Результаты шурфования снежной толщи в районе украинской антарктической станции "Академик Вернадский"

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

ДСНС та НАН Украини

Украинский гидрометеорологический институт

Результаты шурфования снежной толщи в районе украинской антарктической станции «Академик Вернадский»

Сергей Клок

Александр Афтенюк

Аннотация

Основной целью исследования является анализ результатов шурфования снежной толщи на разных этапах снегонакопления в районе Украинской антарктической станции «Академик Вернадский» за период наблюдений 2013-2017 гг. с использованием статистических и математических методов. В результате проведенных исследований получена общая схема снегоотложения, выделен лавиноопасный слой, а также определено ориентировочное время его формирования. В работе сделаны выводы об основных этапах формирование снежной толщи в исследуемом районе.

Ключевые слова: снег, климат, шурфы, дата, сезонное распределение

С. Клок, О. Афтенюк. Результати шурфування снігової товщі в районі української антарктичної станції «Академік Вернадський»

Основною метою дослідження є аналіз результатів шурфування снігової товщі на різних етапах снігонакопичення в районі Української антарктичної станції «Академік Вернадський» за період спостережень 2013-2017 рр. з використанням статистичних і математичних методів. В результаті проведених досліджень отримана загальна схема снігонакопичення, виділено лавинонебезпечний шар, а також визначено орієнтовний час його формування. У роботі зроблені висновки про основні етапи формування снігової товщі в досліджуваному районі.

Ключові слова: сніг, клімат, шурфи, дата,

Klok S.V., Afteniuk A.A. results of snow pits in the area of the Ukrainian antarctic «Akademik Vernadsky» station

One of the most informative and valuable sources of information about snow cover is its snow pits. As a rule, it is conducted continuously since the formation of a stable snow cover, with the aim of studying its individual features of layers: height, temperature, density, water content, structure, the identification of avalanche-forming layers and other important characteristics. The analysis of the stratigraphy of the snow cover, along with other important characteristics, makes it possible to determine the initial conditions of formation, as well as its seasonal dynamics, which is important when solving certain applied problems. The purpose of this research is to conduct a comparative analysis of the results of snow pit analysis at different stages of snow accumulation in different years at the Ukrainian Antarctic station "Academician Vernadsky" during the observation period 2013-2017.

It should be noted that the area of the study is characterized by extremely unstable weather conditions, which are formed under the influence of sea air masses [1, 2, 7, 8]. With this type of weather, quite often during the winter time, positive air temperatures are observed, as well as its intensive fluctuations against the background of high air humidity and wind speed. All these factors have a fundamental effect on the formation of the snow cover [9]. In the course of this work, it was established that: in the region of the study, the formation of an snow layer of height is 2-3 m, occurs during relatively warm conditions (the average temperature in January is 0.7°C, the total temperature sum of the winter months is -23,7°Q and a long winter (6-7 months), it has distinctive features. In particular, snow with temperature close to 0°C tends to melt, which together with the dynamic factor leads to an increase in its density to 0.5 g/cm³ and higher. The formation of a large number of layers at the initial stage of the snow cover formation can be explained by frequent and heavy snowfalls. As snow accumulates, it transforms its individual layers, which depends on the air temperature, the wind regime. Some of the formed layers, especially formed at the initial stage, have a weak vertical height, which subsequently leads to their deformation to the greatest extent and a gradual fusion with more powerful layers.

At the period of seasonal maximum snow height (at the end of October or in November), the snow cover has clearly distinctive structure. Layers with different granularity are well defined. Also, there is a regular compaction of snow from the surface to the base of the snow cover. Radiation, thermal and wind firms are observed at lower horizons, where snow density is higher. Avalanche layers that have a lower density and loosened of a small height can be identified in each of the analyzed snow pits.

Analysis of the daily increment of snow cover, as less variable characteristic (in comparison with its height), enabled us to determine the main time intervals for the formation of snow layers. It is obvious that these intervals are a reflection of the atmospheric processes that form the seasonal snow cover in the area of the Ukrainian Antarctic station "Academician Vernadsky". The average long-term daily increase in snow cover height shows local maximums in July-early August. Thus, potentially avalanche-forming layers are forming at this time.

Analysis of the daily increment of snow cover, as less variable characteristic (in comparison with its height), enabled us to determine the main time intervals for the formation of snow layers. It is obvious that these intervals are a reflection of the atmospheric processes that form the seasonal snow cover in the area of the Ukrainian Antarctic station "Academician Vernadsky". The average long-term daily increase in snow cover height shows local maximums in July-early August. Thus, potentially avalanche-forming layers are forming at this time.

Thus, a general scheme of snow accumulation was obtained, which presupposes the formation of 6-8 stable layers by the end of the winter season (during the maximum snow-accumulation period). The main time stages of snow accumulation in the area of station location are identified.

