1 Общая часть
1.1 Общая характеристика снега и снежного покрова
Снежный покров – это одно из самых крупных сезонных явлений – ежегодно покрывает почти всю территорию нашей страны. Формирование снежного покрова обуславливается географической зональностью, рельефом поверхности и общей циркуляцией атмосферы. Источником снежного покрова служат твердые осадки (в основном – снег), сохраняющиеся на земной поверхности при отрицательных температурах [1].
Снежный покров обладает особыми физическими свойствами и подчиняется особым законам формирования и взаимодействия с окружающей средой. Вследствие малой теплопроводности и газопроницаемости снежный покров предохраняет почву от глубокого промерзания, а зимующих под снегом животных и растений от резких колебаний температур. Почвенные и геоморфологические процессы под снегом протекают совершенно иначе, чем на бесснежных пространствах. Накопленные в виде снега атмосферные осадки питают поверхностные и грунтовые воды, режим которых в значительной мере зависит от распределения снежного покрова, его физических свойств и характера снеготаяния.
Являясь продуктом климата, снежный покров сам становится мощным климатообразующим фактором. Он оказывает влияние и на летний температурный режим почв, режим влажности почво-грунтов, распределение животных и растительных организмов и даже некоторых форм рельефа.
Снежный покров является зеркалом сезонного состояния природы: он накапливает и передает сезонную информацию ландшафта, получая ее как от биогенных, так и от абиогенных компонентов ландшафта [1].
1.2 Снег как компонент ландшафта
Снег – это одно из самых распространенных явлений в природе. Он воздействует на все природные сферы. Велико значение воздействия его на человека и на его деятельность, животных и растительный мир, сельское хозяйство и др.
Снег и снежный покров имеет как положительное, так и отрицательное влияние. Снег и мороз способствовали разрушению величия и могущества Наполеона, задержали колонизацию и освоение Сибири, Северной Америки и других районов.
В настоящее время снег все также осложняет жизнь большого количества людей. Конечно же, современный технический прогресс позволяет вести хозяйство успешно и в заснеженных районах, но уязвимость этих районов увеличивается. Например, проблема снегозаносимости в мегаполисах создает большие трудности, а перевозки на большие расстояния существенно зависят от капризов зимней погоды. Ущерб, причиняемый снегом может быть огромным. Однако, несмотря на все проблемы, создаваемые снегом, он способствует многим видам хозяйственной деятельности человека: создает запасы воды для бытовых нужд, домашнего скота, производства с/х продукции, служит материалом для сооружения снежно-ледовых дорог, создает условия для занятия многими видами спорта [1], [25].
Люди постепенно приспосабливались к капризам природы. Они строили теплые и надежные дома, шили теплую одежду для передвижения по снегу, использовали различные приспособления (снегоступы, лыжи), пользовались различными видами транспорта. Зимой создавали дороги и пути, которые невозможно было проложить в другое время года.
Наибольшую опасность представляют метели, особенно в сочетании с сильным ветром, низкой температурой и плохой видимостью [2].
Они наиболее опасны в безлесных районах, где нет деревьев, способных создать ветровую тень.
Городские центры особенно подвержены воздействию снегопадов. Поэтому города, расположенные в северных широтах, готовятся к снегопадам. При возведении построек также учитываются возможные снеговые нагрузки. Наибольшее внимание уделяется постройке крыш. Так как снежный покров ограничивает глубину промерзания почв, то в местах прокладки трубопроводов нужно учитывать его наличие или отсутствие.
Снежный покров влияет на энергетический и водный баланс земной поверхности, так что регулирование его имеет большое значение для с/х, экономики в целом и экологии. При выпадении снега на земную поверхность изменяется ее подверженность эрозии и, что важнее всего, изменяется альбедо [2], [26].
Таяние снега служит причиной весенних половодий и обуславливает большую часть стока в некоторых районах.
Выпадающий снег, несомненно оказывает огромное влияние на флору и фауну.
Форма деревьев и их размеры могут в значительной степени зависеть от снеговых нагрузок. Абразивным воздействием метелевого переноса снега объясняется наличие так называемых ветровых проплешин – участков на стволах деревьев, располагающихся выше снежного покрова, где ветви практически отсутствуют. Карликовые формы тундровых растений, стелющиеся розеточные и кочкарные формы других видов, служат примером адаптации, которая помогает растениям выжить в условиях сильной снеговой абразии.
Под действием снеговых нагрузок лиственные деревья пригибаются таким образом, что их верхушки склоняются практически до земли и могут служить источником пищи для животных.
