Лекция 7. Возникновение снега, фирна и льда

Возникновение снега. Возникновение кристаллов льда в атмосфере происходит в перенасыщенной водяным паром среде на замерзших водяных каплях путем сублимации. Замерзшие капли являются первичными ядрами, вокруг которых начинается кристаллизация. Кристалл, парящий в воздухе, окружен концентрическими сферами одинаковой степени насыщения, поэтому на ребрах кристаллов происходит рост лучей. При полете в атмосфере замерзшая капля воды постепенно обрастает лучами и форма ее усложняется.

Процесс выпадения снежинок из атмосферы на земную поверхность подобен оседанию твердых частиц в воде. Выпавший снег служит источником питания оледенения всех видов. Поэтому можно сказать, что оледенение возникает как осадок из атмосферы Перерывы в отложении снега, в течение которых происходят изменения структуры снега (уплотнение, загрязнение, появление корок таяния), приводят к образованию в снегу ясно выраженных слоев.

Разрезы снежного покрова отражают историю прошедших снегопадов и состояний погоды, сопровождавших их. Если за снегопадом следовала солнечная, теплая погода, в верхней части слоя возникает плотная ледяная корка, толщина которой соответствует продолжительности перерыва между снегопадами. Ветер отлагает на поверхности снега частицы пыли, которые в разрезе выделяются в виде тонкой темной полосы с ясно различимыми вкраплениями минеральных наносов и следами ветровой корразии.

Характер отложения снега зависит от ритма и размера снего­пада. Каждому снегопаду соответствует свой слой снега, при этом снег каждого слоя имеет свои особенности, определяемые условия­ми его выпадения.

В зависимости от влажности воздуха и температуры снежинки каждого снегопада имеют различные размеры. При низких темпе­ратурах (-10, - 1°С) и малом содержании пара в воздухе возникают мелкие кристаллы. При более высоких температурах (не­скольких градусах ниже нуля) образуются ветвистые формы сне­жинок, чаще звездообразные. Чем ближе температура к 0° и чем больше влажность воздуха, тем чаще возникают хлопья, представ­ляющие собой сращения отдельных снежинок. Первичное состоя­ние снежного слоя зависит от размеров ледяных кристаллов. Чем меньше кристаллы, тем плотнее они ложатся друг около друга. Если осадки были в виде хлопьев, образуется рыхлый слой снега, очень богатый воздухом.

Различают сле­дующие семь основных групп снежинок.

1. Плоские формы. Группа плоских форм снежинок включает в себя формы, состоящие только из плоских элементов - звездочек, пластинок и их частей,

2. Столбчатые, формы - снежинки состоят только из столбчатых элементов.

3. Игольчатые формы - снежинки имеют иглы с тупыми и ост­рыми концами.

4. Зернистые формы. В отличие от предшествующих трех основ­ных форм, состоящих целиком из однородных элементов, зернис­тые формы однородны лишь по внешнему виду, внутренняя же крис­таллическая часть может быть существенно различной.

5. Стшбчато-пластинчатые формы.. Снежинки имеют вид столби­ков, покрытых с тупых концов пластинками, перпендикулярными к оси столбика.

6. Редкие формы. Многообразие состояний атмосферы приводит иногда к образованию довольно сложных или просто редко встре­чающихся форм. К их числу относится пластинка с выросшими на ней небольшими столбиками, обычно симметрично расположен­ными.

7. Искаженные формы. Снежинка правильной кристаллической формы, падая через тонкий слой воздуха с положительной темпера­турой, частично обтаивает и приобретает искаженную форму. Формы снежинок, падающих в сухих слоях, искажаются за счет частичного испарения.

Типы снега. Микроскопическое исследование эволюции свеже­выпавшего снега указывает на быстрое исчезновение внешних кристаллических форм снежинок и на превращение их в бесфор­менные зерна различной величины - в ледяной конгло­мерат.

Только на ранних стадиях, развития свежевыпавшего снега еще кое-где встречаются отдельные обломки снежинок, хорошо сохранивших кристаллические очертания. Снег, превращенный ветром в снежную доску, на некоторое время отстает в своем развитии. При распаде такой снежной доски может возникнуть слой мелкозернистого фирнизированного снега под снегом, успевшим более созреть, хотя по времени своего отложения он значительно моложе, чем лежащая ниже его толща. Таким образом, снег, имеющий ледяные компоненты, «подобранные» ветром по величине зерна, менее способен к перекристаллизации, чем снег, состоящий из зерен различной величины. И тем значительнее тенденция к процессу рекристаллизации на контакте такого сравнительно однородного слоя с подстилающим слоем, состоящим из ледяных зерен различной величины. У последних градиенты поверхностной энергии больше, и это вызывает более быстрое разрыхление контактного слоя.

