского ученого-энциклопедиста Гая Секунда Плиния Старшего, который в главе третьей 31-го тома своей 37-томной "Естественной истории" впервые кратко описал не только внешние признаки льда (не снега!), но и указал на уменьшение со временем размеров ледяных кусков без их видимого таяния. Снег же не интересовал исследователей вплоть до начала XIX столетия.

В 1814-1816 гг. выдающийся русский физик ч электротехник академик Петербургской Академии наук Василий Владимирович Петров заинтересовался физическими свойствами снега. Именно ему принадлежит открытие возгонки, или сублимации, снега. Академик Петров по праву считается зачинателем физического снеговедения. Сформулированные им экспериментальные законы сублимации снега и льда необычайно точны. Они полностью подтверждены в настоящее время2.

В Японии, почти одновременно с В. В. Петровым снегом заинтересовался Дой-Тошицура, выполнивший очень много скрупулезно строгих зарисовок снежных кристаллов под микроскопом. Что его побудило к этому занятию, которому он посвятил всю свою жизнь, неизвестно. До Дой-Тошицуры многие исследователи зарисовывали снежинки, но их рисунки были малоправдоподобными или, в лучшем случае, неточными. Подробный обзор их работ можно найти в обстоятельной монографии А. Д. Заморского3. Дой-Тошицура считается первым японским снеговедом. Его альбом, ставший библиографической редкостью, хранится в Зале почета Института низких температур Хоккайдского университета.

Работы В. В. Петрова и Дой-Тошицуры долгое время оставались забытыми. После них физическое снеговедение не развивалось в течение ста лет. Климатологические разделы снеговедения были созданы великим русским климатологом Александром Ивановичем Воейковым в конце XIX столетия. Он добился введения обязательных снегомерных наблюдений на всех русских метеорологических станциях, начиная с 1890 года.

Но все это были отдельные, местные прорывы в мир снежных проблем.

СНЕГОВЕДЕНИЕ - ВЕТВЬ ГЛЯЦИОЛОГИИ

Снег - один из видов природных льдов Земли. К ним относятся, кроме снега, ледники, ледяной покров озер, реки морей, шуга, подземные льды, наледи, изморозь, иней, град, ледяные включения в мерзлых грунтах. Паука о природных льдах называется гляциологией от латинского слова "гляциес", означающего холод, лед. Долгое время гляциология считалась чисто описательной наукой о ледниках, и только о ледниках. В шестидесятых годах среди гляциологов СССР разгорелась дискуссия о том, считать или не считать снег и снежный покров предметом гляциологии.

В настоящее время снеговедение "вторглось в гляциологию всерьез и навсегда. Теперь не только в СССР, но и во всем мире гляциология считается наукой, изучающей все виды природных льдов, в том числе и снег.

Сама гляциология как новая наука превращается из описательно-географической в количественную, физическую науку. Такой же представляется и ее ветвь - снеговедение, или хионология (От слова "хионос" (греч.) - снег). В становлении и развитии снеговедения неоценимы заслуги выдающегося физико-географа профессора Гавриила Дмитриевича Рихтера. В 1965 году им опубликован первый в мире "Словарь основных терминов и понятий по снеговедению"4, где снеговедение понимается как "часть гляциологии, посвященная всестороннему изучению снега и снежного покрова".

Г. Д. Рихтер поистине всколыхнул "снежную целину". Он провел в послевоенное время несколько координационных снеговедческих совещаний с широким Представительством ранее работавших разрозненно специалистов различных ведомств.

В настоящее время координация всех отечественных исследований по снеговедению сосредоточена в Секции гляциологии Междуведомственного Геофизического комитета при Президиуме Академии паук СССР. Она продолжает дело, начатое Г. Д. Рихтером и его школой.

СНЕГ И ЛЕДНИКОВЫЕ ПЕРИОДЫ

Даже чистое ледниковедение немыслимо без изучения снежного покрова. Все виды природных льдов так тесно связаны друг с другом, что детальное исследование одного вида без других невозможно. Обратимся к отдаленному прошлому. Не всем известно, что именно снег был главным виновником великих оледенений, полностью менявших лицо нашей планеты и судьбы ее обитателей.

Причины образования и чередования великих оледенений еще во многом неясны. Непонятно, какой климатический "спусковой механизм" побуждал мириады снежинок к старательному сооружению громадных ледяных крепостей в горах и на равнинах. Существует множество теорий ледниковых периодов, и из них нет ни одной общепризнанной. Чаще всего развитие оледенений связывают с понижением температуры поверхности Земли. Но похолодание - лишь один из многих факторов, способствующих оледенению.

В настоящее время наука располагает впечатляющими сведениями об истории великих оледенений. Отчетливые и вполне достоверные следы древнейших оледенений Земли, найденные в Канаде и Южной Африке, соответствуют событиям, происходившим 1,7-2,6 миллиарда лет тому назад. Признаки оледенений давностью около 200 миллионов лет обнаружены в Южной Америке, Африке, Индии и Австралии. Эти части суши тогда составляли протоконтинент Гондвану с высочайшими горными системами.

Лучше всего изучены следы грандиозных оледенений четвертичного периода (плейстоцена), называемого еще антропогеновым периодом, так как именно в этот период, длившийся около трех миллионов лет, появился и сформировался человек как вид класса млекопитающих. Плейстоцену предшествовали десятки миллионов лет очень теплого, "райского" климата, по-видимому, вплоть до более древних гондванских оледенений.

Аптропогеновый период был самым суровым в истории Земли. Число плейстоценовых циклов оледенение - потепление определяется разными исследователями от 4 до 17. По А. И. Москвптину, их было восемь5 (рис. 1).

Необходимость приспособления к суровым климатическим условиям сыграла немалую роль в становлении Homo sapiens (Человека разумного).

Примерно два с половиной миллиона лет тому назад колоссальные ледники Окского оледенения толщиной 2-3 км двинулись впервые после "райских времен" из Арктики в умеренные широты. По хронологии А. И. Москвитина, Земля испытала с тех пор еще семь таких же грозных нашествии (гляциалов), разделявшихся кратковременными межледниковьями (интергляциалами) по 20-25 тысяч лет каждое. На долю теплых межледниковый четвертичного периода пришлось не более 10% всего времени6.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 1. Ледовый режим антропогенового (четвертичного) периода.

Ледники живут долго и отступают неохотно. Последний, Вюрмский, гляциал длился более 60 тысяч лет, а предпоследнее, Рисское оледенение продержалось в два раза дольше. Материковые ледники Северного полушария были намного обширнее, чем современный антарктический щит. На их образование расходовались огромные массы воды из Мирового океана. Уровень морей снижался на 80-120 м, обнажая прибрежное дно. На месте Берингова пролива простиралась отмель, послужившая мостом для древнейших переселенцев из Евразии в Америку.

Мы живем в середине или в конце последнего, восьмого, интергляциала. Подавляющая часть покровных ледников Северного полушария отступила и исчезла примерно 7-10 тысяч лет тому назад. Новый длинный ледниковый период может начаться через несколько сотен или тысяч лет, если техногенные климатические изменения не отдалят или, наоборот, не ускорят его наступление.

Установлено, что ледниковые массы создаются и поддерживаются снегопадами, а снег имеет атмосферное происхождение.

Что же нужно для рождения ледника?

Каждый ледник при формировании проходит три стадии: атмосферный снег - снежник - ледник. Главное условие создания ледника - неисчезающий снежник, живущий в течение многих лет. Снежником называется скопление снега, чаще всего навеянное ветрами и существующее в течение части или всего теплого времени года после того, как окружающий снежный покров уже всюду исчез, стаял.

Снежник теряет свою массу за счет таяния и испарения. Масштабы поверхностного испарения снежника малы в сравнении с таянием. Для таяния одного квадратного метра плоского снежника толщиной Н (м) и средней массовой плотностью р (кг/м3) (Массовой плотностью вещества называется его масса, содержащаяся в единице объема) потребуется тепла LпH p (Дж/м2), где Lп - скрытая теплота плавления снега (Дж/кг). Если G - средний за период таяния приток тепла Дж/м2с), то полное время таяния снежника Т (с) найдем по простой формуле

Т = (LпH p)/G.

Следовательно, время таяния снежника прямо пропорционально его первоначальной толщине и средней плотности и обратно пропорционально среднему притоку тепла за период таяния. Чем больше выпадает снега и чем меньше приток тепла к снежнику, тем вероятнее его сохранение к следующей зиме.

Таким образом, одного лишь снижения притока тепла, вызванного общим похолоданием, может оказаться недостаточно для роста снежника. Нужны снегопады и благоприятные условия метелевого снегонакопления.

При резком усилении снегопадов снежник переживет лето даже при неизменном тепловом и ветровом режиме. Что-то подобное может, например, получиться на берегах Арктического бассейна, если ликвидировать плавучие паковые льды, увеличив тем самым интенсивность испарения со свободной поверхности Северного Ледовитого океана.

Советский специалист, моряк Е. С. Гернет в 1930 году впервые выдвинул гипотезу цикличности плейстоценовых оледенений, связав их со снежно-ледовой обстановкой на Земном шаре7, 8. Через четверть века аналогичная гипотеза опубликована американскими геологами В. Л. Стоксом, М. Юингом и В. Донном.

Согласно их гипотезе, разделяемой одним из крупнейших гляциологов членом-корроспондентом АН СССР Б. М. Котляковым, Северный Ледовитый океан оттаивал, если в его воды проникали теплые течения Атлантического и Тихого океанов. Атмосфера увлажнялась, это вызывало обильные снегопады и бураны. Снежники возвышенностей не успевали стаять за лето. Свежие снега откладывались на старогодние слои, уплотнявшиеся до состояния льда.

Оледенение Северного полушария началось с Гренландии. Этому, по-видимому, способствовало планетарное похолодание, вызванное Антарктидой. Образовавшийся ледник вырос в высоту до 2-4 км, расползаясь в стороны и постоянно обновляясь новыми снегопадами. Он рос бы и выше, но, став заоблачным, лишился источников питания.

Ледник, дитя снегопадов и метелей, вызванных климатическими метаморфозами, сам становился могущественным климатоформирующим фактором, далеко распространяя свое холодное дыхание и образуя все новые и новые "дочерние" ледники. Е. С. Гернет образно назвал их "ледяными лишаями".

Вокруг Северного Ледовитого океана постепенно создавалось таким образом колоссальное, разорванное только в Сибири ледяное ожерелье шириной в тысячи километров, а уровень морей, в свою очередь, понижался за счет ледников на 90-100 м. На пути теплых течений образовывались перешейки и отмели. Изолированный ими от теплых течений Северный Ледовитый океан замерзал, влажность воздуха уменьшалась, снегопады убывали. Ледники, лишенные снежного питания, становились тоньше, таяли, сбрасывали айсберги в море, за счет чего уровень моря повышался. Теплые течения снова прорывались на север, и цикл начинался заново.

Заметим, что нужна гигантская тепловая энергия, чтобы испарить в атмосферу океаническую влагу - примерно 2500 кДж на один литр. При кристаллизации облачных снежинок, крошечных строителей ледников, лишь часть этой энергии идет на подогрев атмосферы и поверхности Земли. Часть ее излучается безвозвратно в космос.

Механизм великих оледенений очень сложен, но человечество должно научиться управлять им. Нельзя позволить стихиям открыть дорогу новому гляциалу, который своей ледяной поступью может придавить цивилизацию на сотни тысяч лет. Снеговедению должно принадлежать решающее слово при разработке глобальных проектов предотвращения этой опасности.

Е. С. Гернет - автор первой попытки создания одного из таких проектов. Он предложил уничтожить Гренландский ледник, или, как его иногда называют "Гренландский щит", этот "спусковой крючок" гляциалов Севера, очаг возможного в будущем распространения "ледяных лишаев" по Северному полушарию.

Сейчас Гренландский щит сбалансирован. Ежегодный приход массы снега здесь около 500 Гт (одна гигатонна равна 109 т). Испаряется и тает примерно 300 Гт/год. Убыль путем откола айсбергов около 200 Гт/год. Приходная и расходная части баланса составляют всего лишь 0,02% сосредоточенного там льда. Если лишить ледник снежного питания и ежегодно убирать снег, выпадающий на его поверхности, то баланс ледниковой массы резко нарушится, и примерно через 2000 лет Гренландский щит полностью исчезнет.

Последствия этого события не ограничатся лишь устранением опасности нового гляциала. В Заполярье резко потеплеет, Северный Ледовитый океан освободится от паковых льдов, и на его берега вернется климат, существовавший 10 млн лет назад, когда там царила богатейшая растительность. Правда, придется бороться с заболачиванием Арктики после таяния вечной мерзлоты и ограждать дамбами густонаселенные берега морей, так как уровень Мирового океана поднимется на 9 м, но все это не выходит за пределы технических возможностей человечества.

Е. С. Гернет предложил использовать для уборки гренландского снега специальные "снеговые танки", которые собирали бы его в свои "трюмы" и сбрасывали затем на побережье. Для уборки снега с ледника площадью 1,7 млн км2 потребовались бы сотни миллионов "танков", что нереально. Более приемлемо зачернение снега золой или другими материалами. Тогда ускорится таяние и испарение снега и льда под лучами Солнца. При трехразовом зачернении ледника в год потребуется 50-100 млн т угольной пыли и золы. Это количество не покажется чрезмерным, если его сравнить с мировой добычей угля, составившей к 1981 году около 4 млрд т/год.

Как мы видим, человечество уже теперь способно, управляя снежным покровом, повлиять на ход даже таких событий, как планетарное оледенение.

ИНЖЕНЕРНОЕ СНЕГОВЕДЕНИЕ

Пусть у читателя не сложится впечатление, что снеговедение имеет объектом изучения только глобальные проблемы. У снеговедения масса "сиюминутных" земных дел, о чем в основном и повествуется в этой книге.

Если есть общая наука, то должна существовать ее прикладная часть, определяющая ее "выход" в практику. В шестидесятые годы возникла инженерная гляциология и, разумеется, ее существенная часть - инженерное снеговедение (Этот термин впервые введен профессором Д. М. Мелышком). Технические науки порождаются техническим опытом. Опыт борьбы со снегом на железных дорогах насчитывает 150 лет, но это не значит, что таков возраст инженерного снеговедения. Наука не может существовать без теоретического ядра, а оно начало формироваться в снеговедении лишь в нашем столетии. И прикладные задачи снеговедения вовсе не ограничиваются борьбой со снегом на дорогах.

Чем шире освоение восточных территорий СССР, той обширнее круг задач инженерного снеговедения. Например, в зоне влияния Байкало-Амурской магистрали, проходящей преимущественно в районах Забайкальской горной страны, строители встречаются с лавинами, горными снежными заносами, особо интенсивными снегопадами. В северной части трассы Сургут - Уренгой в течение девяти месяцев в году "работают" метели, достигающие неслыханной интенсивности. Природные, гляциальные процессы по своей значимости и размаху здесь существенно отличаются от сходных явлений, наблюдаемых в хорошо изученных областях СССР. При проектировании, постройке и эксплуатации инженерных сооружений в суровых физико-географических условиях жизненно необходим строжайший учет всего комплекса прямых и обратных связей между сооружениями и природной средой.

На осваиваемых восточных территориях природа сурова не только к людям, но и к любым проявлениям жизни. Животный и растительный миры здесь очень чувствительны к техногенным изменениям ландшафта. Например, если будет уничтожена растительность, задерживающая снег, то метели снимут снежный покров, обнажив грунт. Неминуемо погибнут животные, зимующие в снегу: зайцы, лисы, лемминги и другие. К сожалению, инженерная экология пока еще переживает зародышевую стадию, а гляциологические аспекты охраны природы вообще не изучены и хуже всего отражены в технических проектах инженерных сооружений.

Разработка инженерно-гляциологического раздела прикладной экологии - инженерной гляциоэкологии - главнейшая задача инженерной гляциологии и инженерного снеговедения. Гляциологи должны вооружить инженеров методами прогноза влияния льда и снега на возводимые постройки, а также поведения природных льдов, в том числе снега, под влиянием сооружений. Без этого невозможно обеспечить в северных районах гармоничное слияние инженерных сооружений с природной средой.

В царстве снега на сервере СкиталецГЛАВА ВТОРАЯ
НЕОБЫЧНЫЕ СВОЙСТВА СНЕГА

Я подолгу оставался среди облаков... Художественный узор снежинок складывался на моих глазах из вздрагивающей сырости.
А. Грин. Состязание в Лиссе

Снег поразительно изменчив. Такие привычные физические свойства, как плотность, теплопроводность, теплоемкость, пористость, влажность, диэлектрическая постоянная, скорость распространения звука и т. д., для снега принципиально не могут длительно сохраняться, быть неизменными. Меняется, трансформируется решительно все, вплоть до структуры, формы и размеров снежинок, их связности. Достаточно сказать, что плотность снега способна изменяться от 0,01 до 0,7 г/см3, причем верхний предел соответствует тому состоянию снега, когда мы еще вправе его называть снегом. При дальнейшем увеличении плотности снег превращается в лед, в корне отличающийся по свойствам от своего предшественника.

Чем же объяснить причуды и непостоянство Снежной Королевы? Тем, что колыбель жизни на Земле - вода - существует в уникальных условиях, совсем близко от так называемой тройной точки фазовых переходов, различной для разных веществ.

Под фазовыми переходами подразумевают переходы вещества из газообразного состояния (фазы) в жидкость, затем превращение его в твердое тело. В системе координат, по абсциссе которой откладывается температуры, а по ординате - давления, существует точка, соответствующая состоянию вещества во всех трех фазах, т.е. в газообразном, жидком или твердом виде. Это - тройная точка для данного вещества. Например, тройная точка гелия соответствует давлению 25 атм. и температуре, всего на 18°С превышающей абсолютный нуль (-273,15°С). В земных условиях гелий - устойчивый газ. Тройная же точка воды попадает в область обычных земных температур и давлений.

На диаграмме фазовых состояний атмосферной влаги (рис. 2) по оси ординат отложены давления насыщенного пара в воздухе в миллибарах (мбар) или гектопаскалях (гПа). Эти давления называют частичными, или парциальными, так как они - лишь часть атмосферного давления, обусловленная паром.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 2. Диаграмма фазовых состояний атмосферной воды.

Воздух бывает сухим, влажным или переувлажненным. Парциальное давление пара в сухом воздухе равно нулю. Во влажном воздухе влага остается в парообразном состоянии, если давление пара меньше предела насыщения, зависящего от температуры воздуха, Если предел насыщения паром достигнут, начинаются переходы из фазы пара в фазы воды или льда. При давлении насыщенного пара 6,1 мбар, температуре 0°С и общем атмосферном давлении 1013 мбар равновероятно существование всех трех фаз воды. Таково удивительное свойство тройной точки воды. Это точка глубоких качественных метаморфоз. Приближаясь к ней, вода в любой фазе начинает как бы "готовиться" к подобным метаморфозам тем активнее, чем ближе тройная точка.

