ciencia de la nieve

Campo interdisciplinario de hidrología, mecánica y meteorología.

Pozo de nieve en la superficie de un glaciar, que perfila las propiedades de la nieve, que se vuelve cada vez más densa a medida que se metamorfosea en hielo.

La ciencia de la nieve aborda cómo se forma la nieve , su distribución y los procesos que afectan cómo cambian las capas de nieve con el tiempo. Los científicos mejoran el pronóstico de tormentas, estudian la capa de nieve global y su efecto sobre el clima, los glaciares y el suministro de agua en todo el mundo. El estudio incluye las propiedades físicas del material a medida que cambia, las propiedades generales de los mantos de nieve en el lugar y las propiedades agregadas de las regiones con capa de nieve. Al hacerlo, emplean técnicas de medición física sobre el terreno para establecer la verdad sobre el terreno y técnicas de detección remota para desarrollar la comprensión de los procesos relacionados con la nieve en grandes áreas. ^[1]

Historia

Una clasificación temprana de los copos de nieve realizada por Israel Perkins Warren . ^[2]

La nieve fue descrita en China ya en el año 135 a. C. en el libro Desconexión de Han Ying , que contrastaba la simetría pentagonal de las flores con la simetría hexagonal de la nieve. ^[3] Albertus Magnus demostró lo que puede ser la descripción europea detallada más antigua de la nieve en 1250. Johannes Kepler intentó explicar por qué los cristales de nieve son hexagonales en su libro de 1611, Strena seu De Nive Sexangula . ^[4] En 1675 Friedrich Martens , un médico alemán, catalogó 24 tipos de cristales de nieve. En 1865, Frances E. Chickering publicó Cloud Crystals: un álbum de copos de nieve . ^{[5] [6]} En 1894, AA Sigson fotografió copos de nieve bajo un microscopio, precediendo a la serie de fotografías de copos de nieve individuales de Wilson Bentley en Monthly Weather Review .

Ukichiro Nakaya inició un extenso estudio sobre los copos de nieve en 1932. De 1936 a 1949, Nakaya creó los primeros cristales de nieve artificiales y trazó la relación entre temperatura y saturación de vapor de agua , más tarde llamado Diagrama de Nakaya y otros trabajos de investigación en nieve, que fueron publicados. En 1954 por Harvard University Press publica como Snow Crystals: Natural and Artificial . Teisaku Kobayashi, verificó y mejora el Diagrama de Nakaya con el Diagrama de Kobayashi de 1960 , posteriormente refinado en 1962. ^{[7] [8]}

Un mayor interés en la génesis de los copos de nieve artificiales continuó en 1982 con Toshio Kuroda y Rolf Lacmann, de la Universidad Tecnológica de Braunschweig , que publicaron Growth Kinetics of Ice from the Vapor Phase and its Growth Forms . ^[9] En agosto de 1983, los astronautas sintetizaron cristales de nieve en órbita en el transbordador espacial Challenger durante la misión STS-8 . ^[10] En 1988, Norihiko Fukuta et al. confirmó el Diagrama de Nakaya con cristales de nieve artificiales, hechos en una corriente ascendente ^{[11] [12] [13]} y Yoshinori Furukawa demostró el crecimiento de cristales de nieve en el espacio . ^[14]

Medición

Los científicos de la nieve suelen excavar un pozo de nieve dentro del cual realizar mediciones y observaciones básicas. Las observaciones pueden describir características causadas por el viento, la filtración de agua o la descarga de nieve de los árboles. La filtración de agua en una capa de nieve puede crear dedos de flujo y estanques o fluir a lo largo de barreras capilares, que pueden volver a congelarse en formaciones de hielo sólido horizontales y verticales dentro de la capa de nieve. Entre las mediciones de las propiedades de los mantos de nieve (junto con sus códigos) que presenta la Clasificación Internacional de Nieve Estacional sobre el Terreno se encuentran: ^[15]

