Прочность снега

Лавины

Лавина (от позднелатинского labina — оползень) — масса снега, падающая или соскальзывающая со склонов гор.Снежные лавины могут представлять немалую опасность, вызывая человеческие жертвы (в частности, среди альпинистов, любителей горных лыж и сноубординга) и принося существенный ущерб имуществу. Лавины опасны для людей из-за своей массы (достигающей иногда нескольких сотен тонн), что приводит к асфиксии или смерти от шока в результате перелома костей, а также слабой или отсутствующей вовсе воздухопроницаемостью, из-за чего жертва погибает от недостатка кислорода. Помимо того, лавина может вовсе смести человека со склона, в результате чего тот может разбиться насмерть при падении с него. Если же снег, осыпавшийся с накрывшей попадавшего лавины, попадёт пострадавшему в органы дыхания (в рот, в нос или ещё дальше), тот погибнет из-за невозможности дыхания. Дополнительно попавшему под лавину освободиться мешает слабая звукопроводность из-за того, что снег мягкий, и в результате спасатели могут не услышать крики человека из-под лавины. Лавина (от позднелатинского labina — оползень) — масса снега, падающая или соскальзывающая со склонов гор. Снежные лавины могут представлять немалую опасность, вызывая человеческие жертвы (в частности, среди альпинистов, любителей горных лыж и сноубординга) и принося существенный ущерб имуществу. Лавины опасны для людей из-за своей массы (достигающей иногда нескольких сотен тонн), что приводит к асфиксии или смерти от шока в результате перелома костей, а также слабой или отсутствующей вовсе воздухопроницаемостью, из-за чего жертва погибает от недостатка кислорода. Помимо того, лавина может вовсе смести человека со склона, в результате чего тот может разбиться насмерть при падении с него. Если же снег, осыпавшийся с накрывшей попадавшего лавины, попадёт пострадавшему в органы дыхания (в рот, в нос или ещё дальше), тот погибнет из-за невозможности дыхания. Дополнительно попавшему под лавину освободиться мешает слабая звукопроводность из-за того, что снег мягкий, и в результате спасатели могут не услышать крики человека из-под лавины.

Снежные лавины, в той или иной степени, распространены во всех горных районах России и в большинстве горных районов мира. В зимний период они являются основной природной опасностью гор. Иногда снежные лавины несут катастрофические последствия (так, в феврале 1999 года лавина массой в 170 тыс. т полностью разрушила посёлок Гальтур в Австрии, вызвав гибель 30 человек, а в начале марта 2012 года серия лавин в Афганистане разрушила жилые дома, вызвав гибель не менее 100 человек). Некоторые годы бывают особенно богатыми на лавины, когда они сходят во многих местах, например, сезон 1950—51 гг., получивший название Зима террора (Зима террора (англ. Winter of Terror) — в англоязычной литературе название сезона 1950—51 гг.[1], когда до тех пор невиданное количество лавин сошло в Альпах. Серия из 649 лавин привела к гибели нескольких сотен человек и причинила большой ущерб жилым и иным строениям.).

Причины возникновения

Снег, выпадая в виде осадков, удерживается на склоне за счет силы трения (её величина зависит от целого ряда факторов, в том числе влажности снега, крутизны склона). Сход лавины происходит в тот момент, когда сила давления массы снега начинает превышать силу трения.

Наиболее благоприятны для лавинообразования склоны крутизной 25—45°, однако известны сходы лавин со склонов крутизной 15—18°. Считается, что склон 15° с глубиной снега 15 см может быть лавиноопасным при соблюдении ряда условий, например, первоначальной оттепели и сильной весенней солнечной радиации, вследствие которой снег подтаял, затем внезапного сильного мороза, вследствие которого образовался идеальный ледяной склон, а затем сильного снегопада, припорошившего готовый ледяной горизонт.

На склонах круче 50° снег не может накапливаться в больших количествах и скатывается небольшими дозами по мере поступления, однако лавинобезопасным считается склон положе 15° или круче 60°. При этом иногда происходит сход лавин с весьма пологих склонов — 10-15°.

Сход со склона скопившейся снежной массы обычно провоцируется климатическими причинами: резкой сменой погоды (в том числе перепадами атмосферного давления, влажности воздуха), дождями, обильными снегопадами, а также механические воздействия на снежную массу, включая воздействие камнепадов, землетрясений и т. п. Иногда, в силу установившегося относительного равновесия между действующей силой трения и силой давления, сход лавины может инициироваться незначительным толчком (например, звуком ружейного выстрела или давлением на снег одного человека — горнолыжника, сноубордиста).

Объём снега в лавине может доходить до нескольких миллионов кубических метров. Однако опасными для жизни могут быть даже лавины объёмом около 5 м³.