На рис. 2 переход через кривые ТТ1`, ТТ1``, ТТ2, ТТк тоже связан с фазовыми превращениями, но в них участвуют только по две фазы. Очень интересен переход через кривую ТТ1``. Переохлажденная вода редко встречается в природных условиях, так что при температурах ниже 0°С фазовые переходы между паром и льдом происходят, минуя жидкую фазу. Так в атмосфере кристаллизуется и испаряется снег.

Вода имеет еще одну критическую точку - точку кипения Гц (см. рис. 2). При давлении 1013 мбар и температуре 100°С она закипает и не может далее существовать в жидкой фазе. Давление насыщенного пара становится равным полному атмосферному давлению.

Диапазон температур поверхности Земли, показанный на рис. 2, далек от точки Тк, но включает в себя тройную точку Т, точку вечного беспокойства, изменчивости и непостоянства.

Весь великий круговорот воды на Земле, бег облачных армад, гул водопадов, грозная краса океанов, буйство пург, величавое спокойствие ледников своим существованием обязаны тому, что наш мир живет в рассмотренном узком диапазоне температур и давлений. В конечном счете, этому обязано и появление самой жизни на Земле.

Снежное царство - сложный мир. Сложность не только в близости снега к тройной точке фазовых переходов, но и в том, что снег - неоднородная среда, состоящая из льда, пор, наполненных воздухом и водяным паром, примесей различного происхождения и талой влаги. Снежная метель - явно двухфазный поток, состоящий из несущего воздушного потока и несомой твердой взвеси - снежинок.

Попытки теоретического изучения свойств снега с помощью упрощенных моделей однородной однофазной среды были, как правило, неудачными. В настоящее время для изучения снега, льда и снеголедовых явлений (питание ледников) используются такие разделы современной физики, как механика сплошных многокомпонентных сред, статистическая физика, аэрогидромеханика, теплофизика, электродинамика. В современном теоретическом снеговедении, как и в гляциологии я целом, широко применяется тензорное исчисление.

ТЕПЛОФИЗИКА СНЕГА. ЕГО ИСПАРЕНИЕ

В снежном покрове постоянно происходят весьма сложные процессы переноса массы и тепла. Особенно интересны процессы испарения и кристаллизации. Проще их описать на примере отдельной снежинки.

Найдем интенсивность испарения ледяного шара (сферы) радиуса г. Под интенсивностью испарения 7 подразумевается переход в пар массы льда (г) за единицу времени (с), отнесенный к единице площади испаряющейся поверхности (м2). Используя диффузионную теорию Д. Максвелла, найдем для ледяного шарика:

В царстве снега на сервере Скиталец

где D - коэффициент диффузии водяного пара (м2/с); ен - содержание массы насыщенного пара в воздухе (г/м3); е"-фактическая влажность воздушной среды (г/м3). Концентрация пара е (г/м3) легко выражается через уже знакомое нам парциальное давление пара р:

е=(216/Т)р,

где Т - абсолютная температура испаряющейся поверхности в градусах Кельвина.

Разность (ен-е") называют дефицитом влажности воздуха. Если воздух насыщен водяным паром, испарения не будет. При перенасыщении воздуха паром (ен-е")<0 и I<0, и тогда происходит не испарение, а рост ледяного шара. Этот вывод приложим и к снежинкам - ледяным кристаллам сложной формы.

Мелкие ледяные и жидкие частицы испаряются при дефиците влажности воздуха поразительно быстро. Heтрудно показать1, что время полного испарения ледяного шара, имеющего форму сферы, будет равно

В царстве снега на сервере Скиталец

где рс - плотность массы льда. Следовательно, время полного испарения ледяного шарика пропорционально квадрату его радиуса. Частица радиусом 0,1 мм исчезнет в 100 раз быстрее частицы радиусом 1 мм при одном и том же дефиците влажности воздуха.

Опытные данные подтверждают сказанное. Чем меньше становится снежинка, тем быстрее она испаряется. Чем выше температура среды, тем испарение интенсивнее.

Испарение требует значительных затрат тепла - 1570 кДж на 1 кг массы снега при температуре 0°С и по 4,2 кДж/кг на каждый градус ниже нуля; используется тепло самих снежинок и воздушной среды, так что охлаждаются обе фазы, если одновременно нет кристаллизации, сопровождающейся выделением тепла.

Срок жизни свободно парящей снежинки составляет десятки минут. Пусть снежный облачный слой находится на высоте 2 км над поверхностью земли. Средняя скорость падения снежинок равна 1 м/с. Значит, от облака до земли снежинка падает в течение 2000 с, или 33 мин. При низкой температуре снег успевает упасть на землю и образовать снежный покров. При высокой температуре и большом дефиците влажности воздуха снежинки испарятся, не достигнув земли, и в таком случае "тучи есть, а снега нет". В горах расстояние от облаков до земли значительно меньше, чем на равнинах. Это одна из главных причин того, что в горных районах снега выпадает намного больше, чем в равнинных.

Испарение с плоской поверхности снежного покрова очень мало. Снег интенсивно испаряется тогда, когда он раздроблен, диспергирован в атмосфере или разделен на отдельные куски, окруженные воздушной средой.

В 1957 году М. М. Михайлов2, изучая снежный покров в дубравах Чувашской АССР, обнаружил наибольшие запасы снеговой влаги не в самом лесу, а на маленьких полянах площадью не более 0,16 га. Г. В. Грудинин3 недавно исследовал это странное обстоятельство в лесах Минусинской котловины. В лесу с сомкнутыми кронами к концу зимы было заметно меньше снега, чем на находящихся рядом открытых полянах. Оказалось, что снег, задерживаемый кронами и обдуваемый со всех сторон, испарялся во много раз быстрее, чем снежный покров на земле, в строгом соответствии с теорией.

Бывают ли в природе другие случаи, когда снег рассеивается, диспергируется в воздухе наподобие сахара, размешиваемого ложкой в чае? Самый типичный и общеизвестный феномен такого рода - метель! Но это тема следующей главы.

ЧУДО МЕТАМОРФИЗМА

До сих пор мы говорили об отдельных снежных частицах. Снег же есть совокупность очень многих частиц, взаимодействующих друг с другом. Испаряются снежинки, летящие в воздухе и лежащие как на поверхности, так и внутри снежного покрова. Мелкие частицы снега испаряются быстрее крупных, но в снежном покрове воздушные поры невелики, так что при испарении мелких снежинок поры настолько быстро насыщаются влагой, что начинается обратная кристаллизация из пара. Процесс протекает односторонне - растут только крупные частицы, то есть вещество как бы перегоняется с мелких снежинок на крупные. Это явление напоминает жизнь бактерий: крупные бактерии пожирают мелкие и растут за их счет.

Чем тоньше ледяное образование и чем больше кривизна его поверхности, тем быстрее оно испаряется. Время исчезновения выпуклостей и выступов ледяных частиц сложной формы тоже приближенно пропорционально .квадрату радиуса их кривизны. На вогнутых поверхностях события развиваются иначе. Кривизна их обратная, и испарение заменяется кристаллизацией. Пар, "стекая" с кончиков лучей снежных звездочек, кристаллизуется в их углублениях. Ядра звезд становятся крупнее и массивнее. Кристаллы меняют свою форму.

Кристаллизуется пар и в местах пересечений лучей разных снежинок-звезд. Звезды смерзаются. Между снежинками образуются все более и более прочные связи, снег, как говорят, твердеет.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 3. Миграция пара в снежном покрове: а - при понижении температуры от подстилающей поверхности до внешних слоев снежного покрова (снизу вверх); б - при повышении температуры в том же направлении.

Пути перекачки пара в снежном покрове проходят вдоль его горизонтальных слоев и поперек их, как показано па схеме (рис. 3). Многое зависит от изменения температуры в толще снежного покрова. Обычно в нижних слоях, прилегающих к грунту, температура зимой выше, чем на дневной поверхности (см. рис. 3, слева). Мы уже знаем, что давление пара, насыщающего воздух, тем ниже, чем выше температура воздуха (см. рис. 2). Поэтому пар в таком случае устремляется снизу вверх. Низ снежного покрова разрыхляется и образуется глубинный иней, а вверху, где кристаллизуется поступающий снизу пар, возникает уплотненный слой, называемый часто снежной доской. Эта доска хорошо выдерживает лыжника, а при сильном морозе и пешехода.

Первые исследователи Антарктиды встретились с неожиданной и неприятной особенностью антарктического снега. Его податливость и рыхлость сильно затрудняла движение лыжников и особенно взлет и посадку самолетов. Трудности антарктических лыжных переходов - одна из основных причин трагической гибели экспедиции Роберта Скотта к Южному Полюсу в 1912 году. На антарктическом леднике, как, впрочем, и на других, температура поверхности снега, как правило, выше его глубинных температур, и пар переносится сверху вниз - верхние слои разрыхляются, нижние уплотняются (рис. 3, справа). Уплотнение, фирнизация нижележащего снега происходит в этом случае как за счет давления верхних слоев, так и переноса массы и тепла. Характер послойного горизонтального переноса массы в обоих случаях а и б (см. рис. 3) один и тот же: лед перегоняется с мелких частиц на крупные.

Фирнизация - превращение обычного снега в фирн, то есть плотную среду, состоящую из ледяных комочков и зерен, ничего общего не имеющих с первоначальными кристаллами снега. Плотность фирна варьирует от 0,35 до 0,8 г/см3. Фирн образуется на ледниках, так как именно на них направления силы тяжести и внутриснежной миграции пара, как правило, совпадают. Эта принципиальная особенность метаморфизма ледникового снежного покрова стимулирует рост ледника. Фирн - закономерная переходная стадия между снегом и ледником. Фирн, постепенно уплотняясь, переходит в лед.

Со временем любой снежный покров полностью меняет свою структуру. Он становится более крупнозернистым. Радикально меняется форма зерен. Глубинный иней, например, состоит из крупных пирамидальных кристаллов размером до 5-10 мм, совершенно не похожих на первоначальных атмосферных снежинок-красавиц. Появление глубинного инея на горных склонах - грозный предвестник лавинной опасности.

Кристаллизация пара в углублениях и на пересечениях снежинок, на более крупных снежинках за счет испарения мелких, а также дальнейшие стадии метаморфизма снега - сложнейший и до сих пор еще в деталях не изученный процесс. Кристаллизация не происходит равномерными слоями и непрерывно во времени. Форма объемных приращений кристалла должна соответствовать, по принципу М. Кюри, минимуму свободной поверхностной энергии при данном объеме. Для капли воды это шар, для кристалла льда - шестигранник, шестигранный цилиндр и их сочетания. Динамический метаморфизм снега и льда подробно исследован профессором П. А. Шумским4.

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ СНЕГА

Передача тепла в любой среде выполняется тремя основными способами: 1) теплопроводностью от нагретых областей к холодным без перемещения вещества, 2) конвекцией, или перемещением тепла вместе с веществом в порах среды, 3) излучением. В сплошных непрозрачных твердых телах тепло передается только первым способом, а в пористом и прозрачном снеге - всеми тремя. Кроме того, при нагревании или охлаждении снега в его толще происходят фазовые переходы, причем нагревание сопровождается испарением или таянием, охлаждающим среду, а охлаждение, наоборот,- замерзанием или конденсацией с выделением скрытой теплоты фазовых переходов.

Картина теплопередачи в снеге очень сложна и еще не исследована в полной мере. При опытных оценках теплопроводности и других теплофизических свойств снега обычно используют модель снега как сплошной непрозрачной однородной среды и применяют уравнение Фурье:

QT = -ЛT(dT/dN),

где QT - поток тепла (Вт/м2); Т - температура; п - расстояние, отсчитываемое по направлению передачи тепла (м); ЛT - коэффициент теплопроводности (Вт/мК). Чем меньше коэффициент теплопроводности ЛT, тем лучше теплоизоляционные свойства тела.

Приведем значения ЛT для льда, снега и других известных теплоизоляторов:

Материал Массовая плотность, г/см3 ЛT, Вт/м.К
Дерево 0,209
Асбест 0,126
Войлок 0,0377
Воздух 0,013 0,025
Лед 0,00 2,302
Снег:
плотный 0,50 0,712
обычный 0,25 0,176
свежевыпавший 0,10 0,0293

Низкая теплопроводность снега объясняется обилием в нем сложных и мелких воздушных пор. Чем больше плотность снега, тем выше его теплопроводность, так как частицы льда проводят тепло почти в 100 раз интенсивнее, чем воздушные промежутки между ними.

Снег оказывается одним из наиболее совершенных естественных теплоизоляторов. Он сильно сокращает потери тепла земной поверхностью излучением в атмосферу и в Космос, но зато отражает много радиационной тепловой энергии, получаемой извне.

РАДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА СНЕГА

Очень своеобразны особенности теплообмена снега с окружающей средой, осуществляемого в форме лучистой энергии.

Снег поглощает и отражает солнечные лучи, то есть прямую солнечную радиацию. Но на поверхность снежного покрова попадает не вся радиация, непосредственно излучаемая Солнцем. Проходя атмосферу, она ослабляется и частично рассеивается капельками воды, пылью, газами воздуха. Некоторая доля рассеянной солнечной радиации возвращается в Космос, по заметная ее часть попадает на земную поверхность. Достигающие снега прямая и рассеянная радиации составляют полную, или суммарную, солнечную радиацию.

Солнечная радиация имеет широкий диапазон длин воли - от коротковолновых фиолетовых лучен до длинноволновых красных, включая ультрафиолетовую и инфракрасную части спектра.

Излучает не только Солнце, но и сама Земля и ее атмосфера, подчиняясь общему закону Стефана - Больцмана для излучения любых тел:.

QT = бTbTT4,

где QT - полный поток излучения тепла; Т - абсолютная температура тела; бT - постоянная излучения абсолютно черного тела, полностью поглощающего любую радиацию, падающую па его поверхность; bT - коэффициент относительной излучательной способности, характеризующий отклонение излучательной способности данной поверхности от свойств абсолютно черного тела, для которого бT = 1.

Излучение атмосферы в поверхности Земли преимущественно "красное", длинноволновое5. Снег поглощает и отражает все перечисленные виды радиации.

Однако снег не может только поглощать и отражать внешние потоки радиационной энергии, не излучая сам. Он в любых условиях, даже при жесточайших морозах, излучает длинноволновую инфракрасную радиацию, невидимую глазом.

Каков же коэффициент излучательной способности бT для снега? Можно предполагать, что кипепно-белый снег очень далек по радиационным свойствам от черного тела и его бT << 1. Многочисленные эксперименты в лабораторных и природных условиях дали парадоксальные результаты. Для только что выпавшего снега бT = 0,985 - 0,995; для старого, "лежалого" крупнозернистого бT = 0,97 - 0,98. Снег излучает почти точно так же, как абсолютно черное тело. Более того, снег в этом смысле наиболее "черен" по сравнению со всеми другими природными образованиями на поверхности Земли.

Интересно, что по своей излучательной способности Солнце тоже близко к абсолютно черному телу. Получается, что слепящее Солнце и белейший снег предельно черны с позиций термодинамики излучения.

П. П. Кузьмин6 объясняет это свойство тем, что поверхность снежного покрова имеет огромное количество пор сложной формы с очень маленькими "выходами" па поверхность. Известно, что можно создать искусственную модель абсолютно черного тела в виде так называемого "черного поглотителя", взяв сосуд с небольшим входным отверстием. Через него лучи проникают и выходят, претерпевая множество отражений, намного ослабляющих их энергию. Например, раскрытые окна домов, малые в сравнении с размерами комнат, извне кажутся черными, независимо от цвета комнатных стен. Поры снежного покрова играют, по-видимому, роль таких черных поглотителей.

Коэффициент излучательной способности "стареющего" снежного покрова падает, так как уменьшается количество поровых отверстий, выходящих на поверхность. Сами отверстия становятся крупнее за счет укрупнения зерен снега и его фирнизации. "Окна" расширяются и "сереют". Долго пролежавший, тусклый и даже грязный снег оказывается "белее" Свежевыпавшего!

Полнота поглощения снегом потока радиационной энергии зависит от прозрачности снег а, от его светопроницаемости. По П. П. Кузьмину, солнечные лучи способны пронизывать снег на глубину до 30- 70 см в зависимости от его структуры, плотности, влажности и чистоты. Зимний сухой снежный покров глубиной 0,5 м и более можно считать практически непроницаемым для солнечной радиации. Мокрый весенний снег непроницаем для лучей при толщине 10- 30 см.

Коэффициент отражения солнечной радиации (альбедо снега), как правило, очень велик. Для плотного чистого снега он колеблется от 0,85 до 0,95, а в Арктике и Антарктиде альбедо снега достигает 0,98, т. е. почти вся энергия солнечной радиации, падающая на снег, им отражается и большей частью уходит безвозвратно в Космос. Это приводит к значительному охлаждению территории.

Снег отражает солнечные лучи не как зеркало, расположенное горизонтально, а как матовая поверхность, равномерно рассеивающая свет во все стороны. Это объясняется разнообразной ориентировкой множества поверхностных снежинок. Лишь не более 3% всех кристалликов случайно оказываются наклоненными почти горизонтально. Только они отражают лучи зеркально, вызывая всем знакомый эффект искристости снега: видны крупные блестки, отливающие иногда цветами радуги. Искристость снега в лунные ночи создает неизгладимое впечатление!

Всем известно, как тает снег в первые дни весны, когда температура воздуха еще ниже нуля, а солнце ощутимо греет. Таяние начинается не сверху, а в глубине снежного покрова под поверхностной прозрачной ледяной пленкой. Это явление называют "парниковым эффектом". Снег совершенно непрозрачен для лучей длинных волн красной части спектра. Он их почти полностью отражает. Зато коротковолновые лучи проходят сквозь тонкий поверхностный слой снега свободно. Этот слой становится своеобразным "ледяным стеклом", не пропускающим собственное длинноволновое излучение глубинных слоев и защищающим их тем самым от охлаждения. В Сибири этот механизм часто обеспечивает таяние и сток основной массы снега при отрицательных температурах воздуха. В горах "парниковый эффект" создает причудливые формы, напоминающие согбенные фигуры монахов - "кающиеся снега".

ТВЕРДЕНИЕ СНЕГА

В 1958 году под руководством автора был смонтирован первый аэродинамический капал для получения искусственной метели7 - маленький, длиной около 7 м и сечением 0,15Х0,15 м2. Подготовительные работы перед первым пуском канала затянулись до ночи. В канал насыпали снег слоем 3 см, тщательно прогладив его поверхность тяжелым металлическим листом. Среднюю скорость воздушного потока по сечению канала можно было доводить до 20 м/с.

Мы знали, что первые смещения снежинок вызываются приземным ветром со скоростью 2-3 м/с. Утром канал включили на эту скорость, но ни одна снежинка не стронулась с места. Стали постепенно увеличивать скорость ветра до максимума, но и при этом поверхность снега в канале не шелохнулась. Метель не получалась. В природных условиях такой сильный ветер выдирал бы весь снег до грунта.

Что произошло? Оказывается за ночь снег в канале затвердел. Проглаживание металлическими листами усилило его твердение, а под воздействием ветра, скорость которого постепенно увеличивалась, этот процесс завершился образованием прочной поверхностной корки, не поддающейся ветровому сносу.

