雪变质

雪微观结构的变化是由于在一小部分初始沉淀粒子的多样性,但主要是热力学的各种转换冰矩阵经历因为水阶段之间的关系。这些转换被称为雪变质。自自然雪一般的温度接近三相点,大规模交流蒸汽和冰和冰之间的可能,蒸汽和液体水非常活跃。这个活动增强了大冰/空气界面的特定区域,这来源于雪微观结构。因此,在雪冰晶不断进化。变质的效果和速度根据现行热和气象条件不同,这也解释了为什么成功新鲜的雪层进化不同,积雪变成了分层的原因。变质分异的主要原因是缺乏或液相的存在。因此,我们区分干燥湿雪变质作用。从定性的角度来看,干和湿雪变质作用机制清楚了很长一段时间。雪的主要转换由于变质作用在图2.7中进行了总结。

干雪变质

干雪被定义为雪,不含液态水。根据这个定义,干雪的毛孔都是只有空气通常饱和蒸汽。通常是这样当一层雪几乎没有杂质的温度低于-0.01°C,但纯干雪甚至可能存在大量的温度接近0°C。蒸汽饱和是因为大型冰/空气界面的特定区域,这有利于大规模冰和水蒸气之间的交流,从而确保了宏观平衡时两个阶段之间没有间隙空气流动。在微尺度的平衡是不可能的,因为不同的温度和冰晶体几何。

根据方程(2.7)和(2.2),微观差异由于曲率的变化在饱和蒸汽压和温度有以下雪变质的重要后果。

•平衡增长形式。由于晶体的形状、曲率变化产生局部平衡蒸汽压的变化。如果性温度,周围的空气凸晶体表面(例如,晶体分支点的)往往是在蒸汽压高于凹表面周围的空气(在两个相邻晶体之间的债券,例如)。因此,诱导局部压力梯度

图2.7。概要描述了由于变质主要雪类之间的转换。

从凸对凹区域生成蒸汽扩散。保持平衡(尽可能),扩散的升华部分平衡凸晶体表面和一个相应的沉积在凹或凸表面。如果这个过程继续下去,因此高凸的表面收缩少而凹或凸表面生长。因为个人的平衡形成冰晶体是一个球体(形状)与最小的特定区域或表面体积比,谷物成为圆形。如果过程持续了好几周,雪颗粒的平均尺寸增加,但增长速度慢得多。

动能增长形式。如果一个温度梯度维护是通过一条雪的示例中,温度的变化产生的变化在饱和蒸汽压,从而引起蒸汽从最热的晶体表面扩散至最冷的。这种扩散是最热的升华部分平衡晶体表面和相应的沉积在最冷的。如果温度梯度足够高,最冷的表面足够快速的增长形成方面甚至条纹,它们各自的形状在上雕琢平面的灰白色晶体(4类)和深度(类5)。维护一个强大的温度梯度通过积雪层保持远离平衡形式和特定区域的雪弱增加甚至减少如果初始雪属于类3或6。

在自然条件下,曲率和温度梯度效应和竞争合作。新沉积的降水粒子(第1类)通常包括树突或平面晶体,具有众多大幅凸表面。在大多数情况下,这些凸特性迅速成为圆形和雪变形分解和分散降水粒子(二班)。在这个阶段,如果温度梯度超过5°C m - 1,变形成了雪面晶体(4类)和进一步向深度灰白色(类5)如果超过15°C m - 1。如果下面的温度梯度保持5°C m - 1,舍入雪仍在继续,变形成了圆形颗粒(3班)。

湿雪变质当雪拥有大量液态水(通常超过0.1%的体积),必须考虑质量交流三个水阶段来解释雪变质。在大多数情况下,湿雪不饱和和大众交流不局限于固体和液体阶段。如果我们忽视的影响杂质(主要集中在液相)和空气溶解成水的熔点Gibbs-Duhem和拉普拉斯方程决定温度的雪在低水含量变化负曲率的线性函数的总和和毛细管压力方程(2.9)。在雪水含量高,熔点的温度变化主要是负的线性函数曲率方程(2.8)。在这两种情况下,晶体表面凸越多,低熔点的温度在这个表面。

