Физика вод суши / Презентации Доклады / Испарение снега и льда
Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ (РГГМУ)
по дисциплине «Физика атмосферы, океана и вод суши»
на тему: «Испарение с поверхности льда и снега»
Выполнил: студент гр.
Испарение — поступление в атмосферу водяного пара; происходит при отрыве молекул с поверхности воды, капель и кристаллов в воздухе, снега, льда, влажной почвы, смоченной растительности. Отрываются те молекулы, скорость движения которых выше средней при данной тем-ре и достаточна для преодоления сил молекулярного притяжения. Одновременно часть оторвавшихся молекул возвращается обратно, и по существу испарение – это разность между потоками молекул, отрывающихся от жидкости или кристаллов и возвращающихся обратно. С возрастанием тем-ры число отрывающихся молекул растёт, и, следовательно, увеличивается испарение. Испарение также зависит от влажности воздуха над данной поверхностью: чем выше его влагосодержание, тем больше поток молекул пара, возвращающихся из воздуха обратно к жидкости или кристаллам, и меньше испарение. При полном насыщении воздуха водяным паром испарение прекращается. Для испарения 1 кг воды требуется 2,5 МДж энергии, для испарения 1 кг снега или льда – 2,834 МДж. Испарение – единственный источник водяного пара для атмосферы и один из наиболее эффективных механизмов расходования энергии на поверхности Земли, приводящий к её заметному охлаждению. Нередко в общее (суммарное) испарение с территории включают транспирацию – испарение воды растениями. Испарение измеряется в единицах массы воды на единицу площади за единицу времени – напр., кг/м² с
Методы расчетов и методы измерений.
Экспериментальные данные показывают, что потери влаги за счет испарения с поверхности снега могут составить 10-20 % количества снегозапасов на равнине и до 24-50% в горах. Суточное испарение зимой в наиболее холодные месяцы в различных географических районах доходит до 0.05 -0.4 мм. Сут.
В предвесенний период интенсивность испарения возрастает за счет возрастания солнечной радиации. Опыты с измерением испарения на освещенных солнцем участках и в тени показали, что в тени испарение может быть на 60 – 70% меньше, чем на освещенном участке. Сопоставление испарения за солнечные и пасмурные дни дало превышение 24%. Влияние солнечной радиации сказывается прежде всего на температуре поверхности снега, следствием чего и является возрастание интенсивности испарения. Суммарное испарение за весну определяется ее типом.
На интенсивность испарения должны оказывать свойства снега. Большая воздухопроницаемость снега, вынос водяных паров из более глубоких слоев и неровная поверхность снега – все это должно приводить к увеличению испарения за счет увеличения шероховатости и площади испаряющей поверхности.
Суточный ход испарения зависит от суточного хода метеоэлементов, но общим для дней с низкой влажностью воздуха и ясной погодой является наступление максимума в интервале 11-13 ч. По наблюдениям на большом гидравлическом испарителе (Валдай) средняя интенсивность испарения для ясных дней в эти часы составляла 0.13 мм за 2 ч. В пасмурную погоду четко выраженного суточного хода испарения не наблюдалось, хотя испарение может достигать тех же значений, что и в ясную погоду. Измерение испарения с поверхности снежного покрова представляет некоторые трудности вследствии его малости между сроками наблюдений и недостаточно разработанной методики измерений.
Общепринятым методом измерения испарения является весовой метод, при котором исследуемый монолит снега, помещенный в сосуд, установленный на снегоиспарительной площадке, периодически взвешивается. Разность весов между двумя сроками наблюдений принимается за испарение со снежного покрова.
Испаритель, в который помещается монолит снега, должен быть достаточно большим, чтобы не нарушить нормальную циркуляцию воздуха в снежном покрове и создать возможность полного учета выноса водяных паров из глубины. В испарителе должен быть предусмотрен отвод талой воды в период снеготаяния. Глубина снега должна быть достаточной, чтобы солнечная радиация поглощалась снежным покровом, не достигая дна испарителя.
Наблюдения за испарением с поверхности снега пока еще недостаточно стандартизированы, что затрудняет их сравнение и обобщение.
