Главная / Снаряжение / Лавины / По следам лавин  

Бывает, от участия в увлекательном путешествии Вас отделяет всего один телефонный звонок:
+371 29572565

... или один шаг:
Skype: travelling.lv

... порой и одно слово:
vladimir@travelling.lv

 

Печатать

Рождение лавин

Исследовать истину в одном отношении трудно, в другом легко. Это видно из того, что никто не в состоянии достичь ее надлежащим образом, но и не терпит полную неудачу, а каждый говорит что-то о природе и поодиночке, правда, ничего или мало добавляет к истине, но, когда все это складывается, получается заметная величина.
Аристотель. Сочинения. Метафизика. Книга вторая

Мне кажется, что единственной надеждой на точный прогноз лавины может быть изобретение некоего очень сложного прибора, который должен находиться на лавиноопасном склоне, вести постоянные наблюдения и регистрировать непрерывный калейдоскоп сил, действующих в снежном покрове.
М. Отуотер, Охотники за лавинами

Многоликий снег. Лавины во время снегопадов и метелей. Неожиданные лавины. Мокрые лавины. Прогноз непредсказуемого.

Мягкий пушистый снег... Приятно смотреть, как крупные хлопья снега медленно оседают на землю, деревья, крыши, подчеркивая контуры всего, что создано природой и человеком. После первого снегопада пейзаж всегда резко меняется, а в домах становится светлее от яркой, все окутывающей белизны.

Снег - друг. Он сохраняет зимой почву от промерзания, а растения от гибели. Снег - это запас влаги на полях. Накопленный зимой в горах, летом снег талой водой идет на поля засушливой зоны. Наконец, снег - это прекрасные зимние виды спорта.

Но снег и враг. Снегопады и метели засыпают дороги, резко затрудняют движение транспорта. Груз снега давит на крыши зданий, он липнет на провода и рвет их, снеголом повреждает деревья. А в горах наступает пора лавин.

Многоликий снег

Крутые склоны гор - это уже готовые пути для срыва и движения лавин. Но без снега лавин быть не может. Поэтому, образно говоря, лавины начинаются в воздухе, когда где-то над горами из мощной стены облаков начинает сыпать снег.
Международная классификация выпадающих снежных кристаллов.
Рис. 2.-Международная классификация выпадающих снежных кристаллов.

Символы: F1-пластинки; F2 - звездочки; F3-столбики; F4 -иголки; F5 -пространственные звездочки; F6 - столбики с пластинками; F7 - кристаллы неопределенной формы; F8 - снежная крупа; F9 - ледяные зерна; F0 - град. Первый столбик - графические символы.
Снегопады так же разнообразны, как и дожди, но вода, принесенная дождями, быстро стекает; остаются только иссякающие на наших глазах ручейки и высыхающие лужи. Снегопады же оставляют после себя долгий след - сохраняющиеся до весны слои снега, которые ложатся на предшествующие слои и всегда заметно от них отличаются. Причина такого различия лежит прежде всего в том, что от снегопада к снегопаду меняется форма выпадающих снежинок: то это шестилучевые звездочки, то сростки таких звездочек - хлопья, то мельчайшие ледяные столбики, то мягкие округлые комочки - снежная крупа. Число форм выпадающих снежинок гораздо разнообразнее, чем каждый из нас может себе представить. Разработанная в 1951 году Международная классификация включала 10 основных типов снежинок, в каждом из которых было выделено еще три дополнительных варианта формы (рис. 2). 

Через 15 лет американцы Мегано и Ли опубликовали значительно более подробную классификацию, которая включала уже 80 форм снежных кристаллов. Сейчас считается, что существует, по меньшей мере, 130 разных форм снежинок! Такое большое число форм снежных кристаллов обусловлено сложностью и разнообразием условий температуры, движения воздуха и влажности в облаках, где они зарождаются, и изменением этих условий на пути снежинки к поверхности земли. За время снегопада форма выпадающих снежинок может несколько раз меняться; тогда в слое снега одного снегопада можно обнаружить вторичную слоистость, связанную с изменениями выпадавших кристаллов.

