Метаморфизм и уплотнение снега внутри естественного снежного покрова

Метаморфизм и уплотнение снега внутри естественного снежного покрова

Преобразование структуры снега под действием сублимации. Структура снега исследовалась под микроскопом. При помощи так называемого анилинового метода подготавливались образцы снега в виде тонких пластинок. Для этого кусок снега, вырезанный из природного снежного покрова, помещают в неглубокий сосуд, заполненный жидким анилином при температуре от -5 до -10° С. Снег быстро впитывает жидкость, которая заполняет пространство между кристаллами льда, вытесняя воздух. После этого анилин замораживают при температуре -20° С. Подготовленный таким образом снег разрезают на тонкие пластинки, толщина которых составляет несколько десятых и даже сотых долей миллиметра. Если теперь нагреть пластинку до температуры от -5 до -10° С, непрозрачный твердый анилин растает и стечет, после чего пластинку можно считать готовой для исследования.

На снимках изображены четыре пластинки толщиной 0,1 мм, вырезанные горизонтально из одного и того же слоя снежного покрова в Саппоро. Для исследования и фотографирования было сделано шесть срезов через 1, 5, 9, 15, 24 и 31-й день после выпадения данного слоя снега.   Со временем ледяные  зерна становятся крупнее; соединяясь друг с другом, они создают все более жесткую структуру.

Преобразование структуры снега может быть описано количественно, если ввести численные показатели, характеризующие его ледяную решетку.

Проведем на фотографиях линии таким образом, чтобы каждое зерно льда оказалось разделенным на две равные части. Точки пересечения линий р, q, г и s показывают места соединения ледяных зерен. По числу линий,, пересекающихся в каждой точке, можно определить число кристаллов, которые соединяются в данной точке. Это число характеризует порядок соединения; так, для точек порядок соединения 3, для точки г — порядок 4 и для точки  — порядок 5для каждого дня наблюдений приводятся данные о числе  соединений на 1 мм2 шлифа, процентное количество соединений каждого порядка и средняя величина числа соединений, показывающая некоторый средний порядок для всей пластинки. Число, которое в начале наблюдений   было равно   13,9, за 31 день уменьшилось до 2,7, однако порядок соединении большим изменениям не подвергался и в течение всего периода наблюдений число соединений в одной точке в среднем было около 3 Средние значения порядка оставались почти без изменении и лежали в пределах 3,3-3,4, как это видно из правой нижней.

Длину каждого ледяного зернышка можно представить как длину линии, которая соединяет две соседние точки пересечения, находящиеся на концах этого зерна. Например, длина вытянутого изогнутого зерна, расположенного между точками, определяется длиной кривой линии, соединяющей эти точки. Небольшой кружок в левом нижнем углу той же касается краев ледяного зерна в его наиболее толстой части; диаметр окружности характеризует толщину этого зерна. С правой стороны окружности, несколько ниже ее, заметно сужение. Прочность зерна зависит главным образам от ширины в на участке сужения.

Все соединения внутри ледяной решетки рассматриваются здесь в двух измерениях, так как ответвления в сторону третьей оси координат оказываются срезанными при подготовке образца. Следовательно, из того что порядок соединений, определенных в двух измерениях, остается все время постоянным, нельзя сделать уверенный вывод, что это в равной степени относится и к соединениям, определенным в трех измерениях. Однако это вполне возможно, так как если бы порядок соединений, определяемых в двух измерениях, менялся, то обязательно менялся бы и порядок соединений, рассматриваемых в трех измерениях. Тогда становится весьма вероятным, что ледяная решетка снега сохраняет подобие его структуры до некоторой стадии преобразования, хотя сами ледяные зерна, из которых собственно и состоит ледяной каркас, претерпевают значительные изменения в длине и толщине.

Температура находившегося под наблюдением слоя снега в момент его возникновения была -6° С, затем в течение следующих 25 суток, по мере того как на этот слой сверху ложились другие, температура постепенно повысилась до 0° С, после чего она снова упала до -3° С, однако таяния не наблюдалось даже в то время, когда температура была около 0° С. Нагрузка на слой, о котором идет речь, возникшая в результате давления вышележащих слоев снега, в течение первой недели достигла 3 г/см2 и ко времени окончания наблюдений возросла до 8,5 г/см2.

Давление водяного пара, возникающего при испарении льда. Преобразования структуры снега, описанные в предыдущем разделе, объясняются тем, что давление насыщенного пара на поверхности кристаллов неодинаково на разных участках ледяной, решетки. В точках, где давление пара выше, чем в остальных, происходит испарение воды (или возгонка льда); возникающий пар затем конденсируется или сублимирует на участках с более низким давлением. При этом происходят изменения структуры снега. Как хорошо известно, давление насыщенного пара неодинаково около различных точек кристалла льда и зависит от поверхностного натяжения при условии, что поверхность кристалла имеет кривизну. Отсюда ясно, что разность кривизны в различных точках поверхности ледяной решетки снега может способствовать усилению преобразований структуры, что и наблюдается в действительности. Однако при количественном изучении вопроса оказывается, что изменения давления пара из-за различий в кривизне слишком малы, чтобы можно было объяснить ими преобразования структуры снега.

Термодинамическая теория давления насыщенного пара, возникающего при возгонке льда под действием упругих напряжений. Поскольку поверхностное натяжение создает во льду упругие напряжения, давление пара на некоторой искривленной ледяной поверхности не одинаково во всех ее точках. Однако в настоящее время еще нет приемлемого решения вопроса о том, какое действие оказывает упругое напряжение на давление пара и точки плавления льда. Старая теория Риеке и последняя теория, разработанная для температуры, близкой к точке плавления, противоречат друг другу. В настоящей статье проблема рассматривается с точки зрения термодинамики насколько возможно элементарно. Исследование ледяного цилиндра, находящегося под постоянной нагрузкой при температуре, близкой к точке плавления, показывает, что результаты, полученные при использовании предлагаемой здесь теории, сходны с теми, которые получаются по теории.

Согласно термодинамическим условиям, давление насыщенного пара, образующегося при возгонке льда, определяется как давление: водяного пара, находящегося в равновесии с поверхностью льда. Допустим, что в прямоугольной системе координат находится некоторая точка А, расположенная на поверхности льда, на которую действует сила, вызывающая упругую деформацию. Условия термодинамического равновесия в этой точке можно выразить следующим уравнением.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.