Sníh a sněhová pokrývka,zimní „klimatologie“

Sníh

• Sníh – krystalky vznikající okolo kondenzačních jader (mikroskopické částice – prach, půdní částice, soli) v atmosféře při teplotách hluboko pod bodem mrazu za podmínek saturovaného vzduchu

Sněhová pokrývka (snowpack, snow cover, snow layer) • Struktura – vrstvy různé mocnosti (mm–dm–m) a různých vlastností• náhodně orientované sněhové vločky a ledová zrna, póry vyplněné vzduchem a vodní

párou, při teplotách okolo 0°C i volnou vodou• teploty okolo bodu tání vysoká mobilita molekul metamorfóza sněhu• sněhové srážky – periodické měření „srážkoměry“ (snowfall gauge) v mm vodního

ekvivalentu (SWE – snow water equivalent), výška čerstvého sněhu

Vlastnosti sněhové pokrývky

• Trojí skupenství při 0°C• energetická bilance – skupenské teplo sublimace (2.83 kJ/g) a tání (333 J/g) sink

a redistribuce E

• radiační štít – vysoké albedo krátkovlnného záření – vliv na globální klima• prakticky „černé těleso“ pro dlouhovlnné (tepelné) záření• nízká tepelná vodivost strmý teplotní gradient modifikace podmínek prostředí• aerodynamicky „hladký“ povrch → rychlejší proudění vzduchu nad sněhovou

pokrývkou (vs. vegetační porost)

• Vodní bilance – zásobárna vody (hydrologie)• životní prostředí pro mikroorganismy• transportní médium – přenos sněhových

krystalků větrem, námraza, laviny• délka vegetační sezóny• indikátor znečištění ovzduší

Teplotně-izolační kapacita

• Průměrná hustota sněhu: čerstvý prašan 0.05–0.1 g/cm3 (50–100 kg/m3), firn 0.4 g/cm3, ledovcový led 0.83–0.91 g/cm3, čistý led 0.92 g/cm3

• tepelná vodivost sněhu – přímo úměrná hustotě a nepřímo izolační schopnosti• index teplotní izolace (Marchand 1996) – IT = Σ(z/G), z–výška (cm) a G–hustota

(g/cm3) jednotlivých vrstev– IT = ~200 – teplota pod sněhem není ovlivněna kolísáním teploty vzduchu

• teplotní gradient – záleží na kvalitě sněhu, teplotě vzduchu, výšce pokrývky, přítomnosti ledových vrstev, apod., většinou v rozmezí 0.2°–0.3°C/cm

0

50

100

150

200

250

-6-5-4-3-2-10

Teplota [°C]

Hlo

ubka

sně

hu [c

m]

Mrtvý les

Živý les

Paseka

• Energetická výměna uvnitř sněhové pokrývky a s okolím– kondukce (sníh-půda), konvekce a

advekce (míchání a tok látek – vzduch, déšť), přeměna skupenství (sublimace, tání/tuhnutí), radiační tok (krátko- a dlouhovlnné z.)

– ovlivněna počasím (teplota, vlhkost, rychlost větru, sluneční záření, srážky), stavem sněhové pokrývky (albedo, hustota), stavem půdy

Energetická bilance

Radiační tok

• Základní princip – intenzita záření tělesa I = εσT4 [W.m–2] – s teplotou roste množství vyzářené E– spektrální posun – maximum vyzářené

E směrem k větším vlnovým délkám (Wienův posunovací zákon) chladný sníh vyzařuje dlouhovlnné záření

• albedo – vysoké pro viditelnou část spektra– čerstvý sníh až 95%– velikost zrn, hladkost povrchu,

vegetace, …..• dlouhovlnné záření – sníh téměř ideální

černé těleso absorpce až 99.5% záření z okolí (atmosféra, objekty)

Radiační tok• Teplota sněhu ≤ 0°C, sníh ε = ca.

0.98 zpětná radiace dlouhovlnného záření do okolí– radiační počasí v noci – ochlazování

povrchu sněhu inverzní teplotní stratifikace

– možnost smogových situací (ice fog)• roční radiační bilance výrazně

ovlivněna sněhovou pokrývkou

Turbulentní energetická výměna – latentní a pocitové teplo

• Významná složka při dešti a zamračeném počasí– turbulence (míchání) vzduchu

• latentní teplo – kondenzace, sublimace– tlak vodní páry povrchu sněhu většinou blízko

saturaci (tající sníh ca 6 mb)– tlak vodní páry vzduchu <6 mb → sublimace

• pocitové (sensible) teplo – konvekce– teplotní gradient

• advekce – teplo déšťové vody– tající sníh – není skupenská změna, malý vliv– zmrzlý sníh – tuhnutí dešťové vody uvolnění

skupenského tepla tuhnutí → velký vliv na E bilanci pokrývky

deficit tlaku vodní páry ve vzduchu → sublimace

Diageneze sněhové pokrývky

• Destruktivní metamorfóza (equi-temperature)

