Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard)
The significant part of the Arctic soils is covered by vegetation all year round, to which a layer of snow is added in winter. Both layers have a similar structure, consisting of a skeleton (organic and ice, respectively) and air-saturated pores, and, thus, form a unified system with high heat-insul...
Published in: | Ice and Snow |
---|---|
Main Authors: | , , , , , , , |
Other Authors: | , |
Format: | Article in Journal/Newspaper |
Language: | Russian |
Published: |
IGRAS
2021
|
Subjects: | |
Online Access: | https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/891 https://doi.org/10.31857/S2076673421020084 |
id |
ftjias:oai:oai.ice.elpub.ru:article/891 |
---|---|
record_format |
openpolar |
institution |
Open Polar |
collection |
Ice and Snow (E-Journal) |
op_collection_id |
ftjias |
language |
Russian |
topic |
convective instability;critical Rayleigh number;vegetation and snow cover;Svalbard конвективная неустойчивость;критические числа Рэлея;растительный и снежный покровы;Западный Шпицберген |
spellingShingle |
convective instability;critical Rayleigh number;vegetation and snow cover;Svalbard конвективная неустойчивость;критические числа Рэлея;растительный и снежный покровы;Западный Шпицберген P. Bogorodskiy V. V. Kustov Yu. V. Movchan V. K. Ermokhina A. П. Богородский В. В. Кустов Ю. В. Мовчан В. К. Ермохина А. Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard) |
topic_facet |
convective instability;critical Rayleigh number;vegetation and snow cover;Svalbard конвективная неустойчивость;критические числа Рэлея;растительный и снежный покровы;Западный Шпицберген |
description |
The significant part of the Arctic soils is covered by vegetation all year round, to which a layer of snow is added in winter. Both layers have a similar structure, consisting of a skeleton (organic and ice, respectively) and air-saturated pores, and, thus, form a unified system with high heat-insulating properties. But, with the temperature gradient within the layers, convection can arise, which significantly reduces the thermal resistance of the layers and affects the heat, mass and gas exchange of the atmospheric boundary layer with the ground. In this connection, the role of convective transport in the formation of the thermodynamic and biogeochemical regime of polar ecosystems becomes obvious. Note that the role of convection in the snow cover is discussed in literature, but similar studies for vegetation are absent. This is one of the reasons why the processes of heat and mass transfer in the moss-snow layer above the ground in high latitudes are reproduced in a very simplified way, even in the most advanced models of the Earth system. In this paper, we study the occurrence of instability in a system of two porous layers with heat-insulated boundaries for conditions that approximate the snow and vegetation cover of the Arctic tundra on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Spitsbergen). The analytical solution of the Rayleigh-Darcy problem is obtained by means of expansion of the amplitudes of perturbations of vertical velocity and air temperature into series. The dependence of the convective instability threshold on the variations of the thermal physical properties of the vegetation and snow cover of the studied region, parameterized according to measurement data and literature sources, is estimated. It has been found that the stability threshold increases with growth of snow thickness and density. It was also shown that the non-Rayleigh instability becomes impossible when heated from above (meaning the long-wave mode), which occurs in a similar system of two layers of homogeneous immiscible liquids ... |
author2 |
This study was supported by the Ministry of Science and Education of the Russian Federation (Project «Changing Arctic Transpolar System» № 2017-14-588-0005-003). Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (проект № 2017-14-5880005-003 «Изменчивость Арктической трансполярной системы»). |
format |
Article in Journal/Newspaper |
author |
P. Bogorodskiy V. V. Kustov Yu. V. Movchan V. K. Ermokhina A. П. Богородский В. В. Кустов Ю. В. Мовчан В. К. Ермохина А. |
author_facet |
P. Bogorodskiy V. V. Kustov Yu. V. Movchan V. K. Ermokhina A. П. Богородский В. В. Кустов Ю. В. Мовчан В. К. Ермохина А. |
author_sort |
P. Bogorodskiy V. |
