Физика вод суши / Лавина, реферат

ЛАВИНЫ  «Казалось бы, холод, присущий снегу, должен был сообщить ему оцепенелость зимы, а белизна – неподвижность савана. Однако это опровергается стремительным движением лавины. Лавина – это снег, ставший огненной печью. Она ледяная, но все пожирает». Виктор Гюго.  "Сход лавины – незабываемое зрелище. Сначала где-то в вышине раздается глухой звук, а затем безмолвные горы словно оживают. Со склона вниз, искрясь миллионами снежинок, устремляется огромное облако снега. Вот оно достигло дна долины, распласталось по ней, высоко взметнулась снежная пыль, и все исчезло как в тумане. Через некоторое время снежная пыль улеглась, но днище долины перекрыли бесформенные груды снега, настолько плотные, что похожи на куски льда. В них торчат ветки, обломки стволов деревьев, камни". Как все стихийные силы Земли зрелище красивое и страшное.  Всем тем, кто имеет хоть какое-либо отношение к лавинам, или хотя бы часто бывает в горах никогда не нужно забывать, что:  Две величайшие в мире "лавинные" катастрофы, произошедшие в нашем столетии, случились в Перу в долине реки Санта. 10 января 1962г. на вершине Уаскарана обломился огромный снежный карниз шириной около 1 км и толщиной более 30 м. Это случилось вечером – на многие километры разнесся глухой гул, потрясший ущелья. "Масса снега и льда объемом примерно 3 млн. м3 ринулась вниз со скоростью 150 км/ч, увлекая за собой каменные глыбы, песок, щебень. Огромный вал молниеносно разрастался, и уже спустя минуты по крутой долине двигалась масса объемом не менее 10 млн. м3, сокрушая все на своем пути. Через 7 минут лавина достигла городка Ранаирка и смела его с лица Земли. Лишь через 16 км, спустившись на 4 км и распластавшись по широкой долине на 1,5 км, она остановилась, запрудив реку".(1) Урон от Уаскаранской лавины был огромен: погибло около 4 тыс. человек и до 10 тыс. домашних животных.  Через 8 лет подобное событие повторилось, но только в еще больших размерах. 31 мая 1970г. Кордильере Бланка, где находится вершина Уаскаран, произошло сильное землетрясение, сорвавшее со склонов не менее 5 млн. м3 снега и льда. По дороге лавина отколола значительную часть нижележащего ледника и понеслась, сдирая мощный слой рыхлой породы и унося громадные камни. По дороге лавина спустила небольшое озеро, что придало всей массе еще большую силу. По долине со скоростью 320 км/ч неслось гигантское количество снега, льда и горной породы – 50 млн. м3! Лавина преодолела препятствие высотой 140 м, вновь разрушала заново отстроенный поселок Ранаирка и город Юнгай, который в 1963 г. спас невысокий холм. Масса снега, воды и камней прошла почти 17 км. Последствия были ужасны: из 20 тыс. жителей в живых остались лишь несколько сот человек. Такие страшные лавины случаются редко, но лавины обычных размеров – это грозная стихия гор.   Древнегерманское слово "лафина" произошло от латинского "лабина", то есть скольжение, оползень. Епископ Исидор из Севильи (570-636 год н. э.) упоминал "лабины" и "лавины" - это первый литературный источник. В фольклоре лавины называют "белая смерть", "белые драконы", "белые невесты" и так далее.  "Лавины заинтересовали человека лишь тогда, когда стали ему мешать, то есть тогда, когда человек начал обживать горы. Одновременно и лавины заинтересовались человеком – так называемым нездоровым интересом. Возникнув в тот период, когда Земля выдавила из себя горные хребты, а с неба пошел первый снег, лавины миллионами лет привыкали к уединению и посему в штыки встретили его нарушителей: чего иного ждать от мирно спавшего в берлоге медведя, которого люди разбудили свистом и улюлюканьем? "  Сведения о снежных лавинах дошли из глубины веков. В 218 г. до н.э. они причинили немало бед войскам карфагенского полководца Ганнибала, переходившего Альпы. Тогда под лавинами погибло множество людей и животных – каждый пятый пеший воин (60 тыс. человек), каждый второй всадник (6 тыс.), и36 слонов из37, участвовавших в этом переходе.  Кроме того известна история перехода через Альпы армии Суворова в 1799г. И здесь лавины затруднили действие армии на опасном Сент-Готардском перевале.  Во время первой мировой войны, когда Альпы были в сфере военных действий, под лавинами погибло около 60 тыс. человек – больше, чем в результате военных действий. Только за один "черный четверг" 16 декабря 1916г. лавинами засыпало более 6 тыс. солдат.  Потери мирного времени неизмеримо меньше, но и они ощутимы.  В наше время особенно страдают от лавин Альпы, "заселенные людьми, как ульи пчелами". С начала текущего столетия по 1970г. в Швейцарских Альпах от лавин погибло 1244 человека. Всего в Альпах насчитывается 20 тыс. участков схода лавин, из них более 10 тыс. мест постоянного схода, и 3 тыс. из них угрожают населенным пунктам, дорогам, линиям электропередач и связи.  У нас, к счастью, таких ситуаций пока нет, и люди могут встречаться с лавинами только в том случае, если проводят отдых в горах. Но, несмотря на это за 20-30 годы в горах Заилийского Алатау погибло 50 человек. 

