Почему они рождаются. Объясним с точки зрения физики перечисленные выше четыре группы случаев рождения снежных лавин. Для этого обратимся к следующей простой задаче из механики. Рассмотрим массу снега М, находящуюся на наклонной плоскости с углом наклона а.
На снег действуют три силы (будем считать, что все они приложены в центре масс рассматриваемого объема снега): сила тяжести Mg, сила нормальной реакции R и сила F, удерживающая снег на наклонной плоскости. Разложим силу тяжести на две составляющие, как это показано на рисунке. Составляющая Mgcosa уравновешена силой нормальной реакции R: Mgcos a=R. Поэтому далее будем учитывать только составляющую Mgsina (ее иногда называют скатывающей силой) и силу F, удерживающую снег на наклонной плоскости.
Согласно второму закону Ньютона,
Ma-Mgsina-F, (20.1)
где a - ускорение рассматриваемой массы снега. Силу F можно представить (в общем случае) как сумму трех слагаемых:
F=FT + Fc + F«.
Здесь F, - сила трения. Это есть сила трения покоя, пока снег лежит на склоне горы; она превращается в силу трения скольжения, когда снег начинает двигаться по склону. Сила Fc - сила сцепления снега с поверхностью склона. Она обусловлена не столько неровностями, за которые «зацепляется» снежная масса, сколько сцеплением вследствие примерзания нижнего слоя снега к грунту, а также образования внутриснеж-ных ледяных связей.
Сила F* - так называемая контурная сила. Она возникает за счет того, что нижележащие снежные массы мешают нашей массе снега соскользнуть вниз; кроме того, благодаря внут-риснежным связям вышележащий снег также будет придерживать нашу массу.
Теперь перейдем к рассмотрению каждой из четырех отмеченных ранее групп лавин. Начнем с первой. Идет снегопад, и на подветренном склоне горы постепенно накапливается снег. О том, что снег должен накапливаться именно на подветренном склоне, мы уже говорили ранее (см. окончание предыдущей главы). Обратимся к уравнению (20.1). По мере накопления снега возрастает сила Mgsina. Одновременно растет и сила F, так что Mgsina-F-0; и, следовательно, снег неподвижен (а=0). Но сила F не может расти неограниченно.
При длительно продолжающемся снегопаде рано или поздно наступит момент, когда сила F, возрастая, достигнет своего предельного значения Fmax (для данного угла наклона а, для данных погодных условий, для данной микроструктуры снега и данной поверхности горного склона). С этого момента равновесие нарушается: сила Mg sin а продолжает расти, а сила F более увеличиваться не может. Теперь Mgsina>/rmaX, и, значит, Mgsina>/r (a>0) - начинается скольжение снега по склону.
Рассмотрим вторую группу лавин. В данном случае увеличение скатывающей силы Mgsina оказалось недостаточным для того, чтобы возрастающая одновременно с ней сила F достигла своего предельного значения г так. Снегопад окончился, а лавина так и не возникла. Однако вопрос не следует считать закрытым; ведь внутри выпавшего снега будут происходить изменения, микроструктура снежного покрова будет постепенно меняться благодаря процессам испарения, подтаивания, кристаллизации.
Это может привести к тому, что предельное значение Fma, силы, удерживающей снег на склоне, начнет с течением времени постепенно уменьшаться. Скатывающая же сила Mg sina остается при этом, очевидно, неизменной. В результате в какой-то момент времени (он может наступить на следующие сутки или даже через несколько дней) постепенно уменьшающееся предельное значение Fm^ становится меньше силы Mg sin a - тогда равновесие нарушается и начинается движение снега.
Почему сцепление снега с поверхностью склона может уменьшаться с течением времени? Вопрос этот непростой. По-видимому, определенную роль играет эффект, о котором мы говорили в главе 18. Напомним, что если температура внутри слоя снега понижается в направлении от грунта к поверхности снега, то в этом случае из-за перемещения водяных паров снизу вверх формируется характерная слоистая структура: вблизи грунта образуется рыхлый 'слой глубинного инея, а наверху, у поверхности снега, уплотненная «снежная доска». В морозный день температура у поверхности снега действительно ниже, чем в его глубине, вблизи грунта. Поэтому вполне можно допустить, что уменьшение сцепления снега с поверхностью горного склона есть результат формирования придонного слоя глубинного инея.
Следует, однако, заметить, что, как показали исследования, дело, по-видимому, не только в глубинном инее. Образование внутри снежного покрова ледяных зерен фирна также способствует уменьшению сцепления снега с горным склоном.
При подземных толчках, а также при стрельбе из орудий, когда образуется достаточно мощная звуковая волна, сцепление снега со склоном понижается скачком и начинается движение снежной массы. Это есть третья из отмечавшихся выше групп лавин. Возникновение лавины от не слишком сильных звуков возможно, очевидно, лишь когда снежная масса, что называется, «висит на волоске», т. е. когда сила Mg sin a всего лишь на ничтожную величину меньше, чем Fmax.
Совсем нетрудно объяснить теперь и последнюю, четвертую группу лавин. Оттепель приводит к таянию, снег насыщается водой, вода опускается внутри снежного слоя вниз и течет по склону горы, образуя тонкую прослойку между снегом и грунтом. Эта прослойка действует как смазка - она весьма эффективно уменьшает сцепление снега с горным склоном. И хотя по мере таяния снега скатывающая сила Mg sin а уменьшается, все же предельное значение /w силы, удерживающей снег на склоне, уменьшается еще быстрее. В результате возникает возможность образования лавины.
Итак, устойчивость снежного покрова, лежащего на склоне горы, определяется тем, насколько скатывающая сила Afgsinu меньше предельного значения FmM удерживающей силы. Снег неподвижен, пока AlgsincKCfma*; при этом скатывающая сила уравновешивается удерживающей силой:
Mgsin a=F.
Иногда можно встретить утверждение: «снег неподвижен, пока удерживающая его на склоне горы сила больше скатывающей силы». Такое утверждение не просто ошибочно, оно абсурдно. Ведь при F^>Mgsina снег должен был бы не лежать, а двигаться с ускорением по направлению силы F, иначе говоря, двигаться вверх по склону. Необходимо подчеркнуть: удерживающая сила автоматически следует за скатывающей силой.
Уменьшается скатывающая сила - уменьшается и удерживающая; увеличивается скатывающая сила - увеличивается и удерживающая. Вот только не может удерживающая сила F стать больше своего предельного значения Fmax, а последнее уменьшается со временем, при оттепелях, подземных толчках ит. д. Равновесие нарушается и возникает снежная лавина, когда в силу тех или иных причин неравенство
Mg sina<Fmax превращается в неравенство
Mg sina>Fmail.
Пока
Mg sin a<Fmix ,
условие равновесия выполняется (Mg sin a=F). Если же
Mg sin a>Fmax ,
то условие равновесия, очевидно, выполняться
