1.2. Сніговий покрив і його характеристика
Сніговий покрив - шар снігу на поверхні Землі, що утворився в результаті снігопадів і хуртовин. Сніговий покрив має малу щільністю, зростаючої з часом, особливо до весни. Альбедо свіжого снігу - 70-90 %, весняного, танучого - 30-40 %. Поверхня снігового покриву в значній мірі формується під впливом сонячної радіації і вітрів. Вітрові форми снігового мікрорельєфу можуть бути акумулятивними (снігові замети, дюни, бархани) і дефляційними (заструги, западини). Через малу щільність снігового покриву (0,05-0,1 г/см3 в якого щойно випав снігу, 0,3-0,4 г/см3 у сухого снігу в кінці зими, 0,5-0,6 г/см3 у багаторічного снігу на льодовиках) велика його теплопровідність. Сніговий покрив характеризується шаруватістю і зернистістю. Впродовж зими сніговий покрив осідає і ущільнюється. Розрізи сніжного покриву до кінця зими відображають історію минулих снігопадів і супроводжували їх станів погоди, запаси тепла в підстилаючих грунтах, а так само екологічну обстановку на території [3]. Сніговий покрив має великий вплив на клімат, рельєф, гідрологічні та грунтоутворюючі процеси, життя рослин і тварин. Сніговий покрив охороняє грунт від глибокого промерзання і зберігає озимі посіви, поглинає азотисті сполуки, удобрюючи тим самим грунт, адсорбує атмосферний пил, охолоджує приземні шари повітря. Сніговий покрив є ефективним накопичувачем аерозольних забруднюючих речовин, що випадають з атмосферного повітря. При сніготаненні ці речовини надходять у природні середовища, головним чином у воду, забруднюючи їх. При утворенні і випаданні снігу в результаті процесів сухого і вологого вимивання концентрація забруднюючих речовин у ньому виявляється зазвичай на 2-3 порядки величини вище, ніж в атмосферному повітрі. Тому вимірювання вмісту цих речовин можуть проводитися досить простими методами і з високим ступенем надійності. Пошаровий відбір проб снігового покриву дозволяє отримати динаміку забруднення за зимовий сезон, а всього лише одна проба по всій товщі снігового покриву дає представницькі дані про забруднення в період від утворення стійкого снігового покриву до моменту відбору проби. Сніговий покрив дозволяє вирішити проблему кількісного визначення сумарних параметрів забруднення (сухих і вологих випадінь). Сніговий покрив як природний планшет-накопичувач дає дійсну величину сухих і вологих випадінь в холодний сезон і кількісну величину параметрів забруднення. У горах і полярних областях земної кулі сніговий покрив, поступово перетворюючись на лід, як би консервує наявні в ньому забруднюючі речовини і зберігає їх при сприятливих умовах в масі льодовиків багато сотень і тисячі років, стаючи своєрідним літописом складу атмосферного повітря і його забруднення. Сніговий покрив є ефективним індикатором процесів закислення природних середовищ.
Забруднення снігового покриву відбувається в 2 етапи. По-перше, це забруднення сніжинок під час їх утворення в хмарі і випадання на місцевість - вологе випадання забруднюючих речовин зі снігом. По-друге, це забруднення вже снігу, що випав в результаті сухого випадіння забруднюючих речовин з атмосфери, а також їх надходження з підстилаючих грунтів і гірських порід. Взаємовідносини між сухими і вологими випадіннями залежить від багатьох факторів, головними з яких є: тривалість холодного періоду, частота снігопадів і їх інтенсивність, фізико-хімічні властивості забруднюючих речовин, розмір аерозолів. У зв'язку з великою інтенсивністю процесів вологого вимивання для регіонального та глобального забруднення частка сухих випадінь зазвичай становить 10-30 %. Однак поблизу локальних джерел при великих викидах грубодисперсних аерозолів картина змінюється на зворотну, тобто на частку сухих випадінь може припадати від 70 до 90 %. Середній час перебування в атмосфері антропогенних і природних речовин тісно пов'язане з висотою викиду і фізико-хімічними властивостями. Час перебування, як правило, зростає з висотою викиду і збільшенням дисперсності аерозольних частинок і становить від декількох хвилин до року і більше. Характерна висота надходження забруднюючих речовин від великих промислових підприємств і теплових електростанцій становить 150 м. Ця оцінка враховує висоту труб, початковий підйом газопилового факела, розподіл потужності викиду за окремими типами джерела. Реальна висота викиду може коливатися в широких межах, від десятків до сотень метрів. Викид забруднюючих речовин автотранспортом відбувається практично на рівні землі. Надходження в атмосферу природних речовин (продуктів вітрової ерозії, летючих сполук, морських бризів) відбувається безпосередньо з поверхні Землі [4].
