CC BY
0УДК 599.325.2
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-924-930
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СНЕЖНОГО ПОКРОВА КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКТОР
THERMAL PROPERTIES OF SNOW COVER AS AN ENVIRONMENTAL FACTOR
Никольский А.А.1, Ефимова Е.Е.2, Сорока О.В.3,4 Nikol'skii A.A.1, Efimova E.E.2, Soroka O.V.3 4
1Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, Москва, Россия 2Павловский лицей Оренбургского района имени В.А. Нарывского, Оренбургская обл., Россия Государственный природный заповедник «Денежкин Камень», Североуральск, Россия 4Институт степи УрО РАН Оренбург, Россия
1S. Vavilov Institute for the History of Science and Technology, RAS, Moscow, Russia 2Pavlovsky Lyceum of the Orenburg region named after V.A. Naryvsky, Orenburg region, Russia
3Federal Nature Preserve «Denezhkin Kamen», Severouralsk, Russia 4Institute of Steppe of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Orenburg, Russia
E-mail: 1bobak@list.ru, 2kat270377@mail.ru, 3soroka-olga@yandex.ru
Аннотация. Обсуждаются теплофизические свойства снежного покрова, как экологического фактора. Материал собран на территории участка «Буртинская степь» государственного природного заповедника «Оренбургский». Подтверждено, что снег, обладая низкой теплопроводностью, способствует выравниванию температур на границе грунт-снег. Наиболее сильное тепловое влияние снег оказывает до высоты снежного покрова 40-50 см. Дальнейшее увеличение высоты снежного покрова приводит к незначительному теплоизолирующему эффекту. На примере характерного обитателя континентальных степей степной пищухи (Ochotona pusilla, Lagomorpha) показано, что в выборе мест обитания пищухи находят компромисс между тепловыми свойствами снега и свойствами снежного покрова, как специфического, широко распространённого в зимний период субстрата. Зимой пищухи регулярно выходят на снег кормиться, располагая норы там, где высота снежного покрова достаточна, чтобы использовать тепловые свойства снега, но не препятствует выходу за пределы норы.
Ключевые слова: снежный покров, температура на границе грунт-снег, влияние снежного покрова на температуру, зимняя активность Ochotona pusilla.
Abstract. The thermophysical properties of snow cover as an environmental factor are discussed. The material was collected on the territory of the Burtinskaya Steppe Site of the Orenburg State Nature Reserve. It has been confirmed that snow, having low thermal conductivity, maintains a standard temperature at the soil-snow boundary. The greatest impact of snow on the environment affects the height of the average cover of 40-50 cm. A further increase in the height of the snow cover leads to an insignificant thermophysical effect. Using the example of a typical inhabitant of the continental steppes, the steppe pika (Ochotona pusilla, Lagomorpha), it is shown that when choosing habitats, pikas choose a compromise between the thermal properties of snow and the properties of snow cover, as a specific substrate that is widespread in winter. In winter, pikas regularly go out into the snow to feed, locating wintering burrows where the depth of the snow cover is sufficient to fully utilize the thermal properties of the snow, but does not prevent them from leaving the burrow.
Key words: snow cover, temperature at the soil-snow boundary, influence of snow cover height on temperature, winter activity of Ochotona pusilla.
Задача нашего сообщения состоит в том, чтобы показать теплофизические свойства снежного покрова, как одного из ключевых экологических факторов. В конце зимы снегом покрыто 31% Северного полушария [1] и, практически, вся степная зона. Адаптации тысяч видов растений и животных связаны со свойствами снега [2, 3]. Снежный покров находится на границе двух сред - приземной атмосферы и поверхности грунта, испытывая и оказывая влияние на каждую из них. Животные и растения используют снежный покров как субстрат и как источник тепла.
Теплофизические свойства снежного покрова мы продемонстрируем на конкретном материале, который собран нами на территории степного заповедника «Оренбургский» в конце января-начале февраля 2000 года. Материал и методика опубликованы ранее [4], поэтому мы не будем описывать детали методов исследования, а лишь обсудим основные результаты наблюдений в контексте специфики свойств снежного покрова, как характерного для степей
Евразии экологического фактора, оказывающего сильное влияние на температурный режим среды обитания растений и животных.
Место сбора материала, участок «Буртинская степь» заповедника «Оренбургский», расположен в Беляевском районе в центральной части Оренбургской области. Средняя высота снежного покрова в январе составляет здесь 30-40 см [5]. Мы проводили наблюдения на трёх площадках, где из-за метелей высота снега, то уменьшалась, то увеличивалась в диапазоне от 39 до 58 см, средняя равна 43,4+0,74 см [4].
