Table of Contents

Понимание физики горных метелей

Для удовлетворения официального определения, устойчивые ветры или частые порывы должны достигать не менее 35 миль в час (около 30 узлов), видимость должна быть уменьшена до менее чем четверти мили (0,4 км) из-за падения или выдувания снега, и эти условия должны сохраняться в течение как минимум трех часов (NOAA Национальная лаборатория сильных штормов) [[NOAA:1]]. В то время как метели могут возникать на равнинах и арктической тундре, преобладающие снегом горные районы мира действуют как естественные лаборатории для этих жестоких погодных явлений. Физика в игре включает в себя сложное взаимодействие термодинамики, гидродинамики и геопространственной топографии. От Сьерра-Невады до Гималаев и Скалистых гор, понимание основной науки показывает, почему возвышенность особенно склонна к созданию некоторых из самых интенсивных метелей на Земле. Эта статья обеспечивает подробное исследование физических процессов, которые приводят к образованию метели в горных средах, сосредоточив внимание на орографическом подъеме, атмосферной стабильности, микрофизике снега и механике в

Термодинамические предпосылки для формирования Blizzard

Прежде чем понять уникальные горные влияния, необходимо установить фундаментальные термодинамические условия, которые должны присутствовать при любой метели, чтобы сформироваться.Эти предпосылки коренятся в поведении воздушных масс, градиентах температуры и доступности влаги.

Холодные воздушные массы и острые фронтальные границы

Метеорологические метели приводятся в действие выраженными температурными контрастами. Для образования метели обычно требуется мощная система низкого давления, чтобы втянуть холодный полярный или континентальный воздух на юг в прямой конфликт с более теплым, влагозагруженным воздухом. Эта граница, известная как фронт, где атмосферная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, питающую интенсивные ветры. Сила ветра прямо пропорциональна силе градиента давления, которая сама является продуктом разницы температур по фронту. В контексте горных регионов холодный воздух часто плотный и тяжелый, затухая против наветренной стороны горного хребта. Этот эффект затухания усиливает местный градиент давления, приводя к ветрам, которые могут намного превышать порог в 35 миль в час. Конкретный след системы низкого давления относительно горного барьера диктует, испытывает ли регион тяжелый, влажный снег или сухой, дующий порошок.

Доступность влаги и уравнение Клаузиуса-Клапейрона

Физика фазовых изменений диктует, сколько влаги доступно для снегопада. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона описывает экспоненциальную связь между температурой и давлением насыщения паров воздуха. В то время как более теплый воздух может удерживать экспоненциально больше водяного пара, парадокс метели заключается в том, что она возникает в очень холодном воздухе. Однако задействованная холодная воздушная масса не должна возникать в сухой среде. Если штормовая система притягивает воздух над относительно теплым водоемом (например, Великими озерами или Тихим океаном) до того, как она будет вынуждена перебирать значительную влагу. Холодный воздух в сочетании с адвекцией влаги вблизи поверхности создает состояние потенциальной нестабильности. Когда эта воздушная масса поднимается орографически, быстрое охлаждение заставляет конденсацию и осаждение, высвобождая огромное количество скрытого тепла. Этот латентный тепловой выброс может еще больше активизировать штормовую систему, снижая центральное давление низкого и усиливая ветры, создавая петлю положительной обратной связи, которая поддерживает метель.

Орографическое усиление: как горный инженер ослепляет

Горная топография не является пассивным участником метели; она активно формирует и усиливает шторм.Основной механизм — орографический подъем, но эффекты распространяются на направление ветров и создание уникальных явлений на стороне ли.

Орографический двигатель и адиабатическое охлаждение

Когда влажный воздушный поток сталкивается с горным барьером, он вынужден подниматься. Это восхождение заставляет воздушную посылку расширяться и охлаждаться адиабатически. Скорость охлаждения первоначально представляет собой сухую адиабатичную скорость опускания (около 9,8 ° C на километр). Как только воздух достигает точки росы и начинается конденсация, высвобождается скрытое тепло, замедляя скорость охлаждения до влажной адиабатической скорости опускания (обычно от 4 до 7 ° C на километр). Это устойчивое охлаждение очень эффективно при насыщении воздушной массы и производстве широкого облачного покрова и осадков (UCAR Center for Science Education) .

