Экспериментальное изучение переноса тепла и водяного пара в снеге

1.1 Предпосылки изучения процессов теплои массопереноса в снеге.

Снежный покров представляет собой сложную систему, состоящую из ледяных зёрен различных размеров и форм. Пространство между зёрнами занято смесью воздуха и водяного пара. Изменение размеров кристаллов и структуры снежной толщи со временем определяется в основном внешними приложенными к снегу условиями. Внешние условия сами по себе изменяются в пространстве и во времени, влияя на процессы, происходящие в снеге. Так же как и со множеством других природных явлений, исследователи не имеют возможности измерять все характеристики снегавместо этого выделяются те, которые принято считать определяющими для того или иного процесса, и все дальнейшие интерпретации строятся на основании взаимоотношений определяющих характеристик снега с теми характеристиками внешних условий, которые возможно наблюдать.

Находясь между грунтом и атмосферой, снежный покров постоянно подвержен температурной разнице между поверхностями, контактирующими с воздухом и почвой. Физические процессы, связанные с наличием температурного градиента, достаточно определённы: тепло, преимущественно переносимое в ледяной матрице снега, так как теплопроводность льда на два порядка выше теплопроводности порового воздуха (кондуктивный теплоперенос)', и поток водяного пара, формирующийся в поровом пространстве и определяемый величинами градиента концентрации водяного пара в снеге, в свою очередь зависимыми от градиентоЕ температуры (диффузия водяного пара). Однако перекристаллизация снега и изменение плотности снега, неминуемо связанные с процессом массопереноса, делают одновременный перенос тепла и пара достаточно сложным процессом. Видимо именно эта сложность приводит к тому, что, несмотря на многолетнее изучение этих процессов, исследователи до сих пор стоят перед целым рядом нерешённых проблем.

Цели предшествующих работ по изучению теплои массопереноса в снеге были связаны в основном со следующими практическими задачами: определение корреляции между скоростью формирования горизонтов глубинной изморози в снежной толще с измеряемыми температурами (что необходимо для понимания процессов лавинообразования) — влияние снежного покрова на процессы теплои массообмена на границе грунт-атмосфера в холодных регионах или в холодное время годаиспользование снега как теплоизолятора в сельском хозяйстве. Во всех этих задачах определяющими характеристиками снега являлись эффективная теплопроводность снега ке и эффективный коэффициент диффузии водяного пара в снеге Ое. В результате определения этих величин становилось возможным строить физико-математические модели метаморфизма снега [3, 28, 57]. Такие модели могли использоваться как для прогноза лавин, так и для рассчётов глобальных и локальных тепловых и массбалансов.

5. Выводы и приложения.

Хотя полученные в данной экспериментальной работе величины коэффициента диффузии водяного пара отличаются от большинства значений предшествующих работ, их, тем не менее, можно интерпретировать как хорошее согласование одновременно и с теоретическими представлениями, и с экспериментальными данными, при приложении к ним более точных с физической точки зрения зависимостей.

Основной результат представленной здесь работы заключается в том, что одновременный перенос тепла и водяного пара в снеге представляет собой чередование зон испарения и конденсации. Расстояние, на котором происходит такое чередование, было около 5 см для использованного в данных экспериментах снега и условий эксперимента. В результате чередования распределения температуры в снеге имеют волнистый характер, с длиной «волн», соответственно, ~5 см. На эти же расстояния происходит основной перенос массы в снежной толще в виде водяного пара.

Использование характеристик наблюдаемых «волн» в рассчётах по массо-переносу позволяет получить значения коэффициента диффузии водяного пара в снеге меньшие, чем коэффициент диффузии водяного пара в воздухе, и, для данных экспериментов, находящиеся в пределах 0,9−1,8×10″ 5 м2-с~'.

Использование локальных значений плотности потока водяного пара с осредёнными по расстояниям, превьппаюгцим длины «волн», градиентами температуры действительно приводят к получению больших значений эффективного коэффициента диффузии водяного пара в снеге, как это получалось в предшествующих работах, однако такие градиенты не могут приниматься за движущую силу потоков водяного пара локальном масштабе.