Снежный покров, возникающий в безветренную погоду, состоит из снежинок, сохранивших формы первичной кристаллизации.

Группу «свежевыпавшего» снега подразделяют на следующие виды:

Пушистый снег - рыхлая толща, состоящая из хорошо сохранившихся снежинок, цвет белый. На окружающих предметах образует шапки и гирлянды. Плотность 0,01 - 0,04.

Игольчатый снег - состоит из тонких ледяных игл, возникаю­щих при снегопадах с низкими температурами. Обычно ложится тонким слоем, легко «стекает» с лопаты. Плотность 0,01- 0,02. Ветер ломает и крошит падающие снежинки и плотно укладывает их.

Метелевый снег состоит из поломанных снежинок, отдельных обломков лучей со следами окатки. В керне этот снег чисто-белого цвета. Пластичен. Может быть легко разрезан ланцетом на тонкие кусочки. Плотность 0,2 - 0,3.

В дальнейшем процесс перекристаллизации постепенно приводит к утрате обломочным материалом внешних кристаллографических очертаний. Вся толща снега приобретает вид конгломерата, состоящего из бесформенных зерен. Таким образом, возникают широко распространенные типы фирнизированного снега. Зерна непрерывно увеличиваются, появляется волокнистая структура. По крупности зерен следует выделять три типа фирнизированного снега:

Мелкозернистый фирнизированный снег состоит из мелких ледя­ных зерен (размером около 0,5 мм), возникших за счет превращенния звездочек в ледяные комочки или разрушения цемента снежных досок, пластичен, беловато-серого цвета, Может быть легко разрезан ланцетом на толстые, сохраняющие форму кусочки.

Среднезернистый фирнизированный снег состоит из бесформен­ных ледяных зерен размером 1 -2 мм. При выжимании из снежного бура поверхность керна делается шершавой и видны блестящие поверхности отдельных зерен. Цвет сероватый. При разрезании ланцетом раскалывается на большие куски, с которых осыпается много кристаллов. Встречается в двух состояниях: в спаянном и рыхлом.

Крупнозернистый фирнизированный снег состоит из угловатых зерен размером 2 -5 мм. Часто у бесформенных зерен с раковис­тым изломом встречаются четко выраженные грани. Керны сильно осыпаются. Цвет голубовато-серый или серый. Встречается в спаянном и рыхлом состояниях.

Все три типа фирнизированного снега при разрыхлении, возни­кающем в результате миграции водяного пара, могут превращать­ся в толщи глубинной изморози, так как сублимация на бесформенных зернах вызывает появление четкой огранки, т. е. регенерацию кристаллов. Дальнейшее развитие слоя глубинной изморози приводит к укрупнению кристаллов и появлению четкой вертикальной текстуры. Все это ведет к нарастанию лавинной опасности на крутых склонах или просадке под тяжестью вышележащих пластов толщи снега с последующим уплотнением.

Глубинную изморозь следует разделять на мелкую (до 1 мм), среднюю (до 3 мм) и крупную (свыше 3 мм).

Воздействие сильного ветра (20, 30, 40 м/сек) вызывает появление на поверхности снега плотных снежных досок часто мощностью более 20-30, а иногда 100-150 см. Снежная доска состоит из отсортированных ветром, плотно уложенных ледяных зерен. Почти одинаковые размеры зерен, а также отсутствие пор для свободной миграции водяного пара значительно замедляют процесс перекристаллизации.

Процессы метаморфизма ледяных пород. Все виды осадочных ледяных пород на земной поверхности подвергаются метаморфизму. Это происходит потому, что ледяные кристаллы, возникшие в атмосфере, на земной поверхности находятся в условиях им не свойственных. Снежинка, обладающая очень большой поверхностной энергией, стремится превратиться в шар, обладающий минимальной энергией. Результатом перераспределения энергии является миграция вещества - округление снежинок. При этом происходит испарение вещества с лучей снежинок и заполнение вогнутых частей кристалла.

Выделяют три вида перекристаллизации:

1. Рекристаллизация. Это процесс метаморфизма ледяной гор­ной породы без участия жидкой фазы, т. е. при отрицательных тем­пературах. Условием рекристаллизации является соприкосновение кристаллов, при котором происходит переход молекул из простран­ственной решетки одного кристалла в пространственную решетку другого кристалла, поглощение мелких кристаллов более крупными.

2. Сублимационная перекристаллизация. Переотложение веще­ства идет между несоприкасающимися поверхностями, т. е. между кристаллами, которые лежат очень рыхло. Процесс перекристалли­зации происходит через парообразную фазу.

