Change in the thermophysical properties of snow cover during compaction

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The purpose of the work is to determine the degree of change in the thermophysical characteristics of the snow cover during compaction. A new indicator, the “snow cover compaction coefficient”, has been introduced. The dependences of the change in the main characteristics of the snow cover on the compaction coefficient have been obtained. The change in the following characteristics has been considered: thermal conductivity, thermal diffusivity, thermal resistance, thermal inertia, thermal stability, and the Fourier and Stefan criteria. A summary table has been constructed, which makes it possible to determine the form of relationship between the above main characteristics and the compaction factor. It has been established that the form of functional relationship between the thermal conductivity coefficient and the snow density plays a crucial role in the quantitative relationship between the characteristics and the compaction factor. For example, if we assume a linear relationship between the thermal conductivity coefficient and the density, the degree of reduction in thermal resistance during snow reclamation is proportional to the square of the compaction factor, while if we assume a parabolic relationship between the thermal conductivity coefficient and the density, the degree of reduction in thermal resistance is proportional to the third power of the compaction factor. The values of the considered thermophysical parameters are obtained from the compaction factor for the case of the dependence of the thermal conductivity coefficient λ on the snow density ρ in the form of a truncated polynomial of an arbitrary degree n. Graphical dependencies of individual indicators on the form of initial functional relationships of the initial values obtained theoretically and from experimental studies and field observations are presented. It is also shown that the percentage discrepancy in the calculation results caused by the choice of exponential function of the thermal conductivity coefficient on density increases for almost all of the thermal properties with an increase in the value of the compaction coefficient and considerably exceeds the value allowed in engineering calculations. For example, the discrepancy of thermal resistance of snow cover when the compaction coefficient is 2.0 is 50 %, and with compaction coefficient equal to 4.0 it is 75 %. The main quantitative relationships of change in thermal conductivity coefficients of snow and thermal resistance of snow cover depending on the compaction degree has been formulated.

About the authors

A. F. Galkin

Melnikov Institute of Permafrost Studies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: afgalkin@mail.ru
Yakutsk, Russia

M. N. Zheleznyak

Melnikov Institute of Permafrost Studies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Yakutsk, Russia

A. F. Zhirkov

Melnikov Institute of Permafrost Studies of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences

