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