Air convection in snow cover of sea ice
For the first time, data on stability of stationary convective filtration within infinite horizontal layer of snow covering the flat surface of floating ice is presented in this article. An analytical solution of the linearized problem was obtained with the use of the Galerkin method, and the parame...
Published in: | Ice and Snow |
---|---|
Main Authors: | , , , , , , , |
Format: | Article in Journal/Newspaper |
Language: | Russian |
Published: |
IGRAS
2020
|
Subjects: | |
Online Access: | https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/841 https://doi.org/10.31857/S2076673420040060 |
id |
ftjias:oai:oai.ice.elpub.ru:article/841 |
---|---|
record_format |
openpolar |
institution |
Open Polar |
collection |
Ice and Snow (E-Journal) |
op_collection_id |
ftjias |
language |
Russian |
topic |
convective instability critical Rayleigh number thermodynamic model конвективная неустойчивость критическое число Рэлея термодинамическая модель |
spellingShingle |
convective instability critical Rayleigh number thermodynamic model конвективная неустойчивость критическое число Рэлея термодинамическая модель P. Bogorodskiy V. V. Borodkin A. V. Kustov Yu. A. Sumkina A. П. Богородский В. В. Бородкин А. В. Кустов Ю. А. Сумкина А. Air convection in snow cover of sea ice |
topic_facet |
convective instability critical Rayleigh number thermodynamic model конвективная неустойчивость критическое число Рэлея термодинамическая модель |
description |
For the first time, data on stability of stationary convective filtration within infinite horizontal layer of snow covering the flat surface of floating ice is presented in this article. An analytical solution of the linearized problem was obtained with the use of the Galerkin method, and the parametric analysis of the problem was performed. It was found that the stability criteria (Rayleigh filtration numbers) obtained with consideration for the heat exchange of snow cover with the atmosphere did not exceed the known value of 4π2 for a horizontal porous layer with impermeable isothermal boundaries. As expected, the interaction with the atmosphere has the most significant impact on the critical Rayleigh numbers, while influence of variations in snow density and ice thickness and the thickness of the underlying layer of ice are small. Based on data of ice and meteorological observations made in the winter of 2015/16 in the Western part of the Laptev Sea together with calculations of the fast ice evolution, the values and temporal variability of temperature gradients and the Rayleigh numbers in the snow cover were obtained using a thermodynamic model. It was found that both, the model and observed magnitudes, exceeded their critical values determined by solving the stability problem. The conclusion is made that the convective regime of the heat transfer does really exist in the snow cover, and thus its contribution to the thermal and mass balance of sea ice during winter period should be taken into account. Построено решение задачи устойчивости воздуха в снежном покрове на морском льду. Рассмотрены различные варианты динамических и тепловых граничных условий, проведено параметрическое исследование задачи. Выполнено сравнение данных моделирования с результатами расчётов для реальных ледовых и метеорологических условий. |
format |
Article in Journal/Newspaper |
author |
P. Bogorodskiy V. V. Borodkin A. V. Kustov Yu. A. Sumkina A. П. Богородский В. В. Бородкин А. В. Кустов Ю. А. Сумкина А. |
author_facet |
P. Bogorodskiy V. V. Borodkin A. V. Kustov Yu. A. Sumkina A. П. Богородский В. В. Бородкин А. В. Кустов Ю. А. Сумкина А. |
author_sort |
P. Bogorodskiy V. |
title |
Air convection in snow cover of sea ice |
title_short |
Air convection in snow cover of sea ice |
title_full |
Air convection in snow cover of sea ice |
title_fullStr |
Air convection in snow cover of sea ice |
title_full_unstemmed |
Air convection in snow cover of sea ice |
title_sort |
air convection in snow cover of sea ice |
publisher |
IGRAS |
publishDate |
2020 |
url |
https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/841 https://doi.org/10.31857/S2076673420040060 |
geographic |
Laptev Sea |
geographic_facet |
Laptev Sea |
genre |
Arctic laptev Laptev Sea Sea ice |
genre_facet |
Arctic laptev Laptev Sea Sea ice |
op_source |
Ice and Snow; Том 60, № 4 (2020); 557-566 Лёд и Снег; Том 60, № 4 (2020); 557-566 2412-3765 2076-6734 |
op_relation |