• La altura (H) se mide verticalmente desde la superficie del suelo, normalmente en centímetros.
• El espesor (D) es la profundidad de la nieve medida en ángulo recto con la pendiente sobre capas de nieve inclinadas, generalmente en centímetros.
• La altura del manto de nieve (HS) es la profundidad total del manto de nieve, medida verticalmente en centímetros desde la base hasta la superficie de la nieve.
• La altura de la nieve nueva (HN) es la profundidad en centímetros de la nieve recién caída que se acumuló sobre una tabla de nieve durante un período de 24 horas o algún otro período específico.
• El equivalente en agua de nieve (SWE) es la profundidad del agua que resultaría si la masa de nieve se derritiera por completo, ya sea en una región determinada o en una parcela de nieve confinada, calculada como el producto de la altura de la nieve en metros por la densidad integrada verticalmente en kilogramos. por metro cúbico.
• El equivalente en agua de las nevadas (HNW) es el equivalente en agua de las nevadas, medido durante un período de observación estándar de 24 horas u otro período.
• Resistencia de la nieve (Σ), ya sea a compresión, tracción o corte, la resistencia de la nieve puede considerarse como la tensión máxima que la nieve puede soportar sin fallar ni fracturarse, expresada en pascales por segundo, al cuadrado.
• La penetrabilidad de la superficie de la nieve (P) es la profundidad a la que penetra un objeto en la nieve desde la superficie, generalmente medida con una sonda suiza, o más crudamente por una persona de pie o con esquís, en centímetros.
• Las características de la superficie (SF) describen la apariencia general de la superficie de la nieve, debido a la deposición, redistribución y erosión por el viento, derretimiento y recongelación, sublimación y evaporación, y lluvia. Los siguientes procesos tienen los resultados correspondientes: suave: deposición sin viento; ondulado: nieve depositada por el viento; surcos cóncavos: fusión y sublimación; surcos convexos: lluvia o deshielo; surcos aleatorios: erosión.
• El área cubierta de nieve (SCA) describe la extensión del terreno cubierto de nieve, generalmente expresada como una fracción (%) del total.
• El ángulo de pendiente (Φ) es el ángulo medido desde la horizontal hasta el plano de una pendiente con un clinómetro.
• La orientación de la pendiente (AS) es la dirección de la brújula hacia la que mira una pendiente, normal a los contornos de elevación, dados ya sea grados desde el Norte verdadero N = 0° = 360° o como N, NE, E, SE, S, SW, O, NO.
• El tiempo (t) generalmente se expresa en segundos para la duración de una medición o en unidades más largas para describir la edad de los depósitos y capas de nieve.

Instrumentos

Un sensor ultrasónico de profundidad de nieve

Profundidad : la profundidad de la nieve se mide con una tabla de snowboard (normalmente un trozo de madera contrachapada pintada de blanco) observada durante un período de seis horas. Al final del período de seis horas, se retira toda la nieve de la superficie de medición. Para una nevada total diaria, se suman cuatro mediciones de nevadas de seis horas. Las nevadas pueden ser muy difíciles de medir debido al derretimiento, la compactación, el viento y la deriva. ^[dieciséis]

Equivalente líquido mediante nivímetro : el equivalente líquido de las nevadas se puede evaluar utilizando un nivímetro ^{[17] o con un} pluviómetro estándar que tenga un diámetro de 100 mm (4 pulgadas; plástico) o 200 mm (8 pulgadas; metal). ^[18] Los pluviómetros se ajustan al invierno quitando el embudo y el cilindro interior y permitiendo que la nieve/lluvia helada se acumule dentro del cilindro exterior. Se puede agregar líquido anticongelante para derretir la nieve o el hielo que cae dentro del medidor. ^[19] En ambos tipos de medidores, una vez que la nieve/hielo termina de acumularse, o cuando su altura en el medidor se acerca a los 300 mm (12 pulgadas), la nieve se derrite y se registra la cantidad de agua. ^[20]