При організації екологічного моніторингу одна з найбільш актуальних проблем - вибір природних об'єктів для досліджень. Одним з методів, що дозволяють оцінити ступінь техногенного навантаження на навколишнє середовище міст і здоров'я проживаєчих в них громадян, є моніторинг забруднення атмосферних опадів. Найбільш зручним у вивченні видом опадів є сніговий покрив (Ашихміна, 1996).
Серед основних причин, що обумовлюють можливість успішного застосування методів моніторингу забруднення снігового покриву, і як наслідок природних середовищ, можна виділити (Василенко, 1985):
. відбір проб снігового покриву надзвичайно простий і не вимагає складного устаткування в порівнянні з відбором проб повітря;
. сніговий покрив дозволяє вирішити проблему кількісного визначення сумарних параметрів забруднення (сухих і вологих випадінь);
. при утворенні і випаданні снігу концентрація забруднюючих речовин у ньому виявляється зазвичай на 2-3 порядки вище величини, ніж в атмосферному повітрі.
. сніговий покрив як природний планшет-накопичувач дає досить об'єктивну величину сухих і вологих випадінь в холодний сезон. Тому вимірювання вмісту цих речовин можуть проводиться досить простими методами і з високим ступенем надійності.
Зима - найбільш холодний час року, тривалістю в кілька місяців. При поділі року на чотири сезони в помірних широтах за зиму умовно приймається проміжок часу з грудня по лютий, але характерні кліматичні ознаки зими можуть спостерігатися з листопада по березень включно. Зима характеризується певними фенологічними ознаками і настає з моменту переходу середньодобової температури в період її падіння через 0 ° С.
Один з основних факторів, що визначають стан зими - температура повітря. В умовах негативних температур, спостережуваних на більшій частині нашої країни, відбувається різке зниження біологічної активності всього живого, інтенсивності біохімічних і хімічних процесів. Зміна агрегатного стану води на величезних площах земної поверхні викликає прояв нових якостей у природному середовищі, які, в свою чергу, можуть впливати як на живу природу, так і на окремі компоненти неживої природи.
Сезонний сніговий покрив лягає на поверхню суші на площі від 115 до 126 млн. км2. Сніговий покрив має великий вплив на всі природні процеси і господарську діяльність людини. Суцільний сніговий покрив охороняє взимку поверхню від ерозії, дефляції, а навесні при таненні є джерелом інтенсивного прояву схилових і ерозійних процесів. Сніг впливає на тиск, опади, вологість, температурний режим, запиленість атмосфери.
З іншого боку, фізико-механічні властивості снігу, його будова і особливості поширення знаходяться в тісній залежності від ландшафтних умов території. Сніговий покрив є дзеркалом сезонного стану природи і несе велику інформацію про погодні явища.