На рисунке 1 показано, как выглядит Буртинская степь зимой, в конце января. Сильные ветры, переметая снег, образуют характерный волнистый рельеф поверхности.
Одна из основных характеристик среды обитания организмов - теплопроводность: способность проводить тепло, тепловую энергию в условиях градиента температур, от более высокой температуры к менее высокой [6, 7]. Хотя теплопроводность снега зависит от многих факторов (от его плотности, температуры, зернистости, размеров кристаллов, высоты снежного покрова и пр., [8] ), но в целом она значительно ниже теплопроводности многих природных сред и искусственных материалов [6-8]. Относительно низкая теплопроводность снега производит мощный эффект, удерживая тепло, излучаемое грунтом. В результате, температура грунта меняется незначительно, что снижает расход энергии организмов на терморегуляцию.
Суточная и многодневная амплитуда температуры на поверхности грунта меняется незначительно по сравнению с колебаниями температуры приземной атмосферы. Так, на рисунке 2 показана динамика температуры на поверхности снега и под снегом за сутки, с 12:00 1 февраля по 12:00 2 февраля и с 12:00 2 февраля по 12:00 3 февраля. В эти двое суток наблюдались минимальные (1-2 февраля) и максимальные (2-3 февраля) отношения суточных амплитуд температуры. Если на поверхности снега суточная амплитуда температуры достигала 15°С, то под снежным покровом, на поверхности грунта, она не превышала 1°. Даже на минимальную температуру в -17° в 8:00 отклик на поверхности грунта был незначителен.
То же можно сказать и в отношении динамики многодневной температуры (рисунок 3). За 7 суток наблюдений температура воздуха вблизи поверхности снега многократно менялась от -2° до -22°, в то время как на границе грунт-снег её диапазон не превышал 1°.
Как следует из таблицы 1, суточная амплитуда температур на поверхности снега может в 40 раз превышать суточную амплитуду температур на границе грунт-снег.
Таблица 1
Суточные амплитуды температуры (0С) воздуха в приземной атмосфере (Ав) и под снегом (Ас) [4]___
Температура воздуха в Температура под Отношение
Дата приземной атмосфере снежным покровом амплитуд
Мин. Макс. Ап* Мин. Макс. Ас** Ап/Ас
28-29.01 -13,9 -10,5 3,4 -3,9 -3,5 0,4 8,5
29-30.01 -13,9 -8,5 5,4 -3,9 -3,5 0,4 13,5
30-31.01 -12,4 -8,6 3,8 -3,9 -3,5 0,4 9,5
31.01-01.02 -9,1 -3,5 5,6 -3,9 -3,3 0,6 9,3
01-02.02 -7,4 -2,0 5,4 -3,4 -2,5 0,9 6,0
02-03.02 -17,7 -1,6 16,1 -2,9 -2,5 0,4 40,3
03-04.02 -21,9 -13,0 8,9 -2,5 -3,9 1,4 6,4
* - Амплитуда температуры воздуха в приземной атмосфере: Макс - Мин; ** - Амплитуда температуры под снежным покровом: Макс - Мин.
Можно предположить, что, чем больше высота снега, тем сильнее теплоизоляция. Мы проверили это предположение, проводя измерения температуры на трёх площадках с различной высотой снега. Оказалось, что температура под снегом действительно зависит от высоты снежного покрова, но эта зависимость носит нелинейный характер [4].
На рисунке 4 изображена кривая зависимости температуры под снегом от высоты снежного покрова для объединённой по трём участкам выборки. Связь между высотой снежного покрова и температурой на границе грунт-снег статистически достоверна (р<0,0001). Коэффициент детерминации Я2 равен для объединённой выборки 83%. Отметим, что всего лишь
17% влияния приходятся на не учтённые факторы, то есть, высота снежного покрова вносит основной вклад (83%) в теплопроводность.
Рисунок 1. Государственный природный заповедник «Оренбургский», участок «Буртинская степь», конец января 2000 г.
А - волнистый рельеф поверхности снежного покрова образован постоянными сильными ветрами; Б - экологи за работой.
12:00 16:00 20:00 24:00 04:00 08:00 12:00 Время суток
Рисунок 2. Изменение температуры за сутки с 12:00 по 12:00. Под снегом: 1 - с 1 февраля по 2 февраля, 2 - со 2 февраля по 3 февраля; над поверхностью снега: 3 - с 1 февраля по 2 февраля, 4 - со 2 февраля по 3 февраля [4].