Clasificación

La Clasificación Internacional de Nieve Estacional en el Terreno tiene una clasificación más extensa de nieve depositada que las correspondientes a nieve suspendida en el aire. Una lista de las principales categorías (citadas junto con sus códigos) comprende: ^[15]

• Partículas de precipitación (PP) (Ver más abajo)
• Nieve hecha a máquina (MM) : pueden ser partículas policristalinas redondas provenientes de la congelación de gotas de agua muy pequeñas desde la superficie hacia el interior o partículas de hielo triturado provenientes de la trituración y distribución forzada.
• Partículas de precipitación en descomposición y fragmentadas (DF) : la descomposición es causada por una disminución del área de superficie para reducir la energía libre de la superficie que se descompone inicialmente por los vientos ligeros. El viento provoca fragmentación, empaquetamiento y redondeo de partículas.
• Granos redondeados (RG) : varían desde partículas redondeadas, generalmente alargadas, de un tamaño de alrededor de 0,25 mm, que están altamente sinterizadas. También pueden estar empaquetados al viento o redondeados y facetados.
• Cristales facetados (FC) : crecer con difusión de vapor de grano a grano impulsada por un gran gradiente de temperatura es el principal impulsor de los cristales facetados dentro de la capa de nieve seca.
• Profundidad escarpada (DH) : la difusión de vapor de grano a grano impulsada por un gran gradiente de temperatura es el principal impulsor de la profundidad escarpada dentro de la capa de nieve seca.
• Surface Hoar (SH) : rápido crecimiento de cristales en la superficie de la nieve mediante la transferencia de vapor de agua desde la atmósfera hacia la superficie de la nieve, que se enfría mediante enfriamiento radiativo por debajo de la temperatura ambiente.
• Formas de fusión (MF) : van desde granos redondos agrupados de nieve húmeda hasta policristales redondeados congelados cuando el agua en las venas se congela, hasta policristales y monocristales completamente redondeados y ligeramente unidos, hasta policristales de una capa superficial de nieve húmeda que se volvió a congelar después de haber sido mojado por el deshielo o la lluvia.
• Formaciones de hielo (IF) : abarcan las siguientes características: Capas horizontales, resultantes de la lluvia o el agua de deshielo de la superficie que se filtra en la nieve fría y se vuelve a congelar a lo largo de las barreras de las capas. Dedos verticales de agua escurrida congelada. Una corteza basal que resurge del agua derretida que se acumula sobre un sustrato y se congela. Una capa de hielo sobre la superficie de la nieve, resultante de la lluvia helada sobre la nieve. Una costra solar formada por agua derretida en la superficie y la nieve se vuelve a congelar en la superficie debido al enfriamiento radiativo.

Partículas de precipitación

La clasificación de partículas congeladas amplía las clasificaciones anteriores de Nakaya y sus sucesores y se citan en la siguiente tabla: ^[15]

Todos se forman en las nubes, excepto la escarcha, que se forma en objetos expuestos a humedad sobreenfriada, y algunas placas, dendritas y estrellas, que pueden formarse en una inversión de temperatura bajo un cielo despejado.

Propiedades físicas

Cada una de estas capas de un manto de nieve se diferencia de las capas adyacentes por una o más características que describen su microestructura o densidad, que en conjunto definen el tipo de nieve y otras propiedades físicas. Así, en cada momento hay que definir el tipo y estado de la nieve que forma la capa porque de ellos dependen sus propiedades físicas y mecánicas. La Clasificación Internacional de Nieve Estacional sobre el Terreno establece las siguientes medidas de las propiedades de la nieve (junto con sus códigos): ^[15]