Поверхность снега твердеет очень быстро. В дальнейшем мы рыхлили снег перед продувкой ситами. Время от завершения рыхления до продувки не должно было превышать 2-3 минут, иначе искусственная метель по начиналась.

До сих пор не найдены способы падежного определения твердости снега и не изобретены соответствующие измерительные приборы. Для определения твердости металлов, как известно, используется принцип вдавливания в металлическую поверхность более твердого шарика или конуса, предложенный английским инженером Бринелем. Этот принцип не годится для снега, твердость которого варьирует в обширнейших пределах - от "твердости" эфемерного снежного пуха до твердости льда. Все попытки изготовления и применения приборов, построенных по принципу Бринеля, были неудачными. Отсутствие приборов вынудило даже такого авторитетного гляциолога, как профессора Л. Льибутри8, применять следующую классификацию твердости снега, определяемую воистину подручными способами:

Класс 1. Очень мягкий снег (проникают четыре пальца). Класс 2. Мягкий снег (проникает один палец). Класс 3. Твердый снег (проникает карандаш). Класс 4. Очень твердый снег (проникает нож). Среди гляциологов встречаются и богатыри-мужчины, и слабые женщины. Пальцы тоже бывают разные. Но для определения твердости снега пока нет ничего лучшего.

Свойство твердения снега играет важную роль в его распределении, сохранении и практическом использовании. К сожалению, изучено оно еще очень плохо.

РАЗНООБРАЗИЕ СНЕЖНЫХ КРИСТАЛЛОВ

Слово кристалл происходит от древнегреческого слова кристаллос - лед. Древние греки не рисовали снежинки, но видели их.

Самое удивительное свойство снега - ошеломляющее количество форм снежных кристаллов. Единственная их общность - подчинение "закону шестигранности", или гексагональности. Были попытки построения "идеального кристалла льда" в соответствии с гипотетическим строением элементарной молекулярной кристаллической решетки, показанной па рис. 4,а. Именно так представляется гексатональный характер связей между атомами водорода (Н) и кислорода (О). О форме "идеального" кристалла льда можно получить представление по рис. 4, б (рисунок Н. II. Стулова из книги А. Д. Заморского)9. Но таких "идеальных кристаллов" нет ни на Земле, ни в атмосфере.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 4. Схема кристаллической решетки льда на молекулярном уровне (а) и форма гипотетического кристалла льда (б) по Н. Н. Стулову.

Форм снежинок огромное количество, и все они не "идеальны". В 1954 году Комиссией снега и льда Международной ассоциации научной гидрологии была разработана Международная классификация снега. Атмосферные снежинки в ней разделены на 10 больших классов (рис. 5): пластинки, звезды (дендриты), столбики, иглы, пространственные дендриты, увенчанные столбики, неправильные кристаллы, крупа, ледяной дождь, град. Каждый класс делится на разновидности, а именно: поломанные кристаллы, частицы, покрытые изморозью, по не настолько, чтобы их можно было отнести к крупе, сложные частицы, такие, как хлопья снега, состоящие из нескольких самостоятельных снежных кристаллов, и, наконец, мокрые или не полностью растаявшие частицы10. Недостаток этого важного документа - слабая проработка классификации форм зерен в снежном покрове, где разнообразие форм, созданных процессами переноса массы и тепла и молекулярной перекристаллизации, по меньшей мере на порядок богаче, чем у атмосферных снежинок.

Снежинки атмосферные и составляющие снежный покров неоднородны и по форме, и по размерам. Для полного представления о структуре снега нужен структурный анализ. Микроструктурный анализ снега, как излагалось выше, можно выполнить методом просеивания с микрофотографированием фракций. На рис. 6 даны микрофотографии частиц разных фракций свежевыпавшего звездчатого снега. В одном и том же снеге, как видно, формы и размеры частиц потрясающе разнообразны.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 5. Классы снежинок по Международной классификации снега.

Чем объяснить такое разнообразие? Конечно, немалая роль принадлежит здесь примесям, особенно разным микрочастицам, оказавшимся ядрами кристаллизации. Это могут быть самые различные частицы пыли, дыма. А. Д. Заморский11 описывает случай, когда в ядре снежинки было найдено мелкое насекомое - полная аналогия с реликтовыми формами, обнаруживаемыми в янтаре. Но главная причина богатства форм снежных кристаллов - теплофизические условия их образования, роста и метаморфизма.

Многие восхищались причудливой красотой снежных кристаллов и мечтали получить их искусственно. Однако долго никто не мог догнать в этом деле природу. Профессору Хоккайдского университета У. Накайя12 первому удалось вырастить искусственные снежинки. В 1935 году Накайя создал в городе Саппоро маленькую лабораторию с холодильной камерой, где можно было изменять в широких пределах температуру и влажность воздуха. Первая снежинка в этой камере им выращена 12 марта 1936 года. Теперь на месте лаборатории разбит парк и воздвигнут монумент в память об этом событии.

Всю жизнь Накайя посвятил опытам по выращиванию снежинок и изучению условий их формообразования. Итог его большого труда - знаменитая диаграмма зон образования снежинок разных форм в зависимости от температуры и относительной влажности воздуха (рис. 7).

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 6. Микрофотографии частиц снежного покрова.
1, 2, 3 - дендриты (звезды), выпавшие при температуре -12° -15°C (1- сразу после выпадения, 2 - через сутки после снегопада, 3- после кратковременной оттепели), увеличение х10; 4, 5-столбики, пластинки и их сростки ("ежи") в свежевыпавшем снеге при температуре -16°С, увеличение х37; 6 - игольчатый свежевыпавший снег при температуре ниже -20°С. Увеличение х37.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 7. Зоны образования снежинок разных форм по У. Накайя.

Относительная влажность воздуха определяется по формуле

S = е/еn,

где е - фактическая влажность; еn - влажность, соответствующая насыщению воздуха парами воды при данной температуре.

Кристаллизация паров воды возможна, как видно из рис. 7, только при S>1, т.е. в режиме перенасыщения. Диаграммой демонстрируется закономерная, но очень сложная связь между формообразованием снежинок, температурой и влажностью воздуха. Неожиданным и загадочным оказалось то, что самые красивые кристаллы - снежные звезды появляются в очень узком температурном интервале: от -14 до -17°С при S>1,06. Для вторжения других форм кристаллов эта область почему-то закрыта. Теория диаграммы Накайя пока отсутствует.

СТРАТИГРАФИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА

После выпадения снежинок на поверхность Земли начинается их "вторая" жизнь в составе снежного покрова, жизнь своеобразная, полная загадок. Здесь мы встречаемся еще с одним малоизвестным замечательным свойством снега.

Структура снежного покрова зависит от внешних и внутренних факторов. Вследствие низкой теплопроводности снега метаморфические изменения его структуры протекают обычно медленно и отражают историю главных метеорологических событий зимы. Снежный покров, как говорят, обладает индикационными свойствами. Структура снега, его текстура (Текстура снежного покрова - характер его слоистости) и даже форма метаморфизованных кристаллов дают важную информацию о каждом из этих событий аналогично структуре и текстуре геологических образований. Полная характеристика структуры и текстуры снега называется его стратиграфией.

Индикационные свойства снежного покрова можно в принципе использовать для оценки всех элементов местного микроклимата и общей физико-географической ландшафтной обстановки района. Инженерно-методическое решение этой проблемы означало бы возможность получения на изыскательской стадии важнейшей информации об условиях строительства инженерных сооружении в плохо изученных районах на основании сравнительно простого и кратковременного анализа стратиграфии снежного покрова в конце зимы.

Исследования прогностических свойств снежного покрова открывают путь к созданию новых, значительно более надежных методик расчетов снеговых паводков и снегового стока (части общего стока рек за счет снеготаяния), определения глубины сезонного промерзания грунта, прогноза условий снегозаносимости и лавинной опасности и т. д.

Э. Г. Коломыц13 первым предложил и применил для исследования индикационных свойств снежного покрова кристалломорфологические методы. Применяемые в настоящее время способы анализа стратиграфии снега, сводящиеся к разделению его па мелко-, крупно- и среднезернистый и глубинную изморозь, дают мало пользы как в научном, так и в практическом смысле. При наблюдениях за снегом на метеорологических станциях не используется даже Международная классификация снега, существующая уже четверть века. Методика Э. Г. Коломыца предусматривает обстоятельный анализ всей снежной толщи, всех ее слоев, вплоть до единичных кристаллов, с использованием самых элементарных средств.

Форма атмосферной снежинки отражает условия ее рождения в атмосфере - влажность, температуру, запыленность, давление, освещенность, ветровой режим и т. д. Форма кристалла, медленно выросшего в толще снега, -итог еще более богатой и, главное, локальной гаммы событий, длящихся недели и месяцы.

Индикационными свойствами обладает также рельеф слоистости и дневной поверхности снежного покрова, отражающий действие приземных ветров. Подробнее об этом сообщается в следующей главе, посвященной буранам. Очень ценны как источник информации жидкие и твердые примеси, электризация снежного покрова, его пористость, механические свойства снега в целом и послойно.

Но не только об истории прошедшей зимы может поведать нам снежная летопись. Снег не исчезает на ледниках и способен хранить информацию об условиях своего рождения десятки тысяч лет! Об этом мы расскажем в конце книги.

В царстве снега на сервере СкиталецГЛАВА ТРЕТЬЯ
БУРАНЫ

Снежинки те изящны и прекрасны,
Как женщины,
Но, кто б подумать мог,
Что вся воздушность их
и танцы в вихре страстном -
Всего лишь навсего двухфазовый поток,
Строжайшему анализу подвластный!
Марина Шарловская

Зима в Северном полушарии - время метелей и заносов. Если полевой снег не защищен растительностью, то под действием ветра он приходит в движение. Над местностью поднимается белая пелена. Видимость резко снижается. Все живое пытается найти укрытие от ледяного дыханья метели.

Часто наземная пурга сопровождается густым снегопадом. Плотные снежные шквалы налетают сверху, снизу, со всех сторон, глушат, ослепляют. Свет фонарей меркнет в нескольких шагах. Люди могут заблудиться рядом с жилищем.

Все, что мешает стремительному бегу метели, заметается ею под громадными сугробами. Дороги становятся непроезжими, нарушается движение поездов, заносятся улицы, по ним прекращается движение.

Метель сметает снег с полей, обрекая их на иссушение. Чрезмерные метелевые навевания, наоборот, замедляют таяние снега, и посевы озимых вымокают и гибнут.

В Южном полушарии, в Антарктиде, частые и сильнейшие на Земле метели свирепствуют почти круглый год на всей прибрежной полосе протяженностью свыше 30 тыс. км. Скорость метелевых ветров достигает 300 км/ч и более. Для теплящейся там жизни метели являются проблемой помер один.

Метель - достаточно серьезный природный фактор, с которым нельзя не считаться. Надо знать ее законы и повадки. Но, как ни странно, научные исследования метелей начались лишь в XX столетии. Причин тому было много. Одна из них заключалась в отсутствии мотивов, так как наиболее "метельные" районы земного шара еще не были освоены.

Другая причина - трудность исследований. Проблема метелей в своей основе проблема гидродинамическая. Ее можно рассматривать как частный случай гидродинамики многокомпонентных потоков, которая, в свою очередь, является ветвью механики сплошных многокомпонентных сред. Общеизвестны другие ее частные случаи, как, например, движение речных наносов или такие аналоги метели, как песчаные и "черные" бури, а также гидро- и пневмотранспорт и т. д. Но гидродинамика многокомпонентных потоков относилась, да и теперь еще относится к наименее разработанным разделам общей гидродинамики.

Впрочем, и само снеговедение как наука сравнительно недавно находилось в самом начальном периоде становления и не могло располагать необходимыми для изучения снежных метелей данными.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТЕЛЕЙ

Любая наука, становясь на ноги, прежде всего создает свой язык, терминологию1, классификацию изучаемых ею фактов. "Метелеведение" практически не имело своего общепризнанного языка, классификаций вплоть до пятидесятых годов нашего столетия.

Метель - очень сложное природное явление. Ветровой поток с включением снега ведет себя иначе, чем чистый ветер, так как метелевые снежинки влияют на скорость и турбулентность ветра. В метели принимают участие как снег, отложенный на поверхности земли, так и зародившийся в облаках и еще не достигший земли. Поведение и закономерности метелей существенно зависят от рельефа (орографии) местности. Наконец, действие метели определяется силой ветра, массой поднятого им снега и характером движения метелевых снежинок. Поэтому метели в настоящее время классифицируются по нескольким признакам2.

По признаку источника появления несомых ветром снежинок различают:
1) верховую метель - снегопад при ветре до приземления атмосферных снежинок, после чего они становятся уже частицами снежного покрова. В верховой метели участвуют только атмосферные снежинки. Верховая метель в чистом виде наблюдается, например, если снег выпадает при ветре над кустарником, лесом, незамерзшим водоемом. Верховая метель условно отличается от спокойного снегопада по скорости ветра. Снегопад считается спокойным, если скорость ветра на высоте 10 м (примерная высота флюгеров метеорологических станций) не превышает 3 м/с;
2) низовую метель, т. е. перемещение ветром вдоль земной поверхности как только что упавших, так и ранее отложенных снежных частиц;
3) общую метель, т. е. сочетание- верховой и низовой метелей.

По признаку рельефа подстилающей поверхности различают:
1) метели на равнинной и слабо пересеченной местности и
2) горные метели.

По признаку силы ветра, скорость которого Vф измеряется на высоте флюгера метеорологических станций, выделяются следующие виды метелей: 1) слабые при скоростях ветра Vф менее 10 м/с; 2) обычные при Vф от 10 до 20 м/с; 3) сильные при Vф от 20 до 30 м/с; 4) очень сильные при Vф от 30 до 40 м/с и 5) сверхсильные при Vф свыше 40 м/с.

Метели двух последних категорий можно назвать катастрофическими, так как они сопровождаются колоссальными заносами и нередкими разрушениями строений. Верхний предел скоростей антарктических сверхсильных метелей достигает на Земле Адели3 90 м/с.

По насыщенности снегом различаются:
1) насыщенные метели, когда ветровой поток переносит количество снега, соответствующее его максимальной транспортирующей способности. "Грузоподъемность" низовой метели, как будет показано ниже, имеет предел, зависящий главным образом от скорости ветра;
2) ненасыщенные метели, когда вес снега, переносимого ветром, меньше максимума, насыщающего ветровой поток. Обе группы относятся только к низовым метелям.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 8. Виды метелей и способы движения метелевых частиц.

Известны следующие способы движения метелевых частиц:
при верховой метели 1) падение атмосферных снежинок;
при низовой метели 2) влечение вдоль поверхности снежного покрова или земли; 3) сальтация, или прыжки, когда снежинки подскакивают сперва почти вертикально вверх, а затем снижаются по отлогой кривой; 4) витание, или диффузия, когда снежинки, сорванные со снежного покрова, поднимаются ветром и витают высоко над поверхностью земли.

На рис. 8 наглядно показаны верховая и низовая метели и соответствующие им способы движения метелевых снежинок. Участницы верховой метели - атмосферные снежинки А падают вниз со скоростью w и перемещаются ветром в горизонтальном направлении со скоростью u Равнодействующая скорость снежинки

В царстве снега на сервере Скиталец 

Составляющая и немного отличается от горизонтальной составляющей скорости ветра в той же точке, так как атмосферные снежинки опережают поступательное движение воздушных струй, переходя при падении, как правило, в слои с постепенно уменьшающимися средними скоростями ветра. Кроме того, воздушная среда смещается относительно снежных частиц вследствие турбулентных пульсаций воздушного потока,

Толщина слоя верховой метели соответствует расстоянию от земли до облаков (1-2 км), которое в горах резко сокращается. Облачный слой может примыкать к горам и обходить их. Сразу или через некоторое время после падения на землю снежинки А становятся уже частицами М снежного покрова и участницами низовой метели. В низовой метели слой влечения имеет толщину не более 1 мм. Слой сальтации, самой распространенной формы движения частиц низовой метели, достигает в высоту до 100 см. Движение частиц низовой метели в виде взвеси (витание) происходит в приземном слое воздуха высотою обычно не более 10 м. Австралийские гляциологи на основании своих многолетних наблюдений на Земле Адели в Антарктиде полагают, что высота подъема взвешенных частиц низовой метели достигает 300 м и выше.

В общей метели могут проявлять себя все четыре формы движения снежинок. Так "расчленяется" сложное и внушительное явление, называемое метелью.

Метель, как и пылевая буря, способна формировать рельеф снежного покрова, вдоль которого она мчится. При малых скоростях ветра на поверхности снега отчетливо виден тонкий вибрирующий слой влекомых снежинок, постепенно создающих правильную рябь, похожую на рябь пустынных барханов и на подводную рябь песчаных пляжей. При усилении ветра на поверхности снега появляются своеобразные волны и барханчики, медленно перемещающиеся в направлении ветра. Эти и другие формы рельефа, образующиеся в результате метели, сами оказывают влияние на структуру метелевого потока.

Между снежными и пылевыми бурями много сходства, но есть и различия. Во-первых, может существовать лишь "низовая песчаная метель", так как песок не зарождается в атмосфере. Во-вторых, доля взвеси в пылевой буре неизмеримо выше. Очень мелкие, размером до 0,001 мм и менее, частицы пыли способны подниматься на высоту более 2-3 км, формируя мощные пылевые тучи. Такие тучи, зародившись, например, над Сахарой, способны пересечь Атлантический, океан. А появление африканской пыли над Европой усилилось в последние десятилетия в связи с небывалым наступлением африканских пустынь на юг континента. Низовая метель могла бы порождать такие же "тучи", если бы мелкие снежинки быстро не испарялись. В предыдущей главе сообщалось об их недолговечности и ее причинах.

НАЧАЛО БУРАНОВ

Для возникновения метели нужны определенные условия. Для верховой метели обязателен снегопад. Низовая же метель может начаться и без снегопада, но для этого необходим ветер достаточной силы, чтобы привести в движение поверхностные частицы снежного покрова. Если поверхность снега рыхлая, достаточно небольшой скорости ветра для начала влечения незакрепленных снежинок. "Начальная скорость ветра" по флюгеру Vф, при которой могут смещаться отдельные свободно лежащие снежинки, равна 3-4 м/с.

Если поверхностный слой снежного покрова затвердел, между его частицами возникает сцепление. Ветер в таком случае должен быть достаточно сильным для того, чтобы вырвать наименее закрепленные частицы из этой брони. В дальнейшем при неизменном ветре вырванные частицы, "бомбардируя" снежный покров разрушают связи между снежинками и своими ударами побуждают к движению все новые и новые снежинки.

Подвижность снежных частиц существенно зависит от их размера. Мелкие сдуваются ветром легче, чем более тяжелые и крупные. Кроме того, очень мелкие снежинки прочнее связаны между собой.

В метелевом снеге преобладают наиболее подвижные частицы размером от 0,2 до 0,4 мм. Поразительно, что средние размеры метелевых снежинок почти одинаковы на всем земном шаре - в Сибири, Канаде, Скандинавии, Антарктиде. И это при необычайном разнообразии кристаллических форм и размеров снежинок! Так же однородны размеры переносимых ветром частиц минеральной пыли, кварцевых песчинок и даже речных донных наносов.