title |
Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard) |
title_short |
Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard) |
title_full |
Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard) |
title_fullStr |
Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard) |
title_full_unstemmed |
Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard) |
title_sort |
generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the gulf of grenfjord (west svalbard) |
publisher |
IGRAS |
publishDate |
2021 |
url |
https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/891 https://doi.org/10.31857/S2076673421020084 |
geographic |
Arctic Svalbard |
geographic_facet |
Arctic Svalbard |
genre |
Annals of Glaciology Arctic Polar Research Svalbard The Cryosphere Tundra Spitsbergen |
genre_facet |
Annals of Glaciology Arctic Polar Research Svalbard The Cryosphere Tundra Spitsbergen |
op_source |
Ice and Snow; Том 61, № 2 (2021); 232-240 Лёд и Снег; Том 61, № 2 (2021); 232-240 2412-3765 2076-6734 |
op_relation |
https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/891/564 Сосновский А.В., Осокин Н.И. Влияние мохового и снежного покровов на устойчивость многолетней мерзлоты на Западном Шпицбергене при климатических изменениях // Вестн. КНЦ РАН. 2018. № 3 (10). С. 178–184. Степаненко В.М., Репина И.А., Федосов В.Э., Зилитинкевич С.С., Лыкосов В.Н. Обзор методов параметризации теплообмена в моховом покрове для моделей Земной системы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 2. С. 127–138. doi:10.31857/S0002351520020133. Colbeck S.C. Air movement in snow due to windpumping // Journ. of Glaciology. 1989. V. 35. № 120. P. 209–213. Trabant D., Benson C. Field experiments on the development of depth hoar // Mem. Geol. Soc. Am. 1972. № 135. P. 309–322. Powers D.J, Colbeck S.C., O’Neill K. Experiments on thermal convection in snow // Annals of Glaciology. 1985. V. 6. P. 43–47. Palm E., Tveitreid M. On heat and mass flux through dry snow// Journ. of Geophys. Research. 1979. V. 84 (C2). P. 745–749. Powers D., O’Neill K., Colbeck S.C. Theory of natural convection in snow // Journ. оf Geophys. Research. 1985. V. 90. № D6. P. 10641–10649. Богородский П.В., Бородкин В.А., Кустов В.Ю., Сумкина А.А. Конвекция воздуха в снежном покрове морского льда // Лёд и Снег. 2020. Т. 60. № 4. С. 557–566. doi:10.31857/S2076673420040060. Bartlett S.J., Lehning M. A theoretical assessment of heat transfer by ventilation in homogeneous snowpacks // Water Resources Res. 2011. V. 47. W04503. doi:10.1029/2010WR010008. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства компонентов природной среды в криолитозоне. Новосибирск: изд. СО РАН, 2004. 145 с. Тишков А.А., Осокин Н.И., Сосновский А.В. Влияние синузий мохообразных на деятельный слой арктических почв // Изв. РАН. Серия географическая. 2013. № 3. С. 39–46. Понятовская М.Н. Учет обилия и особенности размещения видов в естественных растительных сообществах // Полевая геоботаника. Т. 1. Ред. Е.М. Лавренко и А.А. Корчагина. Л.: Наука, 1964. С. 209–299. Демешкин А.С. Геоэкологическая оценка состояния природной среды в районе расположения российского угледобывающего рудника Баренцбург на архипелаге Шпицберген: Дис. на соиск. уч. степ. канд. геогр. наук. СПб.: РГГМУ, 2015. 181 с. Humlum O., Instanes A., Sollid J. Permafrost in Svalbard: review and research history, climatic background and engineering challengers // Polar Research. 2003. V. 22 (2). P. 191–215. Жекамухов М. К., Жекамухова И. М. Конвективная устойчивость воздуха в двухслойном снежном покрове. I. Линеаризованная система уравнений термической конвекции воздуха // Инж.-физ. журнал. 2007. Т. 80. № 1. С. 107–112. Дементьев О.Н., Любимов Д.В. Возникновение конвекции в горизонтальном плоском слое пористой среды // Вестн. Челябинского гос. ун-та. 2008. № 6. С. 130–135. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. О неустойчивости равновесия системы горизонтальных слоев несмешивающихся жидкостей при нагреве сверху // Изв. АН СССР. Мех. жидкости и газа. 1986. № 2. С. 22–28. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: «Гео», 2008. 229 с. Sommerfeld R.A., Rocchio J.E. Permeability measurements on new and equitemperature snow // Water Resources Res. 1993. V. 29. № 8. P. 2485–2490. Domine F., Morin S., Brun E., Lafaysse M., Carmagnola C.M. Seasonal evolution of snow permeability under equi-temperature and temperature-gradient conditions // The Cryosphere. 2013. № 7. Р. 1915–1929. https://doi.org/10.5194/tc-7-1915-2013. Calonne N., Geindreau C., Flin F., Morin S., Lesaffre B., Rolland du Roscoat S., Charrier P. 3-D imagebased numerical computations of snow permeability: links to specific surface area, density, and microstructural anisotropy // The Cryosphere. 2012. № 6. P. 939–951. https://doi.org/10.5194/tc-6-939-2012. Кузьмин П.П. Физические свойства снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 178 с. https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/891 doi:10.31857/S2076673421020084 |
