Снежные забавы метеорологов

Невозможно представить себе русскую зиму без снега. Поздней осенью он накрывает землю, сохраняя ее тепло. И когда снег долго не ложится, как это было, например, в конце прошлого года в Европейской России, то его с нетерпением ждут все: не только любители активного отдыха и горожане, уставшие от темноты вечерних улиц, но также фермеры и садоводы. Потому что, как говорится в пословице, много снега – много хлеба. Снег надежно защитит озимые хлеба, саженцы и садовые растения от вымерзания, а весной напитает водой поля, наполнит реки и пруды.

Чтобы обратить это природное явление себе на пользу, количество выпавшего снега необходимо учитывать. Кроме этого, нужно знать, сколько в снеге содержится воды, какой была влажность почвы осенью, на какую глубину промерзла земля. Сбором этих данных занимается гидрометеослужба. В начале весны на их основе гидрологи составят прогнозы на предстоящее половодье: на сколько поднимутся уровни воды, каким по величине будет сток в бассейнах рек, когда вскроется лед, какие объемы воды наполнят водохранилища. В основе этих прогнозов лежит труд тысяч человек, которые должны провести все необходимые наблюдения невзирая на погоду и другие обстоятельства. И об этой работе хотелось бы рассказать поподробнее.

История наблюдений

Регулярные измерения характеристик снежного покрова ведутся немногим более сотни лет. Они начались с наблюдений за высотой снега на постоянных площадках, а также за степенью покрытия видимой окрестности. Проводить их довольно легко: нужно лишь установить рейки с разметкой и ежедневно отсчитывать по ним высоту снега. Этим способом наблюдения ведутся до сих пор на всех метеостанциях России, а также в других странах. На специально выбранной, по возможности, открытой площадке на расстоянии 10 метров друг от друга устанавливаются три деревянные снегомерные рейки с черными и белыми сантиметровыми делениями.

Несколько позже началось определение плотности снежного покрова с целью узнать содержание воды в снеге, вначале на метеостанциях, а затем и на специально выбираемых маршрутах. Это так называемые снегомерные съемки или снегосъемки. В нашей стране инициатором этих наблюдений за снежным покровом был знаменитый ученый, географ и климатолог, Александр Иванович Воейков. В результате Россия является единственной страной в мире, которая проводит снегосъемки с 1892 года. Одни из первых снегосъемок были выполнены в ходе Особой степной экспедиции 1891-1897 годов, организованной Лесным департаментом и работавшей в бассейнах Волги, Дона, Донца и Днепра. Ее руководителем был другой великий русский ученый, геолог и почвовед Василий Васильевич Докучаев.

В других странах были свои энтузиасты, сыгравшие немалую роль в организации снегомерных наблюдений. В США пионером в области снегосъемок был профессор Джеймс Черч, преподававший древние языки в университете штата Невада и увлекшийся вопросами метеорологии и сельского хозяйства. Он был знаком с опытом российских и европейских метеорологов и проводил собственные наблюдения и опыты. Вначале он отбирал пробы снега и затем растапливал их в специальной будке. Затем он пришел к идее взвешивания проб прямо на маршруте, получаемых с помощью специального отборного устройства – снегомера.

Регулярное проведение снегосъемок возобновилось в СССР в 20-е годы прошлого века. К этому времени была отработана методика измерений, а также конструкция прибора для определения плотности снега – весового снегомера. Снегосъемка проводится на постоянном маршруте, который должен быть характерен для окружающей местности. Его длина в поле составляет 2 км, в лесу и овраге – 1 км. На этом маршруте через равные промежутки измеряется высота снега (всего в 100 точках) и плотность снега в 10 точках. Вычисления производятся по окончании съемки в помещении. В результате должны быть получены значения средней высоты снежного покрова и запаса воды в снеге (или водного эквивалента снега – это официальный термин Всемирной метеорологической организации).

Весовой снегомер представляет собой металлический цилиндр высотой 60 см. Отверстие имеет зазубренный край, которым прорезается толща снега. Затем цилиндр переворачивается и сразу же взвешивается на рычажных весах. Эта конструкция не меняется уже много десятилетий.

Интересно, что в других странах для снегосъемки используются и другие конструкции снегомеров. Например, в Соединенных Штатах разные ведомства долгое время пользовались различными приборами, но в конце концов, наибольшее распространение получила одна модель. Американский снегомер гораздо длиннее советского, но имеет меньший диаметр. Такой трубкой удобно отбирать пробы в глубоком снеге. В горах толщина снега может достигать нескольких метров, а именно в таких местностях проводится большая часть снегосъемок в США, так как на этих территориях формируется сток главных речных бассейнов страны. Имеются отличия и в методике проведения измерений. Для взвешивания снега американцы применяют пружинные весы. Снегомерные маршруты имеют на порядок меньшую длину, а на съемку выходят обязательно два человека. В России же снегосъемку выполняет один наблюдатель, и работать ему не так удобно, как его заокеанским коллегам. Ему приходится в одиночку управляться и со снегомерной рейкой, и со снегомером, и делать записи в книжке. Исключение составляют полевые партии, выполняющие изыскательские работы. Для доставки специалистов на горные маршруты в США используются вертолеты и снегоходы. В России в средней полосе наблюдателей снабжают лыжами для ходьбы по снегу (наподобие охотничьих). В Сибири и на так называемых труднодоступных станциях применяются снегоходы.