ЗОНА РАЗГОНА

Как бы ни было обширно снежное поле, у него есть границы - лесные опушки, русла рек и оврагов, постройки, берега озер, водохранилищ и т. д. Пусть ветер начинает свой бег от какой-либо наветренной границы покрытого снегом поля, называемого гляциологами снегосборным бассейном4. Снежная метель не может сразу в полную силу "вспыхнуть" на этой границе. Нарастание масс переносимого метелью снега осуществляется постепенно, по мере разрушения поверхностного снежного покрова прыгающими, сальтирующими частицами.

Может показаться, что удары легких кристалликов недостаточны для разрушения смерзшейся снежной корки. В действительности же опытные данные свидетельствуют о внушительном действии сальтации. В аэродинамическом канале устанавливался параллелепипед из очень плотного смерзшегося снега. На расстоянии 1,2 м от него на дно канала насыпался слой рыхлого снега на протяжении 1,5 м. При скорости ветра V0,05 = 18 м/с слой снега был сдут за 12 с. За это время параллелепипед потерял в весе 2,2 г. Он покрылся выщербинами от жестоких ударов изящных и хрупких снежинок,

Но одновременно с разрушительной деятельностью сальтации усиливается противодействие сдуванию снежного покрова благодаря метелевой сепарации зерен, так как мелкие зерна в начале поля сдуваются и остаются крупные и менее подвижные. Кроме того, как отмечено в предыдущей главе, под влиянием сильного ветра и ускоренных им метаморфических явлений в снеге усиливается сцепление между поверхностными снежинками, поверхность снежного покрова твердеет. Взаимное влияние трех противоречивых факторов (абразивное действие метели, сепарация зерен и твердение поверхности снежного покрова) очень усложняет процесс. В конце концов через какое-то время и на некотором расстоянии Xр от наветренной границы снегосборного бассейна общий перенос снега достигает предельно возможного максимума. Расстояние Xр названо длиной зоны разгона (см. примечание 4 в главе первой).

Почти такая же картина наблюдается при развитии пылевой бури, разница лишь в том, что сдуваемая поверхность почвы укрепляется, видимо, только под влиянием сепарации зерен.

Закон развития пылевых и снежных бурь, как впервые предположил английский геофизик Р. Бэгнольд5, вероятно, сходен с законом показательной функции f(x) = Qx. Если каждая снижающаяся после прыжка частица выбивает п частиц, то после k прыжков в движение вовлекается nk частиц. Допустим, в грубом приближении, что величина k пропорциональна длине переноса снега, начиная от границы поля, а значение k = k0 соответствует длине разгона Xр, по достижении которой наступает насыщение метели с равновесным режимом сдувания и аккумуляции. После k прыжков общий перенос снега в процентах от максимума составит п(K-Ko)*100.

Пусть k0 = 60, а k = 40. Тогда при разных значениях n (число выбиваемых после каждого удара частиц) отношение Ес снегоперепоса при k = 40 к максимальному снегопереносу прп k0 = 60, в процентах, примет следующие значения:

n 1,05 1,1 1,5 2,0
Ec 37.6 14,8 3.10-2 10-4

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 9. Развитие метели и пылевой бури в зависимости от расстояния до наветренной границы ровного поля, покрытого снегом или обнаженной почвой.
а-полевые данные: б-изменение функции п(K-Ko)*100 при k0 = 60 и значениях n, равных 1,05 и 1,10.

№ усл. обозн. на рис. Материал Наблюдатель Высота замера, м Скорость ветра, м/с
1 Снег Д. М. Мельник 1,0 9,00
2 " А. К. Дюнин 1,6 8.47
3 " " 1,6 8,58
4 " " 1,6 9,51
5 " " 1,6 15,22
6 Пыль В. Чипил и Р. Майлн Нет данных

Если закон показательной функции здесь действует и число п больше 1,05, то кривая развития переноса твердых примесей такова, что на первых двух третях зоны разгона перенос составит меньше 1/3 возможного максимума.

На рис. 9, а приведены данные Д. M. Мельника6, наши2, канадских почвоведов В. Чипила и Р. Майлна7. В полевых условиях измерялся перенос твердых примесей во время метелей и пылевых бурь на разных расстояниях х от наветренных границ полей. По ординате отложены отношения измеренного веса переносимых ветром твердых частиц к максимально возможному в процентах. Пылевые бури быстрее достигают максимального насыщения твердыми частицами, чем метели, ввиду отсутствия метаморфического сцепления поверхностных зерен. Кроме того, ветер иссушает почву, увеличивая ее податливость к раздуванию.

Кривые графика изменения показательной функции п(K-Ko)*100 при k0=60, п=1,05 и n=1,10 представлены на рис. 9, б. Реальные кривые, построенные по опытным точкам, повторяют вогнутую форму показательной функции. Участки их интенсивного роста сдвинуты к концу зоны разгона. Из 20 прыгающих снежинок, по-видимому, в среднем лишь одна или две при каждом прыжке вовлекают в поток по две частицы. Остальные или только повторяют прыжки, или вырывают из снежного покрова по одной новой частице, а сами прекращают сальтацию.

Это, конечно, всего лишь очень грубые "теоретические" соображения. Теории зоны разгона еще нет, как и не создана еще достаточно корректная теория приземного пограничного слоя двухфазного потока.

Длина зоны разгона Хp есть функция времени. В начале метели она сравнительно невелика, но быстро возрастает по мере укрепления ветром поверхности снежного покрова. Через короткое время (порядка десятков минут) величина Хp достигает максимума (300 - 500 м) и стабилизируется. Устойчивое значение Xp при пылевых бурях достигается намного медленнее. По наблюдениям В. Чипила, через час после начала пылевой бури Xр составляет 6 м и лишь через 5 дней непрерывной бури она достигает 800 м.

Важное практическое значение имеет то, что в большей части зоны разгона действует ненасыщенная метель, которая способна сдувать и переносить гораздо больше снега, чем несет фактически. Поэтому в зоне разгона она выметает на своем пути весь снег, способный к сдуванию, даже в пологих понижениях. При устойчивых направлениях метелевых ветров выгодно, например, прокладывать дороги в пределах зоны разгона, где нет условий для отложения снега не только на ровных площадках, но даже и в дорожных выемках небольшой глубины.

В горах снегосборные бассейны на плато и в долинах, как правило, малы, и там низовые метели не успевают "разогнаться".

Плотные полезащитные лесные полосы служат границами располагающихся между ними снегосборных бассейнов. Сразу же за пределами создаваемой лесными полосами "ветровой тени" начинается безаккумулятивная зона разгона, и снег нередко сдувается полностью на протяжении сотен метров. Это вынуждает применять между полосами дополнительные средства снегозадержания. Заметим, что в самом начал разгона, где перенос снега слаб, а ветер силен, снежный покров особенно тверд. Здесь сохраняется полоса очень плотного, монолитного снега шириной 15-30 м.

ТРАНСПОРТИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ МЕТЕЛЕЙ

Пусть за одну секунду через один метр ширины метелевого потока переносится масса снега, равная Q г/м*с. Эта величина называется общим pacxoдом снега. Когда пройдена зона разгона, метель становится насыщенной снегом. Масса переносимого снежного груза далее не увеличивается и колеблется около какого-то среднего значения Qн, которое и называется транспортирующей способностью метелей.

Общий расход снега найдется из выражения

В царстве снега на сервере Скиталец

где Н - потолок (Предельная высота поднятия снежинок над земной поверхностью низовой метелью) взвешивания, снежинок (обычно Я ==2-3 м); qz - удельный расход снега (г/м2с), измеренный на высоте z специальными приборами, называемыми метелемерами.

Важная особенность низовых метелей - их приземленность. Удельный расход снега qz на высотах 0-5 см на 2-3 порядка больше, чем на высотах свыше 30 см, как это видно из рис. 10, где показаны результаты точных измерений qz в аэродинамическом канале при скоростях ветра V0,2 (z = 0,2 м) от 9,72 до 30,4 м/с.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 10. Изменение удельного расхода снега qz по высоте z. 1- V0,2=9,72 м/с; 2 - V0,2=13,8; 3 - V0,2=17,8; 4 - V0,2=24,2; 5 - V0,2=30,4 м/с.

Подавляющая часть снега при низовой метели переносится в слое высотой 20 см даже при сильнейших буранах.

В СССР и за рубежом накоплено множество метелемерных измерений, дополненных лабораторными данными. Было предложено около двадцати эмпирических формул для вычисления Qн как функции скорости ветра. Результаты расчетов по этим формулам сильно расходились в связи с тем, что при метелемерных измерениях, как правило, не учитывали насыщенность метелей и не всегда правильно оценивали погрешность метелемеров. Корректные аналитические выражения для Qн найдены общим дедуктивным методом с использованием основных положений механики многокомпонентных потоков2. Общность аналитических выражений позволила привлечь данные изучения Других сходных взвесенесущих потоков. Исследователи песчаных и "черных" бурь Р. Бэгнольд, В. Чинил и их последователи также накопили изрядный и достоверный экспериментальный материал.

Еще богаче опытные данные о движении твердых примесей в водных потоках, о движении донных речных наносов. Оказалось, что транспортирующая способность низовых метелей, пыльных бурь и взвесенесущих водных потоков (для донных наносов) описывается одним аналитическим выражением:

В царстве снега на сервере Скиталец

где Ф - безразмерный множитель, являющийся сложной функцией многих параметров; Vz - скорость потока, измеренная на высоте z от подстилающей поверхности; Vkz - скорость потока, соответствующая началу переноса твердых частиц и измеренная на той же высоте z; р, рs - массовые плотности соответственно несущей среды и твердых частиц; б - размер бугорков шероховатости поверхности, вдоль которой течет поток; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

Для вывода этой формулы была применена теория двухфазных потоков профессора Феликса Исидоровича Франкля8 и общая теория турбулентного пограничного слоя9. Теоретическое изучение метелей как частного и очень сложного случая двухфазных потоков не ограничилось, безусловно, одним выводом формулы10 для Qн. На рис. 11 найденное общее аналитическое выражение сопоставлено с опытными данными В. Н. Гончарова и Г. Н.Лапшина11, Р. Бэгнольда5, В. Чинила12 и других исследователей для движения песка в гидролотках, для песчаных, пыльных и снежных бурь. Для всех этих потоков коэффициент Ф близок к некоторой постоянной величине, примерно равной 0,01. Опытные данные, относящиеся к трем физически различным взвесенесущим потокам, достаточно хорошо соответствуют теоретической кривой в пределах шести порядков изменения величины.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 11. Сравнение общего расхода твердых частиц в различных двухфазных потоках по данным: 1 - В.Н. Гончарова; 2 - Р. Бэгнольда; 3 - В. Чипила; 4 - А. К. Дюнина

После подстановок значений р, р рs, б, Vkz соответствующих снего-ветровому потоку, получим для насыщенных метелей: Qн=0,34(V0,2-3)3 г/м2с, если z = 0,2 м, или Qн=0,077(Vф-5)3, если z == 10 м (высота флюгера). Почти точно такими же оказались расчетные формулы для песчаных бурь.

Перенос снега очень чувствителен к изменениям скорости ветра. Например, при незначительном изменении Vф (от 7 до 8 м/с). Он изменится от 0,6 до 2 г/мс, то есть более чем в три раза.

Формулы, приведенные выше, "работают" неплохо. Они применяются для расчетов, связанных с проектированием снего- и пескозащитных средств в сильнометелевых местностях и в районах подвижных песков СССР13. По этим формулам составлен график зависимости общего твердого расхода низовых метелей от скорости ветра (рис. 12) и сопоставлен с полевыми Данными и лабораторными измерениями2. В нижней части рисунка построена шкала для скоростей ветра V0,2 (на высоте 0,2 м над снегом), в верхней части - шкала для скоростей ветра Vф (на высоте флюгера). Кривая Qн соответствует общему переносу снега насыщенных низовых метелей. Заштрихованная область ниже кривой - зона ненасыщенных метелей вплоть до отсутствия переноса снега, когда снежный покров сильно закреплен или вовсе отсутствует. Выше кривой Qн простирается зона общих метелей, когда ветровой перенос снега складывается из поступательного движения атмосферных снежинок верховой метели и поверх постных частиц низовой (Qн+Qа). В обоих случаях берутся горизонтальные составляющие расходов.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 12. Зависимость общего расхода снега от скорости ветра. 1 - измерения в большом аэродинамическом канале; 2 - полевые данные.

Удельный расход снега при верховой метели в горизонтальном направлении исчисляется простой формулой: qza = pacuz г/м2с, где pac - массовая концентрация атмосферного снега в воздухе, выражаемая массой снега в граммах, приходящейся на 1м3 воздуха; uz- горизонтальная составляющая скорости снежинок на высоте z от земли (м/с). Концентрацию pac можно найти, зная интенсивность снегопада qa и среднюю скорость падения снежинок w. Интенсивность qa есть, в сущности, удельный расход снега через горизонтальную поверхность, Следовательно, qa = pacw г/м2с. Отсюда qza = (uzw)qa, а общий расход верховой метели в горизонтальном направлении в слое атмосферы высотой Ha равен:

В царстве снега на сервере Скиталец

Если pac, uz и w существенно не изменяются вдоль земной поверхности, что характерно для обширных равнин, то прирост снежного покрова равен qa и равномерен как при верховой метели, так и при снегопаде без ветра. Но все в корне меняется, если верховая метель бушует в горах; здесь она - главный, решающий фактор, который регулирует распределение снега и образует снежные заносы на горных предприятиях и дорогах. В верхнем углу рис. 12 построена кривая Qн+Qа только для слоя верховой метели высотой На = 100 м при скорости падения атмосферных снежинок w = 0,25 м/с и интенсивности осадков qa == 5 мм воды в час. Интенсивность снегопадов метеорологи измеряют в водном эквиваленте, т. е. выражают ее слоем воды, который получился бы при таянии снега, выпавшего за час. Из рис. 12 видно, какие громадные массы снега проносятся над земной поверхностью во время общих метелей по сравнению с низовыми метелями.

На этом же рисунке по скоростям ветра метели разделены в соответствии с их классификацией на слабые, обычные, сильные, очень сильные и сверхсильные. До недавнего времени в сфере внимания исследователей находились низовые метели с общим переносом снега не более 300 г/мс. На рис. 12 эта область выделена пунктиром. Все остальное получено только моделированием метелей в аэродинамических каналах. Не созданы метелемеры для сверхсильных метелей. Никто еще в поле не измерял их мощь. Существующие приборы для этого не пригодны.

Очень сильные и сверхсильные, катастрофические метели бывают довольно часто в полярных районах Земли. На берегах Антарктиды это обычное явление.

Л. М. Дановский в зиму 1948/49 г. был свидетелем сверхсильной метели при Vф > 45 м/с на Анарской дистанции пути бывшей Карагандинской железной дороги14. Метель легко вырывала двухметровые снегозащитные щиты, отбрасывая их на сотни метров, опрокидывала высокие и прочные снегозащитные заборы. Одноэтажные жилые здания были занесены снегом до крыш, так что жильцы выходили из домов через чердак. Случалось, что и здания разрушались.

В феврале 1969 г. я наблюдал сверхсильную метель на Южном Сахалине при очень интенсивном снегопаде - от 5 до 11 мм воды в час. Два снежных тайфуна, мчавшиеся на север вдоль западного и восточного берегов Японии, объединились тогда над Сахалином. Заносы в Южно-Сахалинске достигали вторых этажей. Скорость ветра превосходила 50 м/с. Чтобы выйти из гостиницы, пришлось пробивать снежный тоннель.

Факт существования предельной транспортирующей способности низовых метелей, равно как и пылевых бурь и взвесенесущих речных потоков, доказан и общепризнан. Относительно количественного выражения этой способности нет единого мнения. Австралийские гляциологи считают, что доля витания при низовых метелях очень велика в сравнении с другими способами движения снежинок, и поэтому кривая Qн на рис. 12 должна быть значительно выше.

Глава школы австралийских снеговедов профессор Ф. Леве, создавая диффузионную теорию метелей, основывался на собственных наблюдениях за свирепыми пургами на Земле Адели в Антарктиде. Во время антарктической зимовки в 1951 г. он установил, что толщина метелевых наносов за береговым ледяным обрывом достигала 20-30 м. Циклопические сугробы простирались к северу более чем на 1 км. Лед берегового Припая прогибался под их непомерной тяжестью, и морская вода проникала в снег.

Среднемесячная скорость метелевого ветра равнялась там 29 м/с с порывами до 50 м/с и выше. Непрерывная сверхсильная метель выла неделями, видимость колебалась от нуля до нескольких метров. Основываясь на наблюдениях за грандиозными антарктическими буранами, Леве и пришел к убеждению о решающей роли витания (диффузии) снежинок при метелевом снегопереносе.

Метели "диффузионного типа" в принципе возможны в экстремальных условиях при полном отсутствии дефицита влажности воздуха или при его перенасыщении парами воды. Это, как отмечалось во второй главе, реально при очень низких температурах воздуха вследствие малости давления насыщающего пара. Тогда снежная пыль может диффундировать в высокие слон атмосферы, подобно почвенной пыли, не испаряясь.

Возможно и другое, объяснение: австралийские гляциологи могли наблюдать общие метели при совпадении низовых метелей со снегопадами. Вопрос этот пока не вполне ясен, но в обычных условиях роль витания снежинок в динамике низовых метелей пренебрежимо мала.

Эксперименты показали, что в пограничном слое метелей со скоростями V0,2 более 20 м/с (очень сильные и сверхсильные метели) происходят глубокие качественные изменения2.

Профили скоростей ветра на рис. 13 для чистого потока над гладким металлическим дном аэродинамического канала мало изменяются в интервале скоростей V0,3 от 9,5 до 40 м/с. Профили скоростей метелей при V0,3 = 9,5 -13,5 м/с более пологие за счет большей шероховатости поверхности снега. При V0,3 выше 24 м/с происходит скачок, как если бы бугорки шероховатости увеличились в несколько раз. Но метель продолжает быть "приземленной".

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 13. Профиль скоростей ветра в пограничном слое чистого потока над гладкой металлической поверхностью (а) и в пограничном слое метели при V0,3=9,5-13,5 м/с (б) и при V0,3=24-40 м/с (в).

Представляют интерес такие вопросы: каковы основные причины захвата потоком твердых частиц и каковы факторы, ограничивающие транспортирующую способность потоков с твердыми примесями?

Г. И. Баренблатт15, исследовав механизм взвешивания речных наносов, пришел к принципиальному выводу о том, что в этом механизме решающую роль играет пульсационная энергия потока, энергия быстрых изменений скоростей потока в любой его точке. Выводы Баренблатта оказались справедливыми и для метелей.

Работа метели по взвешиванию твердых частиц осуществляется за счет пульсационной энергии. Но если эта энергия тратится, значит, она уменьшается. Уменьшаются, гасятся пульсации потока, исчерпывается его транспортирующая способность. Так, основываясь на исследованиях Г. И. Баренблатта, можно объяснить наличие предельной транспортирующей способности взвесенесущего потока.