Для наблюдений чаще всего используют цилиндрические, а иногда прямоугольные сосуды (металлические или из пластмассы) со сьемным дном, площадь которых составляет 1000, 500, 300, 250, 100, 70 см^2, а глубина 2 – 4 – 6 – 10 см.
Стандартный испарителю, рекомендованный для наблюдений «Руководством по производству наблюдений над испарением с почвы и снежного покрова», представляет собой цилиндр из дюралюминия со сьемным дном и крышкой. Площадь испаряющей поверхности 500 см, высота 6 см.
Испаритель в период таяния снега устанавливается в специальное гнездо-футляр, зимой, при отрицательных температурах – непосредственно в снежный покров. Испарение определяется по измерению веса испарителя со снегом между сроками наблюдений.
Испаритель таких размеров обеспечивает нужную точность измерений – взвешивание испарителя с точностью до 1 г обеспечивает определение слоя испарения с точностью до 0.02 мм.
Несколько сложнее по конструкции испаритель СИИП также являющийся весовым прибором с площадью испаряющей поверхности 500 или 1000см и глубиной 15 см.
Снеговой испаритель СИИП состоит из трех прямоугольных ящиков. Первый – внутренний – служит испарителем, имеет площадь 500 см, снизу – выдвижное дно с отверстиями для стока воды. Второй с водонепроницаемым дном сохраняет при взвешивании талую воду, просочившуюся из монолита. Третий – наружный является футляром, в котором устанавливается взвешиваемая часть прибора, и предохраняет ее от налипания снега, смачивания водой, а также предохраняет гнездо установки испарителя от обрушения. Авторы прибора рекомендуют при установке испарителя создавать «противопоземочную» насыпь, окружающую испаритель в форме ромба, вытянутого по направлению преобладающих ветров, с уплотненными, подмороженными откосами. Создание такой насыпи вряд ли целесообразно, хотя она и предохраняет испаритель от накопления в нем снега при горизонтальном переносе, но исказит профиль ветра и распределение влажности над испарителем и вокруг него.
Испарение со льда.
Наблюдения за испарением с поверхности льда еще менее распростанены, чем наблюдения за испарением с поверхности снега. Методика измерений та же – лед помещается в сосуд (чаще всего круглый) площадью 500 см имеющий глубину от 1.5 до 5.5 см и периодически взвешивается. Интенсивность испарения по эксперементильным данным составляет от 0.05 до 0.8 мм. Сут и более.
Несмотря на малое испарение с поверхности льда и снега, следует отметить в виду, что затраты тепла здесь более значительны, чем при испарении того же слоя с водной поверхности. Количество тепла, расходуемое на испарение с единицы площади со снега или льда, подсчитывается по формуле S =ELp , или учитывая размерность
S = 0.1 E (597 + 80)р кал\см^2
Где Е – слой испарений мм, L – теплота испарения льда (или снега)
В период весеннего таяния при благоприятных условиях потери тепла на испарение с поверхности снега (или льда) могут быть существенной величиной теплового баланса.
Источник
Как исчезает снег
Кандидат географических наук Марк Софер. Фото Натальи Домриной
Зима ещё хлопочет
И на Весну ворчит…
Ф. И. Тютчев
Какой бы долгой ни была зима, рано или поздно она сменяется весной, а когда именно произойдёт поворот от зимы к весне, точнее всего скажет… снег. Время достижения наибольшей высоты снежного покрова — переломный момент в годовом цикле природы. Зима кончается, как только снежный покров перестаёт расти (кроме тех мест, где он неустойчив или кратковременен). На огромных пространствах северной Европы и Сибири к концу февраля — началу марта, как правило, накапливаются максимальные снегозапасы. Если в это время сделать гигантский «снежный разрез», то по нему можно прочитать «биографию» уходящей зимы, ведь каждый слой — страничка из жизни снега.
Размер кристаллов свидетельствует о возрасте слоя. В самом низу, у более старого снега, кристаллы к марту становятся крупными и прозрачными. Чем выше, тем они мельче, а на самом верху снег совсем не успевает перекристаллизироваться. По числу ледяных прослоек можно установить, сколько было оттепелей. Тёмные, грязные полоски (особенно явные вблизи крупных населённых пунктов) — «справка» о том, что снег долго не выпадал. Каждый последующий слой свидетельствует об очередном снегопаде.