2. ТИПЫ ЛАВИН

Свежевыпавший снег кажется нам легким, как пух, но его кубометр весит 50-60 кг. Кубометр слежавшегося снега весит уже 300-400 кг. Весной снежный покров насыщается водой и тот же кубометр становиться тяжелее еще почти в два раза. При падении лавины больших размеров, например, объемом в 100 тысяч кубометров, ее вес может достигать 70 тыс. тонн. При остановке лавины снег настолько спрессовывается, что с ним, очень часто, не сразу может справиться даже мощный бульдозер.  Выделяют 3 основных типа лавин: осовы, лотковые и прыгающие.  Осов – снежный оползень. У него нет определенного канала схода. Часто снежный склон протяженностью в сотни метров отрывается и скользит вниз.  Лотковые лавины – несут снег по строго определенному руслу, безлесым углублениям в склонах, лоткам.  Прыгающие лавины – свободно падают на дно долины через отвесные участки скал или льда.  На северном склоне Заилийского Алатау преобладают лотковые лавины (80). Основы и прыгающие лавины наблюдаются гораздо реже, соответственно 18% и 2%. 

Роль термического режима снежного покрова в образовании лавин. Вода в жидком виде может содержаться также в снежном покрове. Мокрый снежный покров представляет собой трехфазную систему, состоящую из ледяных кристаллов, воды и воздуха, j содержащего водяной пар. Соотношение фаз для снега является неустойчивым и все время меняется в связи с изменением его плотности под воздействием физико-механических процессов, протекающих в снежном покрове, и особенно в период снеготаяния. Вместе с тем, как раз в этот период водные свойства снежного покрова имеют особенно большое значение для прогноза схода лавин, снеготаяния и паводков. Водные свойства снежного покрова слабо изучены, так как теория движения влаги в многофазной пористой среде еще недостаточно разработана по причине большой сложности структуры такой

среды и при этом меняющей свое агрегатное состояние. Из общих физических процессов, происходящих в снежном покрове, большое значение имеет фйрнизация снега. П од фирнизацией понимают процесс превращения свёжевыпавшего или метелевого снега, состоящего из отдельных снежинок с их своеобразной формой, в бесформенную массу ледяных зерен, сначала мелких, а затем все более и более крупных. Раскрытие этого процесса имеет очень большое значение для понимания поведения снежного покрова в течение зимы и его таяния весной. В горных условиях фирнизация снега обусловливает образование лавин, льда ледников, глетчерного льда. Хотя в п. 10.5.1 и названы частные причины фирнизации снега, тем не менее этот процесс еще не может считаться окончательно изученным. В разное время учеными было предложено несколько гипотез для объяснения процесса фирнизации снега: режеляционная, рекристаллизационная, сублимационно-термодинамическая, сублимационно-энергетическая. Режеляционная гипотеза, поддержанная в свое время Б.П. Вейнбергом, объясняет фирнизацию снега в основном явлением режеляции и лишь частично рекристаллизацией. Слабой стороной этих воззрений является то обстоятельство, что режеляция возможна лишь при температуре, близкой к 0 °С, тогда как фирнизация снега наблюдается при температуре, значительно более низкой. Поэтому только режеляцией объяснить все виды фирнизации