Эффективность этого «орографического двигателя» означает, что наветренные склоны могут видеть устойчивый, сильный снегопад в течение нескольких дней. В отличие от стандартного шторма, который движется через область, гора может закрепить штормовую систему, вынуждая непрерывный подъем на ее наветренном фланге. Этот процесс может выжимать огромное количество влаги из атмосферы, что приводит к скорости снегопада, которая регулярно превышает 2-4 дюйма в час. Орографический двигатель является основной причиной, по которой горные хребты, такие как Сьерра-Невада и Альпы, могут накапливать снежные глубины, которые измеряются в метрах во время одного метели.

Ли-Сайд Динамика: Ветряные бури и наземные метели

Условия метели не ограничиваются наветренными склонами. На подветренной стороне крупных горных хребтов мощные нисходящие ветры могут создавать сильные наземные метели. По мере того, как воздух течет над гребнем горного хребта и спускается по подветренному склону, он сжимается и прогревается адиабатически. Это создает «дождевую тень» и оказывает сухий эффект. Однако физика гидродинамики над препятствием может создавать гидравлический скачок или горную волну, которая приносит на поверхность на лиевой стороне очень сильные ветры.

Эти ветры, известные как ветры Чинука в Скалистых горах или ветры Фона в Альпах, могут порывы до более чем 100 миль в час. Пока они теплые и часто ясное небо, они могут подхватить существующий снег, лежащий на склонах ли. Это явление называется «земной метелью». Транспорт снега по ветру полностью заслоняет видимость, создает массивные дрейфы и создает условия, которые соответствуют официальному определению метели (ветер > 35 миль в час, видимость < 0,25 миль) без единой снежинки, падающей с неба. Физика здесь обусловлена контрастом плотности между нисходящим воздухом и окружающим воздухом, а также сохранением энергии и импульса (принцип Бернулли), поскольку воздух ускоряется вниз по склону.

Физика выдувания снега и снижение видимости

Определяющей характеристикой метели является резкое снижение видимости, вызванное подвешенными в воздухе частицами снега, понимание этого требует изучения жидкостной динамики взаимодействия ветра и снега.

Соляная, приостановка и скорость трения порога

Перенос снега ветром происходит в трёх перекрывающихся режимах. Процесс начинается, когда ветер оказывает на снежный ком сдвигающее напряжение. Когда скорость трения (мера этого напряжения) превышает критический порог, частицы снега начинают двигаться. Наиболее прямым режимом является сольтация, когда частицы отскакивают по поверхности по баллистической траектории, вытесняя при ударе другие частицы. Это основной механизм инициирования движения больших объёмов снега [[NSIDC Cryosphere Glossary].

Меньшие, более легкие частицы (и фрагменты разбитых кристаллов) поднимаются выше в турбулентный поток и полностью подвешиваются. Эта подвешенная нагрузка создает экстремальные условия отбеливания. Концентрация подвешенного снега уменьшается с высотой, но верхняя часть слоя снега может простираться на сотни футов в воздух. Пороговая скорость трения, необходимая для инициирования выдувания снега, зависит от свойств снежного покрова. Новый, легкий и пушистый снег имеет очень низкий порог (требующий меньше ветра для дуния), в то время как старый, плотный или корявый снег имеет более высокий порог. Вот почему горная метель, которая отлагает сухой порошок, гораздо более вероятно, чтобы создать тяжелые условия дуния и дрейфа, чем тот, который отлагает тяжелый, влажный снег.

Световое вымирание и видимость в условиях отбеливания

Снижение видимости метели является прямым результатом рассеяния света взвешенными частицами льда. Этот процесс описывается коэффициентом вымирания , который пропорционален общей площади поперечного сечения частиц в заданном объеме воздуха. Крошечные, нерегулярные формы кристаллов льда и фрагментированных снежинок очень эффективны при рассеянии видимого света.

