Как спрогнозировать начало половодья, схода влажных снежных лавин и схода селей? Из-за чего происходит сдвиг одного слоя снега или грунта относительно другого? Всё зависит от сложного поведения воды. Простым набором слов не обойтись.
Жидкая вода в снегу регулирует время и количество стока, механические свойства и стабильность снегопада во влажных условиях. Динамика накопления талой воды в снегу и песчанике может играть важную роль в определении сроков повышения уровня океанов в результате трансформации климата.
Жидкость воды в снегу может измеряться как объемная доля, т.е. соотношение между объёмом жидкой воды и общим объёмом снега (LWC). Обычно маркируется в процентах от объема (объем % или просто %). Поток воды в снегу возникает как сложный, трехмерный процесс при наблюдении в полевых условиях или в лаборатории.
Сосуществование воды и зерна льда вызывает быстрый метаморфизм и фазовые изменения, что приводит к таянию льда и возможному развитию линз льда, когда вода проникает в снежный покров. Взаимодействие с рельефом может перераспределять воду в масштабе склона. Кроме того, движение воды обычно характеризуется высокой пространственной изменчивостью вследствие наличия преференциального стока или аппликации.
Аппликатура играет ключевую роль в определении времени поступления воды на снежную базу, а значит, и стока и стабильности снежного покрова. Точная физика преференциального стока снега до сих пор не известна, поэтому стратегии моделирования все еще являются предварительными.
Использование уравнений для моделирования нестабильности смачиваемого фронта в пористых средах всё ещё вызывает споры в связи с наличием специфических поровых процессов при инфильтрации воды порами.
Примеры избытка давления фиксировались в однородных пробах снега во время преференциальной инфильтрации. Сообщается о перспективных попытках воспроизвести аналогичную динамику с помощью трехмерной модели; они показывают, что решение уравнения Ричардса путем включения пространственной неоднородности свойств снега и всасывания воды позволяет моделировать предпочтительные эффекты потока.
Эти результаты позволяют предположить, что предпочтительный сток в изотермическом снегу при 0 ◦C можно объяснить (и смоделировать) с помощью подхода, аналогичного теории гравитационной нестабильности пор в почве.
Ненасыщенные гидравлические свойства снега могут препятствовать проникновению воды в более мелкозернистый профиль. Это сопротивление обычно называют капиллярным барьером и связано с тем, что при первоначальном перемещении в тонкий слой вода обычно характеризуется очень высоким всасыванием.
Это предотвращает попадание воды в нижний слой, что приводит к локальному накоплению воды на границе раздела (отныне просто пруду), замедлению беспрепятственного продвижения фронта увлажнения, горизонтальному отводу воды и задержке ожидаемого времени прохождения воды.
Понимание движения воды вокруг капиллярных заторов может быть важным шагом на пути к эффективному моделированию потока жидкости в снегу.
Кроме того, капиллярные барьеры могут играть важную роль в провоцировании мокрых снежных лавин. Прогнозируемые локальные скопления воды, подобные тем, которые ожидаются при прудировании на капиллярных барьерах, могут быть использованы для отделения лавин.
Эти процессы также влияют на сроки таяния снега, особенно во время первичной инфильтрации в сухой снег. Проводимые в реальном времени наблюдения в лаборатории или в полевых условиях учитывают ограниченное разнообразие комбинаций размеров зерна. В полевых условиях профили LWC обычно измеряются разрушительными ручными методами, которые сильно ограничивают временное и пространственное разрешение профилей.
Суть эксперимента
В холодильной камере было просеяно девять экземпляров крупного снега. Эти образцы подвергались контролируемой подаче окрашенной воды до тех пор, пока вода не достигла базы образца. Характеристика структуры жидкой воды в снегу осуществлялась с помощью визуального осмотра, измерений LWC и горизонтального секционирования.
Результаты сравнивались также с результатами моделирования SNOWPACK. В целом, результаты подтвердили, что более мелкий переход в слоистости снега к более грубому переходу приводит к засыпке водой прудов, когда она доходит до текстурной границы.
Измеренные пики в LWC за границей являются большими по сравнению с обычными измерениями в полевых условиях (до ∼ 33 % объема в крупнозернистых образцах и до ∼ 34-36 % объема в среднезернистых образцах), а в смешанных образцах пики обычно составляют ≤ 10 % объема.
Различия в пиковых значениях LWC между образцами объяснялись разными ненасыщенными гидравлическими свойствами снега с разными размерами зёрен. Более детальный анализ горизонтальных разрезов выявил заметную изменчивость условий влажности на сантиметровом уровне, что позволяет предположить, что локальное значение LWC может быть даже больше, чем измерено.
Горизонтальное секционирование образцов подтвердило, что преференциальный сток является доминирующим процессом в передаче воды в снегу. Это объясняется сильными напряжениями, вызванными капиллярным барьером в структуре хранения жидкости в однородном снегу.
Иными словами, если бы образующаяся в толще снега вода сразу и беспрепятственно вытекала, то вероятность схода лавин была бы минимальна. Но пресловутый капиллярный барьер создаёт "плёнку скольжения" между слоями снега или грунта.