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/S2076673421020084 https://doi.org/10.31857/S0002351520020133 https://doi.org/10.31857/S2076673420040060 https://doi.org/10.1029/2010WR010008 https://doi.org/10.5194/tc-7-1915-2013 https://doi.org/10.5194/tc-6-939-2012 |
container_title |
Ice and Snow |
container_volume |
61 |
container_issue |
2 |
container_start_page |
232 |
op_container_end_page |
240 |
_version_ |
1766003671691165696 |
spelling |
ftjias:oai:oai.ice.elpub.ru:article/891 2023-05-15T13:29:50+02:00 Generation of thermal convection in the moss-snow layer on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Svalbard) Возникновение термической конвекции в мохово-снежном покрове побережья залива Грёнфьорд (Западный Шпицберген) P. Bogorodskiy V. V. Kustov Yu. V. Movchan V. K. Ermokhina A. П. Богородский В. В. Кустов Ю. В. Мовчан В. К. Ермохина А. This study was supported by the Ministry of Science and Education of the Russian Federation (Project «Changing Arctic Transpolar System» № 2017-14-588-0005-003). Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ (проект № 2017-14-5880005-003 «Изменчивость Арктической трансполярной системы»). 2021-05-22 application/pdf https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/891 https://doi.org/10.31857/S2076673421020084 rus rus IGRAS https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/891/564 Сосновский А.В., Осокин Н.И. Влияние мохового и снежного покровов на устойчивость многолетней мерзлоты на Западном Шпицбергене при климатических изменениях // Вестн. КНЦ РАН. 2018. № 3 (10). С. 178–184. Степаненко В.М., Репина И.А., Федосов В.Э., Зилитинкевич С.С., Лыкосов В.Н. Обзор методов параметризации теплообмена в моховом покрове для моделей Земной системы // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2020. Т. 56. № 2. С. 127–138. doi:10.31857/S0002351520020133. Colbeck S.C. Air movement in snow due to windpumping // Journ. of Glaciology. 1989. V. 35. № 120. P. 209–213. Trabant D., Benson C. Field experiments on the development of depth hoar // Mem. Geol. Soc. Am. 1972. № 135. P. 309–322. Powers D.J, Colbeck S.C., O’Neill K. Experiments on thermal convection in snow // Annals of Glaciology. 1985. V. 6. P. 43–47. Palm E., Tveitreid M. On heat and mass flux through dry snow// Journ. of Geophys. Research. 1979. V. 84 (C2). P. 745–749. Powers D., O’Neill K., Colbeck S.C. Theory of natural convection in snow // Journ. оf Geophys. Research. 1985. V. 90. № D6. P. 10641–10649. Богородский П.В., Бородкин В.А., Кустов В.Ю., Сумкина А.А. Конвекция воздуха в снежном покрове морского льда // Лёд и Снег. 2020. Т. 60. № 4. С. 557–566. doi:10.31857/S2076673420040060. Bartlett S.J., Lehning M. A theoretical assessment of heat transfer by ventilation in homogeneous snowpacks // Water Resources Res. 2011. V. 47. W04503. doi:10.1029/2010WR010008. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства компонентов природной среды в криолитозоне. Новосибирск: изд. СО РАН, 2004. 145 с. Тишков А.А., Осокин Н.И., Сосновский А.В. Влияние синузий мохообразных на деятельный слой арктических почв // Изв. РАН. Серия географическая. 2013. № 3. С. 39–46. Понятовская М.Н. Учет обилия и особенности размещения видов в естественных растительных сообществах // Полевая геоботаника. Т. 1. Ред. Е.М. Лавренко и А.А. Корчагина. Л.: Наука, 1964. С. 209–299. Демешкин А.С. Геоэкологическая оценка состояния природной среды в районе расположения российского угледобывающего рудника Баренцбург на архипелаге Шпицберген: Дис. на соиск. уч. степ. канд. геогр. наук. СПб.: РГГМУ, 2015. 181 с. Humlum O., Instanes A., Sollid J. Permafrost in Svalbard: review and research history, climatic background and engineering challengers // Polar Research. 