В пределах какого-либо района снег аккумулируется определенным образом из года в год, при этом растительный покров, контролируя пространственную изменчивость распространения снежного покрова, сам реагирует на эту изменчивость.
При выявлении влияния снежного покрова на животный и растительный мир можно рассматривать снежный покров как тип осадочной горной породы, состоящий из неконсолидированных слоев, сложенных твердым минералом (льдом). Осадочная порода характеризуется слоистостью, прочностью, пористостью, проницаемостью слоев и породы в целом. Однако, когда скорость метаморфизма снежного покрова велика, можно сравнить его не с горной породой, а с почвой. Придерживаясь этой аналогии, можно сказать, что снежный покров является как бы каркасом, состоящим из твердых частиц (льда), окружающих пустоты разного размера. Горизонты, которые формируются в почвенном профиле, в некотором смысле аналогичны слоям, слагающим толщу снежного покрова. Снежный покров – это не просто смесь твердых частиц, это часть атмосферы, которая включает в себя особое сочетание трех состояний воды и воздуха [2].
Пространственная и временная взаимосвязь растительности и снежного покрова хорошо видна на примере снежных заносов в тундре. Для растительности характерна не только тенденция занимать наименее открытые места, западины, но и способствовать ранней аккумуляции снега, улучшая таким образом свою собственную экологическую нишу в окружающей среде.
В середине зимы снежный покров полностью изолирует растительность от внешней среды. Это ограничивает энергопотери и защищает растения от высыхания, так как поры внутри снежного покрова насыщенной влагой. Однако, в то же время устойчивый снежный покров может явиться причиной того, что потепление в субнивальной зоне будет замедлено. Растаяв, снежные заносы обеспечивают почву влагой. Такое дополнительное питание имеет большое значение, так как вода в тундре часто лимитирует рост растений. Однако, сильное таяние и быстрый сток могут повредить растительному покрову эрозией.
Изменчивость характера снежных заносов в год от места к месту определяет некоторые различия в растительном покрове. Растительность у края снежных заносов защищена меньше, и весной снег здесь стаивает раньше, что приводит к более продолжительному вегетационному периоду и более стабильному питанию в результате стока талых вод. В центральной части заноса, где растительность зимой защищена лучше, вегетационный период более короткий и менее влажный. В тех местах, где снежные заносы образуются постоянно, растительность имеет специфический характер: в центральных частях участков, где периодически возникают снежные заносы, отмечаются развитие менее плодородных почв. В общем, число видов, густота растительного покрова и продуктивность растений уменьшается в направлении к центральной части заноса. Это может быть объяснено меньшим количеством поучаемой солнечной радиации, более поздним вегетативным периодом, меньшим количеством влаги.
Вегетация многих растений начинается еще тогда, когда они покрыты толщей снега.
В результате метаморфозных процессов самого снежного покрова улучшается светопроницаемость и возникают условия, благоприятные для развития процессов фотосинтеза на большей, чем это бывает обычно, глубине [2], [27].
В результате метаморфозных процессов самого снежного покрова улучшается светопроницаемость и возникают условия, благоприятные для развития процессов фотосинтеза на большей, чем это бывает обычно, глубине.
Таким образом, снежный покров значительно влияет на растительный мир.
Часто вокруг стволов деревьев в снежном покрове образуются чашеобразные углубления, возникающие под влиянием ветра и солнечной радиации. Толщина снега несколько увеличивается по мере удаления от стволов, а за пределами кроны резко возрастает. Изменчивость в распределении снега в лесных районах играет большую роль в жизни животных.
Снег влияет также на особенности питания птиц: глубокий и плотный снежный покров ограничивает возможности поиска пищи. Поведенческая адаптация в этом случае проявляется в том, что птицы либо находят корм на нижних ветвях деревьев, либо мигрируют в те области, где растения свободны от снега (например, на обдуваемые ветром поляны), даже несмотря на то, что виды растительности, экспозиция склонов и друге факторы могут быть для них менее благоприятными.
Жизнь животных зимой в большей степени протекает в снежном покрове, а не над ним. Наиболее благоприятные условия создаются непосредственно между поверхностью земли и поверхностью снежного покрова. Многие гнезда и дорожки, следы которых остаются после стаивания снежного покрова, проложены не на земле, а на некотором расстоянии над ней.
Субнивальные млекопитающие пользуются нежным покровом как средой обитания, например, северный олень или серая куропатка, которые используют его как временное убежище, или как полярный медведь, который устраивает в нем берлогу для зимней спячки. Многие организмы и растения, включая водоросли, мхи, бактерии и насекомых, могут жить и размножаться внутри снежного покрова, а некоторые существуют только в снегу [2].
