Изменение теплофизических свойств снежного покрова при уплотнении

Цель работы – определение степени изменения теплофизических характеристик снежного покрова при уплотнении. Введён новый показатель – “коэффициент уплотнения снежного покрова”. Получены зависимости изменения основных характеристик снежного покрова от коэффициента уплотнения. Рассмотрено изменение таких характеристик, как: теплопроводность, температуропроводность, термическое сопротивление, тепловая инерция, тепловая устойчивость, критерии Фурье и Стефана. Построена сводная таблица, которая даёт возможность определить вид связи основных характеристик с коэффициентом уплотнения. Установлено, что определяющую роль в количественной связи рассмотренных характеристик с коэффициентом уплотнения играет вид функциональной зависимости коэффициента теплопроводности от плотности снега. Например, при допущении линейной связи коэффициента теплопроводности и плотности степень уменьшения термического сопротивления при снежной мелиорации пропорциональна квадрату коэффициента уплотнения, а при допущении о параболической зависимости коэффициента теплопроводности от плотности степень уменьшения термического сопротивления пропорциональна величине коэффициента уплотнения в третьей степени. Получены значения рассмотренных теплофизических параметров от коэффициента уплотнения для случая зависимости коэффициента теплопроводности λ от плотности снега ρ в виде усечённого полинома произвольной степени n. Представлены графические зависимости отдельных показателей от вида начальных функциональных связей исходных величин, полученных теоретически и в результате обработки данных экспериментальных исследований и натурных наблюдений. Сформулированы основные количественные закономерности изменения значений коэффициентов теплопроводности снега и термического сопротивления снежного покрова в зависимости от степени уплотнения. Показано также, что значение процентной невязки результатов расчётов, вызванной выбором вида степеннóй зависимости коэффициента теплопроводности от плотности, практически для всех теплофизических показателей увеличивается с ростом значения коэффициента уплотнения и значительно превышает допустимую в инженерных расчётах величину. Например, невязка расчёта термического сопротивления снежного покрова при коэффициенте уплотнения, равном 2.0, составляет 50%, а при коэффициенте уплотнения, равном 4.0, – 75%. Сформулированы основные количественные закономерности изменения значений коэффициентов теплопроводности снега и термического сопротивления снежного покрова при уплотнении в зависимости от степени уплотнения.

1. Абельс Г.Ф. Суточный ход температуры снега и определение зависимости между теплопроводностью снега и его плотностью. Чит. в заседании Физ.-мат. отд. 20 янв. 1893 г. / г. Абельс. Санкт-Петербург: тип. Имп. Акад. наук, 1893. 65 с.

2. Асанкожоев Е.Ж., Караев Э.С., Третьяков П.Ю., Ничипорук Л.С. Оптимизация технологии строительства зимних дорог // Инженерный вестник Дона. 2022. № 5. 7634 с. http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7632

3. Галкин А.Ф., Жирков А.Ф., Панков В.Ю., Плотников Н.А. Анализ результатов исследований теплового режима природных и техногенных курумов криолитозоны // Арктика и Антарктика. 2024. № 4. С. 1–12. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2024.4.71939

4. Галкин А.Ф., Плотников Н.А. Расчёт коэффициента теплопроводности снежного покрова // Арктика и Антарктика. 2023. № 3. С. 16–23. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2023.3.43733

5. Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Адамов А.А. Сравнительный анализ формул для определения плотности снежного покрова // Строительные материалы. 2024. № 11. С. 73–78.

6. Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Жиркова Е.О. Расчёт термического сопротивления дорожной одежды // Строительные материалы. 2022. № 11. С. 70–75. https://doi.org/10.31659/0585-430X2022-808-11-70-75

7. Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф., Плотников Н.А Анализ эффективности снежной мелиорации земель // Мелиорация и гидротехника. 2025. Т. 15. № 2. С. 245–269. https://doi.org/10.31774/2712-9357-2025-15-2-245-269

8. Кириллин А.Р., Железняк М.Н., Жирков А.Ф., Мисайлов И.Е., Верхотуров А.Г., Сивцев М.А. Особенности снегонакопления и параметры снежного покрова на Эльконском горном массиве // Вестник Забайкальского госуд. ун-та. 2020. Т. 26. № 7. С. 62–76.

9. Котляков В.М., Сосновский А.В. Оценка термического сопротивления снежного покрова по температуре грунта // Лёд и Снег. 2021. Т. 61. № 2. С. 195–205. https://doi.org/10.31857/S2076673421020081

10. Кручинин И.Н. Формирование снежного наката с заданными свойствами на лесовозных автомобильных дорогах // Известия ВУЗов. Лесной журнал. 2012. № 1 (325). С. 38–41.

