Всё о снеге и снежинках
Сколько бы чудес ни повидал человек, первый снег, наверное, всегда будет вызывать чувство восхищения. Снег всегда ассоциируется с чем-то светлым, праздничным и чистым. С этим чудом природы связано немало любопытных фактов.
Как образуется снег?
Происхождение снега не сильно отличается от появления дождя. Это тоже вид атмосферных осадков. Фактически, дождь и снег — это одно и то же явление, происходящее при разных температурах.
Первое условие для появления снега — соответствующая температура: вода превращается в лёд уже при 0ºC. Когда холодает, вода в лужах и водоёмах замерзает и покрывается льдом. Точно так же в небе замерзают и начинают падать в виде снежинок дождевые капли.
Микроскопические капли дождя в облаках под действием низких температур притягиваются к пылевым частицам, соли, песку, пеплу и даже живым бактериям и замерзают, образуя кристаллы льда. В результате конденсации в них воды и воздуха (снежинки на 95% состоят из воздуха) они растут и падают под действием гравитации.
В некотором роде, с геологической точки зрения, можно сказать, что снег — это минерал, ведь он представляет собой лёд определённой формы, а тот, в свою очередь, твёрдое вещество, созданное из однородного материала (воды).
Какой на самом деле цвет у снежинок?
Снег не имеет цвета вообще, белизна его — всего лишь оптическая иллюзия. Отдельные снежинки представляют собой мельчайшие кристаллы льда. Они прозрачны, как и вода, из которой они состоят.
Всё дело в световых волнах: каждой длине соответствует свой цвет. Одни материалы поглощают световые волны определённой длины, другие их отражают, именно поэтому предметы имеют разные цвета. Материал, отражающий падающие на него волны, будет иметь белый свет, материал же, который поглощает световые волны, будет выглядеть чёрным.
Кристаллы снежинки имеют сложную структуру с множеством граней. Свет не проходит через них, а многократно преломляется и отражается. Из-за того, что кристаллы отражают весь спектр падающего на них света, мы воспринимаем снег как белый.
Наш мозг, наше сознание автоматически интерпретирует полученную информацию, подсказывая нам, что снег — белый (даже если он в сумерках приобретает оттенок неба или розовый на закате).
Иногда на чистом снеге можно заметить синеватый оттенок. В этом случае цвет зависит от плотности: у рыхлого снега длинные световые волны проникают глубоко, а у плотного короткие волны, преимущественно синего цвета, остаются на поверхности.
Иногда снег может приобретать розовый, красный или бурый оттенок. Такое явление часто встречается в местах, где распространена водоросль хламидомонада снежная, придающая снежному покрову такие цвета. Более того, розовый снег по вкусу напоминает арбуз — опять же благодаря хламидомонаде.
Были случаи, когда падал окрашенный в серый и даже чёрный цвета снег. Скорее всего, это связано с попаданием в атмосферу копоти и промышленных загрязнений.
В 1955-м году в Калифорнии выпал зелёный фосфоресцирующий снег. Рискнувшие попробовать его на вкус люди погибли, а у тех, кто брал такой снег в руки, появились сильный зуд и сыпь. По сей день происхождение зелёных хлопьев является тайной.
Интересный факт: шерсть полярного медведя кажется белой, хотя на самом деле он чёрный с прозрачной шерстью. Прозрачные волоски медведя имеют цилиндрическую форму и при попадании света преломляют лучи, из-за чего шерсть выглядит белой.
Формы снежинок
Первая удачная фотография снежинки под микроскопом появилась благодаря многолетнему упорству и терпению. Американского фермера Уилсона Бентли. Произошло это в 1885-м году после 46 лет проб и ошибок. С тех пор появилась целая наука «снежинковедение».
Бентли смог сфотографировать более 5000 разных видов снежинок, с чего был сделан вывод: двух одинаковых снежинок не существует. На самом деле, это просто красивая фраза. Да, вариантов форм снежинок действительно бесчисленное множество — как атомов во Вселенной, но это не исключает их повторов.
Падая, снежинка продолжает расти, приобретая свою окончательную форму. Иногда лучи с одной стороны снежинки растут быстрее, чем с других, из-за того, что на пути им встречаются участки облаков, имеющие разную температуру и влажность. Благодаря этому снежинки и приобретают разные геометрические формы.