Утворення снігового покриву відбувається в результаті випадання з атмосфери твердих опадів, представлених сніжинками, які складаються з безлічі дрібних крижаних кристалів. Процеси утворення в хмарі зародкових крапель і кристалів складні і не повністю ще вивчені. Вважають, що зародження сніжинок відбувається біля ядер конденсації, якими є частки пилу, сажі, пилку рослин і спор. Збільшення видимих кристаликів відбувається за рахунок сублімації (переходу з газоподібного в твердий стан, минаючи рідку фазу) на них водяної пари або злипання один з одним. В умовах сильного перенасичення повітря водяною парою виникають променисті сніжинки, якщо ж перенасичення зменшується, проміжки між променями заповнюються льодом і створюються пластинки. У міру збільшення ваги кристалики падають на землю і на своєму шляху піддаються механічному й температурного впливу. На поверхні землі сніжинки накопичуються і формують сніговий покрив. Сніг схильний до дії вітру та температури повітря не тільки в момент випадіння, але і після снігопаду. Розподіл снігу залежить від особливостей випадання опадів, сили вітру, характеру поверхні та інших факторів. Переміщається сніг по фізичним законам перенесення піску. На затишних ділянках відбувається накопичення снігу і утворюються замети. Місця, схильні тривалого вітровому впливу, як правило, позбавлені снігу. Вивчення переміщення снігу має велике практичне значення при сніговій меліорації.
(Тушинський та ін, 1972, Рябцева, 1972
Потужність снігового покриву залежить від режиму погоди протягом зимового сезону, рельєфу, рослинного покриву та інших фізико-географічних умов. Поширення потужності снігового покриву на тій чи іншій території в цілому залежить від місцевих умов. На відкритих піднятих ділянках, особливо в навітряних схилах, потужність снігу зазвичай менше , ніж у пониженнях і на підвітряних схилах. У лісі за рахунок хуртовин снігу більше, ніж на відкритих ділянках.
Одним з важливих властивостей снігу є його щільність. Під щільністю розуміється відношення об'єму води, що міститься в снігу (кубічних сантиметрах). Чисельно вона дорівнює вазі снігу (в грамах) в 1 см3 снігового покриву. Від щільності і потужності снігу залежать запаси води в сніговому покриві: чим більше потужність і щільність снігового покриву, тим більше води містить я в ньому.
Серед фічних властивостей снігу насамперед звертають увагу теплоізолюючі властивості, які обумовлені його поганою теплопровідністю. У середніх значеннях теплопровідність снігу приблизно на порядок більше теплопровідності повітря і на порядок менше теплопровідності мінеральної грунту. Тому грунт, вкритий снігом, промерзає повільніше і на меншу глибину в порівнянні з оголеною. Теплопровідність щойно випав пухкого снігу найменша. Такий сніг гарантує найкращий захист грунту і зимуючих під ним рослин від охолодження і промерзання.
Найдрібніші матово-білі кристалики льоду - сніг - є самими звичайними видами твердих опадів, що виникають у вільній атмосфері в результаті сублімації водяної пари усередині переохолодженого повітря
Утворенню кристалів сприяють і ядра кристалізації, серед яких кращими є речовини, кристалічна решітка яких геометрично подібна решітці льоду. Японський гляциолог У. Накайя, досліджуючи сніжинки під електронним мікроскопом, завжди виявляє в їх центрах включення розміром 0,5 - 0,8 мк (переважно частинки каоліну, глини, вугілля, а також мікроорганізми).
Кристали льоду мають трігональную форму. Вони завжди розвиваються попарно і створюють шестикутний кристал. Кристалографічних осей 4: з них 3 лежат ь в одній площині, утворюючи один з одним кути в 120 °, четверта (головна) вісь спрямована перпендикулярно до цієї площини і є віссю симетрії.
Безліч факторів впливає на утворення і зростання сніжинок, тому таке велике розмаїття їх форм. У колекції мікрофотографій американського метеоролога Уїлсона Бентлі, виданого в 1931 році, налічується понад 5 тисяч Мікрофотографії сніжинок, відмінних один від одного.
Найбільш досконалі класифікації кристалів снігу належать У.Накайя і А.Д.Заморскому. Останній за генетичними ознаками виділив 9 основних форм, а в них 48 видів, які є варіантами, комбінаціями і ускладненнями основних форм.
