Ciencia de la nieve

Campo interdisciplinario de la hidrología, la mecánica y la 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 estudia cómo se forma la nieve , su distribución y los procesos que afectan a la forma en que los mantos de nieve cambian con el tiempo. Los científicos mejoran la previsión de tormentas, estudian la capa de nieve global y su efecto sobre el clima, los glaciares y los suministros de agua en todo el mundo. El estudio incluye las propiedades físicas del material a medida que cambia, las propiedades en masa de los mantos de nieve en el lugar y las propiedades agregadas de las regiones con capa de nieve. Para ello, emplean técnicas de medición física sobre el terreno para establecer la verdad sobre el terreno y técnicas de teledetección 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 de Han Ying Disconnection , que contrastaba la simetría pentagonal de las flores con la simetría hexagonal de la nieve. ^[3] Albertus Magnus demostró lo que puede ser la primera descripción europea detallada 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 - a Snow-Flake Album . ^{[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 .

Ukichirō Nakaya comenzó un estudio extenso sobre los copos de nieve en 1932. De 1936 a 1949, Nakaya creó los primeros cristales de nieve artificiales y trazó la relación entre la temperatura y la 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 Cristales de nieve: naturales y artificiales . Teisaku Kobayashi, verificó y mejoró el Diagrama de Nakaya con el Diagrama de Kobayashi de 1960 , más tarde refinado en 1962. ^{[7] [8]}

El interés en la génesis de copos de nieve artificiales continuó en 1982 con Toshio Kuroda y Rolf Lacmann, de la Universidad Tecnológica de Braunschweig , publicando Growth Kinetics of Ice from the Vapour 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. confirmaron 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 especializados en nieve suelen excavar un pozo de nieve en el que realizar mediciones y observaciones básicas. Las observaciones pueden describir características causadas por el viento, la percolación de agua o la nieve que se desprende de los árboles. La percolación de agua en un manto de nieve puede crear dedos de flujo y encharcamientos o flujo a lo largo de barreras capilares, que pueden volver a congelarse en formaciones de hielo sólido horizontales y verticales dentro del manto 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, generalmente en centímetros.
• El espesor (D) es la profundidad de la nieve medida en ángulo recto con respecto a la pendiente en 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 en una tabla de snowboard durante un período de 24 horas o algún otro período específico.
• El equivalente de agua de nieve (SWE) es la profundidad del agua que resultaría si la masa de nieve se derritiera completamente, 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 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 un objeto penetra en la nieve desde la superficie, medida generalmente con una rammsonda suiza o, de forma más cruda, por una persona de pie o con esquís, en centímetros.
• Las características superficiales (SF) describen la apariencia general de la superficie de la nieve, debido a la deposición, redistribución y erosión por el viento, el derretimiento y recongelamiento, la sublimación y evaporación, y la lluvia. Los siguientes procesos tienen los resultados correspondientes: liso: deposición sin viento; ondulado: nieve depositada por el viento; surcos cóncavos: derretimiento y sublimación; surcos convexos: lluvia o derretimiento; 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.
• El aspecto de la pendiente (AS) es la dirección de la brújula hacia la que mira una pendiente, normal a los contornos de elevación, dados los grados desde el Norte verdadero N = 0° = 360° o como N, NE, E, SE, S, SO, O, NO.
• El tiempo (t) generalmente se da en segundos para una duración de 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) que se observa durante un período de seis horas. Al final del período de seis horas, se retira toda la nieve de la superficie de medición. Para obtener una nevada total diaria, se suman cuatro mediciones de nevadas de seis horas. La nevada puede ser muy difícil de medir debido al derretimiento, la compactación, el viento y la acumulación de nieve. ^[16]

Equivalente líquido por nivómetro – El equivalente líquido de la nevada puede evaluarse utilizando un nivómetro ^[17] o con un pluviómetro estándar que tenga un diámetro de 100 mm (4 in; plástico) o 200 mm (8 in; 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 en el pluviómetro. [ ^19] En ambos tipos de pluviómetros, una vez que la nevada/el hielo termina de acumularse, o cuando su altura en el pluviómetro se acerca a los 300 mm (12 in), la nieve se derrite y se registra la cantidad de agua. ^[20]

Clasificación

La Clasificación Internacional de la Nieve Estacional sobre el Terreno ofrece una clasificación más amplia de la nieve depositada que la de la nieve transportada por el aire. La lista de las principales categorías (con sus códigos) incluye: ^[15]