Снегопады разнообразны: это может быть редкий неторопливый снежок, который образует всего несколько сантиметров нового снежного покрова, но может быть и настоящий снежный ливень, когда снег валит так густо, что уже в двух-трех метрах ничего не видно, кроме падающей белой стены; снег ежеминутно залепляет лицо, а снежный покров растет прямо на глазах. Во время таких снежных ливней образуется очень мощный снежный покров - толщиной до метра и больше.

В Андрематте, городке близ Сен-Готарда, через который когда-то проходила суворовская армия, в катастрофическую зиму 1951 года в ночь на 20 января толщина снега в результате ливневого снегопада выросла на 1,5-2 метра. Утром началась эвакуация людей из зданий, которым угрожали лавины, а уже в 2 часа дня первая лавина уничтожила столетний отель "Мельница" и разрушила до основания стоявшую уже несколько сотен лет гостиницу "Три короля". Следующие лавины разнесли восемь военных казарм.

Сильные снегопады, во время которых толщина снежного покрова возрастает более чем на метр,- нередкое явление в горах нашей страны. Особенно часты они в горах Аджарии, в Карпатах, западной части Кавказа, Тянь-Шаня, Джунгарского Алатау, Алтая, которые стоят на пути западных ветров, подобно снегоудерживающим щитам у дорог, и перехватывают влагу, выносимую на территорию СССР с Атлантики, точно так же, как горы Сахалина, Курильских островов и Камчатки перехватывают потоки влаги с Тихого океана, где ливневые снегопады тоже не редкость.

В 1976 году, во время исключительной по обилию cнега зимы на Кавказе, в Сванетии после нескольких ливневых снегопадов на одном из склонов снега скопилось так много, что деревья высотой до 7 метров оказались погребенными под ним: поверх скрытого под снегом леса сошла лавина. Этот уникальный в истории изучения лавин случай был описан Г. К. Тушинским.

Все хорошо знакомы с обложными дождями, которые могут продолжаться и день, и два, и неделю. Такими же длительными могут быть и снегопады в горах. За время таких неторопливых снегопадов тоже образуется толстый снежный покров. Зима 1965/66 года была исключительно снежной и лавинной на огромной территории Средней Азии - от западных отрогов Памиро-Алая до Алтая. Толчком для схода гигантских лавин послужил длительный снегопад с 10 по 15 марта 1966 года, за время которого толщина снежного покрова выросла на 0,7-0,9 метра.

В целом в горах снега всегда намного больше, чем на окружающих равнинах, так как они являются естественными аккумуляторами осадков вообще и снега в частности, обостряя за счет своей высоты все атмосферные процессы, приводящие к образованию осадков. А понижение температуры воздуха с высотой в горах увеличивает долю снега в общей годовой сумме осадков.

Снег на крутых склонах гор накапливается не только во время снегопадов: ветер тоже способствует его накоплению и рождению лавин. В ясный солнечный день при полном затишье на дне долины на вершинах и гребнях гор можно увидеть словно курящуюся дымку, вытянутую в одном направлении. Это "снежные флаги" - перенос снега ветром с наветренного на подветренный склон. На подветренных сторонах гребней хребтов метели строят снежные карнизы, которые угрожающе нависают над склонами.
Особенно много снега на склонах накапливается тогда, когда ветер дует во время снегопада; толщина снега в лавиносборах в таких условиях растет очень быстро, возникают гигантские лавины. Именно такие условия - сильный снегопад и ураганный ветер - вызывали катастрофы в Альпах в 1951 и 1954 годах, в Скво-Вэлли в 1952 году, в Портильо (Чилийские Анды) в 1966 году, на Кавказе в 1976 году. У нас такое сочетание снега с ветром называют бураном, в Соединенных Штатах - снежным штормом, а научное его название - "общая метель".

Хибины - невысокие, ниже 1000 метров над уровнем моря, горы на Кольском полуострове - являются классическим местом лавин, рождаемых метелями. Плоские вершины Хибинских гор - идеальные хранилища снега, с которых метель словно метлой сметает его на крутые склоны, где накапливается толща мощностью до нескольких метров. Началась метель в Хибинах -жди лавин, об этом хорошо знают местные жители. Еще полвека назад швейцарский исследователь В.Паульке назвал ветер главным архитектором лавин.