Сублимационная перекристаллизация вызывается температур­ным градиентом внутри толщи снега. Температурный градиент воз­никает вследствие того, что снег - хороший теплоизолятор. При большом перепаде температур, идет миграция вещества в пористой среде снизу вверх, причем водяной пар мигрирует от более теплых горизонтов к более холодным.

Холодные горизонты снега нагреваются вследствие сублимации водяного пара.

Сублимационная перекристаллизация приводит к росту в ниж­них горизонтах глубинной изморози, состоящей из полых бокаловидных кристаллов. Это явление называется сублимационным диафторезом (диафторез - разрушение). В отношении горных по­род диафторез - повторный метаморфизм. Например, гнейсы, как порода глубинная, возникшая в условиях высоких температур и больших давлений, превращается при низких температурах на поверхности Земли в резко рассланцованные породы. Сублимацион­ный диафторез приводит к возникновению ледяных кристаллов с огромной поверхностной энергией. Перераспределение вещества между такими кристаллами приводит к разрыхлению пласта. В результате становятся возможными просадка снежной толщи и сход наклонных поверхностей лавин.

3. Режеляционная перекристаллизация. Перекристаллизация снега в этом случае происходит с переходом через жидкую фазу. Жидкая фаза может возникнуть как за счет притока тепла извне (например, притока солнечной радиации), так и за счет давления вышележащих толщ снега. При этом талая вода, перемещаясь внутри снега, замерзает и цементирует его.

Изменение ледяной породы происходит также под влиянием больших давлений. Кристаллы, испытывающие большие напряже­ния разрушаются, и за счет их идет укрупнение менее напряжен­ных кристаллов.

В процессе метаморфического льдообразования пористый снеж­ный покров, обладающий свободно сообщающимися воздушными полостями, постепенно превращается в сплошную непроницаемую для воды и воздуха ледяную толщу.

Различают три вида ледяных пород: снег - порода, имеющая большую пористость; фирн - конгломерат крупных ледяных зерен и лед - не проницаемый для воды и воздуха агрегат ледяных крис­таллов.

Выделяют три стадии метаморфического льдооб­разования: 1) диагенез снежного покрова; 2) фирнизацию, т. е. превращение снега в фирн, которая может идти двумя путями - а) фирнизацня холодная и б) фирнизация теплая; 3) льдооб­разование - превращение фирна в лед.

Диагенез снежного покрова. Понятие «диагенез» включает все процессы перекристаллизации без воздействия на снег талой воды и больших давлений, которые бы могли разрушить пористую структуру снега. Снежная порода претерпевает измене­ния, сохраняя воздушные полости, по которым мигрирует водяной пар. Условия диагенеза следующие:

1. Температура снега должна быть близка к точке плавления, т. е. чтобы внутри снежной толщи было достаточно высокое давле­ние водяного пара.

2. Должна быть большая пластичность кристаллов, которая зависит от температуры снега.

3. Необходима большая пористость снега, обеспечивающая свободную циркуляцию водяных паров и большую свободную поверхность кристаллов.

Внутри снежной толщи мелкие кристаллы, над которыми упругость водяного пара больше, испаряются, и вещество сублимируеся на поверхности более крупных кристаллов. Одновременно происходит оседание снежного покрова и увеличение его плотности. При этом выявляется антагонистичность процессов сублимационной перекристаллизации и оседания. В зависимости от географической обстановки выделяют два пути перекристаллизации:

1) уплотнение снега в условиях малого перепада температур внутри снежной толщи; этот процесс особенно характерен для горных районов с морским климатом, с частыми обильными снегопадами;

2) разрыхление снега, приводящее к сублимационному диафторезу, в условиях холодной, малоснежной зимы с очень большими температурными перепадами внутри толщи снега. В результате возникает большой температурный градиент, обусловливающий большое испарение и разрыхление снега в более теплых горизонтах. При этом возникают кристаллы в виде полых бокалов, пирамид, призм или зерен, напоминающих шарикоподшипники, рис или дробь. Возникновение в припочвенных слоях снега горизонта разрыхления в тундрах Русской равнины вызывает массовую откочевку оленей во второй половине зимы. Объясняется это тем, что олени, «копытя» корм, не могут достать ягель, так как выкопанная яма не сохраняет отвесных стенок и корм немедленно засыпается снегом из горизонтов разрыхления. В горных районах разрыхление снега в нижних горизонтах является одной из причин схода лавин.

Фирнизация снежного покрова. Наблюдается холодная и теплая фирнизация.

