СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАСТВЕННО-ВРЕМЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ СНЕЖНОГО ПОКРОВА В УСЛОВИЯХ ЕГО ЕСТЕСТВЕННОГО ЗАЛЕГАНИЯ
METHOD OF DETERMINATION OF SPACE-TIME DISCONTINUITY OF SNOW COVER UNDER CONDITIONS OF ITS NATURAL OCCURRENCE

Изобретение относится к методам исследования физических свойств веществ и, в частности, снежного покрова.
1
2
3
Известен способ определения реологических свойств снежного покрова по кривым ползучести, который заключается в том, что вертикально нагружают снежный покров путем приложения нагрузки через штамп. Измеряют осадку штампа во времени, как минимум, при любых трех значениях времени t, t и t, ограниченных временем проведения измерений, по которым рассчитывают «мгновенный» модуль снега. Штамп предварительно вывешивают на рычаге над поверхностью снежного покрова, касаясь его без передачи давления на снег. Возрастающую нагрузку на штамп, начиная от нулевого значения, создают путем равномерного перемещения груза по рычагу поперек траектории смещения штампа. Деформацию, мгновенный модуль и реологические параметры снега рассчитывают по измеренным значениям, используя математические выражения, представленные в описании (RU 2365915 [1]). Недостатком известного способа является ограниченность применения, поскольку с его помощью определяется интегральный параметр снежного покрова без учета его стратификации снежной толщи.
Известен способ исследования стратиграфии снежной толщи, описанный в работе А.Н. Вивчара «Снежный покров и положение орографической снеговой линии в долине реки Мзымта (Северный Кавказ) в условиях современных климатических изменений» (журнал «Криосфера Земли», 2010, т.XIV, №4, с.80-88 [2]). Способ предусматривает исследование особенностей формирования снежного покрова в зимний период. Как указывает автор, наблюдения за стратиграфией снежной толщи велись по стандартной методике Е.С. Трошкиной (Трошкина Е.С. Лавинный режим горных территорий СССР. М.: ВИНИТИ, 1992, 196 с.[3]). Для этой цели было выбрано несколько шурфовочных площадок на северном склоне хребта Аибга и южном склоне хребта Псехако. Шурфы отрывались вручную. Наблюдения за физико-химическими свойствами снега и стратиграфия определялись в сроки шурфования. Недостатком известного способа является его высокая трудоемкость, связанная с тем, что для определения стратиграфии снежного покрова необходимо отрывать вручную большое количество шурфов.
Наиболее близким к заявляемому является известный способ наблюдения за стратиграфией снежной толщи (см. Руководство по снеголавинным наблюдениям и методам снеголавинного обеспечения. Межгосударственный Совет по гидрометеорологии Содружества Независимых Государств. Руководящий документ. Ташкент, 2001, с.76-79 [4]). Способ предусматривает выбор площадок, на которых выкапывают шурфы с рабочей стороной не менее 70 см, которые осматриваются с периодом 5-7 дней с целью определения стратиграфии.
Недостатком этого способа также является его высокая трудоемкость, связанная с тем, что для определения стратиграфии снежного покрова необходимо отрывать вручную большое количество шурфов.
Заявляемый способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания направлен на снижение трудозатрат на проведение исследований.
Указанный результат достигается тем, что способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания включает предварительное выполнение шурфа до подстилающей поверхности, определение стратиграфии снежной толщи, введение в толщу покрова в непосредственной близости от стенки шурфа лавинного щупа, регистрацию сигнала акустической эмиссии, возникающего при его перемещении, соотнесение каждому слою снежной толщи характерной формы и модулирующей частоты сигнала акустической эмиссии, последующее введение лавинного щупа в заданной точке снежного покрова и определение стратиграфии в этой точке путем сравнения зарегистрированного в ней сигнала акустической эмиссии с сигналом, полученным для контрольного шурфа.
Указанный результат достигается также тем, что на лавинном щупе закрепляют пьезоакустический акселерометр, соединенный со средствами регистрации сигналов акустической эмиссии.