На большей части Евразии в феврале — марте происходит уплотнение и таяние снега. Сначала солнечные лучи только прогревают его толщу. Затем, когда температура во всём слое поднимается до нуля, начинается быстрое таяние. Снег пропитывается водой. Этот процесс напоминает поведение куска сахара в воде. А Сергей Есенин подметил, что:
Снег, словно мёд ноздреватый,
Лёг под прямой частокол.
Действительно, талая вода прокладывает вертикальные ходы в снежном покрове, и он приобретает вот такой «ноздреватый» вид.
Наступает основной период снеготаяния, который длится до схода снега на половине площади. Именно в этот период, очень короткий по сравнению со временем снегонакопления, теряется до 80% зимних снегозапасов.
Обильные северные снега, накопленные природой в течение почти полугода, могут стаять за 20 дней (примерно за такой срок освобождаются от снега Финляндия, Швеция, север России). В средней полосе процесс идёт ещё быстрее — за 8—10 дней. Всего за неделю сходит снег почти во всей Украине и в Поволжье.
Продолжительность снеготаяния имеет исключительное значение. Чем она короче, тем больше в единицу времени стекает талой воды с поверхности почвы. Трудно найти более краткое и точное описание этого периода, чем в знаменитых строках Фёдора Ивановича Тютчева (1836 год):
Ещё в полях белеет снег,
А воды уж весной шумят…
Почти через полвека ленинградский поэт Иван Дементьев написал:
Сугроб уже сутулится
От солнечных лучей,
И побежал по улице
Сверкающий ручей.
И «шум воды» и «бегущий ручей» свидетельствуют о таком бурном таянии, которое не может пройти бесследно. Не каждая речка способна принять в себя гигантский поток талой воды, особенно если она не успела освободиться ото льда после зимней спячки. Именно в период интенсивного снеготаяния возникает угроза катастрофических половодий, сильного разрушения (эрозии) почвы, деформации русел рек.
По данным метеорологов, стаивающий за сутки снег может дать около 30 л воды с 1 м 2 поверхности. При особо благоприятных условиях — до 80 л. Представьте, что столько воды выливается за сутки на 1 м 2 участка — в некоторых регионах страны это соответствует месячной норме осадков.
Но это там, где снега много. Где его мало, таяние заканчивается намного быстрее. В степных районах из-за сухости воздуха и интенсивной солнечной радиации возможно прямое испарение снега, без превращения его в воду. Такое «съедание» снега не угрожает разрушительным половодьем, однако лишает почву живительной влаги под будущий урожай.
Как же узнать, где снега много, а где мало, какой окажется предстоящая весна и какие «сюрпризы» нам преподнесёт природа? Чтобы получить ответы на эти вопросы, метеорологи систематически проводят снегомерную съёмку почти на всей заснеженной площади планеты. Из-за разнообразия климата и рельефа картина распределения снега получается довольно пёстрой.
Как же исчезает снег? Постепенно, почти незаметно. Даже в устойчивую, без единой оттепели морозную зиму снежный покров истончается, так что к весне он оказывается полностью «съеденным». Не успевая растаять, снег испаряется.
Физики называют процесс испарения снега или льда, то есть перехода вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое, сублимацией или возгонкой. Физические законы (включая термодинамические), по которым происходит испарение и кристаллизация ледяных частиц, достаточно сложны. Количественные характеристики этих процессов зависят как от многообразных свойств снега, так и от условий внешней среды, к которым помимо температуры и влажности воздуха относится и ветер — он иногда становится хозяином снега. Благодаря ветру снег может не только падать вниз, но и взлетать, перемещаться на большие расстояния, рассеиваться, усиленно испаряться.
Учесть все перемещения снега, оценить его потери, определить сроки исчезновения позволяют балансовые методы расчёта. Как в хорошей бухгалтерии, по ним можно проследить каждый этап жизни снега: выпадение, перемещение, отложение, исчезновение.