Самые распространённые форма снежинок:
Призмы — шестиугольные пластинки или тонкие столбики с шестиугольным сечением. Призмы почти не видны невооружённым взглядом, т.к. имеют крошечные размеры.
Иглы — тонкие, длинные, похожие на маленькие светлые волоски снежинки, образующиеся при очень низких температурах.
Дендриты. Имеют ярко выраженные разветвляющиеся лучи. Эти крупные кристаллы можно рассмотреть невооружённым глазом.
12-лучевые снежинки. Иногда столбики формируются с поворотом пластинок относительно друг друга на 30 градусов, из каждой пластинки вырастает кристалл с 12 лучами.
Полые столбики: внутри столбиков с шестиугольным сечением образуются полости симметричной относительно центра кристалла формы.
Папоротникоподобные дендриты — самые крупные снежинки, ветки у них тонкие и очень частые, похожие на листья папоротников.
Пространственные кристаллы. Из капли начинает расти несколько снежных кристаллов в разных направлениях, приобретая сложную форму.
Столбики с наконечниками встречаются редко. Кристаллы начинают расти в виде столбиков, но при попадании в зону с иными погодными условиями на их концах появляются пластинки.
Звёздочки — самые распространённые снежинки, пластинчатые кристаллы в виде звёзд с шестью лучами, украшенные симметричными узорами.
Снег, мокрый снег, дождь или ледяной дождь?
Осенние и зимние циклоны могут приносить снег, дождь, переохлажденный дождь, ледяной дождь.
Снег идет перед фронтом, когда температура во всей толще тропосферы отрицательная.
Если осадки, начавшие выпадать в виде ледяных кристалликов/снежинок, проходят через расположенный ниже слой теплого воздуха, толщина которого достаточна для того, что бы они растаяли, они превращаются в водяные капли.
Если теплый слой воздуха простирается до поверхности земли осадки так и продолжают падать в виде дождя.
Если в теплом секторе температура повышается до положительных значений, нарастание гололеда прекращается и он быстро разрушается. Если температура не переходит в «+», то это очень плохо – гололед может сохраняться очень долгое время на проводах, ветках деревьев, на вертикальных поверхностях, где его трудно «извести» реагентами, как это было в конце декабря 2010 года в Центре ЕТР.
Часто зимой выпадает и мокрый снег. Снег, выпадающий при положительной температуре, близкой к 0°, когда снежинки частично подтаивают или когда вместе со снегом выпадает дождь. Снежинки мокрого снега обычно слипаются в хлопья.
Мокрый снег, налипая на провода и ветки деревьев, увеличивает нагрузку на них. Диаметр отложений мокрого снега, превышающий 35 мм, считается опасным. Мокрый снег наблюдается при положительной, близкой к нулю, температуре у земли, когда снежинки частично подтаивают или когда вместе со снегом выпадает дождь.
Интересно рассмотреть случай мокрого снега, когда распределение теплого и холодного воздуха по высоте противоположно тому, которое отмечается при выпадении переохлажденного дождя. В этом случае более холодный воздух находится над слоем более теплого воздуха. Здесь все зависит от температуры у поверхности земли и скорости ее понижения с высотой. Эти два фактора определяют толщину слоя с положительной температурой.
а) температура у поверхности земли небольшая, но понижается с высотой медленно. В этом случае нужна значительная толщина слоя с положительной температурой, чтобы снег полностью растаял;
б) температура у поверхности земли выше, но с высотой она быстро понижается, снег успевает растаять при меньшей толщине слоя.
Если его толщина менее 60 м, то почти 90% осадков будут выпадать в виде снега. Если высота слоя с положительной температурой около 275 м, то примерно половина осадков будет снегом, а половина – дождем. Если высота слоя с положительной температурой окажется выше 300 м, то вероятность выпадения снега будет меньше 50%.
В действительности в каждой конкретной синоптической ситуации возможны отступления от приведенных схем в зависимости от особенностей вертикального распределения температуры, относительной влажности воздушных масс, скорости перемещения и протяженности фронтальной зоны и т.д.