Метеорологическая видимость определяется как наибольшее расстояние, на котором можно увидеть и идентифицировать черный объект подходящего размера по горизонту неба. В условиях сильной метели концентрация подвесного снега настолько высока, что коэффициент вымирания становится очень большим, ограничивая видимость всего несколькими метрами или даже меньше. Это состояние особенно опасно в горной местности, поскольку дезориентирует путешественников и полностью заслоняет такие опасности, как утесы, трещины и лавинные пути. Физика рассеяния света (Mie scattering) в метели похожа на физику рассеяния света в густом тумане, но частицы льда обычно больше и сложнее, чем капли воды, что приводит к чрезвычайно эффективному затуханию света.

Снежная кристаллическая микрофизика и интенсивность метели

Точная природа снега, падающего во время метели, продиктована микрофизическими процессами, происходящими в родительском облаке, размер, форма, плотность и концентрация кристаллов снега оказывают глубокое влияние как на скорость накопления, так и на склонность к выдуванию снега.

Ядро, процесс Бержерона и кристаллическая привычка

Горные облака часто содержат переохлажденную жидкую воду, которая является водой, которая остаётся жидкой при температурах значительно ниже нуля. В этих облаках кристаллы льда образуются в присутствии ядер льда (таких как пыль или глинистые частицы). Процесс Бержерона-Финдейзена описывает, как из-за разницы в давлении насыщения паров над льдом по сравнению с жидкой водой кристаллы льда быстро растут за счёт окружающих переохлаждённых капель воды. Это приводит к образованию нетронутых кристаллов льда.

Конкретная форма или привычка снежного кристалла определяется температурой и перенасыщением облачного слоя, где он растет. При температурах около -15 °C и высокой перенасыщенности кристалл образует классический шестиветвистый звездный дендрит. При -5 °C чаще встречаются иглы и колонны. Эти разные привычки имеют совершенно разные физические свойства. Звёздные дендриты большие, тонкие и имеют очень высокое соотношение площади поверхности к массе. Они легко поднимаются ветром и очень подвержены фрагментации при соляции. Иглы и колонны, будучи более компактными, имеют разные транспортные характеристики. Если облако содержит высокие концентрации переохлажденной воды, кристаллы могут стать оправой, образуя плотный, округлый граупель. Граупель намного тяжелее и требует гораздо более сильных ветров, чтобы стать подвешенным, но он способствует чрезвычайно высокой нагрузке осадков.

Агрегация и плотность снега

По мере падения и столкновения кристаллов льда они могут слипаться в процессе, называемом агрегированием. Это в значительной степени зависит от температуры; агрегация наиболее эффективна при температурах, близких к замерзанию (0 °C), где снежинки «прилипчивее». В горной метели, если температура облаков относительно теплая, большие, пушистые агрегаты образуются. Эти хлопья могут быть несколько сантиметров в поперечнике. Хотя они большие, их плотность низкая, что делает их умеренно восприимчивыми к ветровому транспорту. Напротив, при очень низких температурах, часто встречающихся на высоких высотах (ниже -20 °C), агрегация неэффективна, и снег падает как маленькие, отчетливые кристаллы или простые пластины. Этот «алмазная пыль» или мелкий порошок чрезвычайно легок и имеет самую низкую пороговую скорость трения, что означает, что он наиболее легко выдувается, создавая частые условия отбеливания независимо от абсолютной скорости снегопада.

Региональные проявления: тематические исследования в горных метель

Общая физика метелей проявляется по-разному в зависимости от конкретной географии и климата горного хребта.

Сьерра-Невада: Орографический бегемот

Горный хребет Сьерра-Невада в Калифорнии является классическим примером чистого орографического усиления. Штормы, происходящие в Тихом океане, сталкиваются с крутой, почти 10 000-футовой стеной. Орографический двигатель здесь невероятно эффективен. Во время метели сочетание обильной тихоокеанской влаги и вынужденного восхождения приводит к экстремальным темпам снегопада. Физика отношения Клаузиус-Клапейрон гарантирует, что эти события «атмосферной реки» несут огромную влагу. Мясо здесь характеризуется очень высокими ветрами на гребне (часто превышающими 150 миль в час), интенсивным снегопадом (скорость 4-6 дюймов в час) и чрезвычайно низкой видимостью. Снег часто плотный и влажный на более низких высотах, переходя на более сухой, более легкий снег выше 8 000 футов. Угроза для инфраструктуры значительна, поскольку линии электропередач и крыши должны бороться с огромным весом снега.