Узагальнюючи це велике розмаїття форм сніжинок, можна говорити про два основні типи (по В.М.Котлякову):
1 - пластинчасті кристали, що утворюються при температурах - 20 - 25 °С;
2 - стовпчасті кристали, що утворюються при більш низьких температурах. До основних форм першого типу відносяться:
Платівка - найпростіша за формою сніжинка, тонка шестикутна, рідше трикутна крижана пластинка розміром від 0,1 до 4 мм. Всі її боку (або через одну) однакові за формою і довжині.
Зірчастий кристал - мабуть, найкрасивіша сніжинка (її зображення стало символом снігу) - тонкий, плоский кристал, має центральну шестикутну пластинку, з кутів якої ростуть тонкі промені. Зазвичай променів шість, але може бути 3 або 12 або інші ускладнені форми. Середній розмір кристалів коливається від 2 до 7 мм. До нас дійшли замальовки цього виду сніжинки, що датуються 1555 роком.
Пушинка - пластинка або зірка до 9 мм по горизонталі, покрита звичайно з одного боку плоскими кристалами, що зросли під різними напрямами і кутами. Пушинки колись славилися «вкриті інеєм снігом».
Серед стовпчастих кристалів найпоширенішою формою є стовпчик. Це шестигранна або порожниста призма довжиною менше 1 см з плоскими пірамідальними або усіченими кінцями. Вона дуже часто зустрічається при температурах нижче - 20 ° С і має багато ускладнених різновидів.
Витягнуті найтонші снігові кристали відомі як голки. Складний сніжний кристал - їжак - являє собою кілька пластинок, променів або призм, що ростуть в різних напрямках з одного центру. Сніговий покрив в основному складається з пластинчастих їжаків і зірок (близько 30%), зірчастих пушинок (близько 10%), сніжної крупи та інших форм (Мал. 13).
Фізико-механічні властивості снігу і сніжного покриву
Сніг є найбільш поширеним видом твердих атмосферних опадів. Сніжинки, складові падаючий сніг і утворюють сніговий покрив, є плоскими кристалами льоду вельми різноманітної форми, в основному гексагональної, шестигранною і шестипроменевої. Розміри окремих, вільно падаючих в повітрі сніжинок доходять до 10 мм.
Сніжним покровом називають шар снігу, що лежить на поверхні землі і утворився при снігопадах. Склад снігового покриву досить різноманітний, він має шарувату будову, обумовлене цілою низкою причин: перемежованими снігопадами, власною масою сніжинок, сублімацією і сублімацією снігових кристалів, впливом атмосферних факторів (сонячної радіації, вітру, інших атмосферних опадів та ін.)
Таким чином, сніговий покрив не є стабільним; його потужність і всі фізико-механічні властивості безперервно змінюються.
Сухий сніговий покрив являє собою двофазну, а мокрий - трифазну систему, що складається з кристалів льоду, води і повітря, що містить водяну пару.
Всі характеристики снігу залежать від його щільності, але разом з тим щільність снігу найвищою мірою мінливе, від 10 до 700 кг/м3. Зазвичай розглядають: щільність різних видів снігу, щільність снігу на відкритій місцевості, щільність снігу в лісі, щільність снігу в сніжниках, щільність талого снігу.
Щільність снігу досить неоднорідна по висоті снігового покриву і залежить від тривалості та глибини його залягання. Тому щільність снігового покриву є величиною осредненной.
Наявність вологи (води, водяної пари) істотно збільшує щільність снігу. Щільність талого снігу має велике значення для прогнозу водопілля на річках. Спостереження показують, що в більшості випадків вона змінюється на початку танення від 180 до 350 кг/м3, в розпал танення від 350 до 450 кг/м3, в кінці танення доходить до 600 кг/м3.
Щільність снігу в лісі менше, ніж на відкритій місцевості, що пояснюється зменшенням вітру в лісі і меншою інтенсивністю зимових відлиг.