• La microestructura de la nieve es compleja y difícil de medir, pero tiene una influencia crítica en las propiedades térmicas, mecánicas y electromagnéticas de la nieve. Aunque existen múltiples medios para caracterizar la microestructura, no existe un método estándar.
• La forma del grano ( F ) incluye deposiciones tanto naturales como artificiales, que pueden haberse descompuesto o incluir cristales recién formados por congelación, descongelación o escarcha.
• El tamaño de grano ( E ) representa el tamaño medio de los granos, cada uno medido en su mayor extensión, medido en milímetros.
• La densidad de la nieve ( ρ _s ) es la masa por unidad de volumen de nieve de un volumen conocido, calculada como kg/m ³ . La clasificación va desde muy fina por debajo de 0,2 mm hasta muy gruesa (2,0 a 5,0 mm) y más.
• La dureza de la nieve ( R ) es la resistencia a la penetración de un objeto en la nieve. La mayoría de los estudios de nieve utilizan un puño o dedos para nieves más blandas (de muy blanda a media) y un lápiz (duro) o un cuchillo (muy duro) por debajo del límite de dureza del hielo.
• El contenido de agua líquida ( LWC ) (o contenido de agua libre ) es la cantidad de agua dentro de la nieve en la fase líquida ya sea debido al derretimiento, la lluvia o ambos. Las medidas se expresan como fracción de volumen o masa en porcentaje. La nieve seca tiene una fracción de volumen media del 0%. Nieve mojada 5,5% y empapada es superior al 15%.
• La temperatura de la nieve ( T _s ) se mide frecuentemente a varias elevaciones dentro y por encima de la columna de nieve: en el suelo, en la superficie y a una altura informada sobre la superficie en °C.
• Las impurezas ( J ) comúnmente son polvo, arena, hollín, ácidos, materiales orgánicos y solubles; cada uno debe describirse completamente e informarse como fracción de masa (%, ppm).
• El espesor de capa ( L ) de cada estrato de un manto de nieve se mide en cm.

Cristales de nieve recién caídos y metamorfoseados.

• 
  Copo de nieve dendrítico: micrografía de Wilson Bentley .
• 
  Plaquetas y agujas, dos formas alternativas de copos de nieve.
• 
  Nieve fresca y seca con enlaces recién formados que muestran un límite de grano (arriba en el centro).
• 
  Grupo de granos de hielo en nieve húmeda con un bajo contenido de líquido; los cristales de grano varían de 0,5 a 1,0 mm.

Datos y análisis satelitales.

La teledetección de mantos de nieve con satélites y otras plataformas suele incluir una recopilación de imágenes multiespectrales. La interpretación sofisticada de los datos obtenidos permite hacer inferencias sobre lo observado. La ciencia detrás de estas observaciones remotas ha sido verificada con estudios reales de las condiciones reales. ^[21]

Las observaciones satelitales registran una disminución en las áreas cubiertas de nieve desde la década de 1960, cuando comenzaron las observaciones satelitales. En algunas regiones, como China, se ha observado una tendencia al aumento de la capa de nieve (de 1978 a 2006). Estos cambios se atribuyen al cambio climático global, que puede provocar un derretimiento más temprano y una menor cobertura del área. Sin embargo, en algunas áreas puede haber un aumento en la capa de nieve debido a las temperaturas más altas en latitudes al norte de 40°. Para el hemisferio norte en su conjunto, la extensión media mensual de la capa de nieve ha ido disminuyendo un 1,3% por década. ^[22]

La observación satelital de la nieve se basa en la utilidad de las propiedades físicas y espectrales de la nieve para analizar datos de sensores remotos. Dietz, et al. resuma esto de la siguiente manera: ^[22]

• La nieve refleja una alta proporción de la radiación incidente en longitudes de onda visibles.
• La Tierra emite continuamente radiación de microondas desde su superficie que puede medirse desde el espacio mediante sensores de microondas pasivos.
• El uso de datos de microondas activos para mapear las características de la capa de nieve está limitado por el hecho de que sólo la nieve húmeda puede reconocerse de manera confiable.