В настоящее время структура и динамика двухфазного пограничного слоя - предмет усиленных исследований, связанных, конечно, не только с интересами "метелеведения". Английские механики Дж. Оффин и С. Клайн18 считают, что, по-видимому, поверхностные струйки двухфазного потока тормозятся пульсациями давлений, вызванными пульсациями скоростей и объемных концентраций примесей. Заторможенные струйки выбрасываются вверх вместе с твердыми частицами, При этом образуются подковообразные вихри, схематично показанные на рис. 14. Раз возникнув, они служат инициаторами образования новых заторможенных струек, обеспечивая их регулярные взрывные выбросы в глубь потока и формирование все новых и новых себе подобных вихрей. Выбросы цикличны, и взвесь перемещается облачками или полосами параллельно фронту потока. Такие полосы хорошо заметны, когда метель проносится над незанесенным полотном автомобильной дороги.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 14. Схема выбросов приземных струй и подковообразных вихрей в пограничном слое турбулентного потока.

Уменьшение пульсаций взвесенесущего потока имеет неожиданное следствие. Пульсации чистого турбулентного (При турбулентном движении жидкости или газа струи потока взаимно перемешиваются и параллельных струй, характерных для ламинарного режима, нет) потока значительно увеличивают касательные напряжения, появляющиеся между потоком и подстилающей поверхностью. Поэтому общее сопротивление, оказываемое движению, велико. Но в мутном потоке, насыщенном тяжелыми примесями, пульсации гасятся, и этот поток должен преодолевать меньшие сопротивления. Такое влияние примесей на турбулентность взвесенесущих потоков иногда называют демпинг-эффектом. Не этим ли объясняется ужасающий разгон жестоких буранов, срывающихся с прибрежных склонов ледяного купола Антарктиды?

Рамки и назначение книги не позволяют подробнее рассмотреть увлекательнейшие проблемы механики двухфазных потоков, подобных метелям. Современное состояние проблемы весьма обстоятельно освещено в обзорных работах О. Ф. Васильева, В. М. Лятхера17, Р. И. Нигматулина18, А. С. Гиневского, В. А. Иосилевича и др.19.

ПРЕДЕЛЬНАЯ ДАЛЬНОСТЬ ПЕРЕНОСА СНЕГА

Еще сравнительно недавно думали, что снег, как и песок, способен перемещаться низовой метелью на огромные расстояния, на сотни километров. Но и тут низовым метелям положен предел по той же самой причине, по которой ограничивается высота (потолок) взвешивания мелких снежинок. Из-за ускоренного испарения снега метелевые частицы не могут переноситься на произвольно большие расстояния.

В предыдущей главе рассказывалось об испарении снега в спокойной среде. Знание основных свойств метелей позволяет рассмотреть сейчас очень сложное явление, сопутствующее метелям,- испарение снега, поднятого и перемещаемого ветром, или метелевое испарение снега. Практическая значимость этого явления в том, что именно оно определяет предельную дальность переноса снега, обозначаемую обычно буквой L3.

Ускоренное испарение метелевых снежинок происходит по двум причинам: во-первых, поверхность каждой частицы открыта со всех сторон, тогда как снежинкa, лежащая на поверхности снежного покрова, способна испаряться лишь в одну сторону - вверх; во-вторых, летящие снежинки перемещаются относительно воздушной среды за счет пульсаций скоростей ветра и относительного движения частиц в воздушном потоке. Снежинки обдуваются ветром, что, естественно, ускоряет их испарение. Важность и необычность проблемы требует ее более детального рассмотрения.

Чтобы оценить величину L3, определим общий расход снега при низовой метели Qн другим методом - методом баланса) снега в снегосборном бассейне (см. рис. 15).20

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 15. К расчету переноса снега методом баланса.

Пусть от наветренной границы б - б снегосборного бассейна проведена по направлению метели полоса шириной 1 м. Найдем величину Qн при пересечении метелью линии а - а, перпендикулярной направлении ветра, исходя из запасов и потерь снега в полосе АБ. Получаем баланс:

Qн=Tc(q-q3)L-IsL (г/мс),

где L-длина полосы АБ; Tc -коэффициент сдувания, имеющейся в бассейне массы снега q, отнесенной к единице площади поля, за вычетом удельной масс" снега q3, задерживаемой растительностью, оврагами, возвышенностями и понижениями; Is - испарение снега, отнесенное к 1 м2 снежного покрова. Имеем:

Is=I+Im,

где I - испарение с поверхности снежного покровам Im - испарение поднятых метелью и отделенных друг от друга метелевых частиц. Найдем метелевую часть Is:

Is = bcI0N = (Mc/m)bI0 ,

где I0 - интенсивность испарения одной снежинки (г/с); bc - коэффициент взаимного влияния снежинок в системе метелевого переноса; N - общее количество поднятых метелью снежинок, приходящееся па единицу площади полосы АБ; Mc - масса этих снежинок; т - масса одной снежинки. Упрощая выводы, считаем все снежинки одинаковыми.

Заметим, что Qн = ucpMc, где ucp - средневзвешенная скорость снежинок во всем метелевом слое. Следовательно,

Im = bcI0(QH/mucp) (г/м2с).

Введем обозначение Lэ = тucp/bcI0. Тогда Im = Qн/Lэ, и из баланса снега сразу получим: Qн = (Tc(q-q3)-I) / (1/L + 1/Lэ).

При очень большом снегосборном бассейне, когда L >> Lэ, имеем:

Qн == (Tc(q-q3)-I) Lэ,

то есть к линии а-а на рис. 15 как бы поступает только снег, сдуваемый с заштрихованной полосы длиной Lэ. Эта длина и названа предельной дальностью переноса снега.

Интересно, что инженер А. С. Чернявский21 еще в конце прошлого столетия дал эмпирическую связь между объемом снегоотложений за сутки и шириной равнины L:

Qн = 0,0143 / (1/L + 1/1750).

Это одна из удачнейших догадок. Величина Lэ зависит от климата и не может быть постоянной. По А.С. Чернявскому, Lэ == 1750 м, что применимо для Западной территории СССР. В Западной Сибири Lэ =2-3 км. В Арктике Lэ = 5-10 км. В Антарктиде, по данным В. М. Котлякова, Lэ = 10 - 20 км и более.

Расчеты и эксперименты показывают, что при метелях съем пара с поверхности снега с учетом летящих снежинок оказывается на 1-2 порядка больше, чем при безветрии22. Очень велики потери снега ввиду его метелевого испарения. В Сибири снег часто выдувается метелями с открытых участков до самой поверхности земли при отсутствии таяния. Многочисленные наблюдения свидетельствуют о малости ветрового выноса снега в леса, овраги, балки и другие понижения по сравнению с его метелевым испарением.

Агроном М. Е. Черепанов исследовал, например потери снега на опытном поле Омского сельскохозяйственного института, защищенном от выноса снега и попадания его извне высокой насыпью и лесными полосами. За зиму 1963/64 г. выпало 120 мм твердых осадков (в водном эквиваленте). Из них к концу зимы осталось в полях, рощах, лесных полосах и понижениях 67 мм. Оттепелей не было. Все остальное исчезло путем возгонки.

Оголение полей от снега начинается в их наветренных зонах разгона и постепенно продвигается в глубь поля, так как туда смещается и начало зоны разгона, совпадающее с наветренным краем оставшегося снежного покрова.

В СССР исследования метелевого испарения снега ведутся с 1958 года. Проводятся аналогичные работы, причем весьма интенсивно, в США Р. Шмидтом, Р. Тэблером, М. Мартинелли. Можно считать доказанным и теоретически, и экспериментально, что метелевое испарение снега является существенной частью общего водного баланса в районах с развитым метелевым режимом. Это, по-видимому, открывает новую главу в современной гидрологии суши.

ЗАКОНЫ СНЕЖНЫХ ЗАНОСОВ

Инженеру, проектирующему средства борьбы со снежными заносами, необходимо знать не только транспортирующую способность низовых и верховых метелей, но и при каких условиях снежные массы, несомые ветром, останавливаются, накопляются и когда, где и при каких обстоятельствах они проносятся мимо, не угрожая заносами. Возникает понятие снегозаносимости инженерных объектов, т. е. степени их подверженности снежным заносам.

Если сооружение ослабляет ветер, а метель насыщена снегом, то отложения снега неизбежны. Снежные валы растут до тех пор, пока ветер на их вершинах де сравняется по скорости с полевым, набегающим ветром. При ненасыщенной метели отложения необязательны даже при заметном ослаблении ветра. В самом деле, пусть общий расход снега набегающей метели

Qн = 0,077n(vф1-5)3,

где коэффициент насыщения n = Tc/100 < 1, vф1 - скорость ветра в поле перед сооружением. С другой стороны,

Qн = 0,077n(vф2-5)3.

где vф2 - та скорость ветра, при которой метель была бы насыщенной (vф2< vф1). Тогда

В царстве снега на сервере Скиталец

Допустим, например, что vф1 = 25 м/с, a n = 0,3 (в первых двух третях зоны разгона). В этом случае vф2 = 18,4 м/с, когда набегающая метель становится насыщенной. Следовательно, скорость ветра в зоне сооружения может упасть до 18,4 м/с, то есть на 26%, без отложений снега.

Во многих случаях инженерным сооружениям можно придать такие формы, чтобы метели проносились через них, не образуя скоплений снега. Приведем пример автодорожных и железнодорожных насыпей20. Пусть ширина насыпи поверху равна b, а ее высота - Н. Если b/Нн< 4, то при поперечном обдувании насыпи за нею формируется обширная зона завихрений (см. рис. 16, а), где снег будет откладываться независимо от насыщенности метели, пробиваясь обратными течениями к подветренному откосу насыпи. При b/Нн > 4 происходит безвихревое обтекание насыпи (рис. 16, б). Такая насыпь, помещенная в зоне разгона метели, может стать незаносимой.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 16. Линии равных относительных скоростей (изотахи) при икании ветром моделей насыпей высотой 12 м (а) и 3 м (б). Масштаб моделей 1:100. Откосы 1:1,5.

Снег накапливается не только при уменьшении средней скорости полевого ветра. Волнообразные отложения, снежные барханы и сугробы возникают даже на гладком ледяном покрове озер и рек при сносе снега с берегов низовыми метелями, так как в насыщенном снеговетровом потоке величина Qн претерпевает периодические колебания, пульсации разных частот, в том числе и низкочастотные. На рис. 17 представлено изменение Qн вдоль аэродинамического капала. Отчетливо видны колебания Qн после короткой зоны разгона, уменьшенной искусственным рыхлением снега. В точке А величина Qн уменьшается с немедленным выпадением излишка снежного груза, а в точке В опять начинается прирост общего расхода снега, возмещаемого сдуванием рыхлого поверхностного слоя, и т. д.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 17. Изменение общего расхода снега в аэродинамическом канале при (Qн)mах == 14,35 г/м-с.

МЕТЕЛЕВЫЙ РЕЛЬЕФ

Периодические колебания транспортирующей способности метели Qн служат основной причиной того, что поверхность полевого снежного покрова становится неровной, похожей на некоторые формы рельефа песчаных пустынь и на донный рельеф рек с размываемым дном. Подобные формы не образуются при ненасыщенных метелях, так как в пределах зон разгона нет условий для аккумуляции взвесей и сальтирующих частиц.

В сильнометелевых районах чаще встречаются снежные волны длиной от 8 до 40 м и высотой от 0,05 до 0,3 м. Чем длиннее и выше волна, тем сильнее породивший ее ветер. Существуют и другие формы рельефа снежного покрова.

Периодическими перенасыщениями и недонасыщениями метелевого потока обусловлены крупномасштабные пульсации содержания твердых частиц. Неодинаковая крупность переносимых ветром снежинок вызывает микромасштабные пульсации с частотами 50 - 100 Гц и более10. Они могут быть причиной тонкой снежной ряби, образующейся при не очень больших скоростях ветра. Пульсации концентрации твердых примесей в метелевых потоках исследовались с помощью фотоэлементов.

В. С. Матвиенко разработал шкалу соответствия форм рельефа снежного покрова скоростям ветра. По этой шкале в условиях Хибин он определял направление и силу штормовых ветров на больших площадях горных плато23. Исследуемая площадь разбивалась на квадраты со стороной 100 м. В углах полученной сетки по формам снежного рельефа определялось направление ветра. Рельеф фотографировался камерой, ориентированной по компасу. Так удалось, например, выявить поле штормовых ветров на плато Ловчорр Хибинского нагорья и сравнить его с результатами продувания модели плато в аэродинамической трубе. Других средств получения такой же детальной картины пока нет.

Методы определения зимнего метеорологического режима по структуре и рельефу снежного покрова имеют большую перспективу и важное практическое значение для любых инженерных изысканий в слабо изученных районах.

Крупные формы рельефа хорошо различимы с космических орбитальных станций. На гребнях горных хребтов ветры навевают громадные снежные карнизы, нависающие над пропастями своеобразными консолями шириной до 10 м. По ориентации и размерам карнизов можно судить о направлении и силе преобладающих горных ветров. Это важно для определения запасов снега в ущельях и оценки снегового стока горных рек.

Сейчас успешно развивается космическая гляциология, решающая земные снеговедческие проблемы путем наблюдений из Космоса. Советские экипажи космических кораблей в последние годы получают гляциологические задания. В 1979 году летчик-космонавт А. С. Иванченков впервые доложил на Всесоюзном гляциологическом совещании результаты наблюдений экипажей орбитальной станции "Салют-6" во время 96-дневного полета зимой и 140-дневного полета летом 1978 года.

Преимущества космических съемок снежной и ледовой обстановки очевидны. Через каждые два дня космическая станция возвращается к месту предыдущей съемки, так что можно получить серию снимков одного и того же региона и судить о динамике гляциологических процессов в самых труднодоступных районах Земли. Помимо визуальных наблюдений экипажем станции "Салют-6" выполнялась периодическая съемка ледников и снежного покрова при помощи фотоустройств.

Любая дистанционная съемка земной поверхности, производимая с больших высот, должна обязательно сверяться с наземными геодезическими съемками. Такая сверка называется привязкой дистанционной съемки. Наземная привязка гляциологической космической съемки осуществляется в горах Памира, где полевыми исследовательскими партиями под общим руководством члена-корреспондента АН СССР Владимира Михайловича Котлякова создан постоянно действующий полигон дистанционного изучения горного снежного покрова и ледников.

При анализе материалов дистанционных съемок знание особенностей и закономерностей образований метелевого рельефа снежного покрова органически необходимо.

ГОРНЫЕ МЕТЕЛИ

Дистанционные съемки рельефа снежного покрова особенно важны в горах, где практически невозможно создать сеть метеорологических постов, достаточно густую для того, чтобы получить исчерпывающие данные о ветровом режиме. Начали также применяться автоматические микростанции, фиксирующие и передающие по радио основные метеорологические данные, включая скорость и направление ветра.

В горных районах крайне сложна ветровая обстановка, резко изменяющаяся не только на коротких горизонтальных расстояниях, но и по вертикали, что, естественно, сказывается на метелевом переносе снега. Кроме того, на метелевый перенос оказывает влияние рельеф местности. Положение осложняется крутыми горными склонами, недостаточными, как правило, размерами ровных площадок и плато для насыщения метелей снежным грузом. Эти размеры меньше длины зоны разгона метелей xp. Как сказано ранее, в распределении снега в горах верховые метели играют значительно большую роль, чем на равнинах.

На рис. 18 приведена схема движения общей метели при пересечении ею возвышенности в горном районе. Скорость ветра vx направлена слева направо. В наветренной зоне осаждения А на части склона а-б вертикальная составляющая vy скорости отклоняемого склоном ветрового потока меньше скорости падения снежинок w. В зоне сноса б - в шириной В ветер препятствует падению снежных частиц, и все они перебрасываются через вершину. В точке в гребня ветровой поток срывается, образуя большую вихревую зону в-г-д (3).

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 18. Схема движения общей метели при пересечении ею возвышенности а - б - в - г - д.

Пусть граница зоны существенного влияния гор на ветровой поток находится на высоте Hв от вершины в. Средняя в этом слое скорость ветра ucp и средняя горизонтальная составляющая скорости самих снежинок ucp.

При переходе в зону 3 уменьшаются в связи с расширением потока. Снег, сносимый с наветренной части склона б - в, осаждается на подветренном склоне, причем ширина зоны осаждения b меньше В, так как снежинки попадают в область пониженных скоростей ветра и завихрений, обратные потоки которых смещают осаждающиеся частицы снега в сторону вершины. Предполагаем, что контур а- б - в - г- д - проекция цилиндрической поверхности, бесконечно протяженной в направлениях, перпендикулярных к плоскости чертежа.

Баланс снега в зоне осаждения 3 может быть составлен для любой точки г в виде

q0 = qy-d(Qн-Qа)/dx,

где q0 - приращение снежного покрова в точке г(г/м2с); qy - интенсивность осадков; Qн, Qа - общиерасходы снега низовой и верховой метелей.

Величина Qа слагается из двух частей. Первая соответствует твердому расходу верховой метели, начиная с точки срыва в и равна HpaXvcp, если считать, что ucp= Xvcp. Здесь pca - массовая концентрация снежинок в воздухе (г/м3); Н - переменное расстояние от точки г до границы зоны влияния гор. Вторая часть соответствует сносу падающих снежинок из зоны б-в, не успевающих коснуться склона. Полагаем, что эта часть равна qyB(1-x/b), так как при x>b она превращается, по условию, в нуль. На основании сказанного имеем:

q0 = qy - pca(dHXvcp/dx) + qyB/b -dQн/dx,

Но pca = qy /v1, q0 = pcd(dhг/dt), где hг - высота снежного покрова в точке г, pc - его плотность. Поэтому

В царстве снега на сервере Скиталец

В. С. Матвиенко25 впервые удачно применил это простое выражение для расчета накопления метелевого снега в огромных лавинных воронках Хибинского нагорья.

Выше сообщалось, что общие расходы снега при верховых метелях во много раз больше, чем при сильнейших низовых метелях. Заносы, вызываемые верховыми и общими метелями в горах, весьма велики, и борьба с ними представляет немалые трудности. Расчеты объемов снегопереноса, применяемые для равнин, в горах непригодны. Так, в степи, на слабопересеченной местности, при расчетах вполне обоснованно учитывают только низовую метель, поскольку здесь (dQa/dx) ~ 0. В горах вид метелей другой, и снегоотложение там подчиняется иным законам.

Схема, представленная на рис. 18, условна, ибо формы горного рельефа много сложнее, и задача их обтекания двухфазным потоком должна ставиться и решаться как пространственная. Фактически мы предполагали, что облачный слой расположен выше гор. Облака, разумеется, могут находиться и ниже вершин, в таком случае распределение осадков примет более сложный характер, и это должно быть предметом специальных исследований.

Перед учеными ставится комплексная теоретическая и экспериментальная задача - определить влияние турбулентных пульсаций ветра и концентрации примесей на отложения снега, что особенно важно в горах, где пульсационный режим ветра ярко выражен.