Снег, только что отложенный снегопадом или метелью, называют новым снегом, но чаще свежим, свежевыпавшим или свежеотложенным снегом. Вес 1 кубического метра такого снега может меняться от 50 до 500 килограммов. Он может быть совершенно несвязным и сыпучим, как сухой песок. Такой снег называют "диким". Состоит он обычно из ледяных столбиков и иголочек, которые не имеют никаких выступающих частей, способствующих их сцеплению.

Когда снежные кристаллы имеют выступы, они сцепляются друг с другом при отложении, и тогда свежий снег образует связный слой. Степень связности сильно зависит от формы снежинок, температуры, при которой образуется слой, силы ветра, влажности снега. Достаточно связный слой снега называют снежной доской.

Метели, как правило, образуют связный свежий слой снега, который называют ветровым настом, а в научном языке официальный статус получил термин "ветровая доска". Иногда образуется такая плотная ветровая доска, что по ней можно легко ходить - она не проваливается, а иногда на ее поверхности не оставляют следов даже металлические канты горных лыж. Процесс образования метелевой "снежной доски" не вполне ясен. Предполагается, что ветер "упаковывает" переломанные и измельченные обломки снежных кристаллов в подходящие для них выемки на поверхности снежного покрова, где они заякориваются и смерзаются. Этот процесс напоминает работу грейдера, выравнивающего неровности дороги. Но возможен и вариант зацепления перемещаемых ветром частиц за неровности и выступы поверхности. Такие способы образования наста возможны при перекатывании частиц снега ветром по поверхности или при сальтации частиц, то есть прыжках частиц под ударами ветра, что наблюдается обычно в метровом слое воздуха над снежной поверхностью. Но ветер может переносить снег и на большой высоте - до 100 метров, когда вихревые потоки поднимают тучи снега и перебрасывают его на значительные расстояния - до того места, где вихрь ослабевает или затухает. При таком способе переноса указанные выше механизмы образования ветрового наста не работают. Далеко не все исследователи уверены в том, что перенос снега ветром на больших высотах над землей действительно имеет место. Но экспериментальных данных для окончательного ответа еще недостаточно. Прочность настов очень разнообразна, она зависит от скорости ветра, продолжительности метели, типа переносимого снега и типа выпадающих при метели снежинок, а также от температуры воздуха и ее изменений. Свежеотложенный снег может резко отличаться по своей влажности, то есть содержанию в нем свободной воды: он может быть сухим, и тогда связность его обычно бывает меньше; может быть влажным, и тогда связность увеличивается за счет слипания частиц снега; наконец, он может быть мокрый и практически несвязным. Обычные и метелевые слои снега образуют снежный покров, в котором идут сложные процессы преобразования снежинок в новые формы. В снежном покрове, лежащем на склоне, возникают напряжения. Определение сочетание этих процессов и напряжений в конце концов может привести снег в неустойчивое состояние, которое нередко реализуется в виде лавины.

Лавины во время снегопадов и метелей
Взаимодействие сил
Рис. 3.
Чем больше толщина снежного покрова на склоне, тем больше составляющая силы тяжести, направленной вдоль склона,- она растет прямо пропорционально толщине снега.
Снег срывает со склонов только одна сила - сила тяжести. Чтобы понять ее роль, вырежем мысленно из слоя снега, лежащего на плоском склоне, куб. Силу тяжести, направленную вертикально вниз, в соответствии с законами механики, можно разложить на две составляющие - одна будет направлен перпендикулярно к поверхности склона, на котором лежи куб, а другая - параллельно этой поверхности (рис. 3). 

Наверное, каждый человек неоднократно прочувствовал на себе эту самую "составляющую": именно благодаря ей можно быстро съехать на лыжах или санях с горы. Но есть другие силы, которые противодействуют составляющей силы тяжести, направленной параллельно склону, и удерживают снег на склоне. Это, во-первых, сцепление нашего куба с нижележащим снегом или поверхностью грунта. Во-вторых, даже при отсутствии сцепления (а такое бывает) это сила трения, зависящая, по законам физики, от веса куба. Сумму сцепления и трения называют сопротивлением сдвигу. Наконец, в-третьих, смещению куба противодействует снег, лежащий ниже по склону, а вышележащий - удерживает его за счет связей между частицами снега. Эти силы обычно называют контурными. Их очень просто смоделировать: стоя на лыжах на склоне, упритесь палками перед собой, чтобы не съехать, или зацепитесь ими сзади за куст или дерево - вот вы и получили представление о контурных силах.