Фактор «усиления» диффузии, предложенный Гиддинсом и ЛяШапелем [40], оказывается значительным для переноса водяного пара в снеге. Единственное уточнение, которое должно быть сделано к их построениям, заключается в ^ > необходимости учёта извилистости снежных пор, которая также может иметь значительное влияние на диффузию.

Теоретическое моделирование замеченных в данных работах процессов требует дальнейшего экспериментального изучения. Однако уже на данном этапе можно отметить, что подтверждение правильности предшествующей теории и обнаружение волнистого характера распределений температуры и плотности снега позволяет объяснить противоречия, присутствующие в предшествующих работах.

Так как полученные результаты принадлежат к фундаментальной основе физики снега, обнаруженный механизм процесса теплои массопереноса при приложении к уже существующим многочисленным моделям структуры и метаморфизма снега может помочь в понимании одновременного сосуществования потоков тепла и водяного пара.

Подтверждение правильности теоретических построений Гиддинса и ЛяШапеля [40] может быть полезным, например, в интерпретации данных изотопного распределения в толщах полярных ледников—разнонаправленность действия на процессы диффузии пористости снега и фактора «усиления» диффузии объясняет присутствие мощного переноса водяного пара на значительных глубинах. Таким образом может быть объяснена гомогенизация изотопных профилей, замеченная по результатам бурения [44, 61]. Хотя при малых значениях величин градиента температуры присутствие «волн», возможно, и не может быть отмечено стандартными способами измерения температур, можно ожидать, что и в этом случае должны присутствовать зоны испарения и конденсации. Результирующий перенос массы несомненно оказывает влияние на изменение структуры снега, особенно когда малый градиент присутствует многие десятки лет, как это происходит в ледниках.

Когда снежная толща разделена ледяными прослойками, формирование «волн» должно происходить между ними. Это означает, что при небольших расстояниях между прослойками величина потока водяного пара в направлении от одной к другой должна быть очень значительна. Массоперенос в данном случае за короткий промежуток времени способен разрушить структуру снега в непосредственной близости от «тёплой» ледяной прослойки. Отмеченное многими исследователями формирование глубинной изморози под ледяными слоями должно быть связано именно с такой спецификой процесса.

Можно ожидать, что аналогичные процессы имеют место не только в снеге, но и в любом другом пористом материале при температуре, близкой к точке плавления, и под действием температурного градиента. То есть в некоторых случаях приложение температурного градиента к спекаемому материалу, возможно, позволит получить новые, связанные со слоистостью, свойства этого материала.

Необходимо отметить, что данная работа является, по существу, первым представлением наличия температурных и плотностных «волн» в снеге. Несомненно дальнейшее изучение данного вопроса позволит более конкретно оценить их влияние на любые другие, связанные со снегом, процессы.

Выражения признательности.

Выполнение автором данной работы стало возможным благодаря предоставлению ему стипендии Японского правительства «Монбушо» .

Автор выражает благодарность своему научному руководителю профессору Н. Маэно (Институт Изучения Низких Температур, Университет Хоккайдо) за его помощь и советы не только в научном плане (без чего работа не могла бы быть выполнена), но и в адаптации автора к жизни в Японии.

Автор благодарен также своим рецензентам—профессору Э. Акитайя, доктору Р. Нарузэ, доктору Ю. Фурукава (Институт Изучения Низких Температур, Университет Хоккайдо) — профессору С. Фукусако (Факультет Машиностроения, Университет Хоккайдо)—за их комментарии и пожелания в процессе подготовки текста диссертации.

Автор благодарит доктора Ю. Коминами (Национальная Сельскохозяйственная Экспериментальная Станция Хокурику) и доктора И. Такэй (Факультет Фармацевтики, Университет Хокурику) за предоставление возможности использовать их оборудование и опыт в некоторых экспериментах.

Благодарность выражается доктору В. Н. Голубеву (Московский Государственный Университет) и профессору А. Саламатину (Казанский Государственный Университет) за полезные обсуждения получаемых результатов.

Спасибо также всем сотрудникам Института Изучения Низких Температур за их терпение и за помощь в течении всего времени пребывания автора в Японии. Особенно хочется отметить доктора X. Нарита, доктора М. Аракава, доктора Ю. Нишимура и К. Сугиюра.