Изучение горных метелей лишь начинается. И надо сказать, это необычайно трудная и практически важная задача, без решения которой нельзя, в сущности, надежно прогнозировать возможные снежные заносы в горах и падение снежных лавин. Последние очень часто имеют метелевое происхождение.

"МЕТЕЛЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСТВО"

Один из самых удивительных сюрпризов, преподносимых метелями и пылевыми бурями, - электризация пыли и снежинок, резкое увеличение градиента потенциала атмосферного электрического поля, или напряженности электрического поля, которая при сильных метелях может достигать 6000 Вт/м и более. Этого вполне достаточно для свечения остроконечных наземных предметов. В облаках снежной пыли иногда бывают синие и фиолетовые вспышки и сияния, появляются досадные радиопомехи.

На Крайнем Севере, в Сибири и даже иногда в Крыму во время сильных метелей и снегопадов случаются зимние грозы и шаровые молнии. Особо высокие градиенты электрического потенциала наблюдаются преимущественно при сильных общих метелях, низких температурах и сухом снеге. Многие исследователи считают основной причиной этого явления трение снежинок о воздух, друг о друга, о поверхность земли.

Очень сильные метели иногда заряжают телеграфные провода настолько, что подключенные к ним электрические лампочки светятся полным накалом. Ухудшаются электроизоляционные свойства воздуха, повышается опасность пробоя изоляции в высоковольтных электрических установках и линиях электропередач. Особую опасность представляет "метелевое электричество" для современных линий электропередач сверх высокого напряжения - до 1000-1200 кВ и более.

При взаимодействии заряженных метелевых частиц с электрическим полем приземного слоя атмосферы возникают силы электрического происхождения (пондеромоторные силы). В зависимости от знака электрических зарядов поверхности земли и самих свежиной последние или отталкиваются от земли, или притягиваются к ней. Установлено, что ускорение, вызванное этим фактором, невелико по сравнению с ускорением силы тяжести, так как максимум электрического заряда, удерживаемого мелкой частицей, и возможный максимум градиента электрического поля в приземном слое атмосферы ограничены.

Сравнительно недавно многие инженеры возлагали надежды на то, что "метелевое электричество" сможет обеспечить массовое взвешивание снежинок с перебросом их на больших высотах через дороги и поселки без образования заносов. Увы, этим чаяниям не суждено было сбыться.

По закону Кулона, ускорение е силы, действующей на частицу с зарядом Т в кулонах (Кл), находящуюся в влектростатическом поле с напряженностью E(Н/Кл), равно: e = -ТE(1/m) (м/с2), где т - масса частицы (кг). По опытным данным, (Т/m)max ~ 0,2 нКл/мг.

Заряды не могут быть больше этого максимума вследствие потерь в окружающую среду, то есть так называемых коронных разрядов. По измерениям градиента напряжения электрического поля во время очень сильных снежных и песчаных бурь найдено, что Emax = 10 000 В/м. Отсюда Еmax = -0,210410-9106 = 2 м/с2.

Следовательно, даже в экстремальных условиях ускорения сил электрического происхождения не превышают 20% от ускорения сил тяжести (9,8 м/с2).

Если заряд Т и напряженность Е одного и того же знака, то ускорение е отрицательно, и силы электрического происхождения направлены не вверх, а вниз. Это означает усиление притягивания к земной поверхности, а не действие против сил тяжести. Все исследователи электрических зарядов метелевых частиц нашли, что они, как правило, положительны. Отрицательно заряжаются обычно крупные, тяжелые частицы. Напряженность электрического поля в приземном слое воздуха всегда положительна, за исключением метелей на ледниках. Поэтому на большинство метелевых частиц действуют пондеромоторные силы, "прижимающие" их к земле.

Но возможные максимумы заряда Т и напряженности Е достаточно велики, чтобы объяснить вышеуказанные эффекты.

ЕСТЬ ЛИ МЕТЕЛИ НА МАРСЕ!

У земных метелей есть "космические родственники". Планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран состоят преимущественно из снега и льда. Полярные шапки на Марсе снежно-ледяные. Знаменитые марсианские бури могут быть как пылевыми, так и снежными метелями.

Универсальную формулу транспортирующей способности метелей (см. с. 51) вполне можно применить для Марса. Плотность атмосферы Марса в 100 раз меньше земной, а ускорение силы тяжести на этой планете меньше в 2,65 раза. Расчет показывает, что, несмотря на сильно разреженную атмосферу, общий твердый расход марсианских бурь может быть таким же, как и на Земле, если скорость ветра на Марсе всего лишь в три раза больше соответствующей на Земле. И совсем необязательно, чтобы пылевые частицы были много меньше земных.

Скорость ветра на периферии марсианского циклона, по измерениям "Викинга-2", около 20 м/с. В средних областях циклопа ветер может быть в несколько раз сильнее. Марсианские снежно-пылевые бури жестоки. Космонавтам полезно знать законы метелей иносить плотные противопылевые комбинезоны.

В царстве снега на сервере СкиталецГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
"БЕЛАЯ СМЕРТЬ"

Казалось бы колов, присущий снегу, должен был сообщить ему оцепенелость зимы, а белизна - неподвижность савана. Однако это опровергается стремительным движением лавины. Лавина - это снег, ставший огненной печью. Она ледяная, но все пожирает.

Виктор Гюго. Человек, который смеется

В горах человека подстерегает немало опасностей. Бывают и землетрясения, и наводнения, и обвалы, и оползни. Один из самых коварных горных джиннов - сель, грязекаменный поток. Всем известны разрушительные сели, неоднократно угрожавшие столице Казахской ССР Алма-Ате.

Сели, землетрясения, наводнения отличаются скрытностью, отдаленностью своих основных очагов. Очаг селя, например, может отстоять от причиненных им разрушений на десятки километров.

Очаг снежной лавины весь на виду. Это - горный склон, нависший над долиной. От него, покрытого белоснежным одеянием, веет миром, спокойствием. И вдруг белизна рассекается трещиной. Снежная масса устремляется вниз со скоростью экспресса, с грозным оглушающим гулом. У подножия склона - внезапная остановка, удар, вздымающий вверх снежное облако. Лавина уничтожает все на своем пути (рис. 19). Нередко она порождает не менее опасную воздушную волну, мчащуюся дальше в глубь долины, хотя лавинный снег уже замер, уплотненный ударом.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 19. Здание, разрушенное лавиной.

Лавины - наиболее типичное и массовое явление в тех горных районах, где в достаточном количестве выпадает снег, явление коварное, внезапное и крайне опасное. В горах СССР ежегодно сходят десятки тысяч лавин. Об этом мало говорили и писали только потому, что основная часть наших горных территорий находилась лишь в начальной стадии освоения. Большой Кавказ и Хибины давно ведут борьбу с этим врагом. С данной проблемой столкнулись в осваиваемых зонах Алтая, Сахалина, Кузнецкого Алатау, на горных участках западного крыла Байкало-Амурской магистрали, в горах Киргизской, Таджикской и Узбекской ССР.

В Швейцарских Альпах лавины называют Белой Смертью. Альпы осваивались и заселялись в течение тысячелетий. Поэтому именно альпийские горные системы явились "лавинной" школой для человечества. Альпийские стандарты защиты от лавин долго служили образцом при освоении других горных стран.

ГЕОГРАФИЯ ЛАВИН

О внушительных масштабах распространений лавинной опасности в СССР можно судить по карте (см. рис. 20). Она составлена под руководством профессора Георгия Казимировича Тушинского. Сходу лавин подвержено около 4,5 млн. км2 горной территории нашей страны, что равно по площади ста восьми Швейцариям. Давно известные лавинные очаги на Кавказе и в заполярных Хибинах выглядят на карте мелкими пятнышками по сравнению с обширными лавиноопасными участками в горах Средней Азии, Южной Сибири, Забайкалья, Дальнего Востока и почти всего Северо-Востока. Это районы разной степени освоенности: горы Тянь-Шаня, Памиро-Алая, Саяны, Забайкальская горная страна, которая сейчас пересекается БАМом, Северо-Восток и Камчатка. Они находятся лишь на пороге транспортного и народнохозяйственного освоения, по мере которого интерес к проблемам лавин будет нарастать. Изучение лавинной обстановки должно, конечно, сильно опережать освоение этих Районов, так как речь идет о сохранности государственного имущества и человеческих жизней.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 20. Карта лавинной опасности СССР. Составлена под руководством проф. Г. К. Тушинского.
1 - опасность значительная. Лавины сходят ежегодно; 2 - степень опасности средняя. Бывают годы без схода лавин; 3 -слабая опасность. Сход лавин только в многоснежные зимы; 4 - потенциальная опасность.

Приводимая карта дает лишь общее представление о масштабах лавинной опасности. Обследование горных территорий, где могут сходить лавины, должно быть детализированным. Первые шаги в этом направлении делаются. Доктор географических наук Виктор Семенович Ревякин выполнил первое детальное инженерно-гляциологическое районирование Алтайской горной страны, едва не поплатившись жизнью при встрече с сокрушительной лавиной.

Но и такой детальной карты недостаточно для того, чтобы уверенно выбрать средства защиты от Белой Смерти. Каждый лавинный очаг индивидуален, огульный подход ко всем очагам недопустим для инженера. Нужна поочаговая паспортизация лавин с подробными крупномасштабными планами каждого очага и прилегающей к нему местности, с детальней описанием его лавинной активности.

Эта чрезвычайно трудоемкая работа была выполнена для трассы Байкало-Амурской магистрали экспедициями МГУ под общим научным руководством профессора Г. К. Тушинского. Исследования длились с перерывами с 1946 по 1975 год.

Лавинная опасность на БАМе, снежные массы, собирающиеся на склонах Байкальского, Северо-Муйского, Удоканского, Кодарского хребтов, оказались неожиданностью для многих железнодорожников и геофизиков, привыкших к бесснежью давно действующей Забайкальской железной дороги. Но строители БАМа своевременно получили "лавинную информацию". Однако так бывает не всегда.

Поучительна история с сооружением санатория "Сахалин" у подножия горы Джамбул на Южном Сахалине. Здания здравницы решили построить на невысокой пологой возвышенности, сложенной из прочного крупнообломочного материала. Склон горы Джамбул выделялся живописным ярко-зеленым разнотравьем на фоне более темных водоразделов, покрытых хвойной растительностью. Природа радовала глаз, и все согласились, что это наиболее подходящее место для отдыха. Никто не предполагал, что выбранный участок оказался на конусе выноса мощного лавинного лога, что яркая зелень означает лишь "опоздание весны" после длительного таяния снега в логу, где могут существовать только угнетенная береза, трава и мелкий кустарник, тогда как более крупные представители растительного мира давно сброшены лавинами вниз.

В январе 1965 года (через несколько дней после открытия санатория) лавина объемом 8500 кубических метров произвела такие разрушения и повреждения корпусов, что восстановление и ремонт зданий, а также создание противолавинных защитных устройств обошлись едва ли дешевле строительства самого санатория.

ФИЗИКА ЛАВИН

До середины XX столетия подлинной науки о лавинах не было. Все публикации, посвященные этому стихийному бедствию, имели описательный или сугубо эмпирический характер. Методы защиты от лавин создавались на трудных и извилистых путях проб и ошибок, опытных поисков, редких удач, частых разочарований. И почти одновременно в нескольких странах появились энтузиасты, взвалившие на себя тяжкий груз создания научной упорядоченности в этой сложнейшей проблеме. В нашей стране таким первопроходцем стал профессор Георгий Казимирович Тушинский (1909-1979).

Он по праву считается основателем инженерной гляциологии вообще, но именно снежные лавины - главное поприще Тушинского. Его классическая монография "Лавины", изданная в 1949 году, стала настольной книгой гляциологов.

Что же такое снежная лавина?

Лавиной называется быстрый сход с горного склона снежного покрова под действием силы тяжести. Низвергающиеся снежные массы увлекают с собой талую воду, грунт, растительность, но в лавине всегда преобладает снег.

Еще не так давно никто толком не знал, как выглядят эти снежные массы. Они низвергались молниеносно, и спасающимся свидетелям было не до того, чтобы устанавливать их форму и свойства. Напрашивался тривиальный образ снежного кома, катящегося по склону горы и увеличивающегося в размерах за счет налипания снега. В отличие от обычного снежного кома лавина казалась гигантским шаром, катящимся по очень длинным, протяженностью в сотни метров склонам. Так на одном старинном рисунке изображена лавина, обрушившаяся в 1517 году на императора Священной Римской империи Максимилиана Первого и его свиту. До XIX столетия лавину так и представляли шаром или совокупностью снежных шаров или комьев.

В действительности все оказалось намного сложнее. Вначале снег, отложившийся на горном склоне, начинает постепенно и медленно сползать. Верхние слои снега опережают при сползании нижние. Самый нижний слой, примыкающий к грунту, часто остается на месте. Такое же распределение скоростей наблюдается в слоях текущей жидкости. Снег как бы "течет" по склону.

Когда скорости и напряжения в этом потоке достигают каких-то критических пределов, медленное течение скачкообразно переходит в бурный лавинный поток. Как показано на рис. 21, на некотором расстоянии от гребня склона в снежном покрове образуется линия отрыва. За нею начинается беспорядочный сход нижележащего снега, увлекающего за собой все новые и новые снежные массы по пути следования, называемому зоной транзита. Масса низвергающихся комьев снега с воздушными промежутками между ними называется лавинным телом.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 21. Схема движения лавины.

У выхода в долину склон становится положе, и скорость лавины уменьшается вплоть до полной остановки. Горы снега нагромождаются в виде лавинного конуса выноса. Начало и конец движения типичны почти для всех лавин, но сами лавинные потоки существенно отличаются друг от друга.

Различно ведут себя лавины из сухого, морозного и влажного снега. Они так и называются сухими и мокрыми лавинами.

Движение лавин зависит от формы и размеров склонов. На плоских склонах лавина движется в виде сплошных осовов. Вдоль логообразпых понижений образуется сосредоточенный лавинный поток. Крутые обрывы лавина преодолевает прыжками. В Хибинах известны случаи, когда мощная лавина прыжком переносилась через дамбу тридцатиметровой высоты и обрушивалась на защищаемые ею сооружения,

Скорость лавин достигает 30-100 м/с, объемы вовлекаемого при этом снега - от сотен до миллионов кубических метров. Высота снежных конусов в зоне остановки лавины от 5 до 20 м, их плотность 0,6 т/м3 и более. Падение снежных масс, как выше сказано, может сопровождаться воздушной волной, способной разрушить сооружения. Знаменитая катастрофа 29 февраля 1908 года в швейцарском городке Гоппенштайне была вызвана именно воздушной волной, так как сама лавина среднего объема остановилась в нескольких метрах перед отелем. Тем не менее отель был полностью разрушен, его крыша унесена воздушной волной на противоположный склон долины. Постояльцы перед этим устроили веселую пирушку. Двенадцать человек, сидевших лицом к горе, были задушены перепадом давлений.

Защита от лавин, борьба с ними немыслима без знания закономерностей, управляющих лавинами.

Что же такое лавина как физический феномен? Она, как и метель, должна быть предметом изучения механики многокомпонентных сплошных сред. Но если в снежном буране роль активного компонента принадлежит воздуху, а снег увлекается воздушным потоком, то в снежной лавине компоненты меняются ролями. Снег, низвергающийся по склону, увлекает за собой примыкающий к нему воздушный слой и становится активным компонентом.

Концентрация энергии в теле лавины неизмеримо больше, чем в самых сильных метелях. Зато район ее действия ограничен, локален. Площади лавинных очагов редко превышают 1 км2. Максимальные площади зон действия снежных буранов оцениваются миллионами квадратных километров. В целом обе эти снежные фурии по наносимому ущербу не уступают друг другу.

Главной задачей теории борьбы с лавинами теперь, как и прежде, является исследование динамики образования снежных нагрузок на склоне, динамики течения снежного пласта по наклонной подстилающей поверхности и динамики самой лавины. Надо признать, что по всем этим направлениям теория борьбы с лавинами продолжает находиться в начальной стадии схематизации и упрощений.

Накопление снега на склонах еще слабо изучено. Плохо исследована роль метелевого снега. Механически перенести результаты теории метелей в равнинах на горные условия нельзя, так как горные метели, как отмечалось в предыдущей главе, существенно отучаются от равнинных.

Геофизики А. Г. Гофф и Г. Ф. Оттен1 в качестве первого приближения принимали движение лавины как материальной точки по второму закону Ньютона:

В царстве снега на сервере Скиталец

где v - скорость лавины по направлению склона (м/с), mл - масса лавины (кг); g - ускорение силы nяжести (м/с2); ф - угол наклона по отношений к горизонту; К - главный вектор сил сопротивления движению лавины (м/с2).

Простейшая модель движения лавины, предложенная А. Г. Гоффом и Г. Ф. Оттеном, применяется в снеголавинных расчетах до настоящего времени, хотя она далеко не всегда соответствует движению реальных лавин. Она, например, вовсе не подходит для особого случая сухих лавин - пылевидных с очень малой массовой концентрацией снега.

Пылевидные лавины - поразительное явление. Мне привелось побывать в Хибинах на берегу озера Малый Вудьярви недалеко от остатков коттеджа, построенного в двадцатых годах для академика Александра Евгеньевича Ферсмана. Коттедж располагался в живописном месте, под горой. Вся нижняя часть склона горы заросла густым лесом. Но вскоре после постройки коттедж был уничтожен пылевидной лавиной, свободно просочившейся с горы через лес, оставшийся невредимым до настоящего времени. Пылевидные лавины здесь могут, не задев ни одного деревца, перелететь через береговой обрыв озера и жестоким ударом пробить двухметровый озерный лед, превратив его в крошево.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 22. Схема пылевидной лавины Н0, L- высота и длина лавинного облака; ф - угол склона; v - скорость фронта лавины; р, pa, pс - массовые плотности лавины, атмосферы, снежного покрова соответственно; Нс - высота снежного покрова.

На рис. 22 приведена схема движения пылевидной лавины по Е. Гопфингеру и Дж. Тохон-Дэнгаю2. Все обозначения на ней объясняются в подрисуночной надписи.

Лавина "врезается" в достаточно рыхлую часть снежного покрова глубиной Нс, взметая его полностью или частично. Перед фронтом лавины образуется стоячее облако N снежной пыли, подхватываемое затем лавиной. Плотность лавинного тела pл незначительна и подчинена лишь условию pл > pа, где pа - плотность атмосферы.

Если считать, что для пылевидной лавины ее ускорением dv/dt в зоне устойчивого движения можно пренебречь, а кулоново трение практически отсутствует из-за малой плотности, то mg sin ф = f, где f - сопротивление внешней среды, пропорциональное квадрату скорости v. С учетом архимедова взвешивания уравнение баланса сил запишется в виде

В царстве снега на сервере Скиталец

где c1 - безразмерный коэффициент сопротивления; Q - объем лавины; s - площадь контакта с внешней средой, воспринимающая сопротивление последней.