Внутри неразрушенного, нетающего снежного покрова температура и влажность, как правило, относительно высоки и стабильны. Однако, когда снег уплотнится, обитающие под ним животные могут оказаться в стрессовой ситуации, возникающей вследствие понижения температуры, быстрого изменения градиента температуры ограничения газообмена.
Снежный покров часто называют «одеялом», сохраняющим тепло и создающим условия для жизни под ним. В общем, снежный покров, имеющий толщину более 15 см, достаточен для того, чтобы мелкие животные могли в нем выкопать свои норы. Если после установления снежного покрова в нем развиваются ледяные прослойки и корки, мелкие млекопитающие могут их использовать как дорожки внутри снежного покрова и на его поверхности, попадая туда через вертикальные каналы близ стеблей высоких растений. Через эти же каналы осуществляется вентиляция норок воздухом, что способствует выветриванию из них СО2.
Внутри снежного покрова мелкие животные обитают в относительно теплой, защищенной среды, используя для дыхания чистый, хотя и насыщенный влагой воздух. Они питаются за счет запасов, подготовленных заранее, осенью, или находят себе пищу под снегом.
Внезапная дефляция снежного покрова вследствие изменения погодных условий может привести к обнажению ранее хорошо защищенных растений, животных и почвы, в результате чего они будут подвергнуты губительному воздействию низких температур.
Таким образом, снег в жизни животных играет огромную роль, как положительную, так и отрицательную [2], [28].
Велико значение снежного покрова в сельском хозяйстве. Хорошо известно, что снег обеспечивает защиту растений от внешних воздействий.
Защитные свойства снега важны не только для таких культур, как пшеница, овес, ячмень, рапс, луговые, но также для ягодных культур, винограда, садовых культур, древесного подроста и лекарственных трав. Особенно важное значение имеет снег в период прорастания растений. Зимнее обезвоживание воздействует на большинство культур. Снежный покров способствует сохранности растений, но он может также создавать благоприятные условия для зимовки полезных и вредных насекомых, грибков, а также сорняков. Он служит защитой для зимующих куколок и личинок во время их зимовки.
Специальные методы снегорегулирования, применяющиеся для увеличения толщины снежного покрова и равномерного его распределения, служат для смягчения суровы зимних условий и увеличивают сохранность с/х культур.
Велико значение снега и для животноводства. Снежные бураны в сельскохозяйственных районах представляют серьезную угрозу для домашнего скота. Особенно опасны снежные бури для скота, находящегося на открытых пастбищах. Снег может вызвать трудности и при зимовке в укрытиях (затруднение перевозки кормов, повреждение крыш в результате снегоотложений и т.п.)
Снег играет отрицательную роль с точки зрения механических повреждений. Фруктовые сады, состоящие из яблонь, груш и других деревьев часто испытывают налипание и накопление снега на своих ветвях. Иногда нагрузка становится такой, что ломаются ветви и стволы. В районах с сильными ветрами растения могут повреждаться снежной абразией. Там, где снежный покров тонок, озимые культуры выступают над гладкой обледенелой поверхностью, и ветер, несущий рыхлые ледяные частицы, абрадирует открытые части растений [2].
Интенсивное таяние снежного покрова часто приводит к наводнениям. В районах с умеренным климатом основные паводки наблюдаются чаще всего в конце зимы – начале весны.
Снежный покров, являясь продуктом климата, сам оказывает влияние на климат. Это влияние проявляется при взаимодействии снежного покрова с энергетическим режимом атмосферы.
Поглощение солнечной радиации земной поверхностью зависит прежде всего от альбедо поверхности. Альбедо снежного покрова изменяется в зависимости от продолжительности его залегания и других факторов, но оно всегда значительно выше, чем альбедо других поверхностей.
Большие значения альбедо, обусловленные наличием устойчивого снежного покрова, служат причиной того, что в более высоких широтах земная поверхность поглощает меньшее количество солнечной радиации, что приводит к расположению в северных широтах отрицательного радиационного баланса [2].
Снежный покров из-за низкой теплопроводности резко уменьшает теплообмен между замлей и атмосферой, что существенно влияет на температуру почвы.
Сибирь, север Северной Америки, Антарктида – регионы, где наблюдается интенсивное радиационное выхолаживание, в результате которого образуются воздушные массы, характеризующиеся очень низкой температурой у поверхности и ростом температуры с высоты 1-2 км (инверсия), слабыми ветрами и ясной погодой. Наличие глубокой инверсии обуславливает сильную устойчивость атмосферы, в результате чего отсутствует самоочищение атмосферы и туманы рассеиваются медленно [2].