Какие же причины вызывают возникновение и падение лавин?

В то время как в верхних слоях снежного покрова температура понижается до —10° и —20°, в толщах снега, прилегающих к земле, сохраняются температуры, близкие к 0° (примерно —2°).

Таким образом, в снежном покрове толщиной даже в 40—50 см возникает разница в температурах между верхними слоями снега и слоями, расположенными у земной поверхности. Вследствие этой разницы температур в нижних слоях снега начинается движение водяных паров и испарение снега. Постепенно нижняя толща снега разрыхляется, теряет устойчивость и превращается в толщу лавиноопасного слоя.

Лыжникам хорошо знакома неожиданная осадка снега с характерным ухающим звуком. Это явление объясняется разрыхлением нижних слоев снежного покрова (образование лавиноопасного слоя); оно происходит не только на склонах в горах, но и на равнинах. Но для образования лавины этих условий еще недостаточно. Лавины возникают только в том случае, если накопление снега происходит на крутых склонах (от 15° и выше), где снег не может удержаться. Особенно опасны склоны крутизной в 30—35°, на которых идет медленное накопление снега до тех пор, пока его толща не достигнет значительной мощности. Тогда снежная масса скатывается вниз.

Падение лавины происходит и от перегрузки снегом склонов во время метелей или в течение двух суток после окончания снегопада и во время оттепелей. Лавины выносят много обломков горных пород и образуют крупные насыпные формы рельефа в долинах гор.

Оторвавшаяся масса снега обычно быстро ускоряется на крутом склоне и во время своего движения вниз увлекает дополнительные массы снега, лежащие на ее пути. Характер движения зависит от типа снега и подстилающей поверхности. В начальной стадии снег скользит и катится, а с увеличением скорости движение становится турбулентным. Крупные блоки разбиваются, превращаясь в массу окатанного и распыленного материала. Если снег сухой, мельчайшие частички, смешиваясь с воздухом, образуют снежную пыль. Снежную массу, низвергающуюся по поверхности грунта, называют текучей лавиной, а массу, переносимую турбулентным воздушным потоком,— пылевой лавиной. Часто оба вида лавин наблюдаются одновременно. Наличие резкого уступа склона может быть причиной того, что весь снег смешается с воздухом, образуя пылевую лавину. На крутом склоне лавина может иметь высокую скорость и оказывать огромное давление на препятствия, возникающие на ее пути, обладая, таким образом, большой разрушительной силой. Когда склон становится более пологим, движение лавины замедляется и в конце концов она останавливается.

Прочность снега

Подобно другим материалам, снег обладает прочностными свойствами, которые могут быть исследованы путем измерения сил, необходимых для того, чтобы вызвать разрыв. Для зарождения лавин имеют значение прочность на сдвиг и прочность на разрыв. Трудность подобных исследований заключается в том, что хрупкость и малая плотность снега требуют, чтобы измерения проводились с особой тщательностью и мастерством. Кроме того, прочность снега зависит от скорости действия нагрузки.
В связи с указанными причинами часто в качестве показателя прочности используют твердость, которая определяется как сопротивляемость снега проникновению в него инородного тела и связана с прочностью на сдвиг и разрыв, а также с компрессионными свойствами.
Для измерения прочности на сдвиг и твердости снега разработаны полевые методы. Чтобы определить прочность на сдвиг, рамка площадью не менее 0,01 м2 погружается в снег и быстро загружается до тех пор, пока не происходит отрыв, нагрузка измеряется пружинными весами. Твердость определяется при помощи пенетрометров.
В зоне зарождения лавины измерения прочности не производятся, так как эта область труднодоступна. Более того, поскольку прочность в пределах зоны зарождения весьма изменчива, трудно получить ее минимальное значение. Поэтому единственным показателем прочности служат данные, получаемые на выбранной в безопасном месте площадке.
Прочность снега зависит от его температуры и плотности, а также от типа зерен и их сцепления. Первостепенное значение имеет сильная зависимость прочности от температуры; например, сопротивление сдвигу уменьшается, когда температура приближается к 0'С. Когда снег начинает таять и появляется жидкая вода, прочность его уменьшается еще больше.
В то же время повышение температуры ускоряет процесс деструктивного метаморфизма, за счет которого сопротивление сдвигу может возрасти. Однако если температура растет быстро, то роль этого эффекта уменьшается, так что снег в итоге становится менее прочным. Если же температура растет медленно, то в результате метаморфизма снег приобретает высокую прочность, которая, вероятно, не уменьшается даже при 0'С. Эти противодействующие тенденции затрудняют прогнозирование времени отрыва лавины.