Если сопоставить массу всех выпадающих из облака снежинок с массой снега, уже достигшего земли, то они не будут равны. Внизу наверняка обнаружится существенная «недостача». Естественным объяснением этого будет «усушка» снега по дороге между небом и землёй. Действительно, количество снега, достигшего земли, гораздо меньше, чем начавшего падать с облака. Но это явление — в рамках законов физики.
Известно, что мелкие капли и ледяные кристаллики испаряются при дефиците влажности воздуха поразительно быстро, буквально на лету. Объясняется это тем, что продолжительность испарения таких частиц приблизительно пропорциональна квадрату их радиуса. Следовательно, при прочих равных условиях частица радиусом 0,1 мм испарится и исчезнет в 100 раз быстрее, чем частица радиусом 1 мм. Чем меньше становится снежинка, тем быстрее она испаряется, а начав «худеть», она уже не может остановиться.
Но для сильного «похудания» нужно время. Хватит ли его снежинке на сравнительно коротком пути к земле? Временем она располагает немалым, ведь срок жизни свободно парящей снежинки составляет десятки минут. Например, при высоте облачного слоя 2 км над поверхностью земли и средней скорости падения снежинок 1 м/с снежинка пройдёт свой путь за 2000 секунд, или 33 минуты. Если воздух достаточно холодный и влажный, то снежинки, не очень «исхудав», успевают долететь до земли и образовать снежный покров. Если же воздух окажется более тёплым и сухим, то снежинки испарятся, не достигнув земли. Ситуация, о которой говорят: «тучи есть, а снега нет».
Знание высоты и продолжительности полёта снега, его способности испаряться в воздухе имеет большое практическое значение. От этих параметров зависят весенние снегозапасы, а следовательно, и водность рек. Установлено, что в одном и том же географическом районе на возвышенностях снега выпадает больше, чем на равнинах. Причина — меньший путь от облаков до земли и соответственно меньшие потери снега на испарение. Балансовые расчёты снега позволяют увидеть многие знакомые явления с новой, неожиданной стороны, дают им научное объяснение.
Например, уже давно замечен интересный факт: после сильной метели количество снега в наметённых сугробах не соответствует убыли снега на обдуваемых полях — оно значительно меньше. Куда же исчезает с поля остальной снег?
Лишь сравнительно недавно удалось экспериментально доказать, что переносимые ветром частицы снега во время своего полёта интенсивно испаряются. Выяснилось, что в сухом воздухе для снежинки среднего размера существует максимальная длина переноса, которая определяет, быть снежинке в сугробе или исчезнуть по дороге. Чем больше скорость ветра, тем меньше время перелёта этого критического расстояния и, следовательно, больше дальность переноса снега.
Какой же путь успевает совершить снежинка до своего исчезновения? Это зависит и от рельефа, и от сухости (влажности) воздуха. Различия в «длине пробега» очень велики. Например, в горных районах на расстояние больше 0,5 км снег не перемещается. На равнинах Западной Сибири снежинки могут улететь за 30—50 км от того места, где их подхватил порыв ветра. Вот почему при сравнительно небольшом количестве зимних осадков снега там всегда вдосталь.
В Приволжье, в степях Казахстана и Западной Сибири потери снега с открытых мест в среднем составляют 50% от выпавших осадков. В условиях малоснежных зим это губительно отражается на урожае. Недаром возникла старинная пословица, фиксирующая эту связь: «снегу надует — хлеба прибудет» (то есть надует на поля).
Многие, возможно, обращали внимание, что падающий без ветра снег старательно повторяет все тонкости местного рельефа. Но уже через несколько часов эти тонкости начинают стираться. Через несколько дней поверхность снежного покрова выравнивается, а к концу сезона приближается к плоской, какой её видел А. И. Полежаев (1835 год):
Вдали, кругом, холодная немая —
Везде одна равнина снеговая;
Везде один безбрежный океан,
Окованный зимою великан!
Снег тщательно сглаживает неровности рельефа. Чем вызвана такая «самонивелировка»?
