ЭВОЛЮЦИОННАЯ КОНЦЕПЦИЯ МЕТАМОРФИЗМА СНЕГА НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛОМОРФОЛОГИИ И ТЕОРИИ СИММЕТРИИ

Изложена эмпирически обоснованная теория эволюции сезонного снежного покрова, опирающаяся на его кристалломофологию и фундаментальные законы природной симметрии. Это – принципиально новое направление в развитии структурного снеговедения как самостоятельной отрасли гляциологии. Снежный покров рассматривается в качестве иерархически организованного сообщества форм кристаллов, растущих в тесном взаимодействии через парообразную фазу и испытывающих регулирующее (направляющее) воздействие извне, прежде всего со стороны атмосферы.

В свете известного принципа симметрии–диссимметрии П. Кюри развитие структуры снега представляет собой необратимый во времени процесс, который состоит из последовательных этапов суперпозиции (взаимного наложения) кристаллохимической симметрии льда как минерала (генотипа) и диссимметрии векторного гидротермического поля снежной толщи, а также поля релаксации в ней механических напряжений. В результате формируется генетически единая цепь реальных (вынужденных, ложных) кристаллических форм (фенотипов) как способа приспособления растущих кристаллов к условиям среды. Основная эволюционная единица – генетически единый снежный горизонт, хотя истоки этой эволюции сосредоточены в системах «кристалл–пар» и «кристалл–кристалл».

На основе многолетних стационарных наблюдений автором установлено, что время (возраст снежного горизонта) – главный фактор перекристаллизации снега, что позволяет рассматривать этот процесс как саморазвитие горизонта. Разработана эмпирически обоснованная детерминированная модель, описывающая незамкнутый сублимационно-метаморфический цикл сезонного снежного покрова и полиморфные (региональные) варианты этого цикла. Траектория цикла носит логистический характер и состоит из трёх периодов метаморфизма: деструктивного (подготовительного), конструктивного (восходящего, экспоненциального) и регрессивного (нисходящего, асимптотического). Эти периоды включают в себя девять стадий роста и последующего разрушения кристаллов: обломочную стадию, полиэдрическую, стадии плоских и столбчатых гранных призм, полускелетную и скелетную стадии, секториальную, пластинчатую и, наконец, сублимационно-фирновую стадию. Кристаллы в каждой стадии роста дают соответствующие классы форм. Аналогичные этапы эволюции, обозначаемые как фазы метаморфизма, проходит и каждый генетический горизонт снежной толщи.

Рост кристаллов в полускелетной, скелетной и секторнальной стадиях может идти по двум региональным (полиморфным) вариантам: столбчатому и плоскому. Эти варианты дают по два типа форм кристаллов в каждом из упомянутых классов. Любой из вариантов роста может преобладать в снежном горизонте или давать в совокупности с другим смешанный вариант. Варианты (или ветви) цикла предопределяются, с одной стороны, температурным состоянием снега, а с другой – действием силы тяжести. Их структурный эффект зависит от глубины залегания и возраста горизонта, а также от плотности вышележащих слоев снега.

На основе детерминированной эволюционной модели автором создана новая, кристалломорфологическая классификация отложенного снега, где в отличие от прежних метафизических классификаций (в том числе международных) основное внимание уделяется расчленению вторично идиоморфного снега на классы и типы кристаллических форм, поскольку именно эти таксономические категории составляют основу структуры метаморфизованного снежного покрова.

Эволюция снежного покрова имеет не только однозначно детерминированные, но и вероятностные закономерности, что выражено наличием в нём процессов авторегуляции метаморфизма. Стохастичность процессов выражена в двух основных типах регулирования динамики снежных горизонтов: с одной стороны, в их саморегуляции («движении» горизонтов по одной из начально «заданных» метеоусловиями зимы программ развития и последующем возрастном «наращивании» их структуры), а с другой – в регулировании их извне под влиянием атмосферных возмущений (потеплений или похолоданий, снегопадов, метелевых явлений и др.). В основе саморегуляции лежит стадийное развитие кристаллических форм при внутренних взаимодействиях в их генетически едином сообществе. Происходит возрастное самоусложнение структуры горизонта путём периодического появления новой генерации кристаллов. Внешние же возмущения (регуляция извне) переводят снежный горизонт с одной программы развития на другую и тем самым не только ускоряют или, наоборот, замедляют общую скорость метаморфизма, но и приводят к качественно иным структурным результатам, чем «задавалось» вначале.

В конструктивном метаморфизме снега действуют механизмы естественного отбора растущих индивидов, и по аналогии с эволюцией биосистем можно считать, что этот отбор – основная движущая сила направленной эволюции кристаллических сообществ в снежных горизонтах. Волны саморегуляции – это явление стабилизирующего отбора, способствующего продлению периода конструктивного метаморфизма в снежном горизонте путём периодического возрастного наращивания его структуры. Внешняя же регуляция осуществляет адаптивный отбор – постоянное приспособление снежных горизонтов к новым условиям зимнего режима. Таким образом, снежный покров в целом представляет собой адаптивно-эволюционную гляциосистему.