Указанный результат достигается также тем, что акустический датчик заглубляют в один из слоев снежной толщи и регистрируют сигнал акустической эмиссии при перемещении лавинного щупа.
Указанный результат достигается также тем, что размещают акустические датчики в одном из слоев снежной толщи и на лавинном щупе, причем сигнал от акустического датчика, заглубленного в один из слоев снежной толщи, синхронизируют с сигналом от другого датчика, размещенного на лавинном щупе, а зондирование снежной толщи щупом выполняют на фиксированном расстоянии от акустического датчика, размещенного в одном из слоев снежной толщи, и по результатам сравнения сигналов от обоих датчиков рассчитывают упругие характеристики снега.
Предварительное выполнение контрольного шурфа до подстилающей поверхности и определение стратиграфии снежной толщи позволяет получить представление о распределении слоев в толще и их характеристиках - мощность слоев, строение (присутствие глубинной изморози, наличие пустот и прослоек, корок, характер контактов между слоями, вид снега, его структура, сыпучесть и т.д.).
Введение в толщу покрова в непосредственной близости от стенки шурфа лавинного щупа, регистрация сигнала акустической эмиссии, возникающего при его перемещении, и установление соответствия каждому слою снежной толщи характерной формы и модулирующей частоты сигнала позволяет в дальнейшем отказаться от такой трудоемкой операции, как отрыв шурфов, и непосредственно по снятому спектру сигнала акустической эмиссии, который можно считать эталонным, судить о стратиграфии снежной толщи. Экспериментально установлено, что зависимости акустических параметров от толщины снежной толщи, получаемые при ее зондировании, обусловлены разными механическими свойствами разновозрастных слоев, их толщиной и присутствием ледяных прослоек и т.д. Например, положительные результаты по определению «созревания», то есть накопления в снежной массе разрушений снежного каркаса, были получены для целей прогнозирования лавиноопасной ситуации на склоне (Способ прогнозирования лавинной опасности. Авторское свидетельство СССР N 1608600, Кл. G01V 1/00 // Бюл. N 43 23.11.1990 [5]; Epifanov, Kuz′menko, Acoustic emission method applied to avalanche-formation studies // J. Glaciology. V.34 No 117. p.232-235. 1988 [6]). Метод основан на физике бесконечно малых амплитуд и теории распространения упругих волн в сплошной среде (Виноградов С.Д. Акустический метод в исследованиях по физике землетрясений. М.: Наука, 1989, 178 с. [7]; Труэлл Р., Эльбаум Ч., Чик Б. Ультразвуковые методы в физике твердого тела.М.: «Мир» , 1972, 308 с.[8]).
Снежный покров рассматривается как многопараметрическая система, конструкция из наложенных друг на друга разновозрастных слоев. Его прочностные свойства определяются не только когезией частиц, образующих каждый одновозрастный слой, но и адгезионной прочностью сцепления на границе контакта слоев. Принимается во внимание, что структура снега, а следовательно, и его прочность изменяются со временем в результате воздействия гравитационного поля напряжений, процессов рекристаллизации и тепломассопереноса. Пространственно-временная неоднородность снега предполагает повторение измерений его характеристик в различных точках по площади залегания. Измерения в шурфах - это достаточно трудоемкие операции, сопряженные с затратами времени.
Различным масштабам разрушения и силам разной природы соответствуют разные амплитудно-частотные характеристики сигналов АЭ. Масштаб разрушаемых структур, характерный размер частиц (или масса) в одновозрастных слоях снега и частота сигнала акустической эмиссии (АЭ), генерируемого при разрушении элемента структуры, согласно модели гармонического осциллятора связаны известным уравнением
где D - жесткость структурного элемента, m - его масса.
Для того чтобы распознать масштабы этих структур и получить представление о строении снежного покрова, необходимо выполнить тестовые акустомеханические испытания (например, на сдвиг), затем исследовать и сравнить спектры собственных шумов в снежном покрове со спектрами тестовых испытаний.
