При температуре 0 почва покрыта слоем снега толщиной 1 см

Предположим, что всё количество теплоты, выделяемое при замерзании воды, должно передаться в окружающую среду через ледяной покров:

$\lambda \rho S dx = k \frac-t> S d \tau$, (1)

где $S$ — площадь поверхности льда, $x$ — толщина льда, $t_ <0>= 0^< \circ>C$,$dx$ — толщина льда, образовавшегося за время $d \tau$. Распределение температуры внутри льда полагаем линейным. Интегрируя (1) с учётом того, что при изменении времени $\tau$ от $0$ до $\Delta = 24$ часа толщина льда $x$ изменяется от $h$ до $h + \Delta x$, получим квадратное уравнение относительно $\Delta x$:

$\Delta x^ <2>+ 2 \Delta xh — \frac <2k(t_<0>– t) \Delta \tau> < \lambda \rho>= 0$.

Решение этого уравнения даёт ответ:

$\Delta x = h \left ( \sqrt< 1 + \frac<2k(t_<0>-t) \Delta \tau>< \lambda \rho h^<2>>> — 1 \right ) \approx 1,2 см$

Замечание. Приведённое решение не учитывает многих обстоятельств, имеющих место при замерзании реального водоёма, и поэтому является скорее оценочным, чем точным. Например, мы предположили, что всё количество теплоты, выделяемое при замерзании воды, должно передаться в окружающую среду через ледяной покров. Это действительно было бы верно при условии, что к моменту начала образования льда вся вода в водоёме уже остыла до температуры $0< \circ>C$. Но вода, как известно, имеет максимальную плотность при температуре примерно $+4^< \circ>C$ (и меньшую плотность как при больших, так и при меньших температурах). Поэтому вся вода, остывшая на поверхности водоёма до температуры $+4^ < \circ>C$, «утонет» и соберётся на дне. Теплота от этой «подстилки», имеющей температуру около $+4^< \circ>$, также будет передаваться (по механизму теплопроводности) более холодным верхним слоям воды и далее образующемуся льду и атмосфере.

Источник

Какая температура под снегом почвы и воздуха

Первый снег всегда приносит радость и детишкам, и взрослым. Да и в последующие дни выпадение этих осадков никого не оставляет равнодушным. Ребятня забрасывает друг дружку снежками, строят сказочные замки, взрослые становятся на лыжи. Но задумывался ли кто-то над вопросами: «А от чего зависит влажность снега? Почему в одни дни можно слепить снежок, а в другие – снег становится рассыпчатым и ни в какую не хочет сбиваться в шарик?» А ведь ответ лежит на поверхности: все это зависит от влажности и температуры воздуха и почвы под снегом. А вот от чего зависят эти показатели?

Температура почвы под снегом.

Снег, как хороший теплоизолятор, оказывает большое влияние на защиту почвы от промерзания. И чем рыхлее снег, тем сильнее будет почвозащита от воздействия низких температур. Но значение это не однозначное и может отличаться один показатель от другого не только от дальности регионов, но и в пределах одной области или района и зависит от температуры земного покрова в момент выпадения снега. Если снег ложится на глубоко промерзшую почву, а высота снежного покрова не велика, то температура почвы под снегом, на его поверхности и температура воздуха над ним будут почти идентичны. В то же время если в этих районах высота снега достигает 15-20 см., то разница между температурой почвы и снежной поверхности будет составлять 6-8 градусов; при этом поверхность земли будет теплее. С другой стороны, если снег выпадает на непромерзлую землю, а глубина снежного «покрывала» достаточно велика, то температура земли под снегом будет приблизительно от нуля до -0,5 градусов. Это говорит о том, что снег, как плохой проводник тепла, отражающий ультрафиолетовые лучи солнца, надежно защищает верхний слой земли от остывания. В то же время поверхность почвы не может иметь плюсовую температуру, так как в этом случае снег при соприкосновении с землей будет таять.

Опыты ученых показали, что при температуре воздуха -25…-28 градусов и высоте снежного покрова 25 – 30 см температура земли не опускается ниже -10 гр., а на глубине 35 – 40 см – ниже -5 гр. В то же время при температуре воздуха -45 гр. и высотой снега до 1,50 м и при условии, что снег довольно рыхлый, температура почвы не опускается ниже -8 гр. Это еще раз доказывает то, что снег, как надежный щит, закрывает землю от замерзания.

Что теплее – снег или воздух?