Имеем Q/s = ВлН0, где Вл - коэффициент формы лавинного облака. Следовательно,

В царстве снега на сервере Скиталец

*Вывод подсказан чл.-кор. АН СССР О. Ф. Васильевым

Скорость пылевидной лавины возрастает с увеличением ее размера Н0 и плотности рл. Этот вывод соответствует опытным данным Гопфингера и Тохон-Дэнгая. При встрече с препятствием плотность рл резко возрастает в лобовой части лавины, обусловливая рост ударной силы.

В настоящее время предпринято немало попыток создания гидравлической модели лавин как потока однородной сплошной среды. В 1965 году в Институте механики МГУ сформирована группа исследователей во главе с профессором Самвелом Самвеловичем Григоряном для решения проблемы механики лавин.

Можно сказать, что гидравлические модели снежной лавины в первом приближении созданы. Вот одна из них: в начальный момент склон считается покрытым однородным слоем снега, затем начинается смещение лавины сверху в виде большой капли однородной вязкой жидкости, конец которой закреплен на гребне склона. Голова капли растет за счет попутного присоединения порций снега и собственного движения, что очень похоже на реальные условия. Но многое еще предстоит сделать, чтобы эти модели довести до стадии инженерных расчетов.

Никакими чисто теоретическими выкладками нельзя заменить отсутствие опыта при изучении такой сложного природного явления, как лавина. Тут теория должна идти бок-о-бок с опытными наблюдениями,

Важность защиты от лавин сейчас настолько возросла, что Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды организовал почти во всех осваиваемых лавиноопасных районах специальные снеголавинные станции (СЛС) для изучения лавин на местах и предупреждения катастроф. Организуют подобные стационарные пункты и другие-учреждения.

Снеголавинные стационары созданы на Кавказе, БАМе, Сахалине, в Средней Азии. Сеть их расширяется. В перспективе можно надеяться, что будет организована единая государственная снеголавинная служба СССР для защиты людей и имущества от лавин с правом наложения санкций и запретов.

Но какова бы ни была сеть полевых снеголавинных стационаров, она не может охватить огромные горные территории с сильными метелями и лавинной активностью. Да и не всегда достаточно полевых наблюдений. Например, прежде чем строить опытные защитные сооружения, их надо рассчитать. Расчет же, как уже сообщалось, не всегда бывает возможен. Во многих случаях без физического эксперимента не обойтись. Заманчиво изучить работу защитных сооружений на их малых моделях в аэродинамических трубах. Но при этом надо строго соблюдать физические условия подобия натуры и модели.

Следует оговориться, что маломасштабное моделирование таких многокомпонентных потоков, как метель и лавина, принципиально невозможно. Физика этих потоков очень сложна, и комплекс условий подобия при их маломасштабном моделировании взаимно противоречив. Поэтому моделирование метели и лавины3 возможно только в натуральном масштабе 1:1.

Теория, полевые наблюдения, эксперимент - таковы главные направления изучения и укрощения Белой Смерти, Цель этих исследований не просто познавательная. Гляциологи должны дать инженерам четкие ответы на вопросы: где можно и где нельзя развертывать строительство дорог, жилья и предприятий в горных лавиноопасных районах? Как рассчитать прочность инженерных сооружений на прямой удар лавины? Как предвидеть сход лавины?

ДАЛЬНОСТЬ ВЫБРОСА ЛАВИН

Для строителей важно знать так называемую дальность выброса лавин, обозначаемую буквой lmax. Если она надежно определена, то нетрудно наметить зону безопасного отдаления от лавинного очага, где можно строить, работать, жить, не боясь ударов грозного соседа.

На рис. 23 показан план типичного лавинного лога с контурами зон действия трех лавин (I-III). Контур лавины заштрихован. Лавина II сошла выше, но остановилась раньше лавины I. Самой крупной была лавина III. Дальность ее выброса оказалась максимальной.

Дальностью выброса лавины называется расстояние, измеренное но горизонтали от линии ее отрыва до границы распространения конуса выноса. Снег начинает соскальзывать не на самой вершине склона, а на 30-50 м ниже ее, где образуется отчетливо выраженная линия отрыва сошедшей лавины от вышележащего снежного покрова, остающегося на месте (см. рис. 21). Если превышение точки отрыва лавины А над точкой ее остановки Б (рис. 21) равно h, то lmax =h/(tgО)min, где О - угол между линией АБ и горизонтом. Остановка лавины приурочена, как правило, к пологому выходу лога в долину или ущелье, поэтому превышение h почти не зависит от дальности выброса lmax, для определения которой, таким образом, достаточно знать только (tgО)min.

В. П. Благовещенский4 изучил 700 лавинных очагов Хибин и Западного Кавказа, определив (tgО)min по надежно видимым на местности границам максимального выброса лавин. Важнейшими параметрами оказались площадь Fсб и средний угол фср склона. На рис. 24 показана графически зависимость (tgО)min = f (Fсб, фср). Эти связи весьма тесны для таких резко отличающихся горных зон, как Хибины и Кавказ.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 23. Дальность выброса lmax типичной лавины.
В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 24. Зависимость между площадью лавиносбора Fсб, средним углом склона фср и минимальным параметром трения (tgО)min по В. П. Благовещенскому.

По крайней мере в случае схода сухих лавин (tgО)min даже для громадных лавиносборов площадью до 40 га не меньше 0,3 (см. рис. 24). В. Н. Аккуратов установил, что для большинства лавинных очагов на Шпицбергене (tgО)min = 0,4. График, построенный по данным В. П. Благовещенского, можно, вероятно в первом приближении принять для примерной оценки максимального дальнодействия лавин и в других горных районах.

УДАР ЛАВИНЫ

Отдалиться на безопасное расстояние от лавинного очага чаще всего не удается. Но строительство в зоне активной лавинной деятельности немыслимо без применения защитных мер. Инженерные объекты, как будет отмечено в следующей главе, необходимо здесь ограждать защитными сооружениями, способными устоять под сокрушающими ударами. Надо уметь определять их силу.

Удар лавины о преграду рассчитывали до настоящего времени по формуле инженера Г. Г. Саатчяна5, предложенной в 1936 году:

Fл = Тлрлv2 sin а, н/м2,

где а - угол встречи лавины и преграды; рл - массовая концентрация снега в лавинном теле; Тл - коэффициент пропорциональности, равный 1,2-2,0.

До последнего времени очень мало занимались непосредственными измерениями удара лавин. Лишь теперь накоплен необходимый опытный материал, достаточный для обобщений. Опытные данные получены тремя способами:

1) измерением ударных воздействий снежных комьев размером 0,4-0,6 м, сбрасываемых с высоты 4-12 м на жесткие плиты, снабженные механическими и пьезоэлектрическими датчиками давлений;

2) измерением ударов естественных лавин по вертикальным плитам специальных установок, построенных в Швейцарии, Австрии, на Кавказе, Южном Сахалине, в Хибинах, Кузнецком Алатау и Горном Алтае;

3) измерением ударов о препятствия больших снежных блоков в специальных лотках, моделирующих движение лавин. Такие лотки созданы в Швейцарии (гора Вайсфлуйох), Японии (Хоккайдо), на Кавказе (гора Чегет), Южном Сахалине (25-й километр линии Южно-Сахалинск - Холмск).

Представляют интерес лавиноударные установки и лавинные лотки. Самое крупное лавиноударное устройство построено на одном из опаснейших логов Хибинского нагорья в 1967 году по проекту сотрудника Проблемной лаборатории селей и лавин МГУ А. Ф. Липатова. Устройство имело ширину 2,1 м, выступая Чад поверхностью склона на 9 м. Ударные датчики состояли каждый из двух стальных дисков диаметром 30 см. Наружный диск имел три конуса из закаленной стали. По диаметру отпечатков после вдавливания конусов в дюралюминиевую пластину, скрепленную с внутренним диском, определялось максимальное давление с некоторой неопределенностью, так как вдавливание конусов зависит не только от ударного давления налетающих на установку блоков, но и от количества и частоты ударов.

В царстве снега на сервере СкиталецРис. 25. Распределение ударного давления лавины по высоте, отнесенного в рmax на высоте около 1,3 м.

За 12 истекших лет на установку налетали десятки мощных лавин с максимальными ударными давлениями до 1070 кПа, что равноценно 110 т/м2. В результате уникальной серии измерений впервые получено распределение ударных давлений по высоте, изображенное на рис. 25. Оказалось, что главное ударное действие сухих лавин сосредоточено в нижнем двухметровом слое. Максимальный удар приходится на высоте 1,3 м, ниже и выше которой давления резко уменьшаются. Открывается, таким образом, возможность пропуска лавин под мостами, переброшенными через транзитный лог. Такое еще не встречалось в лавинозащитной практике.

Швейцарский лавинный лоток построен в 1961 году по проекту профессора Бруно Зальма рядом с Институтом снега и лавин на вершине склона горы Вайсфлуйох, у подножия которой расположен город Давос. Лоток длиной 20 м и шириной 2,5 м установлен на металлической ферме, которая может опускаться и подниматься на домкратах с изменением угла наклона лотка от 35 до 50°. Скорости снежных блоков перед ударом доводились до 10-13 м/с.

Самый близкий к натурным условиям лавинный лоток сооружен на Южном Сахалине в 1968 году под руководством доктора технических наук Эдуардя Петровича Исаенко6. Протяженность зоны скольжения около 100 м. Сечение 2Х2 м2. Днище и стенки лотка покрыты полиэтиленовой пленкой, резко снижающей сопротивление движению снежных блоков, мчащихся со скоростью до 35 м/с.

Лоток моделирует лавину в масштабе 1:1. Высота лотка для этого достаточна, так как мощность наиболее плотного слоя в настоящих лавинах не превышает 2-4 м. В лотке можно измерить не только силу удара снежных масс о препятствия, но и их скорость, силы трения, возникающие при их скольжении, фиксировать процесс расчленения и разрушения блоков.

В. И. Ядрошников7 попытался обобщить все известные и опубликованные данные опытных определений ударов снежных агрегатов по стенкам, расположенным перпендикулярно к направлению их движения. Были использованы решительно все эксперименты, начиная от падения мелких снежков размером 0,14 м до ударов искусственных и природных лавин с размерами ударяющих масс до 15 м и более. Ядрошников применил аппарат теории подобия и размерностей и нашел, что все опытные данные подчинены единым связям между известными в гидродинамике критериями Эйлера (Eu) и Фруда (Fr).

По Ядрошникову

В царстве снега на сервере Скиталец

где и - скорость лавины (м/с); g - ускорение силы тяжести (м/с)2; S - площадь продольного сечения ударяющей снежной массы (м2); Р - нормальное ударное давление (Па); р - массовая плотность лавинного снега (кг/м3). На рис. 26 изображена опытная зависимость критерия Eu от Fr. По абсциссе отложены значения vFr, а по ординате - значения Fu. Прослеживается явная гиперболическая связь между Eu и Fr: Еu=fvFr1/2, поэтому р == fрg1/2S1/4u, где f - безразмерный коэффициент.

Найденная закономерность свидетельствует о том, что ударное давление лавины пропорционально первой степени ее скорости, а не ее квадрату, как это следует из формулы Г. Г. Саатчяна. Впервые линейная связь между ударом снежных масс и их предударной скоростью установлена в 1964-1967 годы А. Ф. Липатовым и В. И. Салицкой при сбрасывании снежных образцов с высоты 7-24 м на горизонтальные плиты с тензомотрическими датчиками давлений.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 26. Зависимость критерия Eu от критерия Fr при ударах снежных масс о преграды.
1 - размер ударяющей снежной массы 6-15 м; 2 - то же, 1- 1,5 м; 3 - то же, 0,6 м; 4 - то же, 0,14-0,34 м. Опытные данные: 5-НИИЖТа; 6 - А. Ф. Липатова и В. И. Салицкой; 7 - Ю. Л. Якимова и Л. Е. Шуровой; 8 - В. Н. Ржевского.

Тогда их сообщения не принимались всерьез и не учитывались при составлении в 1975 году "Указаний по расчету снеголавинных нагрузок", действовавших до 1980 года. В "Указаниях" по-прежнему рекомендовались формулы, в которых давление лавин зависело от квадрата их скорости. Нетрудно видеть, насколько завышены были эти расчетные давления. При изменении расчетной скорости лавин от 20 до 40 м/с реальные ударные нагрузки увеличивались вдвое, а по "Указаниям" в 4 раза. Поэтому и защитные сооружения, воспринимающие удар лавины и запроектированные по "Указаниям", оказывались чрезвычайно громоздкими и дорогими.

Линейная связь между ударом лавины и ее скоростью объясняется, по-видимому, тем, что удар наносит не жесткая глыба, а легкодеформируемая снежная масса. При ударе значительная часть кинетической энергии лавины, равной pv2/2, тратится на деформацию лавинного тела.

Конечно, закономерность, показанная на рис. 26, справедлива лишь для опытного диапазона скоростей снежных масс, не превышающих 45 м/с.

ПРОГНОЗ ЛАВИН

Пожалуй, самая первоочередная задача при освоении лавиноопасных районов - предвидение схода лавин, оказавшаяся и самой трудной задачей. Инженер Г. Г. Саатчян5 впервые исследовал условия возникновения лавин.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 27. К расчету устойчивости снега на склоне.

Устойчивость снега на склоне под углом к горизонту ф определялась им как для абсолютно жесткого пласта, находящегося под действием сил тяжести F, трения RТ и сцепления Rс (рис. 27). Пласт испытывает давления p1, p2 от нижележащего и вышележащего снежного покрова. Пусть высота пласта Нп, его длина I. Разложив F на составляющие F', параллельную склону, и F", ему перпендикулярную, найдем;

F' = F sin ф; F" = F cos ф;

F' = ДpНп + Rc + RТ; F = Нпсg,

где Рс - массовая плотность снежного пласта; Дp = p1-p2.

Но сила трения на наклонной поверхности равна нормальному давлению на поверхность, умноженному на коэффициент кулонова трения tgО, где О - угол внутреннего трения снега, т. е. RТ = F" tgО. Отсюда

Нпсg sin ф = cl + Нпс = g cos ф tgО + ДpНп,

где с - напряжение сцепления, Н/м2. Окончательно имеем:

Нп = ( с cos О)/( рсg sin (ф-О) + Дp).

Это и есть критическая, опасная высота снежного покрова.

Конечно, факторы лавинной опасности многочисленны, и величина Н - лишь один из них. Прежде всего, условия возникновения лавин определяются типам последних.

М. Отуотер8 различает два типа лавин: кратковременного и замедленного действия. Первые находятся в тесной причинной связи с внешними, а также погодными факторами. Главная причина лавин замедленного действия - длительные внутренние изменения в самом снежном покрове. Надежно установить опасность подобных изменении можно с помощью рытья шурфов.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 28. Факторы прямой лавинной опасности. va - скорость ветра; qy - интенсивность снегопада; Qx - общий расход снега; H - глубина снега; ф - угол склона; б - высота выступов шероховатости склона.

Основные факторы, способствующие возникновению лавин кратковременного действия; угол склона с горизонтом, высота снежного покрова на склоне, характер поверхности склона и снега, интенсивность и общая продолжительность снегопадов, направление и сила ветров, метелевый нанос снега на склон, дожди при оттепелях (см. рис. 28).

Лавиноопасными считаются склоны, наклоненные к горизонту под углом 25-55°. Снег на них удерживается силами сцепления, величина которых зависит от гладкости подстилающих поверхностей. Неровная поверхность, курумник, густой лес на склонах предохраняют снег от падения. Но не всякая растительность способствует удержанию снега. Например, стебли густой высокой травы и ветви гибких кустарников под действием снежной нагрузки расстилаются вниз по склону, образуя опасную поверхность скольжения.

Свежий снег, выпавший на гладкую, затвердевшую поверхность снежного покрова, может легко соскользнуть вдоль этой поверхности. Чем больше высота снежного покрова на склоне, тем вероятнее лавина. При превышении критической высоты Нп надо ожидать лавину. Как правило, минимальные значения этой критической высоты - 25-30 см, хотя случаются сходы и более тонких пластов.

Очень быстрый прирост снежного покрова не оставляет времени для его упрочения и развития связей с подстилающей поверхностью. Интенсивность снегопада измеряется в сантиметрах снега, выпавшего за час. Практикой установлено, что при интенсивности снегопада более 2 см/ч и длительности его до 10 ч и более лавинная опасность весьма велика.

При холодных ветрах со скоростью свыше 10-15 м/с (измеренной на высоте флюгера метеорологической станции, т. е. около 10 м) ускоряются процессы метаморфизма в снежном покрове. Нижние слои снега разрыхляются, а верхние, наоборот, уплотняются за счет кристаллизации охлажденных паров. Рыхлые слои в конце концов не выдерживают тяжести вышележащих плотных снежных досок. Возникает лавина, так и называемая лавиной из снежных досок.

Если ветры сопровождаются метелью, склон отягощается дополнительным грузом метелевого снега. За гребнями растут карнизы. Их обрушение немедленно вызывает лавину.

Метель - один из наиболее серьезных признаков лавинной опасности. Лавины почти неизбежно начинаются или через несколько часов после сильной метели, или одновременно с ней.

При длительных оттепелях и весной снежный покров на склонах становится в верхних слоях или по всей глубине рыхлым, крупнозернистым, легко проницаемым для влаги. Характерная особенность такого снега - однородная температура, близкая к нулю. Если подстилающий грунт водонепроницаем, то даже незначительные жидкие осадки, быстро просочившись вниз, обратит поверх него пленки с очень малым сцеплением, так что лавина может случиться и во время дождя.

Лавины замедленного действия кажутся ничем на связанными с внешней погодной обстановкой, происходят внезапно. Их прогноз особенно сложен и требует знания особенностей физических процессов в толще снежного покрова, о которых говорилось во второй главе. Испарение снежных зерен, миграция паров и их кристаллизация в холодных и более плотных слоях происходят особенно быстро. Образуются слои глубинного инея, или глубинной изморози, что легко обнаруживается на стенке шурфа по характерной гроздьевидной форме слоев кристаллов. В таких слоях под нагрузкой полностью разрушаются связи между кристаллами, и они превращаются в своеобразные подшипники для лавины. Шурфы можно копать только на водораздельных участках склона или под защитой лавиноустойчивых преград.

Удивительно свойство водораздельных, бортовых участков лавинных логов. Снежный покров тот же, что и в углублениях склона. Наклон в сторону долины тот же. А снег не сходит, не обрушивается. Объясняется это тем, что на выпуклостях склонов он находится под действием боковых растягивающих усилий, направленных в сторону углублений. Поэтому смещение снега вниз по склону уменьшается. На водоразделах лучше сохраняется древесная растительность, удерживающая снег,

Мокрые лавины тоже, как правило, замедленного действия. Начало таяния снега само по себе не вызывает сразу мокрую лавину. При небольшой влажности снега жидкие водяные пленки в его порах даже способствуют укреплению связей между кристаллами. Влажный снег сходит обычно весной при достижении снежным покровом определенной критической влажности, когда отношение веса талой воды к общему весу снега превышает 0,10-0,15.