Key words: snow, climate, snow pits, date, seasonal distribution

Введение

За последние два десятилетия Гренландский и Антарктический ледниковые щиты теряли массу (высокая степень достоверности). Ледники продолжали сокращаться практически во всем мире (высокая степень достоверности). Площадь снежного покрова в весенний период в Северном полушарии продолжала сокращаться (высокая степень достоверности). Существует высокая степень достоверности значительных региональных различий тренда площади морского льда в Антарктике, причем весьма вероятно, что общая площадь увеличивается. Ледники теряли массу и это вносило вклад в повышение уровня моря в течение XX века. Весьма вероятно, что темп потери массы Гренландским ледниковым щитом увеличился в период с 1992 г. по 2011 г., что привело к более значительным темпам потери массы в 2002-2011 гг., чем с 1992 г. по 2011 г. Также вероятно, что темпы потери массы Антарктическим ледовым щитом главным образом в северной части Антарктического полуострова и в секторе моря Амундсена в Западной Антарктике, увеличились в период с 2002 г. по 2011 г. [10]. Все это свидетельствует о важности и актуальности наблюдений за снегом. Исследование снежного покрова является одной из наиболее сложных задач метеорологии, решение которой возможно лишь при комплексном подходе: наряду с анализом физико-механических свойств, крайне важно сопоставление основных дат и сроков формирования (разрушения) снежного покрова, а также исследование его стратиграфии [1, 2].

Наблюдения за стратиграфией снежной толщи связаны с необходимостью исследования отдельных ее слоев и прослоек: определения их мощности, структуры, температуры, выявление лавиноообразующих горизонтов и т.д. Анализ стратиграфии снежного покрова остается актуальной и важной задачей, поскольку дает возможность определить начальные условия формирования, а также дальнейшее его развитие - динамику. Часто, при наступлении сопутствующих условий в нем формируются слои меньшей плотности, т.е. потенциально лавиноопасные слои, выявление которых является важной прикладной задачей. На сегодня имеется достаточно большое количество публикаций по снежному покрову, хотя региональные его особенности весьма разнообразны и изучены недостаточно. Кроме того, можно предположить, что в условиях современного изменения климата, они также претерпевают существенных изменений и требуют постоянного уточнения, особенно, когда речь идет о полярных территориях [3-7, 9-11].

Несмотря на то, что анализ структуры снежного покрова является крайне важной прикладной и научной задачей, в исследуемом районе этими вопросами занимались лишь в течение первых Украинских антарктических экспедициях [4-6]. Анализ более ранней литературы показывает, что в период с начала 60-х по 80-е года прошлого столетия британские ученые также вплотную занимались исследованиями динамики снежной толщи [12]. В данной работе проведен анализ имеющихся данных по стратиграфии снега в районе Украинской антарктической станции «Академик Вернадский» за последний период работы - с 2013 по 2017 гг. Несомненно, при накоплении достаточного количества данных наблюдений, в последующем, результаты этих исследований будут иметь весьма серьезное значение, в частности, для оценки баланса массы ледников и др.

Материалы и методы исследования

В работе были использованы данные инструментальных наблюдений за снежным покровом (начиная с 1998 г.), а также другими составляющими погоды в районе Украинской антарктической станции «Академик Вернадский» за весь период работы станции - с 1947 года. Структура снежного покрова определялись визуально, его характеристики (плотность, высота) - расчетными методами или прямыми измерениями [9]. В ходе выполнения работы использованы общеизвестные методы статистического анализа (расчет среднего значения, определение экстремумов), которые реализованы через встроенные функции программного обеспечения Excel, Statistica, Surfer.

Результаты и обсуждения

Исследуемый район характеризуется погодными условиями, которые формируются под воздействием морской воздушной массы [1, 2, 7, 8]. При неустойчивом характере погоды довольно часто в зимнее время наблюдаются положительные температуры воздуха, а также интенсивные ее колебания на фоне повышенных влажности воздуха и скорости ветра. Все эти факторы, в совокупности, оказывают основополагающее воздействие на формирование снежного покрова [9]. В ходе выполнения данной работы было установлено: в связи с тем, что в исследуемом регионе формирование незначительной снежной толщи, высота которой составляет 2-3 м (рис. 1), происходит в условиях относительно теплой (средняя температура января составляет 0,7 °С, сумма температур зимних месяцев - -23,7°С) и продолжительной (6-7 месяцев) зимы, она обладает отличительными особенностями. В частности, снег выпадает зачастую достаточно влажный, температура его близка к 0 °С, динамический фактор приводит к повышению его плотности до 0,5 г/см³ и выше.

Начало образования устойчивого снежного покрова в районе УАС «Академик Вернадский» приходится на апрель. Выпадающий в первой половине зимы (апрель - июнь) снежный покров имеет незначительную вертикальную мощность, которая не превышает 1 -го метра. При этом стратиграфия снежной толщи на этом этапе достаточно проста, что наглядно демонстрирует рис. 2 на примере 2017 года.

