Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

[46]

Снегозащитные сооружения — это заборы или лесозащитные полосы вдоль шоссе и железнодорожных путей, призванные обезопасить дороги от снежных заносов. Где они должны быть расположены? Не будет ли сплошная стена более эффективна, чем сквозной забор? Или заборы строят только потому, что они дешевле? Почему снег скапливается вокруг таких препятствий, как валуны и стволы деревьев? А чем обусловлены свободные от снега круговые углубления, которые можно видеть вокруг стволов деревьев?

ОТВЕТ •Снегозащитные сооружения возводят для того, чтобы задержать переносимый ветром снег, не дать ему занести дорогу, поэтому с наветренной стороны дороги они должны быть хорошо укреплены. Сплошная стенка не слишком эффективна: в воздушном потоке вблизи нее образуются восходящие вихри, переносящие через нее снег. Гораздо лучше с этой задачей справится приподнятый на несколько сантиметров над землей забор из редких планок, прибитых на расстоянии ширины планки.

Когда начинается сезон снегопадов и снега еще не слишком много, снеговой щит приводит к образованию небольших вихрей по обе его стороны, благодаря которым пространство вблизи забора почти свободно от снега. Сугробы формируются с двух сторон забора, но непосредственно около него снега гораздо меньше. Щель внизу позволяет части воздушного потока образовывать вихри с обратной стороны забора, очищая пространство перед ней.

Когда скапливается достаточно снега, верхушки сугробов с обеих сторон забора начинают отклоняться в сторону забора и в конце концов касаются его. Теперь мы видим сплошной снежный холм, вершина которого располагается на заборе, но мы не видим, что внутри, с каждой стороны забора, этот холм полый. После того как такой снежный холм образовался, забор становится бесполезным.

Когда ветер отклоняется большим валуном (даже камнем поменьше или каким-нибудь другим препятствием), он наметает снег позади него, сдувая одновременно сбоку и спереди.

Круговые углубления или свободные от снега кольца вокруг стволов деревьев образуются по двум причинам. Деревья — препятствия для ветра, который кружится вокруг ствола и уносит от дерева снег. Кроме того, в течение дня дерево, поглощая инфракрасное излучение солнца, нагревается. Ветви и ствол дерева переизлучают какую-то часть поглощенной энергии, отдавая ее снегу. Поскольку снег прекрасно поглощает в инфракрасном диапазоне, он поглощает практически всю эту энергию и начинает подтаивать или сублимировать (испаряться) вблизи ствола, где его глубина уменьшается.

Если вызвать лавину, как масса снега будет соскальзывать со склона горы? Как остановить лавину и предотвратить разрушение поселка у подножия горы?

ОТВЕТ •Когда начинается сход лавины, снег, особенно мелкий, поднимается в воздух и двигается вперед как турбулентное облако частиц. Это облако быстро начинает захватывать и увлекать за собой воздух, уменьшая концентрацию частиц в потоке. Кроме того, оно собирает снег со склона горы. Быстрее всего двигаются частицы, находящиеся на небольшом расстоянии от склона горы и существенно ниже вершины лавины. Но частицы не спускаются прямо вниз по склону, а двигаются по сложным траекториям. Скорость фронта лавины может достигать 100 м/с и более, а ее высота — сотен метров.

Для остановки лавин по склонам гор устанавливают высокие, прочно укрепленные сзади стены. Но прежде чем лавина достигнет стены, необходимо значительно понизить ее энергию. Для этого на склоне горы выше стены устраивают лавинорезы, клинья, насыпи. Их цель — изменить направление движения лавины, подняв снег в воздух, наподобие того, как трамплин подбрасывает лыжника, выполняющего прыжок. Когда снег снова обрушивается на склон горы несколько ниже насыпи, он теряет б о льшую часть своей энергии.

Когда склон горы не выдерживает и возникают большие оползни, обломки камней и почвы могут двигаться вниз даже по не слишком крутым склонам, а затем продолжать движение по плоской долине на расстояния до нескольких километров. Это так называемые оползни длинного выхода . Случается, что такие оползни пересекают долину между горами и поднимаются вверх по противоположному склону. Почему трение между соскальзывающей массой и дном долины или склоном горы не приводит к быстрой остановке такого оползня?

ОТВЕТ •Большинство специалистов сходятся на том, что большие оползни длинного выхода возникают потому, что оползень соскальзывает вниз по некоторому слою, играющему роль смазки. Есть много гипотез относительно того, что собой представляет этот слой. Распространено мнение, что это слой воздуха. Но представляется, что воздух достаточно быстро будет вытеснен из-под массы соскальзывающей породы. И, кроме того, такой механизм не позволяет объяснить, почему подобные оползни бывают и на Луне.

По-видимому, наиболее правдоподобно следующее объяснение: оползень движется по тонкому слою маленьких колеблющихся осколков, включая и те, которые он сам соскребает с земли на своем пути. Такие колеблющиеся осколки ведут себя подобно шарикам в подшипнике, что позволяет объяснить две отличительные черты этих оползней: 1) почти не нарушается исходная слоистость сошедшей породы; 2) оторванные от земли обломки могут содержать воду, играющую роль дополнительной смазки и обеспечивающую еще большую дальность выхода оползня.

Камнепад — падение каменных глыб или массы камней со склона горы, обычно с крутого обрыва. Почему же камни падают и чем определяется место, где они останавливаются? Почему, когда при камнепаде со склона скатывается большое количество камней, они распределяются по размерам: более крупные камни оказываются у подножия горы, а камни меньшего размера останавливаются выше?

В июле 1996 года в национальном парке Йосемити, недалеко от места, которое называется Хэппи-Айлс, последовательно, один за другим, произошли два крупных обвала гранитной скалы. Каждый из обломков, соскользнув с крутого склона, продолжил двигаться как снаряд и упал на землю примерно в 550 м от скалы. Удар вызвал сейсмические волны, зарегистрированные на расстоянии 200 км от места происшествия. Однако последствия этих обвалов оказались еще удивительнее. Более 1000 деревьев было повалено или сломано на расстоянии 300 м от места падения обломков, мост и закусочная стерты с лица земли, один человек погиб и еще несколько пострадали. Как гранитные обломки могли привести к таким разрушениям?

ОТВЕТ •Большинство камнепадов происходит из-за эрозии горных пород. Во-первых, расщелины, в которых вода скапливается, расширяются и углубляются при ее замерзании, поскольку вода, превращаясь в лед, увеличивается в объеме. Во-вторых, эрозия может происходить благодаря химическим процессам, особенно в условиях повышенной влажности. Эрозии подвержены любые скалы, но камнепады случаются только тогда, когда трещина выходит на поверхность крутой скалы. Какое-то время кусок скалы рядом с углубляющейся трещиной продолжает держаться, но наступает момент, когда его связь с остальной скалой оказывается недостаточной, и происходит обвал.