https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/841/539 Снег: Справочник / Ред. Д.М. Грей, Д.Х. Мэйл. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 751 с. Palm E., Tveitreid M. On heat and mass flux through dry snow // Journ. of Geophys. Research. 1979. V. 84. P. 745–749. Colbeck S.C. Air movement in snow due to windpumping // Journ. of Glaciology. 1989. V. 35. № 120. P. 209–213. Powers D., O’Neill K., Colbeck S.C. Theory of natural convection in snow // Journ. of Geophys. Research. 1985. V. 90. № D6. P. 10641–10649. Жекамухов М.К., Жекамухова И.М. О конвективной неустойчивости воздуха в снежном покрове // Инж.-физ. журнал. 2002. Т. 75. № 4. С. 65–72. Жекамухов М.К., Шухова Л.З. Конвективная неустойчивость воздуха в снеге // Журнал прикладной механики и технической физики. 1999. Т. 40. № 6. С. 54–59. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с. Осокин Н.И., Сосновский А.В., Чернов Р.А. Коэффициент теплопроводности снега и его изменчивость // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 3. С. 60–68. Warren, S.G., Rigor I G., Untersteiner N., Radionov V.F., Bryazgin N.N., Aleksandrov Y.I., Colony R. Snow depth on Arctic sea ice // Journ. of Climate. 1999. V. 12. № 6. P. 1814–1829. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: Изд‑во «Гео», 2008. 229 с. Sommerfeld R.A., Rocchio J.E. Permeability measurements on new and equitemperature snow // Water Resources Research. 1993. V. 29. № 8. Р. 2485–2490. Жекамухова И.М. О коэффициентах теплопроводности и диффузии водяного пара в снежном покрове // Инж.-физ. журнал. 2004. Т. 77. № 4. С. 128–131. Доронин Ю.П. К вопросу о нарастании морского льда // Проблемы Арктики и Антарктики. 1959. № 1. С. 78–83. Богородский П.В., Марченко А.В., Пнюшков А.В., Огородов А.С. Особенности формирования припайного льда в береговой зоне замерзающих морей // Океанология. 2010. Т. 50. № 3. С. 345–354. Макштас А.П. Тепловой баланс арктических льдов в зимний период. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 66 с. Электронный ресурс: http://www.aari.ru/main.php?lg=0&id=405. Электронный ресурс: http://data.meereisportal.de/data/datenportal/bojen/doc/info_Thermistor.pdf. Федоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 303 с. Cherkaoui A.S.M., Wilcock W.S.D. Characteristics of high Rayleigh number two-dimensional convection in an open-top porous layer heated from below // Journ. of Fluid Mechanics. 1999. V. 394. P. 241–260. Otero J., Dontcheva L.A., Jonston H., Worthing R.A., Kurganov A., Petrova G., Doering C.R. High-Rayleigh number convection in fluid-saturated porous layer // Journ. of Fluid Mechanics. 2004. V. 500. P. 263–281. doi:10.1017/S0022112003007298. https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/841 doi:10.31857/S2076673420040060 |
op_rights |
Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access). Авторы, публикующие статьи в данном журнале, соглашаются на следующее:Авторы сохраняют за собой авторские права и предоставляют журналу право первой публикации работы, которая по истечении 6 месяцев после публикации автоматически лицензируется на условиях Creative Commons Attribution License , что позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Редакция журнала будет размещать принятую для публикации статью на сайте журнала до выхода её в свет (после утверждения к печати редколлегией журнала). Авторы также имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access). |
op_rightsnorm |
CC-BY |
op_doi |
https://doi.org/10.31857/S2076673420040060 https://doi.org/10.1017/S0022112003007298 |
container_title |
Ice and Snow |
container_volume |
60 |
container_issue |
4 |
container_start_page |
557 |
op_container_end_page |
566 |
_version_ |
1766302492133425152 |
spelling |
ftjias:oai:oai.ice.elpub.ru:article/841 2023-05-15T14:28:19+02:00 Air convection in snow cover of sea ice Конвекция воздуха в снежном покрове морского льда P. Bogorodskiy V. V. Borodkin A. V. Kustov Yu. A. Sumkina A. П. Богородский В. В. Бородкин А. В. Кустов Ю. А. Сумкина А. 2020-11-04 application/pdf https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/841 https://doi.org/10.31857/S2076673420040060 rus rus IGRAS https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/841/539 Снег: Справочник / Ред. Д.М. Грей, Д.Х. Мэйл. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 751 с. Palm E., Tveitreid M. On heat and mass flux through dry snow // Journ. of Geophys. Research. 1979. V. 84. P. 745–749. Colbeck S.C. Air movement in snow due to windpumping // Journ. of Glaciology. 1989. V. 35. № 120. P. 209–213. Powers D., O’Neill K., Colbeck S.C. Theory of natural convection in snow // Journ. of Geophys. Research. 1985. V. 90. № D6. P. 10641–10649. Жекамухов М.К., Жекамухова И.М. О конвективной неустойчивости воздуха в снежном покрове // Инж.-физ. журнал. 2002. Т. 75. № 4. С. 65–72. Жекамухов М.К., Шухова Л.З. Конвективная неустойчивость воздуха в снеге // Журнал прикладной механики и технической физики. 1999. Т. 40. № 6. С. 54–59. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. Конвективная устойчивость несжимаемой жидкости. М.: Наука, 1972. 392 с. Осокин Н.И., Сосновский А.В., Чернов Р.А. Коэффициент теплопроводности снега и его изменчивость // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 3. С. 60–68. Warren, S.G., Rigor I G., Untersteiner N., Radionov V.F., Bryazgin N.N., Aleksandrov Y.I., Colony R. Snow depth on Arctic sea ice // Journ. of Climate. 