Анализ шурфа показывает 5 слоев снега с прослойками ледяных корок. Большое количество слоев на начальном этапе формирования снежного покрова можно объяснить частыми и обильными снегопадами. По мере накопления снега происходит их трансформация, которая зависит от температуры воздуха, ветрового режима. Некоторые из этих слоев имеют слабую вертикальную мощность, что, очевидно, в дальнейшем будет приводить к их деформации в наибольшей степени.

На следующих рис. 3, 4 изображены шурфы снежного покрова, которые были получены в районе УАС «Академик Вернадский» в период максимального снега - в конце октября или в ноябре месяце. На этом этапе слои снега являются сформировавшимися, со своей четко выраженной структурой.

Анализ показывает, что в этот период хорошо определяются слои снега с различной зернистостью, кроме того, имеет место закономерное уплотнения снега от поверхности к основанию снежной толщи. Радиационные, термические и ветровые корки наблюдаются на более низких горизонтах, где плотность снега больше.

шурфование снегоотложение лавиноопасный антарктический

Лавиноопасные слои - меньшей плотности (разрыхленные) небольшой вертикальной мощности можно видеть в каждом из приведенных шурфов. Следует отметить, что на этом этапе формирования, наблюдается хорошо выраженное деление толщи на отдельные горизонты из свежевыпавшего, мелко-, средне- и крупнозернистого снега. Очевидно, шурф за 07.11.2016 г. существенно богаче, поскольку представлен большим количеством, как слоев снега, так и ледяных прослоек. Это свидетельствует, прежде всего, о том, что холодный период 2016 года был более неустойчивым по сравнению с 2013 годом, с часто меняющимися погодными условиями.

При потеплениях наблюдалось выпадение жидких осадков, как следствие чего - интенсивное таяние снежного покрова, активное оседание снега и формирование ледяных корок, а также водонасыщенных слоев. Очевидно, что динамический фактор также был разным и определенным образом повлиял на формирование снежной толщи в течение зимы 2013 и 2016 годов. Следует отметить, проведенное сравнение шурфов в течение сезона показало уплотнение нижних слоев снега от начала зимы (май-июнь) к её окончанию (октябрь-ноябрь).

Анализ высоты снежного покрова является не всегда показательным, поскольку она обладает существенной изменчивостью и во многом зависит от погодных условий, наблюдающихся при отложении снега. На следующем, рис. 5 изображена динамика ВСП и суточных её приростов, анализ которых дает возможность отследить основные временные интервалы образования снежных слоев, выявленных во время шурфования.

Следует отметить, что промежуточные даты процесса отложения снега достаточно близки как на приведенных, так и других графиках. Отличительной особенностью кривых на рис. 5 является схожесть начального периода снегонакопления (с незначительной высотой снега), который длится до середины июня. Приросты снега в это время незначительны, хотя и довольно частые. Заметно, что в течение начального периода снегоотложения в районе УАС «Академик Вернадский» имеют место частые уменьшения высоты снега, которые соизмеримы с величиной приростов.

Интересно, что средний многолетний суточный прирост высоты снежного покрова (рис. 6) демонстрирует зону максимальных значений в июле-начале августа. Это дает возможность предположить, что именно в это время формируется лавиноопасный слой.

Как это видно из рис. 6, кривая суточных приростов вполне логично обладает большей неустойчивостью в первой половине зимы - до середины июня.

Выводы. В течение исследуемого периода формирование снежной толщи в районе УАС «Академик Вернадский» происходит по типу её уплотнения, что говорит о преобладании процессов деструктивного метаморфизма - особенно на начальном этапе. В дальнейшем происходит усиление процессов конструктивного метаморфизма, хотя, вследствие увеличения ветровой нагрузки при снегопадах и достаточно лояльном температурном режиме они несколько ограничены.

Шурфование снежной толщи выявило следующие особенности:

• в период снегонакопления за сезон в исследуемом районе, в среднем, образуется 5-6 постоянных слоев, хотя в отдельные неустойчивые зимы их количество может быть существенно больше; эти слои формируются в конкретные интервалы времени, близкие в разные годы;

• неустойчивые лавиноопасные слои снега с меньшей плотностью образуются в период максимальных приростов снега - июль-август, вертикальная мощность их, как правило, незначительна.

Выводы

Таким образом, получены результаты, которые дают более широкое представление о свойствах снега и самом процессе снегонакопления в исследуемом районе. Сравнительный анализ показал, часть из них подтверждаются более ранними данными предыдущих Украинских антарктических экспедиций.