Как показали предварительные исследования, хрупкое разрушение частиц снега при прохождении наконечника через одновозрастный слой генерирует высокочастотную моду. Частота f моды содержит информацию не только об энергии разрушения частиц льда (энергии сцепления), но и об их размере. Таким образом, строение снежного покрова, включая границы раздела слоев, ледяные прослойки и разная плотность снега в слоях, могут быть выявлены по характерным сигналам АЭ при зондировании.
Акустомеханическое зондирование снежной толщи, например, лавинным щупом, снабженным пьезоэлектрическим акселерометром, позволит избежать достаточно трудоемких операций шурфования и количественно оценивать пространственно-временную изменчивость снега в большем числе материальных точках по площади залегания.
В предварительных экспериментах установлено, что хрупкое разрушение частиц снега, возникающее при прохождении наконечника через одновозрастный слой, сопровождается упругими возмущениями меньшей амплитуды, чем основной сигнал АЭ. Частота f модуляции сигнала АЭ, наблюдаемого при прохождении лавинным щупом одновозрастного слоя, содержит информацию не только об энергии разрушения частиц льда (координационном числе, энергии сцепления), но и об их гранулометрическом составе.
Последующее введение лавинного щупа в заданной точке снежного покрова позволяет осуществить определение стратиграфии в этой точке путем сравнения зарегистрированного в ней сигнала акустической эмиссии с сигналом (эталонным), полученным вблизи шурфа. И таким образом, необходимость отрыва последующих шурфов на обследуемой площади отпадает.
Для регистрации сигнала АЭ возможны различные варианты реализации. В первом случае на лавинном щупе закрепляют пьезоакустический акселерометр, соединенный со средствами регистрации сигнала акустической эмиссии (фиг.2а). В другом случае акустический датчик заглубляют в один из слоев снежной толщи и регистрируют сигнал акустической эмиссии при перемещении лавинного щупа (фиг.2б). В третьем размещают акустические датчики в одном из слоев снежной толщи и на лавинном щупе (фиг.2в) и сигнал от акустического датчика, заглубленного в один из слоев снежной толщи, синхронизируют с сигналом от другого датчика, размещенного на лавинном щупе, а зондирование снежной толщи щупом выполняют на фиксированном расстоянии от акустического датчика, размещенного в одном из слоев снежной толщи, и по результатам сравнения сигналов от обоих датчиков рассчитывают упругие характеристики снега.
Первый вариант целесообразно применять в случае, когда необходимо быстро, при создании только одного шурфа и формирования эталонного сигнала АЭ и без проведения дополнительного шурфования получить представление о толщине снежного покрова, числе одновозрастных слоев и наличии ледяных прослоек. Второй вариант имеет то преимущество, что его сигналы «очищены» от возмущений, возникающих в волноводе/щупе при трении снега о тело щупа. Это преимущество выражается в более качественном сигнале, позволяющем определять тонкую структуру снега в одновозрастных слоях. Третий вариант имеет преимущество, которое состоит в определении не только количественных характеристик структуры снега, но и его упругих свойств в слоях (например, скорости распространения упругих волн).
Акустический способ определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания, основанный на записи сопротивления снега с помощью пьезоэлектрического акселерометра, жестко соединенного с лавинным щупом или с волноводом в виде ледобура, имеет принципиальное преимущество по сравнению с методом шурфования. Акустический способ по физической сути приближается к неразрушающим методам исследования вещества (миделево сечение лавинного щупа около одного квадратного сантиметра, а средняя площадь стенки шурфа при толщине снежного покрова около метра в 7000 раз больше), тогда как метод шурфования сопряжен с нарушением целостности снежного покрова. При шурфовании вскрываются сверху до низу (подстилающей поверхности) все слои снежного покрова. Это не только нарушает естественные процессы тепломассообмена в снежной толще, но и провоцирует на создаваемой свободной поверхности размерами 0,7 м×h(м) образование поверхностного слоя (корки, находящейся в напряженном состоянии, термодинамически отличном от состояния в неразрушенной толще). Причиной этого является градиент температуры между воздухом и снегом, как правило, достигающий нескольких градусов (до десятка), что создает термические напряжения на вскрытой снежной поверхности и влияет на результаты измерений механических и прочностных характеристик в слоях снежного покрова. Как показали предварительные исследования, при времени шурфования около 3-х минут уже через 2-3 минуты на вскрытой поверхности образуется корка, в которой снег находится в напряженном состоянии. Этого времени недостаточно для выполнения стратиграфических измерений, поэтому измерения твердости и сцепления снега на стенках шурфа не позволяет получить достоверное значение исследуемых характеристик снега традиционно используемыми методами.
