СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ СНЕГА В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОГО ЗАЛЕГАНИЯ СНЕЖНОГО ПОКРОВА
METHOD FOR DETERMINING HEAT CONDUCTION COEFFICIENT OF SNOW IN CONDITIONS OF NATURAL OCCURENCE OF SNOW COVER

Настоящее изобретение относится к теплофизике и предназначено для определения теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова и может быть использовано при изучении термических свойств снега разной структуры и плотности.
Известен способ определения теплопроводности сыпучих и дисперсных материалов, который заключается в предварительном нагреве до требуемой температуры металлической пластины и ее последующем погружении в слой сыпучего материала [Патент РФ 2502988, опубл. 27.12.2013]. Однако для определения теплопроводности снега такой подход не применим, так как приведет к таянию снега или изменению его структуры.
Способ определения теплопроводности керна с применением рентгеновского микрокомпьютерного томографа для сканирования образца керна [Патент РФ 2503956, опубл. 10.01.2014] является дорогостоящим и неприменим для рыхлого снега в условиях естественного залегания снежного покрова.
Более рациональным и дешевым является способ определения теплопроводности сыпучих материалов на примере суглинистых почв, сущность которого заключается в том, что по измеренным параметрам почвы: температуре, объемному весу и полевой влажности вычисляют теплопроводность сыпучего материала по известной эмпирической зависимости [Патент РФ 2046325, опубл. 20.10.1995]. Основным недостатком данного способа является ограниченность применения предлагаемой региональной эмпирической зависимости для суглинистых почв и невозможность ее применения для снега.
В качестве прототипа выбран способ определения теплопроводности снега, сущность которого заключается в том, что по измеренной плотности снега вычисляют теплопроводность снега по известным эмпирическим зависимостям [Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск, Академ. Издат. «Гео», 2008, 230 с. - 124 с.]. Основным недостатком данного способа является точность определения теплопроводности снега при применении предлагаемых эмпирических зависимостей, так как они не учитывают структурные особенности разного типа снега.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уточнение теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова и может быть использовано при изучении термических свойств снега разной структуры и плотности.
Для уточнения теплопроводности снега были разработаны формулы, полученные на основе множественных полевых физических экспериментов по определению влияния твердости снега разной плотности на коэффициент теплопроводности.
Данная задача решается за счет того, что заявленный способ определения теплопроводности, включающий измерение плотности и вычисления теплопроводности по эмпирической зависимости, отличающийся тем, что дополнительно измеряется твердость снега и производится определение коэффициента теплопроводности снега по эмпирическим зависимостям:
при 0,15≤ρ≤0,45 и
при 390<Р≤715, λ=0,4219ρ+0,1922;
при 175<Р≤390, λ=0,3824ρ+0,1362;
при 50<Р≤175, λ=0,4021ρ+0,0674;
при 0<Р≤50 и
при 0,2≤ρ≤0,4, λ=0,7398ρ-0,0907;
при 0,15≤ρ<0,2, λ=0,146ρ+0,0281,
где Р - твердость снега, Н;
λ - коэффициента теплопроводности снега, Вт/(м⋅К);
3
ρ - плотность снега, г/см.
Сущность способа заключается в измерении плотности и твердости снега и определении коэффициента теплопроводности снега по эмпирическим зависимостям. Целью изобретения является повышение точности определения коэффициента теплопроводности снега в условиях естественного залегания снежного покрова.
Снежный покров является важным звеном в теплообмене в системе приповерхностный слой атмосферы - поверхностные покрова - грунты. Его роль в теплообмене определяется его высокой теплозащитной способностью. При ее снижении увеличивается выхолаживание грунта, что защищает многолетнемерзлые породы от деградации при потеплении климата и способствует устойчивому развитию холодных районов. При увеличении теплозащитной способности снежного покрова происходит повышение температуры грунтов, ускоряется деградация многолетней мерзлоты, что угрожает устойчивости зданий, инженерных сооружений и коммуникаций.
Снежный покров в течение холодного периода года претерпевает значительные структурные изменения. Образуется слоистость снежного покрова [Патент РФ 2552859, опубл. 10.06.2015 - способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания]. Каждый слой снежного покрова характеризуется разной плотностью и теплозащитными свойствами. Теплозащитная способность снежного покрова характеризуется его термическим сопротивлением. Значение термического сопротивления снежного покрова зависит от коэффициента теплопроводности снега. Существующие формулы позволяют оценить коэффициент теплопроводности снега в зависимости от его плотности. Однако различия в значениях коэффициента теплопроводности, рассчитанного по разным формулам при одинаковой плотности, превышает 100%. Одной из причин этого являются структурные особенности снега. Теплопроводность снега состоит в основном от двух составляющих - конвективной и кондуктивной теплопроводности, причем вклад последней является преобладающим. Кондуктивная теплопроводность снега зависит от контактов между кристаллами льда. Чем больше площадь контактов, тем лучше происходит передача тепла от одного слоя к другому. Но от связей между кристаллами льда зависят и прочностные характеристики снега, в частности его твердость.
3
3
В результате многочисленных экспериментальных исследований на архипелаге Шпицберген получены зависимости теплопроводности снега от его твердости при температуре снега от -3°С до -14°С. Для очень рыхлого, среднего и твердого снега [Международная классификация для сезонно-выпадающего снега (руководство к описанию снежной толщи и снежного покрова). Русское издание - Материалы гляциологических исследований, 2012. Вып. 2. 80 с.] получены эмпирические зависимости теплопроводности снега от его плотности. Сравнение полученных формул с данными других исследований показали, что в диапазоне изменения плотности снега от 150 кг/м до 400 кг/м полученные зависимости охватывают основной диапазон изменения коэффициента теплопроводности снега.
Для измерения твердости снега применяется зонд Хефели - стержень с конусовидным наконечником (угол раствора конуса - 60°; диаметр основания - 40 мм; вес - 10 Н; метровая секция зонда имеет массу 1 кг), предназначенный для проталкивания его сверху вниз в отложенный снег. Измеренная сила, требуемая для проникновения в снег, является мерой сопротивления снега проникновению.
По диапазону изменения твердости снега, которая измеряется зондом Хефели или ручным индексом прочности, снег делится по Международной классификации на очень рыхлый (твердость 0-50 Н, ручной индекс прочности - в снег проникает кулак), рыхлый (твердость 50-175 Н, ручной индекс прочности - в снег проникают 4 пальца), средний (твердость 175-390 Н, ручной индекс прочности - в снег проникает 1 палец), твердый (твердость 390-715 Н, ручной индекс прочности - в снег проникают острие отточенного карандаша).
3
Слой глубинной изморози в снежном покрове является «очень рыхлым» по твердости и является причиной схода многих лавин. В качестве примера оценим коэффициент теплопроводности «среднего» снега и глубинной изморози плотностью 0,3 г/см. По формулам для «среднего» снега λ=0,3824ρ+0,1362 и «очень рыхлого» снега λ=0,7398ρ-0,0907 получим значения коэффициентов теплопроводности 0,251 и 0,131 Вт/(м⋅К). Таким образом, отличие составляет почти 90%, которое по известным формулам не определяется.