Температурный градиент и преобразование ледяной решетки

Температурный градиент и преобразование ледяной решетки

Как уже упоминалось в предыдущем разделе, преобразование снега нельзя объяснить упругими напряжениями, возникающими в его ледяной решетке благодаря поверхностному натяжению или каким-либо дополнительным силам. В этом разделе будет показано, что наиболее действенной причиной преобразования снега является испарение и конденсация водяного пара, возникающего внутри снежного покрова под действием температурного градиента.

Температурный градиент и диффузия водяного пара внутри снежного покрова. Благодаря тому что температура снега у грунта обычно выше, чем у его поверхности, в снежном покрове возникает градиент температур. Поскольку давление насыщенного водяного пара, возникающего при испарении льда, с понижением температуры уменьшается, в снежной толще возникает градиент плотности водяного пара, в результате чего начинается диффузия пара из нижних, более теплых слоев к верхним, причем пар проходит через промежутки в ледяной решетке. Если температуру воздуха (по Цельсию) и плотности водяного пара в некоторой точке обозначить соответственно через то эти величины будут удовлетворять следующему условию в дифференциальных уравнениях:

При этом абсолютная величина и не будет слишком большой. Здесь а и w0 — соответственно константа и плотность насыщенного водяного пара над поверхностью льда при 0° С. Тогда функция, характеризующая распределение водяного пара по плотности, должна удовлетворять дифференциальному уравнению (7) так же, как граничному условию: где р — теплопроводность воздуха — постоянная диффузии водяного пара через воздух. Эти выражения показывают, что оба тепловых потока имеют одно и тоже направление и одинаковый порядок величин в некоторой точке, расположенной в промежутке ледяной решетки снега.

Внутри ледяной решетки тепло распространяется по промежуткам между ледяными зернами вдоль отмеченных стрелками кривых, изображенных (см. левую верхнюю часть рисунка). Поскольку теплопроводность льда в 94 раза больше теплопроводности воздуха, те линии, которые начинаются у поверхности ледяной решетки и идут к другим точкам, расположенным также на поверхности, проведены почти под прямыми углами. Благодаря только что установленной зависимости между потоками тепла и водяного пара мы можем утверждать, что пар движется по тем же направлениям, что и тепло, т. е. по кривым, отмеченным стрелками, с той разницей, что в точках, где линии начинаются, происходит испарение, а там, где они кончаются,- конденсация. Очевидно, что этот процесс существенным образом изменяет ее форму, и если он происходит достаточно интенсивно, то может быть действительно причиной преобразований, наблюдаемых в ледяной решетке снега.

Вычисление коэффициентов испарения и конденсации. Чтобы получить представление об этих коэффициентах, рассмотрим сначала процессы испарения и конденсации на примере ледяного шарика, помещенного в однородное поле, в котором потоки тепла и пара, возникающие под действием температурного градиента с интенсивностью Н, направлены снизу вверх. Поскольку зависимость температурного градиента от теплового потока формально подобна зависимости диэлектрического смещения от электрической силы, проблему ледяного шарика можно разрешить, используя математические формулы, выведенные для определения диэлектрического шарика, помещенного в однородное электрическое поле. Благодаря испарению верхняя полусфера будет уменьшаться; в то же время конденсация пара, поступающего снизу система неизолированная, будет увеличивать нижнюю полусферу. Общая картина будет такова, как будто шарик, не изменяя своих размеров, медленно передвигается вниз, причем скорость этого движения равна скорости (средней) испарения и конденсации. Если плотность льда и коэффициент теплопроводности в направлении от льда к воздуху обозначить соответственно через скорость перемещения

Испарение и конденсация водяного пара происходят главным образом на тех участках ледяной решетки, которые имеют полукруглую форму. Поэтому именно такие участки ледяной решетки будут перемещаться со скоростью, которую мы только что вычислили; следовательно, ледяная решетка под действием температурного градиента меняет свои очертания, причем скорость изменений примерно соответствует той, которая действительно наблюдается в реальном снежном покрове. Действительно, цифры, приведенные, которые были получены при наблюдениях снежного покрова с температурным градиентом порядка 0,01 град/см, показывают, что средняя толщина составляющих решетку ледяных зерен растет со скоростью 0,002-0,003 мм/сутки.

Эксперименты по испарению снежных кристаллов и конденсации на них водяного пара под действием температурного градиента. Помещая кристаллы снега в поле искусственно созданного температурного градиента, с помощью микроскопа можно наблюдать процессы испарения и конденсации, происходящие на их поверхности. Показан прибор для проведения таких исследований; он представляет собой узкую коробку, заполненную снегом, верхняя и нижняя стороны коробки закрыты двойными стеклянными крышками, чтобы по возможности обеспечить теплоизоляцию снега от окружающего воздуха. В том месте, на которое направлен объектив микроскопа, в снеге проделывается отверстие; в этом отверстии натягивается сделанная из тонких нитей чистого шелка сетка, на которую помещаются кристаллы снега. С правой стороны коробки помещен электронагреватель; таким образом, температурный градиент в коробке имеет горизонтальное направление относительно расположенных на сетке кристаллов. Интенсивность температурного градиента определяется термопарами, введенными в снег справа и слева от исследуемых кристаллов. Вся установка располагается в холодном помещении.

Три фотографии, расположенные на левой, показывают изменения, происходящие в кристаллах снега, помещенных на шелковую сетку при температурном градиенте 0,3 град/см и средней температуре -15° С. Направление теплового потока показано стрелкой на левом верхнем снимке.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.