• Partículas de precipitación (PP) (Ver abajo)
• Nieve fabricada a máquina (MM) : pueden ser partículas policristalinas redondas provenientes de la congelación de gotitas de agua muy pequeñas desde la superficie hacia adentro o partículas de hielo triturado provenientes del aplastamiento y distribución forzada.
• Partículas de precipitación fragmentadas y en descomposición (DF) : la descomposición se produce por una disminución del área de superficie para reducir la energía libre superficial que se rompe inicialmente con vientos suaves. El viento causa la fragmentación, el empaquetamiento y el redondeo de las partículas.
• Granos redondeados (RG) : varían de partículas redondeadas, generalmente alargadas, de un tamaño de alrededor de 0,25 mm, que están muy sinterizadas. También pueden estar empaquetadas por viento o facetadas.
• Cristales facetados (FC) : el crecimiento mediante la difusión de vapor de grano a grano impulsada por un gran gradiente de temperatura es el impulsor principal de los cristales facetados dentro del manto de nieve seca.
• Escarcha de profundidad (DH) : la difusión de vapor de grano a grano impulsada por un gran gradiente de temperatura es el impulsor principal de la escarcha de profundidad dentro del manto de nieve seca.
• Escarcha superficial (SH) : crecimiento rápido 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 por enfriamiento radiativo por debajo de la temperatura ambiente.
• Formas de fusión (MF) : van desde granos redondos agrupados de nieve húmeda hasta policristales redondeados que se derriten y congelan cuando el agua en las vetas se congela, hasta monocristales y policristales completamente redondeados y débilmente unidos, hasta policristales de una capa superficial de nieve húmeda que se volvió a congelar después de haber sido humedecida por el derretimiento o la lluvia.
• Formaciones de hielo (IF) : comprenden 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 capas. Dedos verticales de agua congelada drenada. Una corteza basal que resurge del agua de deshielo 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 del agua de deshielo en la superficie; 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]

Todas se forman en las nubes, excepto la escarcha, que se forma en objetos expuestos a humedad superenfriada, 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 difiere 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. Por lo tanto, en cualquier momento, el tipo y el estado de la nieve que forma una capa deben definirse porque sus propiedades físicas y mecánicas dependen de ellos. La Clasificación Internacional de la Nieve Estacional sobre el Suelo establece las siguientes mediciones 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 decisiva en las propiedades térmicas, mecánicas y electromagnéticas de la nieve. Aunque existen múltiples métodos para caracterizar la microestructura, no existe un método estándar.
• La forma del grano ( F ) incluye tanto deposiciones naturales como artificiales, que pueden haberse descompuesto o incluir cristales recién formados por congelación-descongelación o por escarcha.
• El tamaño de grano ( E ) representa el tamaño promedio de los granos, cada uno medido en su mayor extensión, medida en milímetros.
• La densidad de la nieve ( ρ _s ) es la masa por unidad de volumen de nieve de un volumen conocido, calculada en kg/m ³ . La clasificación va desde muy fina, por debajo de 0,2 mm, hasta muy gruesa (2,0–5,0 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 sobre la nieve utilizan el puño o los dedos para nieves más blandas (muy blandas a medias) y un lápiz (dura) o un cuchillo (muy dura) por debajo del límite de dureza del hielo.
• El contenido de agua líquida ( LWC ) (o contenido de agua libre ) es la cantidad de agua que hay en la nieve en fase líquida, ya sea derretida, lluvia o ambas. Las mediciones se expresan como fracción de volumen o masa en porcentaje. La nieve seca tiene una fracción de volumen media del 0%. La nieve húmeda tiene un 5,5% y la nieve empapada tiene más del 15%.
• La temperatura de la nieve ₍ Ts ) se mide con frecuencia a distintas 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 y reportarse como fracción de masa (%, ppm).
• El espesor de la 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 muestra un límite de grano (centro superior).
• 
  Grupo de granos de hielo en nieve húmeda con bajo contenido de líquido; los cristales de los granos varían de 0,5 a 1,0 mm.

Datos y análisis satelitales

La teledetección de mantos de nieve mediante satélites y otras plataformas suele incluir la recopilación de imágenes multiespectrales. Una interpretación sofisticada de los datos obtenidos permite sacar conclusiones sobre lo que se observa. La ciencia que sustenta estas observaciones remotas se ha verificado con estudios de campo de las condiciones reales. ^[21]

Las observaciones satelitales registran una disminución de 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 cubierta 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 de la zona. Sin embargo, en algunas áreas puede haber un aumento en la profundidad de la nieve debido a las temperaturas más altas en latitudes al norte de los 40°. Para el hemisferio norte en su conjunto, la extensión media mensual de la cubierta de nieve ha estado 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 obtenidos mediante teledetección. Dietz et al. resumen 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 utilizando 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 sobre Nieve y Hielo (NSIDC) utiliza la reflectancia de la radiación visible e infrarroja para calcular un índice de nieve de diferencia normalizada, que es una relación de parámetros de radiación que puede distinguir entre nubes y nieve. Otros investigadores han desarrollado árboles de decisión, empleando los datos disponibles para hacer evaluaciones más precisas. Un desafío para esta evaluación es donde la cubierta de nieve es irregular, por ejemplo durante períodos de acumulación o ablación y también en áreas boscosas. La cubierta 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 cubierta de nieve. Las técnicas aplicables implican la interpolación, utilizando lo conocido para inferir lo desconocido. Los sensores de microondas pasivos 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 reflexivas, la detección pasiva por microondas amplía enormemente las inferencias posibles sobre la capa de nieve. ^[22]