С внутренними и внешними волнами авторегуляции метаморфизма неизбежно связаны периодические переходы горизонтов в состояние «зрелой» глубинной изморози, т.е. в потенциально лавиноопасное состояние. Узловая задача оперативного прогнозирования «лавин замедленного действия» – четко разграничение между собой процессов саморегуляции снежных горизонтов и регулирования их извне. Кроме того, такое разграничение позволяет выявить и упорядочить все природное многообразие региональных и локальных метаморфизованных структур сезонного снежного покрова.

1. Armand D.L. Nauka o landshafte. Science of landscape. Moscow: Mysl’, 1975: 287 p. [In Russian].

2. Vernadsky V.I. Khimicheskor stroenie biosfery Zemli I ee okruzheniya. Chemical structure of the Earth biosphere and its surrounding. Moscow: Nauka, 1965: 374 p. [In Russian].

3. Grigoriev D.P., Zhabin A.G. Ontogeniya mineralov. Individy. Ontogeny of minerals. Individuals. Moscow: Nauka, 1975: 339 p. [In Russian].

4. Kolovyts E.G. Struktura snega i landshftnaya indikatsiya. Snow structure and landscape indication. Moscow: Nauka, 1976: 206 p. [In Russian].

5. Sokratov S.A., Troshkina E.S. Development of structure-stratigraphy investigations of snow cover. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy. Data of Glaciological Studies. 2009, 107: 103–109. [In Russian].

6. Timofeev-Resovsky N.V., Vorontsov N.N., Yablokov A.V. KLratkiy ocherk teorii evolyutsii. Short essay of the evolution theory. Moscow: Nauka, 1977: 301 p. [In Russian].

7. Tushinsky G.K., Gus’kova E.F., Gubareva V.D. Perekristallizatsiya snega i vozniknovenie lavin. Snow recrystallization and avalanche formation. Moscow State University, 1953: 116 p. [In Russian].

8. Chernov R.A. Influence of temperature regime of snow thickness to the formation of loose-snow horizons. Materialy Glyatsiologicheskikh Issledovaniy. Data of Glaciological Studies. 2003, 94: 100–102. [In Russian].

9. Shafranovsky I.I. Lektsii po kristallomorfologii. Lectures on crystal-morphology. Moscow: Vysshaya shkola, 1968: 174 p. [In Russian].

10. Sheftal N.N., Kolomyts E.G. Evolution of ultimate forms in crystal grows depending of environmental income to their composition. Acta Physica Academiae Scientiarum Hungaricae. 1973, 33 (3–4): 335–351. [In Russian].

11. Shubnikov A.V. Izbrannye trudy po kristallografii. Selected works on crystallography. Moscow: Nauka, 1975: 548 p. [In Russian].

12. Yushkin A.V. Teoriya i metody mineralogii. Theory and methods of mineralogy. Leningrad: Nauka, 1977: 291 p. [In Russian].

13. Ashby W.R. Introduction to Cybernetic. London, Macmillan & Co, 1956: 430 p.

14. Bailey N.T.J. The mathematical approach to biology and medicine. London – New York – Sydney: John Wiley and sons, 1967: 326 p.

15. Bartelt P., Buser O., Sokratov S.A. A nonequilibrium treatment of heat and mass transfer in alpine anowcowers. Cold Region Science and Technology. 2004, 35 (39): 219–242.

16. Bartelt P., Lehning M. A physical SNOWPACK model for Swiss avalanche warning. Part I; numerical model. Cold Region Science and Technology. 2002, 35 (3): 123–145.

17. Bozhinskiy A.N., Nazarov A.N., Chernous P.A. A probabilistic model of snow avalanche: origin and motion. Data of Glaciological Studies. 2002, 93: 79–84.

18. Brown R.L., Edens M.Q. On the relationship between neck length and bond radius during compression of snow. Journ. of Glaciology. 1991, 37 (126): 203–208.

19. Brun E., David P., Sudul M., Brunot G.A. A numerical model to simulate snow-cover stratigraphy for operational avalanche forecasting. Journ. of Glaciology. 1992, 38 (128): 13–22.

20. Colbeck S.C. An overview of seasonal snow metamorphism. Reviews of Geophysics and Space Physics. 1982, 20 (1): 45–61.

21. Colbeck S., Akitaya E., Armstrong R., Gulber Y., Lafeuille J., Lied K., McClung D. The International Classification for Seasonal Snow on the Ground. Intern. Commission of Snow and Ice of Internat. Association of Scientific Hydrology. Working group on Snow Classification, 1990.