Хотя сила тяжести действует всегда, далеко не всегда возникает лавина. Дело в том, что сила тяжести - это только пороховой заряд, который надо чем-то воспламенить. Иначе говоря, нужен спусковой механизм, который даст силе тяжести возможность преодолеть силы, удерживающие снег на склоне.

Природа заготовила много "спусковых механизмов", но не все они известны. Попробуем найти спусковой механизм лавин, возникающих во время снегопадов и метелей, так как это наиболее благоприятные периоды образования лавин в горах, для чего обратимся к графику (рис. 4), на котором по горизонтали отложено время от начала снегопада (или метели), а по вертикали - две величины: изменение за время снегопада суммы сил, удерживающих снег на склоне, и составляющей силы тяжести, стремящейсяvпривести снег в движение, превратить его в лавину.
График соотношения сил
Рис. 4.
Вскоре после снегопада образуется тонкий слой снега, в котором возникают силы, удерживающие его на склоне,-сцепление снежных кристаллов друг с другом и с той поверхностью, на которую он лег. Так как слой свежеотложенного снега очень тонок, то сила тяжести невелика - она много меньше сил, удерживающих пласт. При дальнейшем продолжении снегопада все будет зависеть от скорости изменения тех и других сил (см. рис. 4). Если сила тяжести будет возрастать быстрее сил, удерживающих снег на склоне, то в какой-то момент она сравняется с ними - наступят условия равновесия снежного пласта на склоне. Дальнейшее продолжение снегопада приведет к превышению силы тяжести, направленной вдоль склона, над удерживающими силами, и тогда пласт снега неизбежно обрушится в виде лавины. Вот он - спусковой механизм: скорость увеличения силы тяжести опережает скорость роста сил, удерживающих снег на склоне.

Составляющую силы тяжести очень просто выразить через толщину снежного покрова, если известна его плотность. Толщина свежеотложенного пласта, при которой устанавливаемой равновесие сил, удерживающих и сдвигающих пласт, называется критической толщиной. Огромное разнообразие видов свежеотложенного снега приводит к такому же разнообразию величин критической толщины снега. Очевидно также, что для одного и того же вида снега критическая толщина будет зависеть и от крутизны: чем больше крутизна склона, на котором лежит пласт, тем меньше его критическая толщина и наоборот. На склонах крутизной 60° и больше снег вообще не держится, при снегопаде он с таких склонов сразу осыпается. Все приведенные рассуждения относятся и к случаю накопления снега на склоне за счет его переноса ветром.

Теперь, когда ясен спусковой механизм образования лавин во время снегопадов и метелей, казалось бы, очень просто предсказать такие лавины: как только образовался пласт свежеотложенного снега, определяются все необходимые величины для расчета удерживающих его сил. По сумме этих сил определяется критическая толщина, то есть граница между устойчивым и неустойчивым состоянием. А дальше совсем просто: если известна скорость прироста высоты свежевыпавшего снега, то на эту величину делят критическую высоту и получают время, когда все силы уравновесятся. Пусть, например, критическая толщина будет 100 сантиметров, а скорость нарастания слоя - 10 сантиметров в час, тогда слой достигнет критической толщины через 10 часов, и после этого в любой момент можно ожидать лавину.

Конечно, на деле все не так просто. Рассмотренная модель устойчивости снега на склоне построена для идеальных условий, которые бывают очень редко. Так, склоны гор практически не бывают плоскими: в профиле они или вогнуты, или выпуклы, или даже волнистые, или это сочетание выпуклого и прямого участков, вогнутого и прямого и т. п. Форма продольного профиля существенно сказывается на устойчивости снега на склоне. Вдоль склона меняется и толщина снега, хотя в модели она была принята как постоянная; снег редко откладывается ровным слоем на склонах, особенно при участии ветра, а расчеты показывают, что изменение толщины снега в пределах 10 % на склоне крутизной 35° меняет критическую толщину снега почти в полтора раза. Еще одно допущение заключается в том, что силы сцепления, внутреннее трение и контурные силы принимаются неизменными во время снегопада. Наконец, допущение о неизменности скорости нарастания толщины снега за время снегопада тоже далеко не всегда соответствует реальным условиям.