Все эти тонкости учитываются синоптиками при прогнозе фазы и интенсивности осадков. Но все же, что бы не создавать путаницы и не вводить в ступор потребителей, в прогнозах используют более общую типизацию осадков по фазе без большой детализации, ограничиваясь терминами «снег», «мокрый снег», «дождь», либо их сочетанием. Если ожидается вероятность выпадения переохлажденных осадков (дождя, мороси, ледяного дождя), которые образуют гололед, то в прогнозах звучит просто «гололед».
Такие явления предусматриваются в краткосрочных прогнозах погоды (на срок от 12 до 72 часов, или 3 суток).
При какой температуре выпадает снег
Снежный покров — это слой снега на поверхности земли, образующийся в результате выпадения твердых осадков. Снежный покров накапливается в течение холодного полугодия и достигает максимальных значений к началу весеннего снеготаяния.
Наблюдения за снежным покровом проводятся на метеоплощадках в естественных условиях при отсутствии механического воздействия.
На снежный покров оказывают влияние следующие факторы: уплотнение, оседание, испарение, таяние и выветривание. Таким образом, высота снежного покрова может существенно меняться даже при отсутствии оттепелей и осадков.
Плотность снежного покрова варьируется в течение всего сезона в широких пределах — от 30 кг/м³ (свежевыпавший снег в морозную штилевую погоду) до 700 кг/м³ (сильно промокший и смерзшийся снег в конце сезона).
Свежевыпавший снег
Свежевыпавший снег — только что выпавший снег и сохранивший форму снежных кристаллов. Плотность свежевыпавшего снега зависит в первую очередь от температуры воздуха. При низкой отрицательной температуре выпадает сухой легкий снег плотностью 10–100 кг/м³. Даже при небольшом количестве он может формировать пышный снежный покров, который на деле представляет собой «карточный домик» (создан нагромождением пушистых снежинок).
При температуре близкой к 0 выпадает мокрый снег. Влажные снежинки аморфны, при контакте их форма меняется, и они плотно ложатся другу к другу. Плотность мокрого снега существенно выше сухого и может меняться от 150 до 200 кг/м³.
Наиболее плотным является мокрый снег, выпадающий при положительной температуре (как правило, это снег с дождем). Плотность смешанных осадков может достигать 300 кг/м³.
Таким образом, в зависимости от совокупности атмосферных условий одно и то же количество свежевыпавшего снега в жидком эквиваленте может приводить к формированию разной высоты снежного покрова.
Плотность 10–100 кг/м³
Разновидность осадков
Существует несколько видов осадков. Наиболее распространенные из них: дождь, снег, мокрый снег (снежинки начинают таять) и снег с дождем (смесь дождя и снега). Вид осадков определяется по содержанию воды и снега в сочетании с температурой, но с определенными допущениями.
Дождь выпадает при температуре выше 0 °C. Однако при температуре близкой к 0 допускается, что до 20 % частиц могут быть в виде снега. Соответственно в этом случае, при выпадении дождя может прогнозироваться небольшой снежный покров.
Снег выпадает при температуре ниже 0 °C. Но при этом допускается до 1 % воды.
Мокрый снег диагностируется при температуре ≥ 0. Соотношение снега к дождю: ≥ 80 % и ≤ 20 %. Если температура подстилающей поверхности ниже 0, то мокрый снег может формировать снежный покров.
Снег с дождем прогнозируется при температуре > 0 и процентном составе снега 20 %.
При какой температуре выпадает снег
Снег – хрупкие кристаллики воды. Вес одной снежинки не превышает 1-3 мг. Несмотря на малый размер, снежные осадки легко накрывают огромные территории толстым мягким слоем. Вес этого снежного покрытия способен оказать влияние на скорость вращения Земли.
Описание явления
Снег относится к одному из видов атмосферных осадков, состоит из крошечных ледяных кристаллов, появляется внутри облака и выпадает на земную поверхность из слоисто-дождевых облаков в холодное время года. Он состоит из отдельных снежинок в форме шестиугольников.
Как образуется
Снег падает с неба в виде замёрзшего дождя чаще всего в зимний период года.
Образование снега происходит при температуре не выше 0 ºС. Крошечные капельки воды, образующие дождевое облако, замерзают. Такова основная причина образования данного вида осадков. Молекулы воды принимают шестиугольную форму, а ледяной кристаллик по мере роста становится шестигранником. При 15 градусах по Цельсию кристаллик льда превращается в тонкую пластину. При 8 градусах образуются полые колонны. При 2,5 градусах получается то, что в представлении каждого является классической снежинкой.
