Χίονι. ΙΑΡΘΡΩΣΗ Χιόνι

Transcript

1 Χίονι Νίκος Μαµάσης* Εργαστήριο Υδρολογίας και Αξιοποίησης Υδατικών Πόρων Αθήνα 2009 * Μέρος του υλικού προέρχεται από την παρακάτω πηγή: Ναλµπάντης, Ι., Σηµειώσεις Προχωρηµένης Υδρολογίας - Μέρος Γ, 58 σελίδες, Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, 1999, ΙΑΡΘΡΩΣΗ Χιόνι ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΗΞΗΣ ΧΙΟΝΙΟΥ 1

2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Το χιόνι (snow) είναι µορφή κατακρήµνισης που δηµιουργείται από τη συµπύκνωση των υδρατµών σε θερµοκρασία κατώτερη των 0 ο C. Κατακρηµνίζεται µε τη µορφή απλών κρυστάλλων ή συνδυασµών και εναποτίθεται στο έδαφος σαν χιονοκάλυψη (snow cover), εκτός αν λειώσει κατά τη διαδροµή του στην ατµόσφαιρα και να µετατραπεί σε βροχή. Συνεχής χιονόπτωση µπορεί να σχηµατίσει συσσώρευση χιονιού (snow pack) στο έδαφος. Στις πολικές περιοχές αλλά και στα ψηλότερα όρη, όπου πέφτει σε µεγάλη ποσότητα και έκταση, η πίεση των επάνω στρώσεων το µετατρέπει σε πάγο, σχηµατίζοντας έτσι τους παγετώνες (glacier). Μετά την εναπόθεση του χιονιού αρχίζει η διαδικασία του µεταµορφισµού όπου οι δενδριτικοί παγοκρύσταλλοί αποσυντίθενται σε θραύσµατα τα οποία στη συνέχεια µεγαλώνουν και γίνονται πιο στρογγυλά. Εάν υπάρχει θερµοβαθµίδα στο συσσωρευµένο χιόνι οι µεγαλύτεροι κόκκοι σχηµατίζονται στο κοντά στο έδαφος και ονοµάζονται πάχνη βάθους (depth hoar). Σε διαλέκτους βορείων χωρών (Γροιλανδία, Σκανδιναβία) υπάρχουν δεκάδες λέξεις για να περιγράψουν το χιόνι όχι µόνοωςπροςτηµορφή του αλλά και σε άλλα χαρακτηριστικά ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στους 0 o C υπάρχει στο χιόνι νερό και στις τρεις µορφές Το χιόνι είναι µονωτής αφού έχει µικρή θερµική αγωγιµότητα Έχει υψηλή ανακλαστικότητα (albedo) Όταν λειώνει ή εξαχνώνεται απελευθερώνεται µεγάλο ποσό λανθάνουσας θερµότητας στο περιβάλλον Οι αρχικοί κρύσταλλοι γίνονται πιο σπυρωτοί µε τηεπίδρασητουανέµου, της λανθάνουσας θερµότητας και του νερού, ενώ σταδιακά αυξάνεται η πυκνότητα Ορυθµός τήξης του χιονιού εξαρτάται από την τοπογραφία, τη νέφωση και την ανακλαστικότητα Ηδηµιουργία χιονοστιβάδας (avalanche) εξαρτάται από τη συσσώρευση του χιονιού και την κλίση του εδάφους. Οι περισσότερες χιονοστιβάδες δηµιουργούνται ύστερα από χιονόπτωση µε ένταση µεγαλύτερη από 2 cm/hr και σε κλίσεις µοιρών. Σε µεγάλες κλίσεις όµως από 60 µοίρες σπάνια το χιόνι µπορεί να συσσωρευτεί σε µεγάλες ποσότητες και να δηµιουργήσει χιονοστιβάδα 2

3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σηµασία του χιονιού στην υδρολογία 1. Σηµαντικός υδατικός πόρος πολλών περιοχών 2. Η προσωρινή αποθήκευση νερού αυξάνει την υστέρηση µεταξύ κατακρήµνισης και απορροής 3. Μειώνει τον ρυθµό απορροής 4. Το χιόνι ευνοεί την επαναφόρτιση των υπόγειων υδροφορέων 5. Επιδρά σηµαντικά στο µικροκλίµα 6. Προξενεί ξαφνικές πληµµύρες που συνδυάζονται µεδιάβρωσηκαι κατολισθήσεις ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σηµασία εκτίµησης ύψους τήξης χιονιού 3