Многие из этих допущений вполне преодолимы. Существует, например, соответствующий математический аппарат, с помощью которого можно учесть профиль склона и изменчивость толщины слоя снега. Можно чаще измерять скорость нарастания толщины снега во время снегопада или метели, чтобы вносить соответствующие поправки в расчеты. Но есть пока почти непреодолимая трудность - практически нет возможности измерить силы, удерживающие снег на склоне, то есть его сопротивление сдвигу, и контурные силы, так как нет приборов и методов, которые позволяли бы это делать надежно для всех видов снега в слое малой толщины. Особенно сложно определять силу сопротивления сдвигу. Обычно, как и для грунтов, ее представляют в виде суммы сил сцепления и трения. Приборы, применяемые для этого в механике грунтов, не всегда пригодны для снега, так как образцы снега при измерении их прочностных свойств часто деформируются.

Теория прочности снега пока еще недостаточно разработана; это связано не только со сложностью задачи, но и с тем, что серьезные механики и инженеры нередко иронически относятся к изучению свойств такого эфемерного вещества, как "прошлогодний снег". Известный специалист в области механики снега Малькольм Меллор, выступая в 1977 году на собрании Международного гляциологического общества, рассказал, что, когда он начинал работать в армейском подразделении по исследованию снега, льда и мерзлоты - Snow, Ice and Permafrost Research Establishment, или, сокращенно, SIPRE,- эту аббревиатуру многие маститые специалисты инженерного корпуса армии Соединенных Штатов расшифровывали так: Stupid Individuals Performing Ridiculous Experiments, что переводится как "Глупые индивидуумы, проводящие нелепые эксперименты". В некоторых аспектах такой взгляд на проблему механики снега сохранился до сих пор.

Неразработанность вопросов теории прочности снега, отсутствие надежных методов определения его механических свойств, казалось бы, предопределяют невозможность предсказания лавин во время снегопадов и метелей. Однако лавинщики - практики просто не подозревали, что проблема столь сложна, поэтому, понимая в целом необходимость определения механических свойств снега для решения проблемы прогнозирования лавин, они попытались решить ее чисто эмпирическим путем исключив необходимость обращения к этим свойствам снега.

Впервые такой прогноз лавин был разработан для района добычи апатитовой руды в Хибинах после лавинной катастрофы в конце 1935 года. Здесь еще в 1933 году была организована исследовательская станция для защиты от снега участка Кировской железной дороги. Разразившаяся лавинная катастрофа заставила вплотную заняться разработкой прогноза лавин.

В Хибинах обвалы чаще всего происходят во время буранов - снегопадов с сильными метелями: на такие случаи приходится 80% всех обвалов снега. И.К.Зеленой, сотрудник созданной в 1936 году Снежно-метеорологической службы комбината "Апатит", изучил все метели и сопоставил их с днями схода лавин в районе поселка и подъездных путей. Оказалось что лавины возникают не при каждой метели. Порог, через который должна перешагнуть скорость ветра, чтобы наметать в лавиносборы с необходимой интенсивностью достаточное количество снега, составляет 10 метров в секунду. Только после его превышения через определенное время наступала опасная ситуация. Уже зимой 1936/37 года было выдано 15 "обвальных предупреждений", из которых 12 оправдалось.

В дальнейшем метод уточнялся. Были использованы дополнительные материалы по метеостанции на Апатитовой горе, которые лучше отражали ветровые условия района. Выявилось, что надо отбросить те случаи, когда при скорости ветра 10 метров в секунду и больше снегопада нет, а также, когда такой ветер не сопровождается метелью, так как поверхности снега укрыта от ударов ветра панцирем ледяной корки после оттепели или прочным ветровым настом от предыдущей метели. Была сделана попытка учесть направление ветра: оказалось, что самые крупные лавины возникают во время таких ветров с метелью, по отношению к которым склоны являются подветренными. Если сильный ветер с метелью дует вдоль склона, то лавины тоже обрушиваются, но размеры их значительно меньше.

Уже после Отечественной войны руководитель лавинной службы комбината "Апатит" В.Н.Аккуратов использовал для прогноза лавин, возникающих во время метелей, данные наблюдений за количеством переносимого снега, которые проводились на вершине горы Юкспор с 1936 года.