28 29 30 31 1 2 3 4
Январь Февраль
Дата наблюдений
Рисунок 3. Многодневная динамика температуры под снегом (1) и воздуха в приземной атмосфере (2) [4].
Связь между температурой под снегом и высотой снежного покрова описывается уравнением регрессии вида:
Т° С = -а + Ь^к,
где ТоС - температура под снегом, 0С; к - высота снежного покрова, см.
Для объединённой выборки это уравнение принимает вид:
Т° С = -10,5088 + 1,27233^к
На основании полученных результатов можно сделать два основных вывода: 1) температура на границе грун -снег зависит от высоты снежного покрова, но 2) эта зависимость наиболее велика при высоте снежного покрова в пределах первых 40 см от поверхности грунта (рисунок 4). Полученные нами результаты не противоречат наблюдениям, выполненным в других регионах и при других условиях наблюдений [9-11].
и
о
<и
-121 I .... I .... I .... I .... I. ... I .... I. ... I . ... I I
О 10 20 30 40 50 60 70 80 Высота снежного покрова, см
Рисунок 4. Изменение температуры под снегом в зависимости от высоты снежного покрова.
Изменение температуры под снегом при изменении высоты снежного покрова описывается уравнением: АТ=exp(-0,456473+18,8647/АН), где АТ - разность температур (оС) под снегом при изменении высоты снежного покрова на АН; АН- изменение высоты(см) снежного покрова.
На рисунке 5 представлен график, построенный на основании этого уравнения. Приведённый пример представляет собой частный случай для тех начальных условий температуры, которые мы наблюдали. При иных начальных условиях численные результаты будут иными, но тенденция сохранится.
д Т°С
10 20 30 40 50 60 70 80 д К см
Рисунок 5. Зависимость изменения температуры под снегом от изменения высоты снежного покрова: АТ - разность температур (оС) под снегом при изменении высоты снежного покрова на АН; АН- изменение высоты(см) снежного покрова.
Выше мы обращали внимание на то, что снежный покров, как экологический фактор, выполняет две функции: 1) функцию терморегуляции мест обитания в зимний период и 2) функцию субстрата. Эти две функции взаимосвязаны и могут вступать во взаимное противоречие. В этом случае организмы должны обладать адаптациями компромисса, который позволил бы имсовместить противоречия функций. Мы пришли к этому выводу, наблюдая следы зимней активности степной пищухи (ОеНоШпаршШа, Lagomorpha).
Весь огромный ареал [12] этого зайчика попадает в область континентальной степи, для которой характерна умеренно суровая малоснежная зима с частыми метелями и жаркое, сухое лето [13-15].
Степные пищухи роют не глубокие, до 1 м норы [16, 17] и, согласно проведённым нами наблюдениям [18], кормятся на поверхности снега. Мы регулярно обнаруживали в снегу норовые отверстия, свежие отпечатки лапок и скусанные побеги растений, возвышающихся над снегом (рисунки 6, 7). В поисках корма пищухи уходят от норы более чем на 100 м. В поедях пищух мы обнаружили 8 видов растений [18].
Рисунок 6. Выход из норы и следы степной пищухи на снегу [18].
Рисунок 7. Следы и поеди степной пищухи на снегу. Справа внизу видны скусанные пищухами соплодия скабиозы [18].
Перед пищухами стоит непростая задача выбора мест обитания, которые бы удовлетворяли двум условиям: предотвращали переохлаждение норы и не затрудняли выход на поверхность снега. Результаты моделирования температуры почвы на различной глубине [19, 20] позволяют предположить, что в период наших наблюдений (конец января-начало февраля) температура на глубине 0,8 м составляла -1°С- -3°, возможно, - ниже.
В норах пищух зимой холодно. Но стоит напомнить, что их ближайшие родственники зайцы норы вообще не роют и вся их зимняя жизнь проходит при отрицательных температурах и постоянно сильных ветрах.
Высота снежного покрова в поселении степной пищухи в Буртинской степи в период наших наблюдений составляла 13-130 см (56,5±3,9 см). Но на тех участках поселения, где пищухи были активны зимой, толща снега была почти на 20 см меньше (38,5±2,3 см). Это та
минимальная высота снежного покрова, которая достаточна для удержания тепла на границе грунт-снег, выше которой тепловой эффект снега резко замедляется (рисунок 4), но создаются дополнительные препятствия, связанные с преодолением сопротивления снега, когда пищухи выходят из норы на поверхность, чтобы совершать дальние кормовые побежки.