Гималаи: высотные крайности

С метелью в Гималаях часто связаны «западные возмущения», которые представляют собой системы низкого давления, происходящие в Средиземноморье, которые следуют через Центральную Азию. Физика осложняется экстремальной высотой. На возвышенностях выше 15 000 футов воздух намного тоньше и температуры последовательно значительно ниже нуля. Снег, образующийся в этих условиях, почти повсеместно очень легкий, сухой и мелкокристаллический порошок. Этот тип снега исключительно подвижн. Умеренный ветер в Гималаях (20-30 миль в час) может вести себя как сильный ветер на уровне моря из-за низкой плотности воздуха и высокой подвижности снега, создавая внезапные и смертельные условия отбеливания на высоких проходах. Потенциал для наземных метелей здесь очень высок, а удаленная природа местности делает спасательные работы чрезвычайно трудными.

Скалистые горы: столкновение воздушных масс

Скалистые горы испытывают высокую частоту метель из-за частого столкновения арктических воздушных масс из Канады с влажным тихоокеанским воздухом. Уникальным физическим процессом в Скалистых горах является событие «всплытия». Когда арктический воздух толкает на юг и восток от гор, холодные воздушные бассейны вдоль передней линии. Пасхальные ветры затем вынуждены подниматься вверх по восточным склонам Скалистых гор. Этот поток наклона охлаждает воздух дальше, насыщая его и производя тяжелый снег. Одновременно сильный градиент давления между высоким давлением над Великими равнинами и низким давлением над горами создает интенсивные ветры с востока. Эта комбинация тяжелого, высокого снега и сильных восточных ветров, встречающих высокий барьер, создает некоторые из самых продолжительных и опасных метельных условий в Северной Америке (NOAA Weather Service - Blizzard Safety) . Далее на запад, ветры Чинука на подветренной стороне Скалистых гор обеспечивают резкий контраст, демонстрируя, что физика

Будущее горных метелей в меняющемся климате

Синтезирование физики образования метели позволяет лучше понять, как эти события могут развиваться в будущем. Уравнение Клаузиуса-Клапейрона диктует, что более теплая атмосфера может удерживать значительно больше влаги. На каждые 1 °C повышение температуры влагоудерживающая способность атмосферы увеличивается примерно на 7%.

Хотя интуитивно понятно, что более теплый мир увидит меньше снега, физика горных метель более сложна. Исследования показывают, что в самых холодных районах высокого подъема, согревающая атмосфера будет вводить больше влаги в штормовые системы. Если температура воздуха остается достаточно холодной для снега, эта повышенная влажность приводит к более интенсивным снегопадам. Другими словами, частота экстремальных, высокоосадочных горных метелей может фактически увеличиться в потеплении климата, потому что двигатель шторма имеет больше топлива (влажности) для работы с (NOAA Climate.gov - Изменение климата и зимние штормы) .

Кроме того, распределение между влажным снегом и сухим снегом будет меняться. «линия дождя и снега» будет ползти выше по высоте. Это означает, что метель, которая могла бы произвести сухой, ветровой снег на высоте 4000 футов в прошлом, теперь может производить тяжелый, влажный снег или даже дождь на этой высоте. Это меняет профиль опасности: тяжелый, влажный снег вызывает массивные структурные повреждения, в то время как сухой снег остается высокой опасностью для дуновения и дрейфа. Понимание фундаментальной физики - термодинамики, орографии и динамики жидкости - остается необходимым для прогнозирования этих изменений и для информирования планирования инфраструктуры, мер общественной безопасности и решений о поездках в заснеженных горных районах на десятилетия вперед.