4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Κλιµατολογία χιονιού Η υψηλή ανακλαστικότητα (albedo) του χιονιού (συνήθως µεγαλύτερη από 0.80) σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι καλύπτει ένα µεγάλο ποσοστό των ηπείρων κάνει το χιόνι σηµαντικό παράγοντα στο ενεργειακό ισοζύγιο της γης. Το χιόνι επηρεάζει πολλές φυσικές διεργασίες (υδρολογικές, βιολογικές, γεωλογικές) Το ποσοστό της κατακρήµνισης που πέφτει ως χιόνι αυξάνει µετογεωγραφικό πλάτος και φθάνει το 65% περίπου στην Αλάσκα Στο 42% του Β. Ηµισφαίριου (πάνω από το γεωγραφικό πλάτος 40 ο ) εµφανίζεται τουλάχιστον εποχιακή χιονοκάλυψη Έντονη αύξηση χιονόπτωσης µετουψόµετρο Σχέση ποσοστού χιονόπτωσης (στην κατακρήµνιση) και υψοµέτρου ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ιεργασίες τήξης χιονιού Περίοδος συσσώρευσης Αρνητική καθαρή εισροή ενέργειας Πτωτικήτάσηθερµοκρασίας χιονοκάλυψης Αυξητική τάση ισοδύναµου ύψους νερού Περίοδος τήξης Φάση θέρµανσης (αύξηση θερµοκρασίας χιονοκάλυψης µέχρι 0 ο C) Φάση ωρίµανσης (κατακράτηση νερού τήξης) Φάση εκροής νερού 4

5 ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ ιεργασίες µεταµορφισµού χιονιού Καθίζηση λόγω βαρύτητας Παράγοντες: βάρος χιονιού, θερµοκρασία, πυκνότητα Αύξηση πυκνότητας 2-50 kgm -3 ηµ -1 Αποικοδοµητικός µεταµορφισµός ηµιουργία πιο σφαιρικών κόκκων Αύξηση πυκνότητας µέχρι και 1% ανά ώρα ως τα 250 kgm -3 Εποικοδοµητικός µεταµορφισµός Σε µικροκλίµακα: απόθεση µορίων νερού µεταξύ κόκκων και δηµιουργία λαιµού Σε µεγαλύτερη κλίµακα: κλίση θερµοκρασίας, εξάχνωση σε θερµότερες περιοχές, συµπύκνωση σε ψυχρότερες. Ψυχρός αέρας πάνω από λεπτή χιονοκάλυψη: έντονη πτώση θερµοκρασίας προς τα πάνω, έντονη εξάχνωση στη βάση του, δηµιουργία πάχνης βάθους (depth hoar) µε επίπεδους κρυστάλλους και µικρή αντοχή Μεταµορφισµός τήξης Πάγωµα νερού(από τήξη ή βροχόπτωση) σε ψυχρό χιόνι ηµιουργία στερεού πάγου σε µεγάλες εκτάσεις. Απελευθέρωση θερµότητας, θέρµανση του χιονιού και επιτάχυνση της µεταφοράς υδρατµών Σχηµατισµός µεγαλύτερων και στρογγυλεµένων κόκκων (διαµέτρου 1-2 mm) Στρωµάτωση στην αρχή της περιόδου τήξης Οµογενοποίηση κατά την τήξη (maxρs = 350 kgm -3 ) ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Τοµή χιονοκάλυψης 5

6 ΦΥΣΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ Χαρακτηριστικές ιδιότητες του χιονιού Μεγέθη V όγκος, Μ µάζα, Α έκταση, ρ πυκνότητα είκτες s χιόνι, i πάγος, w νερό, a αέρας, m τήξη Πορώδες: Περιεκτικότητα σε νερό: Πυκνότητα χιονιού: Ισοδύναµούψοςνερού: φ = (V a + V w )/V s θ = V w /V s ρ s = (M i + M w )/V s h m = [V w + V i (ρ i /ρ w )]/A = h s (ρ s /ρ w ) Μεγέθη πυκνότητας Όρια διακύµανσης: 4 < ρ s < 340 kg m -3 Συνήθη όρια: 70 < ρ s < 150 kg m -3 Μέση τιµήγιαεκτιµήσεις 100 kg m -3 όπου ρ s /ρ w σχετική πυκνότητα ΜΕΤΡΗΣΗ Μετρικές ιδιότητες του χιονιού µε υδρολογικό ενδιαφέρον Ύψος κατακρήµνισης (precipitation depth) Ύψος χιονόπτωσης (snowfall depth) Ύψος χιονοκάλυψης (snow cover depth) Ύψος τήξης χιονιού (snowmelt depth) Ύψος απωλειών (ablation) Ύψος εκροής νερού (water output) Ισοδύναµο ύψος νερού χιονόπτωσης (snowfall water equivalent) Ισοδύναµο ύψος νερού χιονοκάλυψης (snowcover water equivalent) 6