Ранее [18] мы обратили внимание на то, что оттепели и метели создают слоистую структуру снега, которая затрудняет перемещение пищух в его толще. В результате, пищухи находят компромиссное решение: их зимние норы расположены под минимально возможной толщей снега, выполняющей теплозащитные функции и не затрудняющие выход зверьков из нор на поверхность снега. То есть, пищухи используют снежный покров как субстрат с определёнными теплофизическими свойствами. Судя по наблюдениям в природе, так поступают (используют снежный покров как субстрат с определёнными теплофизическими свойствами) многие виды птиц и млекопитающих в различных природных зонах [2].
В заключение считаем целесообразным обратить внимание, что снег является одним из ключевых экологических факторов в степных биоценозах Северной Евразии. Снежный покров ограничивает экологические ниши сотен видов растений и животных. Создание базы данных теплофизических и прочих свойств снега, будет способствовать не только лучшему пониманию экологических процессов и явлений, происходящих в степях Евразии, но и позволит прогнозировать на годы вперёд изменения, вносимые колебаниями погодных условий и антропогенными факторами.
Список литературы
1. Котляков В.М. Мир снега и льда. М.: Наука, 1994. 286 с.
2. Формозов А.Н. Снежный покров как фактор среды, его значение в жизни млекопитающих и птиц СССР // К познанию фауны и флоры СССР, издаваемые Московским обществом испытателей природы. Нов. сер. Отд. Зоол. М., 1946. Вып. 5(XX). 141 с.
3. Насимович А.А. Роль режима снежного покрова в жизни копытных животных на территории СССР / отв. ред.: Г.Д. Рихтер, А.Н. Формозов. М.: Издательство Академии наук СССР, 1955. 401 с.
4. Никольский А.А., Рощина Е.Е., Сорока О.В. Снег как фактор зимней экологии мелких млекопитающих в степном заповеднике «Оренбургский» // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия Экология и безопасность жизнедеятельности. 2001. № 5.С. 12-19.
5. Атлас Оренбургской области. М.: Роскартография, 1993. 40 с.
6. Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. М.: Мир, 1982. 520 с.
7. Краткий справочник по физике / ред. Рыдник В.И. М.: Физматгиз, 1963. 552 с.
8. Осокин Н.И., Сосновский А.В., Чернов Р.А. Коэффициент теплопроводности снега и его изменчивость // Криосфера Земли. 2017. Т. 21. № 3.С. 60-68.
9. Копанев И.Д. Методы изучения снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 226 с.
10. Колесов А.Ф., Юрковский Н.Я. Пространственное варьирование высоты снежного покрова и глубины промерзания серых лесных почв // Почвоведение. 1975. № 11. С. 78-85.
11. Снег: справочник / Под ред. Д.М. Грея и Д.Х. Мэйла. Пер. с англ., Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 751 с.
12. Громов И.М., Ербаева М.А. Млекопитающие фауны России и сопредельных территорий. Зайцеобразные и грызуны. СПб.: ЗИН РАН, 1995. 520 с.
13. Климатический атлас СССР. Т. 1. М.: Гидрометеоиздат, 1960. 180 с.
14. Борисов А.А. Климаты СССР в прошлом, настоящем и будущем. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1975. 434 с.
15. Данные по климату СССР. Т. 2, Ч. 1 / Под ред. Филиппова В.В. Обнинск: Главн. упр. гидрометслужбы при Совмине СССР, 1997.
16. Дубровский Ю.А. Распространение степной пищухи и некоторые черты её экологии //Бюлл. МОИП. Отд. биол. 1963. Т. 68. Вып.4. C.44-49.
17. Млекопитающие Казахстана. Т. 2. / Под ред. А.А. Слудского, Е.И. Страустмана. Алма-Ата: Наука Каз ССР, 1980. 238 с.
18. Никольский А.А., Рощина Е.Е., Сорока О.В. Некоторые черты зимней экологии степной пищухи в заповеднике «Оренбургский» // Бюлл. МОИП. Отд. биол. 2000.Т. 105. Вып.6. C. 17-24.
19. Беловежец К.И. Математическое моделирование температурного режима нор наземных беличьих (Marmotinae) в период спячки: дисс. ... канд. биол. наук: Специальность 03.00.16 (экология, биологические науки). М., 2006. 106 с.
20. Беловежец К.И., Никольский А.А. Температурный режим в норах наземных беличьих (Marmotinae) в период зимней спячки // Экология. 2012. № 2. С. 136-142.