Температура снежного покрова зависит как от его толщины, так и от температуры воздуха над ним, а так же и от температуры почвы. Земля, накапливая летом тепло, с наступлением холодов остывает медленно. Снег, как отличный теплоизолятор, покрывая землю, сохраняет это тепло даже в самые сильные морозы. Поэтому температура снега зависит от толщи снежного «покрывала» и температуры воздуха над ним. Если снег прикрыл землю на 10-15 см, то его температура и температура воздуха будут практически одинаковы. В том случае, когда снег ложится глубиной до 120 – 150 см, разница температур может изменяться как непосредственно самого снежного покрова, так и в отношении к температуре воздуха. Снег наверху будет холоднее, чем у поверхности земли, так как забирая у нее тепло, он начинает сам прогреваться. В то же время на поверхность снега оказывает влияние морозный воздух, остужая его. Поэтому на глубине приблизительно 45-50 см его температура будет выше, чем на поверхности приблизительно на 1,5 – 2 гр., а у самой земли – на 4-6 гр. При этом температура воздуха на расстоянии до 1 м будет такая же, как и температура снежного покрова. В то же время на высоте от 1,50 м и выше показатель этот будет значительно ниже.

Согласно опытам ученых температура воздуха, так же как и снега зависит и от времени суток. Наблюдая за исследованиями, они сделали вывод, что наиболее высокая температура снега (-0,5 гр.) наблюдается днем от 13:00 до 15:00, а наиболее низкая (-10) в период с 02:00 до 03:00. В этот же период температура воздуха днем поднималась до +6 гр., а ночью опускалась до –15 гр. Таким образом можно сделать вывод, что температура снега контролируется тремя показателями – температурой воздуха, глубиной снежного покрова и температурой почвы. Изучив эти показатели, можно делать прогнозы во многих отраслях народного хозяйства.

Влияние снега на окружающую среду.

Снег, укрывая землю, сохраняет ее тепло, защищает от замерзания почвы. А это очень важный фактор в первую очередь для сельского хозяйства и в первую очередь для сохранения озимых культур. Посеянные осенью и проросшие зерновые под снежным покровом спокойно переносят даже лютые морозы, в то время, как в местах, где снега нет, а мороз сковывает землю они вымерзают. То же происходит и с садовыми растениями. В бесснежные зимы почва промерзает, что способствует растрескиванию и вымерзанию корней, «ожогам» на коре деревьев.

В то же время резкие перепады температур могут оказать и отрицательное влияние как на природу, так и на деятельность человека. Так при часом изменении температуры воздуха от + до – снег при положительных температурах начинает таять, а затем при ее снижении – подмерзать, что способствует появлению подмерзшей корки. Наст усложняет пользование зимними пастбищами. Талые воды смывают плодородный слой земли, что часто приводит к эрозии почвы. Скопившись в низине, они способствуют вымоканию озимых. Но в настоящее время люди научились контролировать уровень снега. Так, в районах, где снега выпадает мало, на полях ставят специальные щиты, которые задерживают снег. А в местах, где скопляется много талой воды – прорывают водоотводящие каналы.

И все же, невзирая на все отрицательные факторы, мы всегда радуемся этим белым, пушистым звездочкам. Снова и снова с улыбкой следим за детворой, спускающейся на санках со снежной горки, делаем прекрасные фотографии заснеженных деревьев, вместе с малышами лепим снежную бабу. И смеемся, смеемся, смеемся…

Источник

Термический режим снежного покрова и поверхности земли в течение зимы

В зимний период в тех районах, где наблюдаются холодные зимы, снежный покров играет большую роль, оберегая поверхность почвы и приземные слои от сильных морозов и промерзания. В приземном слое под снегом проводят зиму растения, молодые побеги, которые при сильных морозах могут вымерзнуть. В почве зимуют различные насекомые, в норах зимуют животные, которые так же под снегом спасаются от холодов.

В данной статье подробно рассмотрено как ведет себя температура на разных глубинах снежного покрова, а также на поверхности почвы и в верхнем слое почвы в течение зимы.

Наблюдения проводились в Чувашской Республике в течение холодного периода (ноябрь-апрель) 2017-2018 гг. Для изучения была выбрана открытая площадка, где произрастала луговая растительность.

Для исследований использовались датчики, которые фиксируют и сохраняют температуру в каждый заданный промежуток времени, здесь происходила запись температуры каждый час.

В конце октября были установлены первые датчики, один из них был погружен под землю на глубину 10 см (рис.1), а другой установлен на поверхности земли. Сверху на земле была установлена вертикальная деревянная рейка с намеченной высотой (рис.2), на которую в течение зимы по мере выпадения снега устанавливались дополнительные датчики на каждые 10 см от земли. Всего за время исследований было установлено 7 датчиков:

1) 10 см под землей;

2) поверхность земли;

3) 10 см от поверхности земли;

4) 20 см от поверхности земли;

5) 30 см от поверхности земли;

6) 40 см от поверхности земли;

7) 50 см от поверхности земли.