Yakutsk, Russia

References

  1. Абельс Г.Ф. Суточный ход температуры снега и определение зависимости между теплопроводностью снега и его плотностью. Чит. в заседании Физ.-мат. отд. 20 янв. 1893 г. / г. Абельс. Санкт-Петербург: тип. Имп. Акад. наук, 1893. 65 с.
  2. Асанкожоев Е.Ж., Караев Э.С., Третьяков П.Ю., Ничипорук Л.С. Оптимизация технологии строительства зимних дорог // Инженерный вестник Дона. 2022. № 5. 7634 с. http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2022/7632
  3. Галкин А.Ф., Жирков А.Ф., Панков В.Ю., Плотников Н.А. Анализ результатов исследований теплового режима природных и техногенных курсов криолитозоны // Арктика и Антарктика. 2024. № 4. С. 1–12. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2024.4.71939
  4. Галкин А.Ф., Плотников Н.А. Расчёт коэффициента теплопроводности снежного покрова // Арктика и Антарктика. 2023. № 3. С. 16–23. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2023.3.43733
  5. Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Адамов А.А. Сравнительный анализ формул для определения плотности снежного покрова // Строительные материалы. 2024. № 11. С. 73–78.
  6. Галкин А.Ф., Панков В.Ю., Жиркова Е.О. Расчёт термического сопротивления дорожной одежды // Строительные материалы. 2022. № 11. С. 70–75. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-808-11-70-75
  7. Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф., Плотников Н.А. Анализ эффективности снежной мелиорации земель // Мелиорация и гидротехника. 2025. Т. 15. № 2. С. 245–269. https://doi.org/10.31774/2712-9357-2025-15-2-245-269
  8. Кириллин А.Р., Железняк М.Н., Жирков А.Ф., Мисайлов И.Е., Верхотуров А.Г., Сивцев М.А. Особенности снегонакопления и параметры снежного покрова на Эльконском горном массиве // Вестник Забайкальского государства. 2020. Т. 26. № 7. С. 62–76.
  9. Котляков В.М., Сосновский А.В. Оценка термического сопротивления снежного покрова по температуре грунта // Лёд и Снег. 2021. Т. 61. № 2. С. 195–205. https://doi.org/10.31857/S2076673421020081
  10. Кручинин Н.Н. Формирование снежного наката с заданными свойствами на лесовозных автомобильных дорогах // Известия ВУЗов. Лесной журнал. 2012. № 1 (325). С. 38–41.
  11. Олейников А.И., Скачков М.Н. Модель уплотняемых сыпучих тел и некоторые ее приложения // Моделирование систем. 2011. № 4 (30). С. 48–57.
  12. Осокин Н.И., Сосновский А.В. Пространственная и временная изменчивость толщины и плотности снежного покрова на территории России // Лёд и Снег. 2014. № 4 (54). С. 72–80. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2014-4-72-80
  13. Осокин Н.И., Сосновский А.В. Экспериментальные исследования коэффициента эффективной теплопроводности снежного покрова на Западном Шпицбергене // Лёд и Снег. 2014. Т. 54. № 3. С. 50–58.
  14. Осокин Н.И., Сосновский А.В., Чернов Р.А. Коэффициент теплопроводности снега и его изменчивость // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 3. С. 60–68. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-3(60-68)
  15. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: Гео, 2008. 229 с.
  16. Поздняков С.П., Гриневский С.О., Дедюлина Е.А., Кореко Е.С. Чувствительность результатов моделирования сезонного промерзания к выбору параметра защиты теплопроводности снежного покрова // Лёд и Снег. 2019. Т. 59. № 1. С. 67–80.
  17. Рашкин А.В., Авдеев П.Б., Субботин Ю.В. Тепловая и водная подготовка горных пород при разработке мерзлых российей. М.: Горная книга, 2007. 355 с.
  18. Сосновский А.В. Математическое моделирование влияния толщины снежного покрова на деградацию мерзлоты при потеплении климата // Криосфера Земли. 2006. Т. X. № 3. С. 83–88.
  19. Сосновский А.В., Осокин Н.И. К оценке термического сопротивления снежного покрова на Западном Шпицбергене // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. Т. 10. № 3. С. 185–191. https://doi.org/10.25702/KSC.2307-5228.2018.10.3.185-191
  20. Фирц Ш., Армстронг Р.Л., Дюран И., Этхеви П., Грин И., МакКланг Д.М., Нишимура К., Сатьявали П.К., Сократов С.А. Международная классификация для сезонно-выпадающего снега (руководство к описанию снежной толщины снежного покрова). Русское издание // Материалы гляциол. исследований. 2012. № 2. 80 с.
  21. Шерстюков А.Б., Анисимов О.А. Оценка влияния снежного покрова на температуру поверхности почвы по данным наблюдений // Метеорология и гидрология. 2018. № 2. С. 17–25.
  22. Шульгин А.М. Снежная мелиорация и климат почвы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 70 с.
  23. Calonne N., Flin F., Morin S., Lesaffre B., du Roscoat S.R., Geindreau C. Numerical and experimental investigations of the effective thermal conductivity of snow. // Geophys. Research Letters. 2011. V. 38. L23501 p. https://doi.org/10.1029/2011GL049234
  24. Calonne N., Milliancourt L., Burr A., Philip A., Martin C.L., Flin F., Geindreau C. Thermal conductivity of snow, firn, and porous ice from 3-D image-based computations. // Geophys. Research Letters. 2019. V. 46. P. 13079–13089. https://doi.org/10.1029/2019GL085228
  25. Schwander J., Sowers T., Barnola J.-M., Blunier T., Fuchs A., Malaizé B. Age scale of the air in the summit ice: Implication for glacial-interglacial temperature change. // Journ. of Geophysical Research. 1997. V. 102 (D16). P. 19483–19493. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2024-830-11-73-78
  26. Schwerdtfeger P. Theoretical derivation of the thermal conductivity and diffusivity of snow. In The General Assembly of Berkeley // International Association of Scientific Hydrology Publ. 1963. V. 61. P. 75–81.
  27. Sturm M., Holmgren J., König M., Morris K. The thermal conductivity of seasonal snow. // Journ. of Glaciology. 1997. V. 43 (143). P. 26–41.
  28. Sulakvelidze G.K. Thermo-conductivity equation for vapor diffusivity of naturally compacted snow. Bulletin of the Academy of Sciences USSR Geophysical Series. 1959. P. 186–188.
  29. Yen Y.C. Effective thermal conductivity and watervapor diffusivity of naturally compacted snow // Journ. of Geophys. Research. 1965. V. 70. P. 1821–1825.
  30. Zhirkov A., Sivtsev M., Lyikin V., Séjourné A., Wen Z. An Assessment of the Possibility of Restoration and Protection of Territories Disturbed by Thermokarst in Central Yakutia, Eastern Siberia // Land. 2023. V. 12 (1). 197 p. https://doi.org/10.3390/land12010197

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).