Los métodos más utilizados para mapear y medir la extensión de la nieve, la profundidad de la nieve y el equivalente en agua de la nieve emplean múltiples entradas en el espectro visible-infrarrojo para deducir la presencia y las propiedades de la nieve. El Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo (NSIDC) utiliza la reflectancia de la radiación visible e infrarroja para calcular un índice de diferencia de nieve normalizado, que es una relación de parámetros de radiación que pueden distinguir entre nubes y nieve. Otros investigadores han desarrollado árboles de decisión, empleando los datos disponibles para realizar evaluaciones más precisas. Un desafío para esta evaluación es cuando la capa de nieve es irregular, por ejemplo durante períodos de acumulación o ablación y también en áreas boscosas. La cobertura de nubes inhibe la detección óptica de la reflectancia de la superficie, lo que ha llevado a otros métodos para estimar las condiciones del suelo debajo de las nubes. Para los modelos hidrológicos, es importante tener información continua sobre la capa de nieve. Las técnicas aplicables implican la interpolación, utilizando lo conocido para inferir lo desconocido. Los sensores pasivos de microondas son especialmente valiosos para la continuidad temporal y espacial porque pueden mapear la superficie debajo de las nubes y en la oscuridad. Cuando se combina con mediciones reflectantes, la detección pasiva de microondas amplía enormemente las inferencias posibles sobre la capa de nieve. ^[22]

Modelos

Las nevadas y el deshielo son partes del ciclo del agua en la Tierra.

La ciencia de la nieve a menudo conduce a modelos predictivos que incluyen la deposición de nieve, el derretimiento de la nieve y la hidrología de la nieve (elementos del ciclo del agua de la Tierra ) que ayudan a describir el cambio climático global . ^[21]

Cambio climático global

Los modelos de cambio climático global (MCG) incorporan la nieve como factor en sus cálculos. Algunos aspectos importantes de la capa de nieve incluyen su albedo (reflectividad de la luz) y sus cualidades aislantes, que ralentizan el ritmo de derretimiento estacional del hielo marino. En 2011, se pensaba que la fase de deshielo de los modelos de nieve GCM funcionaba mal en regiones con factores complejos que regulan el deshielo, como la cubierta vegetal y el terreno. Estos modelos calculan el equivalente en agua de nieve (SWE) de alguna manera, como por ejemplo: ^[21]

SWE = [ –ln( 1 – f _c )] / D

dónde:

• f _c = cobertura fraccionaria de nieve
• D = profundidad de enmascaramiento de la vegetación (≈ 0,2 m en todo el mundo)

Deshielo

Dada la importancia del deshielo para la agricultura, los modelos de escorrentía hidrológica que incluyen la nieve en sus predicciones abordan las fases de acumulación de nieve, procesos de derretimiento y distribución del agua de deshielo a través de las redes de arroyos y hacia el agua subterránea. La clave para describir los procesos de fusión es el flujo de calor solar, la temperatura ambiente, el viento y las precipitaciones. Los modelos iniciales de deshielo utilizaron un enfoque de grados-día que enfatizaba la diferencia de temperatura entre el aire y la capa de nieve para calcular el equivalente en agua de nieve (SWE) como: ^[21]

SWE = M ( T _a – T _m ) cuando T _a ≥ T _m

= 0 cuando T _a < T _m

dónde:

• M = coeficiente de fusión
• T _a = temperatura del aire
• T _m = temperatura del manto de nieve

Los modelos más recientes utilizan un enfoque de balance de energía que tiene en cuenta los siguientes factores para calcular la energía disponible para la fusión ( Q _m ) como: ^[21]

Q _m = Q ^* + Q _h + Q _e + Q _g + Q _r – Q _Θ

dónde:

• Q ^* = radiación neta
• Q _h = transferencia convectiva de calor sensible entre la capa de nieve y la masa de aire
• Q _e = calor latente perdido por evaporación o condensación sobre el manto de nieve
• Q _g = conducción de calor desde el suelo hacia la capa de nieve
• Q _r = advección de calor a través de la lluvia
• Q _Θ = tasa de cambio de energía interna por unidad de superficie

El cálculo de las distintas cantidades de flujo de calor ( Q ) requiere la medición de una gama mucho mayor de factores ambientales y de nieve que solo las temperaturas. ^[21]

Ingeniería

"Traslado de la instalación de radar DYE 2 a nuevos cimientos en la capa de hielo de Groenlandia ".