Датчики крепились на деревянную рейку на определенной высоте, по мере выпадения снега они оказывались в нетронутой толще снежного покрова и продолжали замерять температуру в данной точке всю зиму. Все датчики были сняты после схода снега в середине апреля.

Датчик погруженный на глубину 10 см (№1) был установлен в самом конце октября. Почти весь ноябрь был без снежного покрова, лишь в отдельные дни, на несколько суток выпадал маломощный временный снежный покров (до 1-2 см).

В среднем температура на 10 см глубине в ноябре составляла +2,5…+3,5°С. Средняя температуры воздуха в эти дни держалась на уровне +1…-4°С.

Также в ноябре был установлен датчик на поверхности почвы (№2), ее средняя температура в ноябре без снега составила +0,3°С, в то время как средняя температура воздуха составила -1,5°С (см. рис.3).

Таким образом, без снежного покрова температура на глубине почвы оставалась на 2-6 градуса теплее воздуха, а температура на поверхности почвы оставалась в среднем на 2 градуса теплее температуры воздуха.

В конце ноября наступили морозы, снега все еще не было. Температура воздуха опустилась до -7…-11 градусов. Поверхность земли при этом остывала лишь до -3…-4 градусов, а на глубине 10 см продолжала оставаться в положительных значениях +1…+2°С.

С первых чисел декабря выпал снежный покров. В среднем за весь месяц его толщина составляла 15-20 см. Помимо двух ранее установленных датчиков был установлен датчик №3 на высоту 10 см от поверхности земли. При средней высоте снежного покрова в 15-20 см, датчик №3, находившийся на высоте 10 см от земли, в течение месяца в основном был прикрыт 5-10 сантиметровым слоем снега. При такой толщине снега датчик №3 в декабре фиксировал температуру около -1…-3°С, в то время как температура воздуха составляла -3…-5°С, (т.е. 5-10 см толща снега обеспечивала температуру на 2 градуса теплее).

Температура на поверхности земли (датчик №2) уже меньше зависела от температуры окружающего воздуха. В течение декабря температура составляла -1…+1°С. На рис. 2 видно, что с увеличением снежного покрова до 15-20 см температура на поверхности почвы стабилизировалась и достигла слабоположительных значений около +0,4…+0,5°С.

Температура на глубине 10 см под землей (датчик №1) еще меньше зависела от окружающего воздуха. Температура в начале декабря держалась на уровне +1,5 градуса. С установлением более мощного снежного покрова температура повысилась до +2,0 градусов.

Большую часть января высота снежного покрова составляла 20-23 см, лишь в последние пять дней месяца прошли снегопады, и высота снега увеличилась до 40-50 см.

Температура на высоте 10 см от земли (т.е. на глубине 10 см от поверхности снега) продолжала сильно зависеть от температуры воздуха, это хорошо видно по показанию датчика №3 на рис. 5.

В период с 5 по 7 января наступили морозы, средняя суточная температура в эти дни составила -10…-12°С, на глубине снега 10 см температура опускалась до -7…-8°С (на 2-4 градуса теплее окружающей температуры воздуха). Остальную часть января температура воздуха держалась в пределах -7…-13°С, с отдельными кратковременными похолоданиями до -16…-18°С. Несмотря на это, за счет увеличения снежного покрова до 23-25 см, температура третьего датчика стала колебаться меньше и держалась в пределах -1…-4°С (теплее температуры воздуха уже на 6-9 градусов).

Температура на поверхности почвы (датчик №2) при высоте снега 20 см продолжала зависеть от температуры воздуха. В период похолодания (5-7 января) температура на поверхности земли опустилась с 0°С до -2,5°С. В дальнейшем с увеличением снежного покрова температура стабилизировалась, установившись в пределах 0°С, что теплее температуры воздуха на 7-13 градусов.

Под землей (на 10 см глубине от поверхности земли) на датчике №1 температура почти не колебалась, весь январь держалась в пределах +1,0…+1,7°С (на 15 градусов теплее температуры воздуха).

К началу февраля высота снега достигла 47-50 см и весь февраль сохранилась такая мощность снежного покрова.

В конце января был установлен еще один датчик (№4), который находился на высоте 30 см от земли. При преобладающей в феврале высоте снега около 47-50 см, датчик находился в сугробе на глубине 20-23 см от поверхности снега. Температура в данной точке довольно сильно зависела от температуры воздуха и колебалась вслед за ней. Больше всего это было связано с тем, что верхний слой снега после снегопадов был рыхлым и пропускал холодный воздух. При потеплении окружающего воздуха до -2…-4°С, датчик прогревался до -1…-3°С. При похолодании до -11…-13°С, датчик в толще снега остывал почти до этих же значений в -10…-12°С.