Дело в том, что испарение снежных частиц зависит от площади их внешней поверхности и происходит с любой стороны, куда есть доступ воздуху, а тем более ветру. Чем больше открытой поверхности, тем больше испарение. Минимально оно с плотной плоской поверхности. Вот почему снежинки стараются «не высовываться», как можно плотнее прижаться друг к другу, а поверхность снежного покрова — принять форму, наиболее устойчивую к ветру. Это либо плоскость, либо очень пологие сугробы.
Те же небольшие скопления снега, что оказались открытыми, незащищёнными, подвергаются сильнейшему воздействию ветра и вынуждены исчезнуть, точнее — превратиться в водяной пар. Самая незавидная участь — у отдельных снежинок. Если они не прикроют своими «телами» друг друга, то, обдуваемые ветром со всех сторон, испаряются в 10—100 раз быстрее, чем в безветрие. Вот почему снег так быстро исчезает с крон деревьев, проводов, шпилей. Иногда он почти полностью рассеивается во время метелей. Происходит процесс, о котором можно сказать: «ветер снег съедает».
Но не только сублимация и ветер определяют судьбу снега. Он испытывает множество других воздействий: давление вышележащих слоёв, колебания температуры в зимние месяцы, оттепели, поверхностное таяние и последующее замерзание воды, просачивающейся вглубь, а также конденсацию — прямой переход воды из газообразного в твёрдое состояние. Известно, что в интервале плотности лежалого снега от 270 до 360 кг/м 3 увеличение температуры всего на 1 градус даёт увеличение плотности на 4 кг/м 3 . Со временем снег настолько уплотняется, что перестаёт быть собственно снегом, превращаясь в фирн, или зернистый лёд. В зависимости от погодных условий плотность фирна колеблется от 360 до 800 кг/м 3 , что в 3—5 раз превышает плотность своего самого первого предшественника. Таким образом, под влиянием погодных факторов снег уплотняется, проседает, высота снежных сугробов заметно уменьшается.
В шутку этот процесс можно назвать «утруской» снега.
Более плотный снег и ледяная корка, в том числе и наст, ничуть не снижают темпов исчезновения некогда обширного белого покрова, а даже увеличивают его из-за повышения плотности и, как следствие, теплопроводности. Температура поверхности при этом будет выше температуры поверхности рыхлого снега, поскольку с увеличением плотности вещества толщина слоя поглощения солнечной радиации уменьшается, что приводит к большему его нагреву.
Лёд испаряется не только при положительных температурах воздуха, но и при самых сильных морозах, тем более что им сопутствует низкая влажность воздуха.
Именно весной, при уже хорошо пригревающем солнце, мы замечаем, что от тающего снега веет холодом. Он ощутим даже при плюсовых температурах воздуха. Недаром говорят, что весеннее тепло обманчиво. Причина известна: в соответствии с законами термодинамики процесс таяния «отбирает» у прилегающих слоёв воздуха тепло и тем самым холодит его.
Перейдя на участок, где снег уже растаял, вы заметите, что стало ощутимо теплее — земля быстро прогревается и подсыхает. Этот процесс также не остался без поэтического отражения. Слова А. К. Толстого (1856 год) лаконичны и точны:
Вот уж снег последний в поле тает.
Тёплый пар восходит от земли.
Эти термодинамические процессы в определённых ситуациях мы успешно используем в своей практической деятельности. Например, «сухое» испарение льда (возгонку), когда вывешиваем зимой на улице мокрое бельё. Казалось бы, как можно высушить его на морозе? Оно же просто замёрзнет! Бельё действительно замерзает, превращаясь в твёрдое несгибаемое полотно, но в таком состоянии оно тоже сохнет — процесс испарения продолжается, но не с поверхности жидкости, а с поверхности льда. Открытое пространство, а тем более ветер способствуют испарению и ускорению сушки.
Поэтому для ускорения схода снега в городах ближе к весне производится сколка уплотнённого снега у поребриков тротуаров, разрушение залежалых снежных скоплений во дворах. И с этой же целью садоводы перелопачивают снег на своих участках. Несколько сухих, а ещё лучше ветреных дней — и все остатки снега бесследно исчезают, даже мокрого места не остаётся. Значит, весна полностью вступила в свои права.
Источник