因此,当地的温度梯度内湿雪样品进行热离凹或凸晶体表面向凸表面更少。这一过程产生融化最凸的表面,包括最小的晶体,和重新冻结的液体水(如果可用)到凹或凸的表面。这些大规模交流导致舍入和晶体的增长,在这一过程最小化的特定区域和趋向于平衡球形式。湿雪变质的一个限制因素是液态水的能力将很容易从融化的地区重新冻结的地方。以非常低的含水量,液态水menisces是罕见的和断开连接,从而限制这种机制的效率。在这种情况下,蒸汽和固体阶段交流可能仍然占主导地位。湿雪冻结时,液体中包括menisces相邻冰颗粒,这解释了谷物在melt-freeze周期的快速增长。

2.2.4粮食规模和增长率

自雪结构影响的物理性质(其中反照率),这是最重要的对雪建模定量变质作用过程的知识。一个主要困难来自缺乏能参数可以定量描述雪的纹理。在大多数情况下,雪所描述的样本的显微组织晶粒尺寸和变质作用是通过增长率量化。根据国际分类、晶粒的大小是其最大的扩展和雪样的粒度是谷物的平均尺寸特征。但对于给定的物理过程,它可能是更相关的考虑其他结构定义,如几何尺寸、光学粒度、孔隙大小、或特定区域。在简化了的情况下,我们认为雪是一个包装的圆形颗粒,曲率的影响在蒸汽压和熔点萧条规定最小的谷物,而最凸表面,总是会缩小的利润更大的颗粒。出于这个原因,我们说由于变质的增长率。然而,事实上,雪显示了大量的可能的一粒一粒的形状和使用大小或增长率作为纹理描述符很还原。降水粒子(1级)说明这种困难:它们的大小可能相对较大(通常1毫米或更多的盘子或恒星树突),但他们通常很平面以及周边(如果我们把它们看作二维粒子)我们发现非常锋利的表面迅速萎缩。因此晶粒尺寸减小而平面晶体转换成粒状晶体,从热力学的角度更大。

量化的雪变质作用在三种不同的方式被调查,实验,从理论上和数值。

•实验。不同的实验干和湿雪变质作用在雪地上进行样品提交给大多数温度、温度梯度和水含量在本质上可能遇到的情况。Wakahama(1968)和雷蒙德和Tusima(1979)已经调查人口的增长率雪颗粒沉浸在液体水。吉丁斯和Lachapelle (1962), Akitaya(1974),和Marbouty(1980)调查雪报的增长率高的温度梯度。布朗(1989)研究了雪的增长率谷物作为水含量的函数。布朗et al。(1992)调查了增长率和新雪的小面报低或中等温度梯度。这些实验都是在寒冷的进行实验室或在野外和考虑晶粒尺寸的影响以及晶粒的形状。布朗et al。(1992)总结了这些实验在一套完整的量化变质作用的法律描述变化的增长速度和形状的雪。这些实证法律使用一个原始形式可以描述雪用一组连续的参数{dendricity,球形,粒径}。实验还进行了烧结和债券的增长率将雪谷物(基勒,1969)。 This last process is of little interest for snow atmosphere exchanges but it is of major importance for the evolution of the mechanical属性的雪层和积雪的稳定性。

•理论。考虑雪作为理想化的包装不同大小的粒子和在不同温度下,函数之间的蒸汽扩散两个相邻颗粒分析派生。相应的增长率已经推导出,从而能够比较温度梯度的相对效率变质,由于曲率的变化(Colbeck, 1973, 1980, 1983;Gubler, 1985)。Colbeck提出下列方程来描述雪粒子的平均增长率:

m = 4 n CGg Dg T”(dpy ^ / dT), (2.10)

m是一个粒子的大规模增长,C形状因子,Gg的增强因子,Dg在空气中水蒸气的扩散系数,温度T, T”雪温度梯度和pv,坐在蒸汽密度的平衡。

同样,谷物的增长率被水浸透的雪已经计算。这些计算提供一个理论背景解释观察到的高增长率高温度梯度和液态水含量很高。扩展的计算增长率从干和湿变质到人口的谷物有分布的大小和形状但可能是困难的。几个雪模型利用这些理论作品的变质作用法推导出计算晶粒尺寸的演变的不同积雪层积雪。

•数值。最近,高分辨率数值模型开发了计算温度梯度引起的蒸汽扩散在一个理想化的雪矩阵(莉丝顿et al ., 1987)。最近的可用性高分辨率的三维图像的雪样品(见图2.8)和计算机性能的大幅增加了迷人的雪微观结构的发展和验证模型的视角(Flin et al ., 2003)。这些模型将允许建立更可靠metamor-phism法律在不久的将来。

继续阅读:雪压实

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