Датчик №3, находящийся теперь в сугробе на глубине 37-40 см от поверхности снега (а от поверхности земли на высоте 10 см), колебаниям температуры окружающего воздуха подвергался незначительно. За месяц температура в данной точке изменялась от -3…-4°С до 0…-1°С и была выше температуры воздуха на 10 градусов.

Температура на поверхности почвы (датчик №2) в среднем за месяц составила -0,5°С (теплее воздуха на 11-12 градусов). При максимальном похолодании, когда снаружи воздух остывал до -15…-20°С, температура на поверхности почвы опускалась лишь до -1,5…-1,8°С, в остальное время была в пределах -0,2…-0,5°С.

Амплитуда температуры почвы (на глубине 10 см под землей) за февраль составила всего 0,4 градуса, весь месяц температура держалась в пределах +0,7…+1,1°С, плавно понижаясь к концу месяца. Здесь температура была на 12-13 градусов выше температуры воздуха.

В первые дни марта высота снега составила 50 см, затем весь месяц держалась в пределах 57-59 см.

В конце февраля был установлен температурный датчик №5 на высоте 50 см от поверхности земли (почти весь март он находился на глубине 7-9 см от поверхности снежного покрова). Весь месяц температура в данной точке сильно зависела от температуры воздуха. Средняя температура за месяц здесь составила -6,7°С, а температура окружающего воздуха -8,7°С (т.е. мощность снега в 7-9 см в среднем не давала остыть на 2 градуса).

Датчик №4 (30 см от поверхности земли) весь март находился в толще сугроба, на глубине почти 30 см от поверхности снега. Его температура также подвергалась колебаниям окружающей температуры. В первые дни марта, когда стояли морозы -15…-20°С, а в ночные часы -23…-25°С, температура на данной глубине составляла -9…-10°С. Когда температура воздуха в середине марта повысилась до -7…-12°С, в данной точке температура повысилась до -3…-6°С.

Датчик на высоте 10 см от земли (№3) в марте находился под 50 см толщей снега. Когда температура воздуха опускалась до -15…-20°С (по ночам -23…-25°С), на данной глубине было -3…-4 градуса, затем температура немного поднялась до -1…-3 градусов.

Температура на поверхности почвы (№2) изменялась очень слабо, в самые сильные морозы составляла -1 градус, а в остальное время держалась чуть ниже нуля (-0,1…-0,5°). Здесь температура была в среднем на 10-11 градусов выше температуры воздуха.

Температура почвы (на глубине 10 см) весь март оставалась неизменной, все дни держалась ровно +0,6 градусов.

К концу марта высота снега составляла еще 59 см, среднесуточные температуры держались в пределах -2…-4°С, днем начались регулярные оттепели до +1…+4°С. При таких температурах воздуха вся толща снежного покрова прогрелась до 0 градусов. В апреле, когда происходило разрушение снежного покрова, вся толща снежного покрова сравнялась с температурой на глубине 10 см, и составляла +0,6 градусов.

Для изучения суточного изменения температуры в толще снежного покрова были построены графики распределения температуры на 6 и 15 часов (рис. 8). Для этого были взяты данные за 1 марта, когда наблюдалась безоблачная погода, и солнце хорошо влияло на прогрев поверхности снега.

В этот день в 6 утра температура воздуха на высоте 2 метра от поверхности земли составляла -19,4°С. На поверхности снега температура была ниже и составляла -21,6°С, это связано с ночным выхолаживанием в приземном слое, в нашем случае — «приснежном». Далее с погружением в снег температура повышалась, примерно на 3-5 градусов на каждые 10 см. На поверхности почвы температура составила -1,0°С, а на глубине 10 см под землей +0,6°С.

К 15 часам температура верхнего слоя сильно изменилась по сравнению с утренними показаниями. Поверхность снега прогрелась до -7,8°С (почти на 14 градусов теплее утренних значений), при этом температура воздуха в данный момент составляла -9,0°С. Как видно на графике, днем прогрелся верхний слой снега в интервале от 30 до 52 см. А датчики на высоте 0 см, 10 см и 20 см от поверхности земли и вовсе показали температуру ниже, чем было утром (на 0,1-0,4 градуса), в этой толще снега сохранялось похолодание от прошедшей морозной ночи. На глубине 10 см под землей температура осталось неизменной и составляла +0,6°С (здесь такая температура оставалась одинаковой весь март).

