Sníh a sněhová pokrývka, zimní „klimatologie“

1. Sníh a sněhová pokrývka,zimní „klimatologie“

2. 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

4. 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

5. 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

6. 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

7. Energetická bilance • 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

8. 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)

9. 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

10. Turbulentní energetická výměna – latentní a pocitové teplo deficit tlaku vodní páry ve vzduchu → sublimace • 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

11. 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

12. 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

13. 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

14. 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?

15. 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

16. 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

17. 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

18. 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

19. 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

20. 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