7 ΧΙΟΝΙ Μέτρηση χιονόπτωσης Ύψος χιονόπτωσης (σηµειακό) Χιονοτράπεζα (1 m 1 m), 1 m ύψος Ισοδύναµούψοςνερού(επιφανειακό) Ραντάρ καιρού Ισοδύναµούψοςνερού(σηµειακό) Χιονοτράπεζα (τήξη, ζύγιση) Παγκόσµιος βροχογράφος Μαξιλάρια χιονιού (snow pillows) Μέτρηση µεγεθών χιονοκάλυψης Ύψος χιονοκάλυψης (σηµειακό) Κινητός πήχης (µπαστούνι χιονιού) Μόνιµησταδία Έκταση χιονοκάλυψης Αεροφωτογραφίες Φωτογραφίες εδάφους ορυφορικές εικόνες Ισοδύναµούψοςνερού(σηµειακό) ειγµατολήπτης χιονιού ιαδροµές χιονοµέτρησης (snow courses) m 5-6 σηµεία Μαξιλάρια χιονιού (snow pillows) Ισοδύναµούψοςνερού(επιφανειακό) Μέτρηση ακτινοβολίας ΜΕΤΡΗΣΗ Μαξιλάρια χιονιού (snow pillows) Πρόκειται για µηχανισµούς εκτίµησης του ισοδύναµου ύψους νερού µε τηνµέτρηση της υδροστατικής πίεσης που δηµιουργείται από τη συσσώρευση χιονιού. Χρησιµοποιήθηκαν από τη δεκαετία του 1960 και σήµερα η επιφάνεια που καταλαµβάνουν είναι 3 m 2 SNOTEL site in Idaho 7

8 ΜΕΤΡΗΣΗ Αττική: 29/1/2008 ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΗΞΗΣ Πηγές θερµότητας για τη διαδικασία τήξης χιονιού 1. Συµπύκνωση υδρατµών (water vapor condensation) 2. Ακτινοβολία βραχέων και µακρών κυµάτων (radiation) 3. Μεταγωγή (convection). Μεταφορά θερµότητας µε µετακίνηση µαζών αέρα 4. Βροχόπτωση 5. Αγωγή (conduction). Μεταφορά θερµότητας από µόριο σε µόριο µε έδαφος και αέρα 8

9 ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΗΞΗΣ Συµπύκνωση υδρατµών (water vapor condensation) ΤΞ 6 =Κ*V*(e-6.11) ΤΞ 6 τήξη χιονιού (in/6 hr) e πίεση υδρατµών αέρα (mb) Κ εµπειρική σταθερά (ορίστηκε 0.005, αργότερα 0.003) V ταχύτητα ανέµου (m/hr) Ακτινοβολία (radiation) ΤΞ 12 =TΞ 0 *(1-0.75*n) ΤΞ 12 τήξη χιονιού (in/12 hr) ΤΞ 0 τήξη χιονιού σε πλήρη ηλιοφάνεια (in/12 hr) n νεφοκάλυψη (0-1) ΤΞ 0 γιαγεωγραφικάπλάτη40 ο -48 ο παίρνει τιµές 0.35 Μάρτιος, 0.42 Απρίλιος, 0.48 Μάϊος, 0.53 Ιούνιος ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΗΞΗΣ Μεταγωγή (convection) ΤΞ 6 = Κ*V*(Τ-32) ΤΞ 6 τήξη χιονιού (in/6 hr) Κ εµπειρική σταθερά ( σε 0 υψόµετρο, K*0.7 σε υψόµετρο10000 ft ) V ταχύτητα ανέµου (m/hr) Τ θερµοκρασία ( o F) Βροχόπτωση ΤΞ 1 = Β*(Τ w -32)/144*Q ΤΞ 1 τήξη χιονιού (in/1 hr) B βροχόπτωση (in) Τ w θερµοκρασία υγρού θερµοµέτρου ( o F) Q ποιότητα χιονιού (0.7-1) Αγωγή (conduction) Υπάρχουν εµπειρικές σχέσεις µεβάσητηνθερµική αγωγιµότητα του εδάφους και την κατακόρυφη κατανοµή της θερµοκρασία στο έδαφος. Εκτιµάται ότι η τήξη από αυτόν το παράγοντα είναι ασήµαντη (0.02 in/day) 9

10 Degree-day method Degree day ορίζεται η απόκλιση 1 ο F από µια ορισµένη θερµοκρασία σταθερά για µία ηµέρα Ανοικτές περιοχές ΤΞ = 0.06*(Τ µέση -24) ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΗΞΗΣ 34 o F< Τ µέση <66 o F ΤΞ = 0.04*(Τ µέγιστη -27) 44 o F< Τ µέση <76 o F ασώδεις περιοχές ΤΞ = 0.05*(Τ µέση -32) 34 o F< Τ µέση <66 o F ΤΞ = 0.04*(Τ µέγιστη -42) 44 o F< Τ µέση <76 o F ΤΞ τήξη χιονιού (in/24 hr) Τ µέση µέση θερµοκρασία ηµέρας ( o F) Τ µέγιστη µέγιστη θερµοκρασία ηµέρας ( o F) Q ΜΟΝΤΕΛΑ ΤΗΞΗΣ Regression equations U.S. ARMY G ( T 25) = m Q G T m ηµερήσια απορροή λόγω τήξης χιονιού (cm) συνολική ακτινοβολία µέγιστη ηµερήσια θερµοκρασία PYSKLYWEC, 1966 Q = n H ( T 36) u (RH) u r(T - 32) l Q n Η T u r ηµερήσια απορροή λόγω τήξης χιονιού (in/day) ηλιοφάνεια ακτινοβολία µακρών κυµάτων ηµερήσια θερµοκρασία (F) ταχύτητα ανέµου (mph) βροχόπτωση (in/day) 10