2003. V. 22 (2). P. 191–215. Жекамухов М. К., Жекамухова И. М. Конвективная устойчивость воздуха в двухслойном снежном покрове. I. Линеаризованная система уравнений термической конвекции воздуха // Инж.-физ. журнал. 2007. Т. 80. № 1. С. 107–112. Дементьев О.Н., Любимов Д.В. Возникновение конвекции в горизонтальном плоском слое пористой среды // Вестн. Челябинского гос. ун-та. 2008. № 6. С. 130–135. Гершуни Г.З., Жуховицкий Е.М. О неустойчивости равновесия системы горизонтальных слоев несмешивающихся жидкостей при нагреве сверху // Изв. АН СССР. Мех. жидкости и газа. 1986. № 2. С. 22–28. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: «Гео», 2008. 229 с. Sommerfeld R.A., Rocchio J.E. Permeability measurements on new and equitemperature snow // Water Resources Res. 1993. V. 29. № 8. P. 2485–2490. Domine F., Morin S., Brun E., Lafaysse M., Carmagnola C.M. Seasonal evolution of snow permeability under equi-temperature and temperature-gradient conditions // The Cryosphere. 2013. № 7. Р. 1915–1929. https://doi.org/10.5194/tc-7-1915-2013. Calonne N., Geindreau C., Flin F., Morin S., Lesaffre B., Rolland du Roscoat S., Charrier P. 3-D imagebased numerical computations of snow permeability: links to specific surface area, density, and microstructural anisotropy // The Cryosphere. 2012. № 6. P. 939–951. https://doi.org/10.5194/tc-6-939-2012. Кузьмин П.П. Физические свойства снежного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1957. 178 с. https://ice-snow.igras.ru/jour/article/view/891 doi:10.31857/S2076673421020084 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 61, № 2 (2021); 232-240 Лёд и Снег; Том 61, № 2 (2021); 232-240 2412-3765 2076-6734 convective instability;critical Rayleigh number;vegetation and snow cover;Svalbard конвективная неустойчивость;критические числа Рэлея;растительный и снежный покровы;Западный Шпицберген info:eu-repo/semantics/article info:eu-repo/semantics/publishedVersion 2021 ftjias https://doi.org/10.31857/S2076673421020084 https://doi.org/10.31857/S0002351520020133 https://doi.org/10.31857/S2076673420040060 https://doi.org/10.1029/2010WR010008 https://doi.org/10.5194/tc-7-1915-2013 https://doi.org/10.5194/tc-6-939-2012 2022-12-20T13:30:18Z The significant part of the Arctic soils is covered by vegetation all year round, to which a layer of snow is added in winter. Both layers have a similar structure, consisting of a skeleton (organic and ice, respectively) and air-saturated pores, and, thus, form a unified system with high heat-insulating properties. But, with the temperature gradient within the layers, convection can arise, which significantly reduces the thermal resistance of the layers and affects the heat, mass and gas exchange of the atmospheric boundary layer with the ground. In this connection, the role of convective transport in the formation of the thermodynamic and biogeochemical regime of polar ecosystems becomes obvious. Note that the role of convection in the snow cover is discussed in literature, but similar studies for vegetation are absent. This is one of the reasons why the processes of heat and mass transfer in the moss-snow layer above the ground in high latitudes are reproduced in a very simplified way, even in the most advanced models of the Earth system. In this paper, we study the occurrence of instability in a system of two porous layers with heat-insulated boundaries for conditions that approximate the snow and vegetation cover of the Arctic tundra on the coast of the Gulf of Grenfjord (West Spitsbergen). The analytical solution of the Rayleigh-Darcy problem is obtained by means of expansion of the amplitudes of perturbations of vertical velocity and air temperature into series. The dependence of the convective instability threshold on the variations of the thermal physical properties of the vegetation and snow cover of the studied region, parameterized according to measurement data and literature sources, is estimated. It has been found that the stability threshold increases with growth of snow thickness and density. It was also shown that the non-Rayleigh instability becomes impossible when heated from above (meaning the long-wave mode), which occurs in a similar system of two layers of homogeneous immiscible liquids ... Article in Journal/Newspaper Annals of Glaciology Arctic Polar Research Svalbard The Cryosphere Tundra Spitsbergen Ice and Snow (E-Journal) Arctic Svalbard Ice and Snow 61 2 232 240 |