Пористість снігового покриву обумовлена ??наявністю великої кількості проміжків між кристалами льоду, що утворюють сполучені між собою пори і пронизують сніговий покрив у всіх напрямках.
Пористість снігового покриву пов'язана з його структурою і змінюється в міру його ущільнення від 98 до 20%. До початку сніготанення (зазвичай при щільності 280 - 300 кг/м3) вона становить 73-67%.
Повітропроникність снігового покриву пояснюється наявністю в ньому наскрізних пір і характеризується коефіцієнтом воздухопроводності. За відсутності рідкої фази сніговий покрив буде повітропроникним, якщо розміри пор або капілярів будуть достатніми для вільного переміщення молекул повітря. Отже, коефіцієнт повітропроникності істотно залежить від структури снігового покриву; він зменшується у міру його ущільнення.
Водопроникність снігового покриву для гравітаційної води, що надходить від дощу або від танення верхнього шару снігу, залежить від кількості, розмірів і форми пір в сніговому покриві, від наявності крижаних прошарків і пр., тобто від структури снігового покриву.
Водоутримуюча здатність снігового покриву характеризується тим найбільшою кількістю води, яке він здатний утримати в даному його стані. Ця характеристика має велике значення для розрахунку половодий. Вона вивчалася П.П.Кузьміним дослідним шляхом на спеціально розроблених приладах з використанням вагового та калориметрического способів.
В результаті досліджень було встановлено, що водоутримуюча здатність снігового покриву залежить від його структури і щільності: меншої щільності відповідає більша водоутримуюча здатність.
Вологість снігу - кількість води, яка сніговий покрив містить в даний момент. Вона є дуже важливою його фізичною характеристикою і визначається калориметричним способом.
Коефіцієнт відбиття сонячної радіації снігом значно вище, ніж у льоду і, тим більше, у води.
Коефіцієнт поглинання сонячної радіації снігом також високий; поглинається вона самим верхнім шаром снігу і тому не доходить до його підстильної поверхні.
Електричні, радіоактивні та акустичні властивості снігу останнім часом набувають все більшого значення, але вони поки вивчені недостатньо.
Сухий сніг, насамперед, характеризується малою електричну провідність, що дозволяє розташовувати на його поверхні навіть не ізольовані проводи. Виконані дослідження для сухого снігу щільністю близько 100 - 500 кг/м3 при температурі від - 2 до - 16 ° С показали, що питомий електричний опір? е. досить високе (2,8 · 105 - 2,6 · 107 Ом · м) і близько до питомою опору сухого льоду. Навпаки, вологий сніг володіє малим електричним опором, падаючим до 10 Ом · м.
Сухий сніговий покрив є діелектриком. Діелектрична проникність снігового покриву? залежить від частоти електромагнітних хвиль, їх довжини і від стану снігу (температури, щільності, структури, вологості). Діелектрична проникність снігу значно менше, ніж льоду (? Ол=73 ... 95,?? Л=3 ... 8), і збільшується з зростанням його щільності і вологості.
Акустичні властивості снігу проявляються, наприклад, в скрипі під лижами, полозами саней, під ногами пішоходів і в інших випадках. Скрип снігу залежить від його щільності, тиску на нього і від його температури. Помічено, що скрип чути при температурі від - 2 до - 20 ° С; нижче цієї температури скрип не чутний. Зв'язок скрипу з температурою можна пояснити тим, що з пониженням температури збільшується міцність снігових кристалів і тому злам їх під тиском супроводжується звуком. При температурі нижче - 20 ° С сніжинки достатньо міцні і дуже мало ламаються під тиском.
Механічні властивості снігу мають велике значення при використанні його в якості будівельного матеріалу, при транспортуванні по ньому вантажів, а також при вивченні снігових лавин.
Встановлено, що залежність тертя ковзання по снігу різних тіл від температури снігу неоднозначна. Найкращі умови для руху лиж і саней спостерігаються при температурі від - 3 до - 10 ° С. Із збільшенням щільності снігу та швидкості руху коефіцієнт тертя ковзання зменшується.