Еще один график температур был построен по данным за 5 апреля по срокам за 4, 9 и 15 часов. В этот день (как и в прошедшие несколько дней) наблюдалась весенняя солнечная погода, когда днем воздух прогревался до +6…+12°С, а ночью температура на высоте 2 м от поверхности земли составляла -1…+1°С. Казалось бы, имеются все условия для быстрого схода снега – солнечная погода, ночные заморозки слабые или их совсем нет, днем тепло, но, не смотря на это, снег тает очень медленно. Одна из причин хорошо отображается на графиках, отображенных на рисунках 9 и 10.

Высота снега в этот день (5 апреля) составляла 44 см. Ночью температура воздуха на высоте 2 м опустилась всего до -0,4°С, днем воздух прогревался до +11,3°С.

Ночью при ясном небе происходило интенсивное выхолаживание приземного слоя (верхнего слоя снега). По данным на 4 утра, над самой поверхностью снега (4-5 см) воздух остыл до -6,4° в то время как на высоте 2 м температура была на 6 градусов теплее и составляла всего -0,4°. На глубине снега 5-15 см от его поверхности температура опустилась до -2…-4°С. В эту ночь верхний слой снега промерз до глубины 22 см, ниже температура была в слабых положительных значениях +0,2…+0,3°С.

На 9 утра, когда воздух прогрелся до +2,2 градусов, в верхнем слое снежного покрова сохранялись отрицательные значения температуры в пределах -1,5…-1,7°С. Таким образом, верхний слой снега еще не начинал таять. Ниже глубины 20 см в снегу круглосуточно сохраняется стабильная температура в пределах +0,2…+0,3°С.

На рисунке 8 хорошо видно, что почти в течение всех суток (5 апреля) температура воздуха на высоте 2 м была выше нуля градусов, лишь с 2 до 5 часов ночи температура ушла в слабый минус (-0,1…-0,4°С). В те же ночные часы на глубине 5-15 см от поверхности снежного покрова температура составила -2…-4°С. Днем, когда взошло солнце, и воздух прогрелся до +8…+10°С, верхний слой снега также прогрелся до +3…+6°С. В вечерние часы с заходом солнца температура воздуха опустилась до +3…+4°С, верхний слой снега из-за радиационного выхолаживания стал резко остывать, к 22-23 ч он охладился до -4…-6°С, что холоднее воздуха на 7-9 градусов.

Таким образом, при схожих погодных условиях, что наблюдались 5 апреля при проведении замеров — ясной погоде, постоянной положительной температуре в течение суток, верхний слой снега (до глубины 15-20 см) ночью сильно выхолаживается. В положительных температурах он находился лишь в период с 10 до 18 часов. Около 8 часов в сутки он мог таять, несмотря на то, что почти в течение всех суток температура воздуха была положительной.

Проведя замеры температуры в разных точках снежного покрова, поверхности земли и под землей в течение всего зимнего периода 2017/2018 г, можно сделать следующие обобщенные выводы, приведенные в табл. 1.

Датчик, находящийся на глубине 10 см под землей, за зиму ни разу не отметил минусовых значений. Теплее всего в этой точке было в ноябре, когда земля оставалась еще теплой после летнего сезона, в это время температура здесь держалась на уровне +2,5…+3,5°С. К началу декабря температура под землей опустилась до +1,5 градуса, но с увеличением снежного покрова повысилась почти до 2 градусов. Затем снова пошла на спад и всю зиму медленно опускалась без особых колебаний. К марту температура опустилась до +0,6°С и продержалась на этой отметке до полного схода снега.

На поверхности земли до наступления сильных морозов температура держалась в пределах -1…+1°С. Перед наступлением морозной погоды выпал снег (16-20 см), он помог сохраниться температуре около нулевой отметки. В интервале -1…+1 градусов температура продержалась всю зиму. Холоднее всего на поверхности почвы было в конце февраля, когда температура воздуха опускалась до -25°, под 50 см толщей снега температура было около -1 градуса.

На высоте 10 см от земной поверхности температура в течение зимы составляла

0…-3°С, а на высоте 20 см от земли средняя температура держалась на уровне -2…-6°С.

Более высоко установленные датчики, которые находились в верхнем слое снежного покрова, сильно зависели от температуры воздуха, поэтому в течение зимы были большие перепады вслед за изменением окружающего воздуха. Но на этих высотах, находясь в снежной толще, датчики фиксировали в среднем температуру выше, чем была температура воздуха. Но, в отдельных случаях (к примеру, который рассматривался ранее), при ночном выхолаживании верхние слои снега остывали сильнее воздуха.

Источник