Следует отметить важность, актуальность и перспективность проведения гляциологических исследований в дальнейшем, поскольку количество выпавшего снега в значительной степени формирует водный балланс, а условия и продолжительность его залегания - радиационный баланс полярных районов. Стратиграфия снежной толщи отображает сезонную его динамику, процессы, происходящие внутри ее под воздействием разных факторов, а также она дает возможность оценить в полной мере количество выпадающих осадков.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Государственному учреждению Национальный антарктический научный центр МОН Украины за предоставленные первичные данные и материалы, полученные на УАС «Академик Вернадский» во время Украинских антарктических экспедиций.

References

1. Averyanov V.G. Glyatsio-klimatologiya Antarktidyi [Glacio-climatology of Antarctica] / V.G Averyanov // Gidrometeoizdat. - L., 1990. - 198 s

2. Atmosfera. Spravochnik [ Atmosphere. Reference] / Gidrometizdat. - L., 1991, - 512 s.

3. Belokrinitskaya L.M. Sezonnaya i dolgovremennaya izmenchivost tolschinyi snezhnogo pokrova na lednike Galindez [Seasonal and long-term variability of snow cover thickness on the glacier Galindez ] / L.M Belokrinitskaya, V.F. Grischenko, V.N. Ivchenko, S.V Klok, G.M. Kruchenitskiy // Ukrainskiy antarkticheskiy zhurnal[ Ukrainian Antarctic Journal] - K., 2006 - №4-5. - S.295-299.

4. Govoruha L.S. Kratkaya geograficheskaya i glyatsiologicheskaya harakteristika arhipelaga Argentinskie ostrova [Brief geographical and gla- ciological characteristics of the archipelago of the Argentine Islands] / L.S. Govoruha // Byulleten Ukrainskogo antarkticheskogo tsentra [Bulletin of Ukrainian Antarctic centre] - K., 1997. - Vyip.1. S. 17-19.

5. Govoruha L.S. Glyatsiologicheskie issledovaniya na ostrove Galindez [Glaciological research on the island of Galindez] L.S. Govoruha // Byulleten Ukrainskogo antarkticheskogo tsentra [Bulletin of Ukrainian Antarctic centre] K., 1997. Vyip.1. - S.67-76.

6. Grischenko V.F. Osobennosti rezhima i harak- teristiki snezhnogo pokrova ostrova Galindez [Features of the regime and characteristics of the snow cover of Galindez Island] V.F. Grischenko,

S.V. Klok, V.E. Timofeev // Nauchnyie issledo- vaniya v Antarktide: III mezhdunarodnaya kon- ferentsiya [Scientific research in Antarctica: III International Conference] 9 maya - 2 iyunya 2006 g. - K., 2006. - S.84-92.

7. Klok S.V. Analiz osnovnih dat i otdelnyie harakteristiki snIzhnogo pokrova v rayone Ukrainskoy antarkticheskoy stantsii Akademik Vernadskiy [Analysis of the main dates and individual characteristics of the snow cover in the area of the Ukrainian Antarctic Station Academician Vernadsky] K.: UAZh, №15, 2016. - S.35-40.

8. Martazinova V.F. Atmosfernaya tsirkulyatsiya yuzhnoy polyarnoy oblasti i klimat Antarkticheskogo poluostrova [Atmospheric circulation of the southern polar region and the climate of the Antarctic Peninsula] / V.F. Martazinova, V.E. Timofeev, E.K. Ivanova // - K.: Avers, 2010. - 92 s.

9. Materialyi glyatsiologicheskih issledovaniy Mezhdunarodnaya klassifikatsiya dlya sezonno- vyipadayuschego snega (rukovodstvo k opisaniyu snezhnoy tolschi i snezhnogo pokrova) [Materials of glaciological research International classification for seasonally falling snow (a guide to the description of the snow layer and snow cover)] Institut geografii Rossiyskoy akademii nauk. Glyatsiologicheskaya assotsiatsiya - [Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences. Glaciological Association] -- M., 2012. - Vp. 2012-2 - 82 s.

10. MGJeIK, 2014: Izmenenie klimata, 2014 g.: Obobshhajushhij doklad. Vklad Rabochih grupp I, II i III v Pjatyj ocenochnyj doklad Mezhpravitel'stvennoj gruppy jekspertov po izmeneniju klimata [osnovnaja gruppa avtorov, R.K. Pachauri i L.A. Mejer (red.)]. MGJeIK, Zheneva, Shvejcarija, 163 s.

11. Barnett T.P. The e ect of Eurasian snow cover on regional and global climate variations / T.P. Barnett, L. Dumenil, U. Schlese et al. // J. of Atm. Sci. 1989. Vol. 46, N5. P. 661-685.

12. Thomas R.H. Studies on the ice cap of Galindez Island, Argentine Islands / R.H. Thomas // British Antarctic Survey Bulletin. 1963. Vol. 6. P. 27-43.

Размещено на allbest.Ru