11. Олейников А.И., Скачков М.Н. Модель уплотняемых сыпучих тел и некоторые ее приложения // Моделирование систем. 2011. № 4 (30). С. 48–57.

12. Осокин Н.И., Сосновский А.В. Пространственная и временная изменчивость толщины и плотности снежного покрова на территории России // Лёд и Снег. 2014. № 4 (54). С. 72–80. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2014-4-72-80

13. Осокин Н.И., Сосновский А.В. Экспериментальные исследования коэффициента эффективной теплопроводности снежного покрова на Западном Шпицбергене // Лёд и Снег. 2014. Т. 54. № 3. С. 50–58.

14. Осокин Н.И., Сосновский А.В., Чернов Р.А. Коэффициент теплопроводности снега и его изменчивость // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 3. С. 60–68. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-3(60-68)

15. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: Гео, 2008. 229 с.

16. Поздняков С.П., Гриневский С.О., Дедюлина Е.А., Кореко Е.С. Чувствительность результатов моделирования сезонного промерзания к выбору параметризации теплопроводности снежного покрова// Лёд и Снег. 2019. Т. 59. № 1. С. 67–80.

17. Рашкин А.В., Авдеев П.Б., Субботин Ю.В. Тепловая и водная подготовка горных пород при разработке мерзлых россыпей. М.: Горная книга, 2007. 355 с.

18. Сосновский А.В. Математическое моделирование влияния толщины снежного покрова на деградацию мерзлоты при потеплении климата // Криосфера Земли. 2006. Т. X. № 3. С. 83–88.

19. Сосновский А.В., Осокин Н.И. К оценке термического сопротивления снежного покрова на Западном Шпицбергене // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 10. № 3. С. 185–191. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3.185-191

20. Фирц Ш., Армстронг Р.Л., Дюран И., Этхеви П., Грин И., МакКланг Д.М., Нишимура К., Сатьявали П.К., Сократов С.А. Международная классификация для сезонно-выпадающего снега (руководство к описанию снежной толщи и снежного покрова). Русское издание // Материалы гляциол. исследований. 2012. № 2. 80 с.

21. Шерстюков А.Б., Анисимов О.А. Оценка влияния снежного покрова на температуру поверхности почвы по данным наблюдений // Метеорология и гидрология. 2018. № 2. С. 17–25.

22. Шульгин А.М. Снежная мелиорация и климат почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 70 с.

23. Calonne N., Flin F., Morin S., Lesaffre B., du Roscoat S.R., Geindreau C. Numerical and experimental investigations of the effective thermal conductivity of snow. // Geophys. Research Letters. 2011. V. 38. L23501 p. https://doi.org/10.1029/2011GL049234

24. Calonne N., Milliancourt L., Burr A., Philip A., Martin C.L., Flin F., Geindreau C. Thermal conductivity of snow, firn, and porous ice from 3-D image-based computations. // Geophys. Research Letters. 2019. V. 46. P. 13079–13089. https://doi.org/10.1029/2019GL085228

25. Schwander J., Sowers T., Barnola J.-M., Blunier T., Fuchs A., Malaizé B. Age scale of the air in the summit ice: Implication for glacial-interglacial temperature change. // Journ. of Geophysical Research. 1997. V. 102 (D16). P. 19 483–19493. https://doi.org/10.31659/0585-430X2024-830-11-73-78

26. Schwerdtfeger P. Theoretical derivation of the thermal conductivity and diffusivity of snow. In The General Assembly of Berkeley // International Association of Scientific Hydrology Publ. 1963. V. 61. P. 75–81.

27. Sturm M., Holmgren J., König M., Morris K. The thermal conductivity of seasonal snow. // Journ. of Glaciology. 1997. V. 43 (143). P. 26–41.

28. SulakvelldzeG.K. Thermo-conductivity equation for vapor diffusivity of naturally compacted snow. Bulletin of the Academy of Sciences USSR Geophysical Series. 1959. P. 186–188.

29. Yen Y.C. Effective thermal conductivity and watervapor diffusivity of naturally compacted snow // Journ. of Geophys. Research. 1965. V. 70. P. 1821–1825.

30. Zhirkov A., Sivtsev M., Lytkin V., Séjourné A., Wen Z. An Assessment of the Possibility of Restoration and Protection of Territories Disturbed by Thermokarst in Central Yakutia, Eastern Siberia // Land. 2023. V. 12 (1). 197 p. https://doi.org/10.3390/land12010197