Сущность заявляемого способа определения пространственно-временной неоднородности снежного покрова в условиях его естественного залегания поясняется примерами реализации и графическими материалами. На фиг.1 представлены спектрограммы АЭ, генерируемые при прохождении лавинного щупа через одновозрастные слои снежного покрова в координатах: (а) частота-амплитуда-время, (б) процент полной шкалы-время (1 с/деление) и (в) амплитуда - время (1 с/деление). На фиг.2 представлены схемы различных вариантов реализации способа со следующими позициями на чертеже: 1 - лавинный щуп, 2 - акустический (пьезоэлектрический датчик), 3 - снежный покров.
Пример 1. В самом общем случае способ осуществляется следующим образом. В заданной точке обследуемого участка отрывают шурф до подстилающей поверхности. Выделяют одновозрастные слои в снежном покрове и определяют: их толщину, горизонт залегания, структуру снега, температуру, твердость и послойно сигнал АЭ, присущий каждому из слоев. Послойно регистрируют сигнал АЭ при введении жесткого индентора. Затем рядом с шурфом втыкают лавинный щуп до подстилающей поверхности и фиксируют сигнал АЭ от слоев снежного покрова.
В результате получают эталонную форму сигнала АЭ для уже известной стратиграфии в локальном срезе снежного покрова. После этого на обследуемом участке в заданных точках втыкают лавинный щуп и регистрируют сигнал АЭ. Сравнивают полученные формы сигналов и их характеристики с эталоном и выносят суждение о стратификации снежной толщи для точек измерений с другими координатами. Таким образом при реализации заявленного способа достачно выкопать один шурф вместо многих.
3
Пример 2. Наблюдения проводили на западном склоне горы Улаф (залив Гренфьерд), вблизи гидрометеорологической обсерватории «Баренцбург». Базовый шурф расположен на высоте 60 м над уровнем моря, его координаты 78°03,440′ с.ш. и 14°22,089′ в.д. Температуру снега измеряли с помощью инфракрасного термометра типа PITON-105. Средняя плотность снега по шурфу 346 кг/м, температура воздуха - 15°C.
Таблица 1
Традиционно определяемые характеристики снега в шурфе по слоям (снизу вверх)
Номер слоя
Высота, см
Плотность, кг/м<sup>3</sup>
Температура, °С
Структура снега
1
0-11,5
327
-7,7
глубинная изморозь, до 3-5 мм;
2
11,5-15,5
плотный снег, зерно 0,7-0,8 мм;
3
15,5-16,0
385
льдистый прослой;
4
16-28,5
-10,5
плотный снег, зерно 0,5-0,6 мм;
5
28,5-31,5
424
-11,3
глубинная изморозь, зерно до 2 мм;
6
31,5-32
льдистый прослой;
7
32-33,5
глубинная изморозь, до 1,5 мм;
8
33,5-34
388
-12,5
льдистый прослой;
9
34-43,5
рыхлый снег, зерно 0,8-0,9 мм;
10
43,5-44,5
374
льдистый прослой;
11
44,5-56
364
-13,3
рыхлый снег, зерно 0,5-0,6 мм, до 1,5 мм;
12
56-56,5
-13,3
IVIIVI,
13
56,5-63,5
370
льдистый прослой;
14
63,5-64
снег рыхлый, зерно 0,5-0,6 мм;
15
64-80
366
-14,5
льдистый прослой;
снег плотный, зерно 0,5-0,6 мм, до 1 мм;
16
80-81,5
380
-15,3
17
81,5-83,5
18
83,5-84,5
глубинная изморозь, до 3 мм;
19
84,5-90
332
-15,3
рыхлый снег, зерно 0,6-0,7 мм;
20
90-92
лед;
рыхлый снег, зерно 0,5-0,6 мм;
21
92-95
-15,3
снег с 3-4 льдистыми горизонтами, зерно 0,5 мм;
22
95-97,5
снег очень плотный, смерзшийся, зерно 0,6-0,7 мм до 1 мм;
23
97,5-98,5
256
снег смерзшийся, но более пористый,
24