Таким образом снежный покров является мощным фактором, влияющим на все сферы окружающей среды.
1.3 Образование осадков холодного периода и формирование снежного покрова
Снежный покров формируется главным образом за счет твердых осадков (атмосферного льда). Образование ледяных частиц на твердых ядрах требуют затраты большей работы, чем образование капелек воды, поэтому вероятнее всего, что ледяные зародыши возникают в жидкой фазе (через конденсацию).
После завершения стадии роста ледяных частиц они выпадают из облака, образуя у поверхности земли в зависимости от температурных условий твердые или жидкие осадки. Процесс формирования снежного покрова начинается в условиях отрицательного теплового баланса подстилающей поверхности. Основным источником формирования являются твердые осадки. Иногда в пополнении водных запасов снежного покрова играют некоторую роль жидкие осадки, если они выпадают при уже сформировавшемся снежном покрове, и часть их, удержанная снегом, переходит в твердую фазу [3], [29].
Снежным покровом называется лежащий на поверхности земли слой снега, образованный при снегопадах. Следует отметить, что снежный покров образуется не только из льда, выпадающего из облаков. Частично он может пополняться за счет льда, образующегося непосредственно на земных предметах, на поверхности земли, а иногда и на поверхности снега (конденсация). Однако в том и в другом случае это будет лед атмосферного происхождения.
Первый выпавший снег лишь в редких случаях остается лежать всю зиму; чаще всего осенью, при возврате теплых дней, снег неоднократно стаивает и затем вновь выпадает. Промежуток времени между выпадениями первого снега и установлением снежного покрова на зиму называют периодом неустойчивого осеннего снежного покрова, или предзимьем [3].
За период устойчивого снежного покрова условно принимается такой период времени, когда снег, в многолетнем среднем выводе, остается лежать, не стаивая, не менее трех декад подряд. В течение этого периода происходит более или менее непрерывное нарастание толщины снежного покрова. По достижении максимума толщины начинается быстрое разрушение и таяние снежного покрова. Нередко при возвратах весенних холодов снегопады создают вновь непродолжительный снежный покров. Этот период временного весеннего покрова называют периодом весеннего неустойчивого снежного покрова, или послезимья.
Процесс выпадения снега называется снегопадом. Строение молодого снежного покрова и его свойства в значительной мере зависят от характера снегопада.
Свежевыпавший снег предохраняет снежный покров от непосредственного воздействия на него метеорологических факторов (солнечных лучей, ветра, дождя, таяния и замерзания) [3].
На процесс расслоения снежного покрова и дифференциацию физических свойств различных слоев снега наряду с метеорологическими факторами и температурным градиентом в толще снега косвенное влияние оказывает также характер распределения снегопадов во времени их интенсивность.
Необходимо отметь весьма важное для формирования снежного покрова следующее обстоятельство. Образование снежинок и других видов твердых гидрометеоров в свободной атмосфере может происходить в любое время года и над любыми широтами, так как известно, что уже на высоте 1-2 км в умеренных широтах и 4-5 км в экваториальных в течение круглого года господствуют отрицательные температуры. С другой стороны, известно также, что снежный покров образуется лишь на тех участках земной поверхности, где температура приземного слоя воздуха в течение более или менее длительного времени держится ниже точки плавления льда. Поэтому при прочих равных условиях, например, при постоянстве условий образования и выпадения твердых осадков, появление и исчезновение снежного покрова на поверхности земли определяется одним важнейшим и решающим фактором - тепловым балансом подстилающей поверхности. Твердые осадки накапливаются и являются материалом для формирования нового снежного покрова или для увеличения запасов старого в том случае, если они выпадают на подстилающую поверхность, температура которой не выше 0°, а общий приход-расход (баланс) тепла отрицателен. При переходе теплового баланса от отрицательных его величин к положительным и прогревании подстилающей поверхности до 0 градусов происходит подтаивание снега. Расход снега вследствие таяния в зимний период наблюдается во время оттепелей. В промежутках между снегопадами снег может убывать также за счет испарения (возгонки).
В ходе величин запасов воды в снежном покрове можно отметить лишь общую тенденцию их увеличения от начала к концу зимы. В ряде районов этот ход может сильно нарушаться зимними оттепелями, во время наступления которых иногда сходит значительная часть снега, а то и весь снежный покров [3], [30].
1.4 Образование снежного покрова
Днем со снежным покровом считается день, в который более половины видимой местности, окружающей метеостанцию, покрыто снегом. Устойчивым считается снежный покров, который лежит непрерывно в течение зимы или не менее месяца с перерывами не более трех дней подряд или в общей сложности.