• přeskupování molekul vody na povrchu sněhové vločky ztráta jemné krystalové struktury

• přeměna sněhových krystalků nepravidelně hranatá zrna více méně kulovitá ledová zrna – mnohem menší povrchové napětí oproti vločkám

• sesedání pokrývky vlastní vahou sněhu

Diageneze sněhové pokrývky• Konstruktivní m. (temperature-gradient)• teplotně podmíněná migrace sublimační

vodní páry  saturační rovnováha (100% relativní vlhkost při povrchu)

• kondenzace vodní páry na krystalech v horních vrstvách růst a překrystalování

• růst krystalů (2–10 mm) a současně pórů při povrchu půdy (dutinová jinovatka)

• povrchová jinovatka – rekrystalizace sublimační vodní páry na povrchu

Diageneze sněhové pokrývky

• Metamorfóza táním a zpětným tuhnutím (melt-freeze)

• při povrchových teplotách >0°C a/nebo za deště perkolace vody do spodních vrstev opětovné zmrznutí, uvolní se latentní teplo tuhnutí (333 J/g) = tepelná pumpa

• déšť x mlha – teplo dodané deštěm úměrné teplotě a latentnímu teplu – l.t. tání 333 J/g << l. t. kondenzace 2450 J/g– kondenzace vodní páry na sněhu sníh taje

relativně rychleji při mlze než za deště

Světelné podmínky pod sněhem

• Sluneční záření pod sněhem – značný biologický význam časování životních procesů (fenologie rostlin, reprodukční chování malých savců)

• extinkce přibližně podle Lambert-Beerova zákona, zpětný rozptyl (back-scatter) způsobuje vyšší hustotu záření než je predikce

• asi 30 cm sněhu – podmínky prakticky pod kompenzačním bodem fotosyntézy– fotosyntéza pod sněhem?

Fotosyntéza pod sněhem

• Rostlinná pletiva aktivní až do –5(–10)°C• zisk nevýznamný vzhledem k celoroční bilanci – fotosyntéza jednoho

slunečného letního dne zřejmě >> zisk z celého zimního období pod sněhem• spektrální složení světla! – indukce klíčení pod 2 m vrstvou sněhu

Distribuce sněhové pokrývky

• Makro-měřítko – globální atmosférická cirkulace, distribuce záření

• mezo/mikro-měřítko – gradient nadmořské výšky, přítomnost vodních ploch, redistribuce větrem, topografie a reliéf terénu, vliv vegetace

Redistribuce sněhové pokrývky větrem

• creep (rolling) – valivý pohyb částic, které nemohou být neseny větrem (5 mm vrstvička nad povrchem)

• saltace – „skákavý“ transport sněhových částic (největší efektivita řádově cm nad povrchem)

• turbulentní difúze (suspenze) – pohyb sněhových částic nesených vzduchem aerodynamickými silami (až 100 m nad povrchem)

– kouření sněhových polí

Redistribuce sněhu – vliv topografie terénu

• Akumulace sněhu obecně v závětrném prostoru terénních struktur, určena převládajícím směrem větru

– vlhký sníh při mírném větru – větší akumulace na návětrné straně

Intercepce sněhu vegetací

• Zachycení sněhových srážek vegetací → vliv na rozložení sněhu, vodní bilanci a mikroklima

• především vliv LAI → velký význam v ekologii jehličnaté tajgy

• účinnost intercepce – podíl zachyceného sněhu vůči celkovým srážkám– sběrná účinnost – podíl sněhu

zachyceného větví vůči horizontálnímu průmětu plochy

• řádově větší expozice sněhu zachyceného korunou → ztráty sublimací až 1/3 celkového množství

Působení zimních hydrometeorů a sněhu na rostliny• Námraza – ledová hmota tvořící se namrzáním podchlazených kapiček vody

na ........?• jinovatka – sublimací vodní páry za mrazu drobné ledové krystalky ve

tvaru jehliček (tepelná bilance rostliny)• sněhové závěsy – sníh zadržený v korunách stromů  vrcholové zlomy nebo

zlomení kmene (jehličnany – 12 m vysoký smrk pokrytý 50 cm vrstvou sněhu náklad až 3000 kg)

• plazivý sníh – působení smykovými silami šavlové formy dřevin, krivoles