снега нельзя. В настоящее время большинство ученых склоняются к мысли,

что ведущая роль в физических процессах, происходящих в снежном покрове, принадлежит возгонке и сублимации совместно с теплообменом снежного покрова с подстилающей поверхностью и атмосферой. Внутри снежной толщи за счет ее высоких теплоизоляционных свойств возникает температурный градиент, имеющий, например, по трассе БАМа в Восточной Сибири порядка 0,015 - 0,020 °С/м. Он соответственно обусловливает градиент парциального давления водяного пара, находящегося в порах этой толщи. Водяной пар мигрирует из теплых нижних слоев толщи в более холодные поверхностные, где происходит его сублимация – рост кристаллов. Верхние слои снежного покрова становятся плотнее нижних; нижние же слои становятся более рыхлыми за счет испарения с кристаллов льда. Таким образом, сублимационно-энергетическая гипотеза фирнизации снега, выдвинутая П.П. Кузьминым [27], основана на учете тепловой энергии, поступающей из почвы в снежный покров. По его данным, например, в районе г. Валдая тепловой поток из почвы в снег составляет около 9,7 • 10“* Вт/м2, что достаточно, чтобы возгонкой удалить из нижних слоев 3 ■ 10-5 кг снега в сутки. Тепловой поток q из почвы в снежный покров, конечно, непостоянен в течение зимы и даже в течение суток. Тем не менее доминирующее его направление снизу вверх в свободную атмосферу сохраняется неизменным и не может не влиять на структуру снежного покрова. Зная тепловой поток, можно рассчитать количество вещества, сублимирующегося в верхнем слое снежного покрова, и скорость роста грани кристалла льда, перпендикулярной к поверхности охлаждения: ^ dq I dq т = Т ~ ~ Г ’ = т * ( 10-65)

d q /d x — интенсивность теплоотдачи в атмосферу; р - плотностьльда. Процесс фирнизации снега в целом является совокупностью всех частных физических процессов, происходящих в снежном покрове: режеляции, рекристаллизации, повторного таяния и замерзания, сублимации и возгонки, теплопередачи из почвы через снег и др. По-видимому, в различных условиях погоды каждый из этих частных физических процессов может играть решающую роль в общем процессе фирнизации снега. В настоящее время считается установленным, что снежные лавины образуются чаще всего на склонах гор крутизной порядка 20 - 40°. При крутизне склона меньше 20° снежный покров устойчив в течение всего зимнего периода, а при крутизне более 40° снег на склоне не задерживается, а если снежный покров образуется, то небольшой мощности. Лавина образуется при нарушении устойчивости снежного покрова из-за уменьшения сил сцепления с подстилающей поверхностью и коэффициента внутреннего трения в нижних его горизонтах. В процессе метаморфизма кристаллов льда образуются глубинный иней (изморозь) и рыхлый крупнозернистый фирновый снег. Процесс разрыхления в нижнем горизонте сопровождается оседанием снежного покрова, при котором теряется его связь с подстилающей поверхностью и, следовательно, происходит сползание по склону снежного пласта. Сначала происходит медленное сползание пласта, затем, по мере увеличения напряжения сдвига,

скорость его движения возрастает и может достигнуть 300 км/ч. По данным К.Ф. Войтковского, предельная толщина снежного покрова на ослабленной поверхности, превышение которой приводит к нарушению устойчивости, может быть рассчитана по формуле К Р = C/[pg(sin\|/ - cosytgcp)], где С - сцепление снега; р - плотность снега; g - ускорение свободного падения; \|/ - угол наклона склона; tg ф – коэффициент трения. Лавины возникают также при резких суточных колебаниях температуры воздуха. В этом случае причиной нарушения устойчивости снежного покрова являются образовавшиеся в нем трещины при температурном сокращении сплошной снежной доски (плотного снега). Другой вид лавины образуется из свежевыпавшего сухого снега после обильного снегопада. Не успев уплотниться, свежевыпавший снег соскальзывает по старому, более плотному и, набрав скорость, вовлекает в движение нижележащие слои. В рассматриваемом случае К.Ф. Войтковский предлагает определять критическую высоту снежного покрова по следующей формуле: К = с /[р £ COS Y|){sin \|/ - COS \|rtg<p)]. Формулы (10.66) и (10.67) справедливы для случаев, когда угол наклона склона \|/ больше угла внутреннего трения ф. При \|/ < ф устойчивость снежного покрова обеспечена при любой его мощности. Другим видом сухой лавины является лавина, образующаяся из метелевого снега при скорости ветра 5 - 1 0 м/с. С момента перехода температуры воздуха через 0 °С со склонов сходят так называемые мокрые лавины. Они образуются при выпадении мокрого снега либо в период снеготаяния (или дождя), когда талью воды просачиваются до грунта и затем выступают в роли смазочного материала между грунтом склона и снегом. Снежная лавина - грозное стихийное явление. Снежная лавина и сопровождающая ее воздушная волна могут разрушить мосты, дороги, опоры линий высоковольтных электропередач, населенные пункты, завалить их снегом. Вот как описывает сход лавины в своей корреспонденции Гиоргиев JI.: «... Лавина одно из самых опасных и разрушительных явлений в горах. Иногда достаточно падения камня, чтобы медленное движение снежного покрова внезапно, толчком перешло в стремительное скольжение пластов снега с больших площадей. Его объем до нескольких миллионов кубических метров устремляется по горным склонам в долину. Тут даже не скажешь: «Берегись!». Уберечься трудно, чаще всего - невозможно. ...удары, треск, гул, сливающиеся в единый грохот катастрофы. Подхваченные снежным покровом каменные глыбы летят вниз со скоростью поезда, деревья в обхват ломаются, как спички, металлические опоры электролиний гнутся в дугу...»