1999. V. 12. № 6. P. 1814–1829. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: Изд‑во «Гео», 2008. 229 с. Sommerfeld R.A., Rocchio J.E. Permeability measurements on new and equitemperature snow // Water Resources Research. 1993. V. 29. № 8. Р. 2485–2490. Жекамухова И.М. О коэффициентах теплопроводности и диффузии водяного пара в снежном покрове // Инж.-физ. журнал. 2004. Т. 77. № 4. С. 128–131. Доронин Ю.П. К вопросу о нарастании морского льда // Проблемы Арктики и Антарктики. 1959. № 1. С. 78–83. Богородский П.В., Марченко А.В., Пнюшков А.В., Огородов А.С. Особенности формирования припайного льда в береговой зоне замерзающих морей // Океанология. 2010. Т. 50. № 3. С. 345–354. Макштас А.П. Тепловой баланс арктических льдов в зимний период. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 66 с. Электронный ресурс: http://www.aari.ru/main.php?lg=0&id=405. Электронный ресурс: http://data.meereisportal.de/data/datenportal/bojen/doc/info_Thermistor.pdf. Федоров К.Н., Гинзбург А.И. Приповерхностный слой океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 303 с. Cherkaoui A.S.M., Wilcock W.S.D. Characteristics of high Rayleigh number two-dimensional convection in an open-top porous layer heated from below // Journ. of Fluid Mechanics. 1999. V. 394. P. 241–260. Otero J., Dontcheva L.A., Jonston H., Worthing R.A., Kurganov A., Petrova G., Doering C.R. High-Rayleigh number convection in fluid-saturated porous layer // Journ. of Fluid Mechanics. 2004. V. 500. P. 263–281. doi:10.1017/S0022112003007298. https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/841 doi:10.31857/S2076673420040060 Authors who publish with this journal agree to the following terms:Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access). Авторы, публикующие статьи в данном журнале, соглашаются на следующее:Авторы сохраняют за собой авторские права и предоставляют журналу право первой публикации работы, которая по истечении 6 месяцев после публикации автоматически лицензируется на условиях Creative Commons Attribution License , что позволяет другим распространять данную работу с обязательным сохранением ссылок на авторов оригинальной работы и оригинальную публикацию в этом журнале.Редакция журнала будет размещать принятую для публикации статью на сайте журнала до выхода её в свет (после утверждения к печати редколлегией журнала). Авторы также имеют право размещать их работу в сети Интернет (например в институтском хранилище или персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу (См. The Effect of Open Access). CC-BY Ice and Snow; Том 60, № 4 (2020); 557-566 Лёд и Снег; Том 60, № 4 (2020); 557-566 2412-3765 2076-6734 convective instability critical Rayleigh number thermodynamic model конвективная неустойчивость критическое число Рэлея термодинамическая модель info:eu-repo/semantics/article info:eu-repo/semantics/publishedVersion 2020 ftjias https://doi.org/10.31857/S2076673420040060 https://doi.org/10.1017/S0022112003007298 2022-12-20T13:30:29Z For the first time, data on stability of stationary convective filtration within infinite horizontal layer of snow covering the flat surface of floating ice is presented in this article. An analytical solution of the linearized problem was obtained with the use of the Galerkin method, and the parametric analysis of the problem was performed. It was found that the stability criteria (Rayleigh filtration numbers) obtained with consideration for the heat exchange of snow cover with the atmosphere did not exceed the known value of 4π2 for a horizontal porous layer with impermeable isothermal boundaries. As expected, the interaction with the atmosphere has the most significant impact on the critical Rayleigh numbers, while influence of variations in snow density and ice thickness and the thickness of the underlying layer of ice are small. Based on data of ice and meteorological observations made in the winter of 2015/16 in the Western part of the Laptev Sea together with calculations of the fast ice evolution, the values and temporal variability of temperature gradients and the Rayleigh numbers in the snow cover were obtained using a thermodynamic model. It was found that both, the model and observed magnitudes, exceeded their critical values determined by solving the stability problem. The conclusion is made that the convective regime of the heat transfer does really exist in the snow cover, and thus its contribution to the thermal and mass balance of sea ice during winter period should be taken into account. Построено решение задачи устойчивости воздуха в снежном покрове на морском льду. Рассмотрены различные варианты динамических и тепловых граничных условий, проведено параметрическое исследование задачи. Выполнено сравнение данных моделирования с результатами расчётов для реальных ледовых и метеорологических условий. Article in Journal/Newspaper Arctic laptev Laptev Sea Sea ice Ice and Snow (E-Journal) Laptev Sea Ice and Snow 60 4 557 566 |