Средняя дата его образования на северо-востоке Европейской части России приходится на 20.10-30.10, в центральных районах – на 30.11-10.12, на юге – на 20.12-30.12. Стаивание снега начинается в третьей декаде марта на юге и заканчивается во второй декаде мая на севере. Поэтому наибольшее число дней со снежным покровом наблюдается в северных и, особенно, в северо-восточных районах, достигая на Урале 250 дней. По мере продвижения к югу число дней со снежным покровом уменьшается. В Астраханской и Волгоградской областях оно составляет в среднем 60-100 дней, на юге Ставропольского и Краснодарского краев, где снежный покров неустойчив – не более 40 дней. Изменчивость этой характеристики из года в год велика. Так, на Ставрополье максимум и минимум соответственно составляют 133 и 21 день [4].
В Западной Сибири первый снег появляется на севере в сентябре, а ко второй декаде октября почти на всей территории региона. Устойчивый снежный покров на побережье Карского моря образуется в начале октября, в центральной части – в третьей декаде октября и в южной – в начале ноября. Процесс весеннего снеготаяния и разрушения устойчивого снежного покрова начинается в апреле и завершается окончательно в южных степных районах в конце апреля, в лесной зоне – в конце мая, в северных районах – в середине июня. Но в зависимости от характера зимних условий, эти сроки могут сдвигаться на две недели или даже на месяц. В высокогорных районах Алтая снег сохраняется большую часть года, а снежники сохраняются в течение всего лета, как на Алтае, так и в горах Кузнецкого Алатау. Число дней со снежным покровом на севере составляет около 250 дней, уменьшаясь до 160-140 в степных районах, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 – Число дней со снежным покровом
На большей части Восточной Сибири сроки появления снега и образования устойчивого снежного покрова близки. В течение 10 дней снежный покров становится устойчивым и лежит всю зиму. На побережье северных морей первый снег появляется в конце августа – начале сентября, а с конца сентября образуется уже устойчивый снежный покров.
В центральных районах устойчивый снежный покров образуется в течение октября. В малоснежных долинах Минусинской котловины снежный покров образуется в начале ноября, а в сухих долинах Забайкалья даже в декабре. Разрушение устойчивого снежного покрова на большей части Восточной Сибири происходит в течение апреля, на юге – в третьей декаде марта. На самом же севере Восточной Сибири полное разрушение снежного покрова отмечается в конце июня. Среднее число дней со снежным покровом на севере составляет 260 дней, убывая к югу до 180–160 дней, и снова возрастая в Саянах до 250 дней. На горных хребтах Якутии бывает до 180 дней, а в сухих долинах Забайкалья – до 140-160 дней со снежным покровом [4], [31].
На территории Дальнего Востока, на северном побережье Чукотского полуострова снег появляется во второй половине сентября. По мере продвижения на юг эти сроки сдвигаются на более поздние. Так, на юге Приморского края снег появляется в конце ноября. В северных районах Дальнего Востока сроки появления и образования устойчивого снежного покрова близки. Здесь образование устойчивого снежного покрова приходится на первую половину октября.
Значительную часть года (более 200 дней) находится под снегом большая часть территории Камчатки и Сахалина и лишь около 100 дней – юг Приморья.
По мере поднятия в горы довольно быстро увеличивается продолжительность залегания снежного покрова. В средних широтах при общем поднятии местности (плато, пологие склоны) на 100 метров высоты длительность залегания снежного покрова увеличивается на 3-4 дня. На склонах гор, отличающихся обилием осадков, она увеличивается примерно на 8-10 дней. Запас воды в снежном покрове измеряется толщиной слоя воды (в миллиметрах), образующейся при полном таянии снежного покрова. Снегонакопления, определяемые запасом воды в снеге численно равны весу снежного покрова (кг/м2), который является основой расчета снеговых нагрузок, в обязательном порядке учитываемых при проектировании зданий и сооружений. Запас воды в снежном покрове определяется его высотой и плотностью, как представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 – Высота снежного покрова
Высота снежного покрова зависит как от общей продолжительности периода с температурой воздуха ниже 0°С, так и от интенсивности твердых осадков, от особенностей подстилающей поверхности, залесенности территории, ветровых условий. На защищенных от ветра местах высота снега, как правило, больше.
Плотность снежного покрова существенно меняется как во времени, так и в пространстве. Она постепенно нарастает от начала зимы к весне и достигает своего максимума в период таяния снега (к моменту максимума запаса воды в снеге). Плотность снега определяется продолжительностью залегания и высотой снежного покрова, скоростью ветра и колебаниями температуры воздуха в зимние месяцы.