В движущейся лавине выделяют фронт - передняя короткая ее часть, голову, где находится основная масса снега, и хвостовую часть, которая длиннее головной. Во фронтальной части высота лавины может достигать в мокрых порядка 10 м, а в сухих - 20 м и более, что обусловлено, прежде всего, различной плотностью снега в ней. Длина же пути, пройденная ими, имеет обратное соотношение: у мокрых путь более длинный и достигает 1 км и более. Это зависит как от насыщенности ее водой, так и неоднородности

формы склона и путевых сопротивлений движению на участке, по которому она проходит. Лавина, сошедшая из одной из камер денудациионной воронки. Опоры № 124, 125 ЛЭП Ангрен - Фергана расположены в конечной зоне транзита лавины. В нижнем левом углу снимка – автодорога. Сход лавины сопровождается воздушной волной, движущейся перед ней. Она распространяется намного дальше, чем голова лавины, ломая деревья и разрушая строения на своем пути. Нагрузки на препятствия (сооружения) от воздействия воздушной волны и самой лавины могут достигать соответственно и 103 кН на м2 и более. Лавинная опасность может быть вызвана и антропогенным изменением состояния лесов на склонах гор, самого рельефа гор, а также общим изменением климата. В результате комплексного исследования снежного покрова, метеоусловий в период его формирования, физико-географических условий, где формируется снежная лавина, и самих лавин к настоящему времени выработаны следующие противолавинные мероприятия:

1. Пассивные профилактические мероприятия, включающие

оценку лавинной опасности территории, регулирование хозяйственной

деятельности, охрану и воспроизводство лесов и оповещение

о лавинной опасности, прекращение доступа людей в лавиноопасные

зоны.

2. Активные профилактические мероприятия, заключающиеся

в плановом искусственном обрушении снега с лавиноопасных

склонов путем обстрелов, направленных взрывов и других видов

воздействий.

3. Регулирование отложений метелевого снега и недопущения

образования снежных карнизов путем строительства снегосборных

и снеговыдувающих сооружений.

4. Искусственное удержание снега на лавиноопасных склонах

путем строительства снегоудерживающих щитов и сеток, террасирование

склонов, выращивание леса под защитой временных

снегоудерживающих сооружений.

5. Изменение направления пути движения лавин с помощью

лавинорезов и направляющих дамб.

6. Уменьшение скорости движения и дальности выброса лавин

с помощью лавинотормозящих пирамид, надолбов и бугров,

лавиногасителей, лавинных ловушек и оградительных дамб.

7. Пропуск лавин над защищаемым объектом (строительство

галерей и навесов).

В настоящее время, чтобы предотвратить огромный ущерб, причиняемый хозяйственной деятельности человека лавинами, прогнозируют их сход, а иногда этот сход искусственно вызывают, осуществляя обстрел из артиллерийских орудий лавиноопасных склонов. Если имеются безопасные подходы к местам заложения зарядов и надежные укрытия для исполнителей принудительного спуска лавин, то более совершенным воздействием на снежный покров в горах является его подрыв. Наиболее эффективно такие

мероприятия в РФ проводятся в Хибинском горном массиве специальным

подразделением объединения «Апатит».