Новый подход к моделированию развития кристаллической

УДК 621.7/.9(06) Физика, химия и компьютерная разработка материалов
Р.А. ЧЕРНОВ
Институт географии Российской академии наук
НОВЫЙ ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ РАЗВИТИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ СНЕГА
Предложена простая модель перекристаллизации снега в естественных условиях. Избирательный рост кристаллов снега и перемычек зависит от их собственного
напряженного состояния и перенасыщение водяного пара в окружающем пространстве. В случае значительного перенасыщения преимущество в росте получают кристаллы и перемычки несущие нагрузку от вышележащих слоев снега, что
приводит к упрочнению структуры снега и образованию глубинной изморози.
Модель согласуется с натурными наблюдения и многочисленными эмпирическими данными.
Данная работа возникла в связи с повышенным интересом к исследованиям свойств снежного покрова и моделированием процессом происходящих в нем, что связано с усилением рекреации горных и северных территорий. Пожалуй, снег является наиболее изменчивым природным образованием, в естественных условиях некоторые свойства снега, такие как
плотность, прочность, теплопроводность могут изменяться по своей величине на порядок, что связано, прежде всего, с изменением его кристаллической структуры [1, 2]. В настоящее время накоплено огромное количество эмпирического материала по свойствам снега, но сопоставление результатов различных авторов не совпадают даже на качественном уровне.
Моделирование развития структуры снега на основе представления физических процессов, происходящих в снежном покрове, позволяет частично
разрешить обнаруженные противоречия. Наиболее важным является вариантность и необратимость развития структуры снега в противоположных направлениях: уплотнение и разрыхление [3], что до сих пор не
нашло должного физического объяснения.
Представляется простая модель перекристаллизации снега под влиянием
внешний факторов, наиболее значимым из которых является градиент
температуры в снегу [1]. Нагрузка от вышележащих слоев снега различно
распределяется между отдельными кристаллами снега, что зависит от их
пространственного соединения. В условиях перенасыщения водяного пара, формирующегося под воздействием температурного градиента, происходит быстрый рост зерен снега и уменьшение их общего количества, но в
одних случаях смещение зерен относительно друг друга приводит к
уплотнению снега, а в других, наоборот, образуются значительные полоISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 9
101
УДК 621.7/.9(06) Физика, химия и компьютерная разработка материалов
сти, а структура снега выстраивается в вертикальные цепочки крупных
ограненных кристаллов. При слабом перенасыщении нагруженные перемычки между кристаллами эффективно испаряются и разрушаются, происходит ротация кристаллов снега и их попеременный рост, поэтому
снежная толща с течением времени преобразуется в плотную мелкозернистую массу. При условиях перенасыщении более 120 % несущие нагрузку
ледяные перемычки испаряются меньше других, а теплота от конденсации водяного пара на их поверхности отводиться по ледяной матрице к
другим кристаллам в вертикальной цепочке, что способствует их устойчивости.
Распределение нагрузки на отдельные кристаллы снега рассчитывается
по плотности снега, среднему размеру кристаллов и координационному
числу связей между кристаллами [4]. Перенасыщение снега определяется
расчетным способом по величине температурного градиента в снегу и
температуре в слое. Условно показателем развития снега K (коэффициент
метаморфизма) принимается отношение между поверхностной энергией
кристаллов или их частей несущих максимальную нагрузку E и свободной
энергией водяного пара W , находящегося в состоянии перенасыщения.
Для K  1 развитие слоя снега происходит в сторону уплотнения, K 1 –
разрыхление и интенсивный рост кристаллов в цепочках.
Опытные измерения параметров снега и развития его структуры, проведенные на полигоне Подмосковья, Хибин и архипелага Шпицберген подтверждают совпадение модели на качественном уровне, как по отдельным
слоям, так и по всей толще снежного покрова. Настоящая модель, как
условие вариантности развития снега, будет рассмотрена в качестве дополнения к существующим рабочим моделям тепломассопереноса в
снежном покрове [5].
Список литературы
1. Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. Изд-во АН СССР. Москва. 1955.
2. Де Кервен М.Р.. О метаморфизме снега. «Мир». Москва. 1966.
3. Коломыц Э.Г. Методы кристаллографического анализа структуры снега. Наука.
Москва. 1977.
4. Иосида З. Физические свойства снега, Лед и снег, свойства, процессы, использование.
«Мир». Москва. 1966.
5. Осокин Н.И., Самойлов Р.С. К оценке разуплотнения снежного покрова на границе
снег-грунт под влиянием диффузии водяного пара. Материалы гляциологических исследований. Вып.96. Москва. 2004.
102
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 9