Влажность снега проще всего определяется методом центрифугирования: при быстром вращении снежного образца, погруженного в нейтральную жидкость, кристаллы льда отделяются от более тяжелой воды. Широко применяется также калориметрический метод, дающий ту же точность, но более трудоемкий. В нем используется небольшое различие между теплоемкостями льда и воды.

"ДАКТИЛОСКОПИЯ" ЛАВИН

Изыскатели, имеющие опыт работы в горах, хорошо знают основные признаки лавинной опасности: в лавинных логах нет дерна и древесной растительности. В логообразных понижениях и горных кресловинах не растет хвойный лес, хотя рядом на водоразделах благополучно живут хвойные породы. Лавины иногда щадят угнетенные березы, бук, рябину, кустарники, траву. Только эти представители растительного царства могут быть встречены в очагах лавинной опасности.

Характернейший признак лавинной опасности - конусы выноса лавин, состоящие из снега, грунта, остатков растительности, камней. Высота лавинного конуса достигает 10-15 м. Если обычный снег весной исчезает за полмесяца, то лавинный не стаивает за 2-3 месяца и может "дождаться" зимы. Летние снежники у подножия гор - первый, надежный признак лавинной опасности.

Если снег в конусе выноса лавины успел стаять, остаются обломочный материал, грязь, грунт. Обломки деревьев, камни укладываются непрочно, с большими пустотами. На верхней поверхности глыб - мелкие камешки, грязь, грунтовые частицы, осевшие вместе со снегом. Такие конусы резко отличаются от селевых конусов выноса, в которых обломочный материал как будто спрессован.

Лавинная опасность связана прежде всего со снежностью склонов, с наличием и обилием снега. Хороший показатель снежности - криволесье, изогнутые стволы угнетенных снегом березок, отличающихся выносливостью к большим снежным нагрузкам и даже к ударам лавин.

Последствия схода лавин отражаются на характере растительности в долинах. Существуют подробные Руководства, разработанные экспедициями Московского университета под руководством Г. К. Тушинского, Которые позволяют по геоботаническим признакам оценивать степень лавинной опасности9.

В царстве снега на сервере СкиталецГЛАВА ПЯТАЯ
БОРЬБА СО СНЕЖНЫМИ ФУРИЯМИ

Если мы точно установили основные законы процесса складывания наносов, то действие защит будет простым следствием этих законов.

В. Д. Злотницкий

Неистовые снежные фурии - метели и лавины - свирепствовали на Земле издавна, с тех пор, когда на остывшей ее коре стали откладываться нерастаявшие снежинки. Но борьба с ними в сравнительно широких масштабах началась лишь недавно, в эпоху промышленных революций.

С 1860 года, когда сеть русских железных дорог стала распространяться на юг и восток России, участились перебои в движении поездов. Случалось, что пассажиры и бригады покидали занесенные снегом поезда, спасаясь от голода и холода.

Для русских путейцев проблема снегозащиты железных дорог стала проблемой номер один. Перед гужевым же транспортом она не возникала: ямщики вполне справлялись со своим делом, мчась на санях с колокольчиками по занесенным снегом трактам. Их больше беспокоили осенняя и весенняя распутицы, нежели зимние метели. Иная обстановка складывалась в горах. На Крестовском перевале Военно-Грузинской дороги Владикавказ - Тифлис, построенной в 1799 году, ежегодно прекращалось гужевое движение из-за лавин. При прокладке Военно-Осетинской дороги в 1874 году решили обойти особо лавиноопасный Рокский перевал.

Постепенно накапливался опыт борьбы с метелями и лавинами и в России, и за рубежом, особенно в Швейцарии. Первые защитные устройства создавались без каких-либо теоретических обоснований и расчетов, так как ни того, ни другого не было. Лавинозащитные галереи на Кавказе, как выяснилось лишь в настоящее время, строились по меньшей мере с десятикратным запасом прочности.

Лишь в последние десятилетия удалось преодолеть многие трудности на пути к совершенствованию защиты дорог и предприятий от снежных заносов и лавин. Самым крепким "орешком" оказались лавины, а также горные метели.

ПРОБЛЕМА УБОРКИ СНЕГА

Метель занесла железнодорожную выемку многометровым валом - снегозащитные устройства не сработали. Надо расчищать путь, иначе не смогут ходить поезда.

Лавина обрушилась на дорогу, предприятие, воздвигла 15-метровый завал с плотностью, близкой к плотности льда. Надо убирать завал. Нельзя ждать, пока он растает.

В наше время расчистку снежных завалов и заносов, требующую много труда и средств, выполняют специальные снегоуборочные машины: плужные, роторные, щеточные снегоочистители, бульдозеры, автогрейдеры и т. д. Рабочая скорость современной снегоуборочной машины на железнодорожном транспорте равна 60-80 км/ч.

Роторные снегоочистители способны отбрасывать снег на расстояние 30-40 м. Производительность самоходных автодорожных машин достигает 1000-2000 м/ч и более, а снегоуборочных поездов, выполняющих трудоемкую очистку железнодорожных станций и отвозящих собранный снег в отвал, около 1200 м3/ч.

Снегоочистители механического действия становятся все более и более эффективными. Возникает вопрос: нужны ли снегозащитные средства, если можно этой техникой убирать снег но мере его попадания на объект? Почему бы, например, не придумать даже механическую очистку горных склонов?

Но снегоочистительная техника не сможет полностью подменить снегозащитные средства.

Во-первых, предупреждение снежных заносов имеет решающее значение для бесперебойной работы предприятий и средств транспорта. Снежные заносы, пока их убирают, могут надолго остановить работу предприятий, движение транспорта.

Во-вторых, снегозащита намного экономичнее снегоуборки. По подсчетам доктора технических наук Даниила Михайловича Мельника, задержание одного кубического метра снега самым дорогим средством защиты - переносными щитами обходится дешевле уборки такого же количества снега плужным снегоочистителем в 5 раз, а роторным - в 10 раз и более.

Проектирование снегоуборочных машин невозможно без знания физико-механических свойств снега, его сопротивления резанию, разрушению и т. д. Плужные снегоочистители внедряют в снег режущие устройства, подобные большим сельскохозяйственным лемехам. Роторные врезают в снежный завал вращающуюся фрезу, передающую затем разрыхленный снег на быстро вращающийся выбросной ротор. Во всех случаях происходит механическое воздействие на снег, зависящее от свойств последнего.

Нельзя сказать, что задача расчета рабочих органов снегоочистителей решена удовлетворительно. Необычайная изменчивость физико-механических свойств снега еще слабо учитывается при совершенствовании снегоуборочной техники. В проблеме уборки снега много и других неясных и спорных моментов. Один из них: как убрать снег, отложившийся на таких сложных и тонких компонентах железнодорожных путей на станциях, как стрелки, стрелочные переводы?

Для этой цели применяют электро- и газовый обогрев стрелок, который особенно эффективен в сложных. метеорологических условиях: при мокром снеге, гололеде, изморози, при особо низких температурах. В США, Канаде, Англии, ФРГ обогревательные системы с автоматическим включением снабжены терморегулирующими устройствами.

Начиная с пятидесятых годов на наших железных дорогах широко внедряются автоматизированные пневматические устройства для очистки от снега стрелочных переводов. На ряде дорог начали применять электрические и газовые обогреватели.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 29. Снежные заносы на высоковольтной подстанции г. Петропавловска-на-Камчатке. На опытной обогревающей дорожке снега нет. Фото 3. Е. Альтшулера.

Очень перспективно удаление снега па стрелочных переводах и перронах железнодорожных станций с помощью электрообогрева с дистанционным управлением. Обогревающие элементы можно располагать внутри Железобетонных брусьев и плит.

3. Е. Альтшулер1 весьма успешно применил автоматический электроподогрев бетонных дорожек на открытых площадках электрических подстанций, где снежные заносы затрудняют и даже делают опасным доступ персонала к агрегатам подстанций. "Обогревающие дорожки" безотказно работают на нескольких подстанциях "Камчатскэнерго" вблизи Петропавловска-на-Камчатке (рис. 29).

Снегозащита открытых площадок подстанций энергосистем и тяговых подстанций электрифицированных железных дорог осуществляется, конечно, в комплексе. Кроме "обогревающих дорожек" полезно поднимать агрегаты над землей, чтобы обеспечить доступ ветру снизу. Нужна и внешняя снегозащита.

Некоторые читатели могут задать вопрос: снеготаяние на стрелке? Таяние? Значит, появляется вода, нужны специальные водоотводные системы, которые обойдутся безумно дорого? Однако мы уже знаем, что при отрицательных температурах снег, минуя жидкую фазу, переходит в пар с интенсивностью, пропорциональной градиенту температур. Не следует при слове "пар" представлять себе кипящий чайник. При таянии снега на стрелочном переводе обогрев локализован, сосредоточен в малом пространстве, но с резким перепадом температур, так как вся окружающая среда морозная. Появившаяся на металлических поверхностях влага очень быстро испаряется; условий для длительного сохранения жидкой воды нет. Это подтвердили и опыты. При электрообогреве стрелок никаких заметных остатков жидкости не образовывалось.

ЗАЩИТА ОТ БУРАНОВ

Во время метелей, особенно сильных, бесперебойная эксплуатация дорог и предприятий обеспечивается главным образом снегозащитными средствами, не допускающими больших (вредных) отложений снега. К их числу относятся устройства, задерживающие снег перед защищаемыми объектами (например, щиты и заборы), устройства, сдувающие снег с объектов, и снегозащитные лесонасаждения.

Огромный опыт применения и совершенствования средств снегозащиты накоплен нашими железными и автомобильными дорогами. В послевоенное время наиболее существенный вклад в решение этой большой проблемы внесен инженерами Д. М. Мельником, Г. В. Бялобжеским и лесоводами Н. Т. Макарычевым, Г. И. Матякиным.

Это не означает, что проблема решена, что в ней не осталось ни одного вопроса. Вся история дорожной снегоборьбы изобилует примерами как изумительно удачных решений, так и блужданий в потемках по ложным путям.

Причудлива судьба заурядного переносного щита для защиты железных дорог от снежных заносов. Он блестяще выдержал почти 120-летнее производственное испытание. Теория же работы этого предельно простого устройства оставалась неясной. Можно было выдвинуть любую гипотезу, "объясняющую" действие щита, не опасаясь опровержений.

Сравнительно недавно имела хождение ошибочная "теория" отталкивания щитами наэлектризованного метелевого снега вверх за счет увеличения ими напряженности электрического поля в приземном слое воздуха.

В тридцатые годы путейцы думали, что относительное распределение по высоте удельного расхода метелевого снега за равномерно проницаемыми по высоте щитами такое же, как и на подходах к щитам. Но ведь максимальное количество снега переносится вблизи от земной поверхности. Для увеличения снегосборной способности щитов инженер В. Ф. Толстов поэтому предложил нижнюю их часть делать с более узкими просветами. А верхняя, с более широкими просветами часть щитов должна была, по мысли изобретателя, способствовать "ускорению" движения верхних слоев метели, перебрасывая снег через железнодорожные пути.

Надежды не оправдались. Полевыми испытаниями щиты Толстова были забракованы. Но кому-то из исследователей вдруг пришла мысль перевернуть щиты Толстова "вверх ногами" и посмотреть, что получится. К общему удивлению, щиты в таком положении стали задерживать больше снега и требовали меньше ухода, чем стандартные!

В этом случае получилось что-то похожее на известный изобретателям "принцип наоборот".

Основоположник ТРИЗ (Теория Решения Изобретельных Задач) писатель-фантаст и инженер Генрих Саулович Альтшуллер2 рекомендует изобретателям в числе 40 приемов устранения творческих затруднений применять "принцип наоборот": вместо действия, продиктованного условиями задачи, осуществить обратное действие, перевернуть объект "вверх ногами", вывернуть его наизнанку.

Профессор Алексей Александрович Комаров и автор этой книги предложили в 1952 году для снегозащиты переносный щит с сильно разреженной нижней половиной. По сути дела, это щит Толстова "вверх ногами". Наши щиты применяются на железных и автомобильных дорогах Сибири. Женщины-монтеры пути назвали их "модными щитами". "Модные щиты" задерживают столько же снега, сколько и стандартные, но сами медленнее заносятся снегом. В результате переставляют их в 2-3 раза реже, чем стандартные.

Весьма поучительна новейшая история снегозащитных лесонасаждений. Они заслуженно считаются лучшим средством снегозащиты и одновременно благотворно воздействуют на микроклимат: оздоровляют его, защищают от сильных ветров, поглощают вредные шумы. Наконец, они просто красивы и радуют глаз.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 30. Схема размещения трехполосных защитных лесонасаждений, применявшаяся в пятидесятые годы при заносах свыше 200 м3/м. 1 - кустарники; 2 - подгоночные породы; 3 - главные породы.

Система снегозащитных лесонасаждений на железных дорогах состоит из ряда полос, число которых определяется в зависимости от количества снега, сдуваемого метелью с окружающих полей. Пример размещения снегозащитных лесонасаждений, применявшеюся в пятидесятые годы, приведен на рис. 30. При создании этих схем лесонасаждений руководствовались следующими идеями:

1) назначение их - задерживать снег, поэтому любая из полос не должна продуваться ветром;

2) полосы должны быть по той же причине густыми и непроницаемыми для снеговетрового потока по всей их высоте, поэтому лесопосадки делали трехъярусными: главные (самые высокие) лесные породы, вспомогательные (подгон) и кустарники;

3) поскольку первая со стороны поля полоса, "полевой ветролом", испытывает на себе всю силу ударов полевой метели, она должна быть наиболее широкой и мощной.

Казалось бы, все верно. На деле же, пока посадки росли, а росли они медленно, проблем не возникало. Но когда растения достигали полной высоты, начинались чудеса. В первых рядах могучих "полевых ветроломов" собирались не менее могучие снежные валы до самых крон главных пород. При оседании снега деревья сильно повреждались задолго до весеннего снеготаяния и отмирали. Полосы переживались. И вдруг, на определенном этапе, полоса снова начинала работать отлично.

Поврежденные ряды насаждений возобновлялись строго по той же схеме - и все начиналось сначала.

Инженеры-сибиряки И. И. Солопов и И. 3. Фрадкин в 1950 году предложили все делать наоборот: первые со стороны поля полосы устраивать наиболее узкими и продуваемыми, оставлять непродуваемой и более широкой только последнюю, перед путями, полосу, резко увеличить межполосные разрывы, используя их зимой для аккумуляции снега, а летом для выращивания влаголюбивых сельскохозяйственных культур.

Правота Солопова и Фрадкина полностью подтверждалась нашими исследованиями. Мы поддержали их предложение и начали создавать с помощью линейных путейцев опытные участки новых лесных полос путем рубок на небольших участках существующих полос.

Через некоторое время легкие полевые "ветроломы" были узаконены стараниями подлинного энтузиаста снегозащитного лесоразведения на железных дорогах Николая Тимофеевича Макарычева. Принцип "наоборот" пробил себе дорогу! Великолепный специалист-лесовод, отважный и глубокий исследователь, отличающийся обостренным чувством нового, Николай Тимофеевич пошел еще дальше: он дерзко нарушил закон трехъярусной непроницаемости лесных полос, сделав нижний ярус особо хорошо продуваемым, убрав все кустарниковые ряды, кроме подветренной опушки. Полосы перестали повреждаться из-за снеголома, их аэродинамические свойства, как подсказала теория, приблизились к оптимальным. Грубо говоря, здесь было что-то похожее на эффект перевернутых щитов Толстова.

Самыми трудными для снегозащиты участками железных дорог были и остаются железнодорожные станции. До пятидесятых годов их и не пытались, как правило, ограждать от образования снежных заносов ограничиваясь только снегоуборкой.

Нельзя ли уменьшить трудности снегозащиты уже на стадии проектирования станций в сильно заносимых районах? Как должны пересекать станцию сильнейшие зимние бураны - вдоль или поперек путей?

Казалось бы, в сильнозаносимых районах проектировать железнодорожные станции необходимо так, что бы направление путей, по возможности, совпадало с направлением сильнейших метелей, чтобы они сами выметали весь снег за пределы станций.

Именно это требование было закреплено во всех технических условиях и нормах проектирования железных дорог. Но в нормативном документе, введенном в действие с 1977 года3, наоборот, предлагается располагать станционные пути поперек метелевых ветров. Аргументы для введения этого норматива были неотразимы.

Железнодорожные станции - открытые длинные площадки протяженностью в несколько километров, но значительно меньшие по ширине. Метель, проносящаяся вдоль такой площадки, насыщается снегом, как и ранее говорилось, через 300-500 м, то есть в самой начале площадки, а далее начинаются обычные для чистого поля волнообразные чередования перенасыщений и недонасыщений с образованием нормального снежного покрова. Особенно опасны резкие сужения и расширения площадок в местах расположения стрелочных улиц и горловин. Там между зонами застроек почти всегда образуются узкие "коридоры", где метель сначала ускоряется за счет сжатия, а потом замедляется при расширении приземного слоя ветрового потока (см. рис. 31). В местах замедления снег выпадает, образуя "снежные отмели", физически подобные речным отмелям при переходе от перекатов к плесам. Объем снега, остающегося на станции при продольных ветрах, по крайней мере таков же, как и при поперечных ветрах, но особо резко увеличивается заносимость стрелочных переводов в горловинах.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 31. Схема движения метелевого потока вдоль железнодорожной станции.

В царстве снега на сервере Скиталец
Рис. 32. Зависимость затрат труда на снегоборьбу от угла между направлением путей железнодорожной станции и направлением метелевых ветров в Кулунде (1959-1960 гг.).
1 - затраты труда на очистку станционных путей; 2 - то же, на очистку стрелочных переводов; 3 - то же, на ограждение станции переносными снеговыми щитами.

Анализ затрат рабочей силы на борьбу со снегом на железнодорожных станциях в Кулундинской степи полностью подтверждает сказанное (рис. 32). Объем затрат труда на очистку путей имеет даже тенденцию к уменьшению при увеличении угла между осью станции и направлением сильнейших метелей, т. е. при приближении к поперечному продуванию. При продольном продувании станций во много раз возрастают затраты труда на очистку стрелочных переводов и на попытки оградить горловины станций переносными щитами.

Поезда, остановившиеся на станции во время "продольных метелей", заносятся снегом очень интенсивно. Больше всего скапливается снега в местах расширения ветрового потока между поездами за тележками, в межвагонных промежутках и в конце составов. Ничего подобного не происходит при поперечном продувании станций.

Подъездные пути Экибастузского угольного бассейна и Ждановского рудника на побережье Баренцева моря расположены по ветру в строгом соответствии с прежними нормативами. Ежегодные заносы стали бичом этих станции, причем надежно защититься от них нельзя. Выручают лишь дорогостоящие снегоуборочные работы.

В прежних нормативных документах предлагалось и железнодорожные выемки строить "по ветру". Я наблюдал снежные заносы в таких выемках. В подветренных их концах, где ветровой поток расширяется, образовывались плотные снежные заносы. В выемках, расположенных в кривых участках пути, мощные сугробы откладывались на выпуклых откосах. По такому же закону мелеют выпуклые берега извилистых рек, что каждому хорошо известно. Защита выемок от "пр&#