Автоматизация. Новые технологии

Революция в науке и технике в 20 веке не обошла стороной и метеорологические измерения. Основными направлениями их развития стали автоматизация и внедрение дистанционных методов.

Пионерами в области дистанционного измерения характеристик снежного покрова были советские ученые. В 1960-е годы в Государственном гидрологическом институте был разработан метод авиационной гамма-съемки снежного покрова. Он основан на том, что естественное радиоактивное излучение земли (гамма-лучи) ослабляется содержащейся в снеге и в почве водой. Зная мощность излучения голой земли, можно определить влагосодержание снежного покрова. На самолете устанавливается специальный прибор – радиометр, и совершаются облеты территорий. Метод был успешно использован в европейской части страны и при обследовании снежного покрова полуострова Ямал. С его помощью были получены интересные результаты. Например, запасы воды в снеге в оврагах, полученные традиционным способом, оказались сильно заниженными по сравнению с данными авиационной съемки. Эта разница может достигать несколько сотен процентов, что сильно влияет на оценку весеннего стока.

К сожалению, в нашей стране практическое применение метода было недолгим, но он получил развитие за рубежом. Так в США NOAA имеет в своем распоряжении самолеты со специальной аппаратурой на борту, которые совершают регулярные вылеты для определения параметров снежного покрова.

Иностранные метеорологи достигли также больших успехов в создании систем автоматического измерения параметров снежного покрова. Такие станции существуют в Европе, например, во Франции в Альпах, а также в Соединенных Штатах. Содержание воды в снеге определяется путем взвешивания большого объема снега на так называемой снегомерной подушке. Она представляет собой резиновую подушку, заполненную незамерзающей органической жидкостью, например, этиленгликолем. Вес этой подушки определяется с помощью датчика давления. Рядом устанавливается акустический радар для определения высоты снега.

В США сеть таких станций начала создаваться в 1980-е годы и в настоящее время насчитывает  около 750 пунктов, расположенных в 13 западных штатах и на Аляске. Передача данных в обрабатывающие центры организована посредством метеорной радиосвязи. Этот тип связи обходится без спутников, не требует больших затрат энергии и не зависит от погодных условий. На некоторых автоматических станциях кроме высоты и влагосодержания снега и количества осадков измеряются также температура, влажность воздуха, атмосферное давление, температура и влажность почвы и скорость ветра. Площадки посещаются специалистами 1-2 раза в год для выполнения профилактических работ. Все остальное время аккумуляторы оборудования подзаряжаются от солнечных батарей. Система получила название SNOTEL(SNOw TELemetry), что можно перевести как телеметрическая информация о снежном покрове. Данные измерений доступны на сайте практически в режиме реального времени всем заинтересованным потребителям.

В СССР испытания датчиков влагосодержания снега проводились в горных районах Средней Азии, но создать систему автоматических станций нашей стране по известным причинам не удалось, и в этой области мы, к сожалению, отстаем от ведущих метеослужб мира.

Еще одним направлением дистанционного определения метеорологических параметров, которое стремительно развивалось на протяжении последних 50 лет, является спутниковая метеорология. Современная измерительная аппаратура, установленная на ИСЗ, позволяет получать карты распределения температуры, облачности и других характеристик практически по всей поверхности земного шара. Сюда относятся и карты распространения снежного покрова. Для определения границ покрытых снегом территорий используется съемка со спутника в инфракрасном диапазоне. При этом изображение заснеженных участков поверхности отличается как от облачности, так и от бесснежных площадей. В области спутникового мониторинга и соответствующих информационных продуктов Россия не отстает от остального мира. Эти работы ведутся в подразделении Росгидромета – научно-исследовательском центре НИЦ «Планета».

Однако измерить влагосодержание снега со спутника гораздо сложнее. Наибольшие ожидания ученых связаны с измерением микроволнового излучения снежного покрова, которое зависит от содержания воды в снеге. Но мощность излучения связана еще и с плотностью снега, его возрастом, загрязненностью, наличием снежной корки и другими свойствами. Поэтому этот вид спутникового мониторинга находится пока еще в стадии разработки.

Современные технологии и оборудование позволяют добывать большое количество дополнительной информации о снежном покрове, но при этом мы по-прежнему не можем обойтись без традиционных инструментальных измерений на снегомерных маршрутах. Взвешивание снега пока еще остается самым точным методом определения его водного эквивалента. И поэтому в конце следующей декады месяца тысячи человек снова наденут лыжи, повесят на плечо зачехленный снегомер и отправятся по своим маршрутам, чтобы в начале весны гидрологи смогли сделать свои прогнозы. И так будет еще не один десяток лет.