Также снег формируется путём испарения. Наблюдать это явление можно на примере высыхания мокрой ткани на морозе. Сначала ткань замерзает и быстро становится твёрдой – вода в ткани превратилась в лёд. Потом лёд начинает испаряться – крошечные льдинки отрываются от ткани и поднимаются к атмосфере. Процесс испарения занимает несколько дней. Когда лёд полностью испарится и улетит в виде снежинок, ткань становится мягкой.
Классификация
Снег – это не просто замёрзшая вода, а осадки в виде кристаллов льда. Из-за особого строения молекул воды кристаллы при замерзании приобретают форму гексагональной призмы. Падая, сформированные кристаллы образуют следующие виды явления:
Иногда хлопья могут достигать 30 см. Одним из первых людей, которых заинтересовало происхождение снега, был Уинсон Бентли. Начиная с 1880 года он фотографировал снежинки через микроскоп. Он сделал больше 5,5 тысяч фотографий. К его удивлению все снежинки были разные и нельзя было найти хотя бы пару идентичных.
Помимо формы снег можно классифицировать по разным критериям. По механизму выпадения он бывает следующих типов:
Если классифицировать снег по критерию цвета, то помимо белого встречается розовый снег (также его называют кровавый или арбузный). Наблюдать такое уникальное явление с запахом арбуза можно в Гренландии и Сьерра Неваде, а также в Альпах, Арктике, на Кавказе и Северном Урале. Арбузный снег можно увидеть только весной и летом, когда солнце чуть пригревает толстый снежный покров. Чем больше снег подмокает, тем ярче его окраска, которая становится похожа больше на кровь, проступающую изнутри.
Феномен кровавого снега впервые встречается в работах Аристотеля. А в 1818 году один английский капитан привёз этот снег из Гренландии к себе на родину. Большинство учёных не смогли определить причину необычного цвета осадков, и только предположение шотландского ботаника Роберта Брауна оказалось верным. Браун полагал, что некие водоросли вызывают покраснение снега. Как бы невероятно не звучало его предположение, оно оказалось верным. Спустя сто лет учёные с помощью микроскопа определили, что розовый цвет вызван жизнедеятельностью крошечных одноклеточных водорослей хламидомонады (Chlamydomonas nivalis). Несмотря на низкую температуру эти водоросли интенсивно размножаются. При контакте с кислородом водоросли источают приятный аромат арбуза. Некоторые утверждают, что и вкус такого снега похож на арбуз.
Выпадение снега из облаков – это снегопад. Такое явление природы отличается интенсивностью и продолжительностью и скоростью падения снежных хлопьев.
По интенсивности различают следующие виды снегопадов:
Длительность, интенсивность и скорость снегопада определяют количество выпадающего снега. Если ветра нет, снегопад считается спокойным. Снегопад в ветреную погоду носит название «верховая метель».
Несмотря на то, что снегопады обычно прогнозируются, а жителей районов возможного бедствия предупреждают, чрезвычайная ситуация зачастую неминуема.
Длительность снегопадов может составлять несколько дней. Жизнь замирает даже в самых больших городах. На дорогах и в населённых пунктах образуются заносы, прекращается энергоснабжение. Снегопады могут приводить к жертвам.
Скопление снега в горах приводит к формированию лавин. Движущаяся лавина захватывает камни, сносит всё на своём пути.
Последствия снегопада – это человеческие жертвы и разрушения коммуникаций. На Кавказе и в Швейцарии были случаи, когда при сходе лавин полностью разрушались вековые селения. Объём лавины может составлять два миллиона кубометров, а скорость – 100 метров в секунду. Ударная воздушная волна при сходе лавины способна сбросить железнодорожный вагон и снести здание.
Знание путей прохождения и мест остановки потенциальной снежной лавины поможет защитить свою жизнь. Чтобы избежать катастрофических последствий на карте и на местности необходимо обозначить границу территории с опасностью схода лавины.
Таяние снега
Одним из свойств снега является его таяние при температуре выше 0 о С. Обычно это происходит с наступлением весны. Под воздействием солнечных лучей снег может таять и при отрицательных температурах. В этом случае происходит испарение ледяных кристаллов без превращения в воду.