El conocimiento adquirido de la ciencia se traduce en ingeniería. Cuatro ejemplos son la construcción y el mantenimiento de instalaciones en los casquetes polares, la creación de pistas de nieve, el diseño de neumáticos para nieve y superficies de deslizamiento para esquí .

Pruebas de aceptación de la Pista Phoenix para aviones de ruedas en la Estación McMurdo con un Boeing C-17 .

• Edificios sobre cimientos de nieve : el Laboratorio de Ingeniería e Investigación de Regiones Frías del Ejército de EE. UU. (CRREL) desempeñó un papel al ayudar a la Fuerza Aérea de EE. UU. a establecer ^[23] y mantener un sistema de instalaciones de la Línea de Alerta Temprana Distante (DEW) durante la era de la Guerra Fría . En 1976, un investigador del CRREL jugó un papel decisivo en el traslado de una instalación DEW Line de 10 pisos de altura y 2900 t (3200 toneladas cortas) en la capa de hielo de Groenlandia desde una base que había sido comprometida por el movimiento del hielo en sobre el cual fue construido sobre nuevos cimientos. ^[24] Esto requirió la medición de la resistencia de la nieve in situ y su uso en el diseño de nuevos cimientos para el edificio.
• Pistas de nieve : en 2016, CRREL Research Civil Engineers diseñó, construyó y probó una nueva pista de nieve para la Estación McMurdo , llamada "Phoenix". Está diseñado para albergar aproximadamente 60 salidas anuales de aviones de transporte pesados ​​con ruedas. La pista de nieve compactada fue diseñada y construida para dar servicio a un Boeing C-17 que pesa más de 230.000 kg (500.000 lb). Esto requería conocimientos de ingeniería sobre las propiedades de la nieve endurecida mecánicamente. ^[25]
• Neumáticos para nieve : los neumáticos para nieve realizan tres funciones: compactación, unión por corte y soporte. En las carreteras compactan la nieve que tienen delante y proporcionan una unión cortante entre las huellas y la nieve compactada. Fuera de la carretera también actúan sobre la nieve compactada. El contacto del rodamiento debe ser lo suficientemente bajo para que los neumáticos no se hundan demasiado y el avance se vea impedido por la compactación de la nieve frente a ellos. ^[26] El diseño de la banda de rodadura es fundamental para los neumáticos para nieve utilizados en carreteras y representa un equilibrio entre la tracción sobre nieve y la comodidad y el manejo en carreteras secas y mojadas. ^[27]
• Deslizadores de nieve : la capacidad de un esquí u otro corredor para deslizarse sobre la nieve depende tanto de las propiedades de la nieve como del esquí para dar como resultado una cantidad óptima de lubricación al derretir la nieve por fricción con el esquí; muy poca y el esquí interactúa. En el caso de cristales de nieve sólidos, la atracción excesiva y capilar del agua de deshielo retarda el esquí. Antes de que un esquí pueda deslizarse, debe superar el valor máximo de fricción estática, , para el contacto esquí/nieve, donde es el coeficiente de fricción estática y es la fuerza normal del esquí sobre la nieve. La fricción cinética (o dinámica) se produce cuando el esquí se mueve sobre la nieve. ^[28] ${\displaystyle F_{max}=\mu _{\mathrm {s} }F_{n}\,}$ ${\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}$ ${\displaystyle F_{n}\,}$

Referencias

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enlaces externos

• Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente: Perspectivas mundiales del hielo y la nieve
• Instituto de Ciencias de Baja Temperatura, Universidad de Hokkaido
• Sitio web del Instituto Federal Suizo de Investigación sobre Bosques, Nieve y Paisaje
• Sitio web de ciencia de la nieve del Centro Nacional de Datos sobre Hielo y Nieve de EE. UU.
• Mapa interactivo de cargas de nieve terrestre de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles para los EE. UU. continentales
• Clasificación internacional de nieve estacional en el suelo (ICSSG) Archivado el 10 de octubre de 2018 en la Wayback Machine.