22. Durand Y., Brun E., Merindol L., Guyomarc’h G., Lesaffre B., Martin E. A meteorological estimation of relevant parameters for snow model. Annals of Glaciology. 1993, 18: 65–71.

23. Edens M.Q., Brown R.L. Changes in microstructure of snow under large deformation. Journ. of Glaciology. 1991, 37 (126): 193–202.

24. Fierz C., Armstrong R.L., Durand Y., Etchevers P., Greene E., McClung D.M., Nishimura K., Satyawali P.K., Sokratov S.A. The international classification for seasonal snow on the ground (UNESCO, IHP (International Hydrological Programme)–VII, Technical Documents in Hydrology, No 83; IACS (International Association of Cryospheric Sciences) contribution № 1). Paris: UNESCO/Division of Water Sciences, 2009: vi+67+18 p.

25. Golybev V.N., Frolov A.D. Modelling the change in structure and mechanical properties in dry-snow densification to ice. Annals of Glaciology. 1998, 26: 45–50.

26. Handbook of snow. Principle, processes, management and use. Eds. D.V. Gray, D.H. Male. Toronto, Division of Hydrology, University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada, 1981: 750 p.

27. Harbaugh J.W., Bonham-Carter G. Computer simulation in geology. New York – London – Sydney – Toronto. Wiley-Interscience, 1970: 320 p.

28. Kaempher Th.U., Sokratov S.A., Schneebeli M. The effect of the structural evolution of snow on heat transfer. Proc. of the 3rd Intern. Symposium on two-phase flow modeling and experimentation, Pisa, Italy, 22–25 September, 2004. Eds. G.P. Celata, P. Di Marco, A. Mariani and R.K. Shah. Edizioni ETS, Pisa, 2004, 2: 715–720.

29. Kobayashi Т. Experimental researches on the snow crystal habit and growth by means of diffusion cloud chamber. Journ. Met. Soc. Japan. 1957. 75th ann. V: 38–47.

30. Kolomyts E.G. A Crystal-morphological Atlas of Snow (A Handbook for Snow-Avalanche Station). Birmensdorf, Swiss Federal Inst. for Forest, Snow and Landscape Research, 1997: 130 p.

31. Lehning M., Bartelt P.B., Brown R.L., Fierz Ch. A physical SNOWPACK model for the Swiss avalanche warning: Part III: meteorological forcing, thin layer formation and evolution. Cold Region Science and Technology. 2002, 35: 169–184.

32. Nakaya U. Snow crystals: natural and artificial. Cambridge, MA. Harvard Univ. Press, 1954: 288 p.

33. Odum E.P. Basic Ecology. V. 2. Philadephia – New York – Chicago. Saunders College Publishing, 1983: 376 p.

34. Paulke W. Eisbildungen. I. Der Schnee und seine Diadenese. Zeitschrift für Gletcherkunde. 1934, 21: 25.

35. Pielmeier Chr., Schneebeli M. Developments in the stratigraphy of snow. Surveys in Geophysics. 2003, 24: 389–416.

36. Schaefer V.J., Klein G.J., de Quervain M.R. The International Classification for Snow (with special reference to snow on the ground). 31. The Commission of Snow and Ice of the Internat. Assoc. of Hydrology. Ottawa, Canada: Associate Committee on soil and snow mechanics. National Research Council, 1954.

37. Seligman G. Snow Structure and Ski Fields. London: Macmillan and Co. Ltd., 1936: 555 p.

38. Shneebeli M., Sokratov S.A. Tomography of temperature gradient metamorphism of snow and associated changes in heat conductivity. Hydrological Processes. 2004, 18 (18): 3655–3665.

39. Sokratov S.A. Parameters influencing the recrystallization rate of snow. Cold Regions Science and Technology. 2001, 33 (2–3): 263–274.

40. Sokratov S.A., Barry R.G. Intraseasonal variation in the thermoinsulation effect of snow cover on soil temperatures and energy balance. Journ. of Geophys. Research. b – Atmosphere. 2002, 107 (D10). 4093 (ACL 13 1–6).

41. Sommerfeld R.A., LaChapelle E. R. The classification of snow metamorphism. Journ. of Glaciology. 1970, 9 (55): 3–17.

42. Watanabe Z. Tensile strain and fracture of snow. Journ. of Glaciology. 1980, 26 (94): 255–262.

43. Yosida Z. Surface structure of ice crystal and its equilibrium form. Proc. of the Intern. Conf. on Low Temperature Science. I. Physics of snow and ice. V. 1. Pt. 1, ILTS: 1967: 1–19.

44. Yushkin N.P. Informative laws of crystal genesis and genetic informative significance of natural crystals. Fourth Intern. Conf. Crystal Growth, Collected Abstracts. Tokyo, 1974: 273–274.