Опір снігу розтягуванню досліджувалося щодо розриву зразка від власної ваги шляхом пропіліванія заздалегідь наміченої шийки. Щойно випав сніг надає невелику, практично рівне нулю опір розриву, а в ущільнили снігу опір розриву зростає із збільшенням щільності і досягає значення 0,027 · 105Па. Опір розриву вологого снігу менше, ніж сухого. В цілому опір снігу розриву залежить від його температури, щільності і структури.
Сніговий покрив протягом усього періоду свого існування піддається впливу різних фізичних та механічних факторів, що призводять до безперервного зміни його структури, складу і обсягу. Ці фактори і що надаються ними впливу ще далеко недостатньо вивчені.
Дослідження снігового покрову є зручним і економічно вигідним способом отримання даних про надходження забруднюючих речовин із атмосфери на підстилаючу поверхню. Особливу цікавість сніговий покрив представляє при вивченні процесів довготривалого забруднення (місяць, сезон), оскільки як природній накопичувач він дає представлення про реальну кількість сухих та вологих осадів у холодну пору року.
Найбільш інтенсивно даний підхід приміняють на протязі останніх десятиліть. Показано, що сніг може слугувати індикатором атмосферного забруднення поллютантами різного типу: пилюкою, важкими металами, нафтовими поліциклічними ароматичними вуглеводнями, білковими зєднаннями та ін.. Сніговий покрив можна також використовувати для цілей дистанційного зондування параметрів забруднення місцевості, в тому числі і з космосу.
Завдяки геохімічним та санітарно-гігієнічних дослідженям були встановлені кількісні зв’язки між складом компонентів в атмосферному повітрі та випаданні їх на території міст, що фіксується у вигляді аномалій в грунті та сніговому покрові.
Протягом вересня 2014 року лабораторією спостережень за забрудненням атмосферного повітря (ЛСЗА) Закарпатського ЦГМ на двох стаціонарних постах спостережень міста Ужгорода відібрано та проаналізовано 988 проб атмосферного повітря. Порівняння середньої за місяць концентрації забруднюючих речовин із гранично допустимою середньодобовою концентрацією показало підвищений рівень забруднення формальдегідом (3,9 ГДКс.д.) та оксидом вуглецю (1,1 ГДК с. д.). У порівнянні з серпнем, в вересні знизилась концентрація в атмосферному повітрі міста диоксиду та оксиду азоту, пилу та формальдегіду; забруднення диоксидом сірки, оксидом вуглецю та розчинними сульфатами залишилось на рівні попереднього місяця. Порівняно з вереснем минулого року, спостерігається ріст середньомісячної концентрації диоксиду сірки, оксиду азоту, пилу, розчинних сульфатів; забруднення формальдегідом, оксидом вуглецю та диоксидом азоту знизилось. Перевищення максимальної разової гранично допустимої концентрації (ГДК м. р.) в атмосферному повітрі міста виявлено для формальдегіду (максимальне значення разової концентрації склало 2,32 ГДК м. р.); повторюваність перевищення ГДК м. р., у відсотках до кількості відібраних проб, склала 7,2%. Індекс забруднення атмосферного повітря міста Ужгорода п’ятьма пріоритетними забруднюючими речовинами в вересні склав 8,79 (в попередньому місяці – 13,74), в тому числі: індекс забруднення формальдегідом – 5,91, оксидом вуглецю – 1,08, диоксидом азоту – 0,78, оксидом азоту – 0,62 та пилом – 0,40(11).
Пояснення даних аномалій можна зробити проаналізувавши троянду вітрів міста Ужгород. Таким чином, визначивши напрямки вітрів у місті можна довести або спростувати припущення про транскордонне забруднення повітряного басейну міста шкідливими речовинами із сусідніх держав.
Рис. 1. Троянда вітрів міста Ужгород.
Рис. 2. Карта Ужгорода.