Холодная фирнизация возникает в том случае, когда мощная толща нового снега создает большие давления и предохраняет старый снег от температурных колебаний. Характерной особенностью холодной фирнизации является прекращение сублимационных процессов в связи с уменьшением воздухопроницаемости старого снега под влиянием его оседания и большого уплотнения. При этом кристаллы сближаются и приходят в соприкосновение друг с другом. Поэтому главная роль в процессах метаморфизма переходит к рекристаллизации, при которой образуется рекристаллизационный фирн плотностью от 0,5 до 0,8 г/см³.

Теплая фирнизация осуществляется при участии жидкой воды, которая поступает в толщу снега при таянии, а также при выпадении дождей. В этом случае происходит режеляционное округление ледяных частиц и их оседание со сближением центров частиц, так как их форма почти шарообразная. Важная особенность этого процесса - ориентировка ледяных кристаллов главными кристал­лографическими осями нормально к поверхности замерзания, что предопределяется многократным оттаиванием и замерзанием. Это явление объясняется тем, что выживают кристаллы, ориентированные главной оптической осью ближе к направлению теплового потока. Такой фирн называется режеляционным фирном, плотность его от 0,5 до 0,6 г/см³.

Льдообразование. Конечной стадией метаморфического льдообразования является лед (плотность 0,917 г/см³) - мономинеральная монолитная порода без пор (через лед не может проникнуть вода и водяной пар). При рекристаллизационном (холодном) метаморфизме образование льда происходит под влиянием тяжести новых слоев фирна и снега. При теплом метаморфизме лед образуется благодаря инфильтрации и замерзанию талой воды.

Классификация природных льдов. Лед - мономинеральная горная порода. Мощности ее очень большие. В отличие от других горных пород распространение льда подчинено климату, а следовательно, географической зональности. Существует несколько класси­фикаций природных льдов. Так Б. П. Вейнберг делит все льды на три группы:

1. Сублимационный лед, возникающий при переходе водяного пара в твердое состояние, минуя жидкую фазу, т. е. это - льды, сбразующиеся в атмосфере (снежинки).

2. Конжеляционный лед, возникающий путем замерзания жидкой воды, т. е. горная порода, возникает из расплава (аналога магмы).

3. Режеляционный лед, образующийся при смерзании частиц сублимационного и конжеляционного льда.

Л. Б. Добровольский выделяет две группы ледяных пород:

1. Магматические ледяные породы. Это льды, возникшие из жидкой воды. К ним относятся ледяной покров на поверхности спо­койной воды и донный лед.

2. Осадочные ледяные породы. К ним относятся: снежный пок­ров, фирновый снег, фирновый лед, ледниковый лед.

П. А. Шумский выделяет три группы льдов: конжеляционные, осадочные и метаморфические льды.

Типы и зональность льдообразования. Процесс льдообразования протекает по-разному в различных географических условиях. В настоящее время считается возможным выделить три типа льдообразования.

Рекристаллизационный тип льдообразования наблюдается в условиях низких температур при отсутствии таяния в течение всего года. Процесс льдообразования затягивается на несколько лет и заканчивается на большой глубине. Льдообразование происходит при высоком внешнем давлении, важную роль играет механическое уплотнение фирна. Образующийся лед отличается большим количе­ством воздушных включений самой разнообразной формы, чаще всего напоминающих первоначальные поры фирновых толщ. Большое содержание воздуха внутри льда определяет молочно-белый цвет рекристаллизационного льда. Плотность льда 0,70-0,80 г/см³. Кристаллы льда мелкие (2-20 мм²), оси кристаллов не имеют предпочтительной ориентации.

Инфильтрационный тип льдообразования распространен в районах, где летом происходит таяние фирна, талая вода, инфильтруясь в нижние слои фирна, замерзает. Льдообразование происходит при температурах близких к точке плавления льда. Талая вода, заполняя поры, вытесняет воздух из фирновых толщ. Поэтому фильтрационный лед, отличается меньшим количеством воздушных включений, цвет льда беловато-голубой, плотность 0,80-0,90 г/см³. Кристаллы льда крупные (5-40 мм²) с хорошей огранкой, оси их имеют предпочтительную ориентировку.

Большинство ледников сложены инфильтрационным льдом.

Конжеляционный тип льдообразования происходит в условиях нового зарождения и развития кристаллов льда при замерзании воды вне пор снега и фирна. Он отличается малым содержанием воздушных включений, имеющих в основном цилиндрическую или нитевидную форму. Цвет льда голубой. Кристаллы льда удлиненной призматической формы, ориентированы преимущественно главными кристаллографическими осями перпендикулярно поверхности замерзания. Плотность льда 0,90-0,91 г/см³. Конжеляционные льды образуют основную массу льдов замерзающих водоемов.

Дата добавления: 2014-01-03