Modelos

Las nevadas y el deshielo son partes del ciclo del agua de 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 (GCM) incorporan la nieve como un factor en sus cálculos. Algunos aspectos importantes de la capa de nieve incluyen su albedo (reflectividad de la luz) y sus cualidades aislantes, que reducen la velocidad de derretimiento estacional del hielo marino. En 2011, se pensaba que la fase de derretimiento de los modelos de nieve de GCM tenía un desempeño deficiente en regiones con factores complejos que regulan el derretimiento de la nieve, como la cubierta vegetal y el terreno. Estos modelos calculan el equivalente de agua de nieve (SWE) de alguna manera, como: ^[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)

Derretimiento de nieve

Dada la importancia del deshielo para la agricultura, los modelos hidrológicos de escorrentía que incluyen la nieve en sus predicciones abordan las fases de acumulación de la capa de nieve, los procesos de deshielo y la distribución del agua de deshielo a través de las redes fluviales y hacia las aguas subterráneas. La clave para describir los procesos de deshielo son el flujo de calor solar, la temperatura ambiente, el viento y la precipitación. Los modelos iniciales de deshielo utilizaban un enfoque de grados-día que enfatizaba la diferencia de temperatura entre el aire y la capa de nieve para calcular el equivalente de 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 energético 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 el manto 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 el manto de nieve
• Q _r = advección de calor a través de la lluvia
• Q _Θ = tasa de cambio de energía interna por unidad de área superficial

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

Ingeniería

Traslado de las instalaciones de radar DYE 2 a nuevos cimientos en la capa de hielo de Groenlandia .

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

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

• Edificios sobre cimientos de nieve : el Laboratorio de Investigación e Ingeniería de Regiones Frías del Ejército de los EE. UU. (CRREL) desempeñó un papel importante al ayudar a la Fuerza Aérea de los EE. UU. a establecer ^[23] y mantener un sistema de instalaciones de Línea de Alerta Temprana Distante (DEW) durante la era de la Guerra Fría . En 1976, un investigador del CRREL fue fundamental en el traslado de una instalación de Línea DEW de 10 pisos de altura y 2900 t (3200 toneladas cortas) en el casquete glaciar de Groenlandia desde una base que se había visto comprometida por el movimiento del hielo sobre el que se construyó a una nueva base. ^[24] Esto requirió la medición de la resistencia de la nieve in situ y su uso en el diseño de nuevas bases para el edificio.
• Pistas de nieve : en 2016, los ingenieros civiles de investigación del CRREL diseñaron, construyeron y probaron una nueva pista de nieve para la estación McMurdo , llamada "Phoenix". Está diseñada para albergar aproximadamente 60 salidas anuales de aeronaves de transporte pesadas 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 requirió conocimientos de ingeniería sobre las propiedades de la nieve endurecida mecánicamente. ^[25]
• Neumáticos para nieve : los neumáticos para nieve cumplen tres funciones: compactación, adherencia por cizallamiento y apoyo. En las carreteras, compactan la nieve que tienen delante y proporcionan una adherencia por cizallamiento entre las bandas de rodadura y la nieve compactada. Fuera de la carretera, también proporcionan apoyo sobre la nieve compactada. El contacto del apoyo debe ser lo suficientemente bajo para que los neumáticos no se hundan demasiado y no impidan el avance por la compactación de la nieve que tienen delante. ^[26] El diseño de la banda de rodadura es fundamental para los neumáticos para nieve que se utilizan en las carreteras y representa un equilibrio entre la tracción sobre la nieve y la comodidad y el manejo en carreteras secas y mojadas. ^[27]
• Deslizadores de nieve : la capacidad de un esquí u otro patín para deslizarse sobre la nieve depende tanto de las propiedades de la nieve como del esquí para obtener una cantidad óptima de lubricación a partir del derretimiento de la nieve por fricción con el esquí: si es muy poca, el esquí interactúa con cristales de nieve sólidos; si es demasiada, la atracción capilar del agua derretida retrasa 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 sobre el hielo y la nieve
• Instituto de Ciencias de Bajas Temperaturas, Universidad de Hokkaido
• Sitio web del Instituto Federal Suizo de Investigación sobre Bosques, Nieve y Paisaje
• Sitio web sobre ciencia de la nieve del Centro Nacional de Datos sobre Nieve y Hielo de EE. UU.
• Mapa interactivo de cargas de nieve en el suelo de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles para los Estados Unidos continentales
• Clasificación internacional de la nieve estacional sobre el suelo (ICSSG) Archivado el 10 de octubre de 2018 en Wayback Machine