98,5-103,5
-14,5
зерно до 2 мм;
25
103,5-104
глубинная изморозь, зерно до 3 мм;
26
104-105
глубинная изморозь, зерно до 2 мм;
27
105-112,5
383
-14,5
льдистый прослой;
28
112,5-121
271
-16,0
глубинная изморозь, зерно до 1 мм;
29
121-126
327
-16,7
плотный снег, зерно 0,3-0,4 мм;
30
126-136
421
-16,7
рыхлый снег, зерно 0,6-0,7 мм;
31
136-141
251
-18,0
рыхлый снег, зерно 0,3-0,4 мм;
32
141-149,5
265
-16,7
плотный снег, зерно 0,2-0,3 мм;
33
149,5-154
-16,7
рыхлый снег, зерно 0,2 мм;
рыхлый снег, зерно 0,1 мм;
свежий снег, очень рыхлый (из снежинок диаметром до 3 мм).
Из таблицы следует, что действительно, снежный покров представляет собой конструкцию в виде «чередующихся», наложенных один на другой разновозрастных слоев снега различной структуры, плотности, толщины, температуры и особенностей в виде льдистых прослоек. Очевидно, что ни одна из приведенных характеристик, которая определяется при стратиграфическом описании снежной толщи, в принципе не является однозначной характеристикой состояния снежного покрова и тем более не определяет его прочностные свойства.
Спектрограммы (вверху) получены при разной скорости движения лавинного щупа: слева показана спектрограмма при прохождении всей толщи снежного покрова за время около одной секунды, справа - примерно за 3 секунды. В нижней части рисунка показаны зависимости, характеризующие изменения амплитуды сигналов разных частот (б) и огибающей формы сигнала (в) от времени наблюдения, то есть показано, как изменяется сопротивление проникновению наконечника при прохождении толщи снега. Последняя зависимость оказывается наиболее приемлемой для выполнения стратиграфии снежного покрова.
В качестве датчика регистрации сигналов акустической эмиссии использовали пьезокерамические преобразователи типа КВ90. Датчик 2 жестко крепили на волноводе 1 (ледобур или лавинный щуп). Сигнал с преобразователя поступал на предусилитель 3 типа PSI 202-00-001 RTF и далее на вход звуковой платы компьютера (4). Амплитудно-частотный анализ и обработку записанных спектров выполняли с помощью программы, например, Spectrlab в диапазоне частот от 15 Гц до 20 кГц.
2
В одном случае использовали стандартный лавинный щуп 1 (составной диаметр 11 мм длиной 150 мм с затупленным коническим наконечником с максимальным миделевым сечением [диаметр 12,7 мм] ~1,27 см). На щупе нанесены метки длины, позволяющие определить, на какой глубине встречается препятствие или неоднородность. Это разборный прут длиной полтора метра, состоящий из алюминиевых секций, внутри которых проходит троссик. Щуп погружали строго перпендикулярно поверхности склона, ледобур вворачивали параллельно межслоевым поверхностям. Пьезоэлектрический датчик 2 был жестко соединен с ледобуром. В окрестностях контрольного шурфа акустическим способом выполнено до 130 измерений (параллельно и ортогонально поверхностям слоев).
В другом случае использовали стандартный лавинный щуп 1 с пьезоэлектрическим датчиком 2, жестко с ним соединенным.
В третьем случае размещали акустические датчики 2 в одном из слоев снежной толщи и на лавинном щупе 1 и сигнал от акустического датчика, заглубленного в один из слоев снежной толщи, синхронизировали с сигналом от другого датчика, размещенного на лавинном щупе.