Если на улице грязно, таяние снега происходит быстрее. Поэтому в лесу данный вид осадков сохраняется дольше, чем на улицах города. Под воздействием соли снег тает быстрее – его кристаллы разрушаются, а затем превращаются в воду.
При таянии меняется и плотность снега – он становится плотнее. Когда его плотность достигает 0,99 т на куб. метр, он превращается в воду.
Роль снега невозможно переоценить. Укрывая землю, снежный покров держит тепло и позволяет растениям и мелким зверькам пережить зиму. Без снега не выживут озимые зерновые, не вырастет урожай. За его счёт растения при пробуждении получают необходимую влагу.
Природа всегда разумна – зимний снег весной превращается в воду, давая жизнь флоре и фауне. Жизнь на Земле существует за счёт превращений, которые происходят с водой в течение года.
Вильфанд рассказал, когда придет настоящая зима и начнутся снегопады
Первый снег в России и Беларуси уже прошел. А когда нам ждать настоящего похолодания?
Наблюдения показывают, что средняя температура на Земле растет.
Роман Вильфанд: Хочу отметить, что за последние несколько десятилетий дата, когда на земной поверхности устанавливался устойчивый снежный покров, сместилась. В середине прошлого века устойчивый снежный покров формировался в конце второй декады ноября. Сейчас эта временная точка сместилась почти на десять дней.
Выходит, что в ближайшую неделю на территории Союзного государства ждать снега нам не приходится?
Роман Вильфанд: Да, если речь идет о последней неделе октября. Дело в том, что сейчас над европейской территорией России циркуляция воздуха и, соответственно, температура и осадки обусловлены притоком воздушных масс из центральных и юго-западных акваторий Атлантики. Это значит, что погода у нас будет достаточно теплая. Ночью температура не опустится ниже нуля. Более того, днем, начиная с четверга, 28 октября, температура воздуха может подняться до двухзначных оценок. Понятно, что ни о каком серьезном снегопаде в этой ситуации речи быть не может.
Роман Менделевич, вы лишаете нас праздника настоящего снега?
Можете ли вы дать прогноз по поводу первого снега на земле?
Роман Вильфанд: Скажу определенно: до конца этого месяца и в первых числах ноября снега, по нашим прогнозам, не будет. А дальше уже начинаются гадания, но это уже не про нас.
А какой прогноз вы даете на предстоящую зиму в Союзном государстве? Будет ли она такой же снежной и холодной на европейской части России, как в прошлом году?
Что же касается температуры, то успешность такого рода прогнозов выше, но она несопоставима с успешностью краткосрочных и среднесрочных прогнозов. Дело в том, что при прогнозе на долгие сроки все больше и больше в схему вплетается хаотический компонент, который свойственен атмосфере. Поэтому все подобные прогнозы выпускаются только в вероятностном ключе.
Хорошо, зайдем с другой стороны. С этой, вероятностной, точки зрения, какая температура ожидается зимой в Союзном государстве?
Продолжая тему точности прогнозирования погоды, скажите, как на этом сказывается сотрудничество метеорологов России и Беларуси. Какие области этого сотрудничества требуют особого внимания и развития?
Роман Вильфанд: За последние годы существенно повысилось качество прогнозов погоды в Союзном государстве. Это связано с тем, что в России развивается модель мезомасштабной циркуляции атмосферы, которая называется COSMO. Результатом, кстати, стал тот факт, что прогноз осадков стал гораздо лучше, чем в рамках любых других прогнозов. В Беларуси развивается модель, которая носит название WRF. Объединение выходной продукции этих моделей, которые, конечно, несколько различаются по своим особенностям, дает очень хорошие результаты.
Кроме того, у нас в планах, в дорожных картах зафиксирован тот факт, что в Беларуси очень хорошая сеть метеонаблюдений. И вся выходная продукция моделей тестируется на этой сети. Для чего это делается?
Роман Вильфанд: Нужно понимать, что мы не только можем прогнозировать погоду с той или иной детальностью, но и то, с какой степенью доверия можно относиться к этим прогнозам.
И вот здесь наши белорусские коллеги очень существенно помогают, оценивая надежность прогнозов по своей наблюдательной сети. Это имеет огромное значение, потому что версификация прогнозов позволяет «подкручивать» модули и блоки моделей с тем, чтобы все больше и больше сближать прогностические и фактические значения.