Количество переносимого метелями снега измеряется специальным прибором - метелемером, действующим как ловушка для летящих над поверхностью снежных кристаллов. С помощью метелемера можно определить, сколько граммов снега переносит ветер за минуту через каждый квадратный сантиметр в плоскости, перпендикулярной поверхности снега. Когда переносимый метелью снег попадает с наветренного на подветренный склон, ветер ослабевает, частицы снега выпадают и образуют наносы свежеотложенного снега, скорость нарастания которых прямо зависит от величины метелевого переноса. В.Н.Аккуратов определил, что лавины не образуются при метелевом переносе менее 1,5 грамма через квадратный сантиметр в минуту. Это означало, что в условиях Хибин метелевый перенос, меньший данного критического значения, не обеспечивает достаточно быстрого роста толщины свежеотложенного слоя, соответственно сумма сил, удерживающих снег на склоне, растет быстрее, чем составляющая силы тяжести. Спусковой механизм не срабатывает - "лавинная пружина" сжимается недостаточно. Но после того, как величина переноса снега при метели достигнет порога в 1,5 грамма через квадратный сантиметр в минуту, примерно через 10 часов следует ожидать схода первых лавин. Десять часов нужно для того, чтобы сжать "лавинную пружину" до отказа. Чем больше ветер переносит снега, тем быстрее сжимается лавинная пружина: при метелевом переносе втрое больше критического лавину следует ожидать через 6 часов, а при переносе в 8 раз больше критического лавины начнут сходить уже через 3 часа. Этого времени вполне достаточно, чтобы вывезти людей и технику в безопасное место и прекратить движение на дорогах, которым угрожают лавины.

Разработанный в Хибинах метод дает возможность предсказывать не время схода какой-то определенной лавины, а момент наступления такого периода во время бурана, когда в исследуемом районе в одном из лавиносборов может сорваться первая лавина. Таким образом, прогноз относится к целому, сравнительно однородному району, в котором могут быть десятки мест схода лавин. Прогноз считается оправдавшимся, если сошла хотя бы одна лавина, поэтому он получил наименование фонового прогноза времени наступления лавинной опасности, но для краткости говорят "прогноз лавин".

Такой метод прогноза можно назвать методом критических ситуаций: одно явление может вызвать другое явление, только перейдя определенный порог, причем в каждом конкретном месте сам порог может быть другим. Метод критических ситуаций хорошо работает там, где есть очевидная связь схода лавин с определенными метеорологическими явлениями, которые наблюдаются в предшествующий лавинам период.

В горах Уосач штата Юта в начале 50-х годов независимо от исследователей в Хибинах пришел к фоновому прогнозу времени наступления лавинной опасности при снежных штормах Монтгомери Отуотер. Потом он шутливо заметит, что толкнула его на этот путь нелюбовь копать шурфы в глубоком снежном покрове, так как в то время на Западе все лавинщики равнялись на швейцарскую школу тщательного изучения снежной толщи. Отуотеру для прогноза пришлось учесть другие метеорологические явления и другие критические пороги, что было связано с особенностями условий в горах на Западе США при снежных штормах. Во время сильного снегопада при ветре необходимо, как установил Отуотер, чтобы были преодолены по крайней мере два порога: во-первых, скорость выпадения осадков должна быть равна или больше 2,5 миллиметра в час (здесь осадки измеряются слоем воды, а не толщиной снега), во-вторых, ветер должен иметь скорость не менее 6 метров в секунду. Лавинная опасность при переходе этих порогов возникает тогда, когда сумма выпавших осадков в виде снега достигнет 25 миллиметров (опять в слое воды), или, иными словами, через 10 часов.

После разработки первых прогнозов лавин в Хибинах методом критических ситуаций они стали широко применяться во многих районах нашей страны и дали удовлетворительные для практических целей результаты. В прогнозы стали включать дополнительные пороговые показатели, которые учитывают конкретную обстановку того или иного района. Изменен подход и к самим пороговым значениям - теперь их выделяют два: одно - крайнее нижнее значение, ниже которого лавины никогда не возникают, другое - крайнее верхнее, при превышении которого лавины возникают всегда. Между этими крайними пороговыми значениями возможны ситуации с лавинами и без них. В этом интервале иногда выделяют промежуточное пороговое значение, которое может, например, разделять такие ситуации между нижним и промежуточным порогами: из 10 случаев только в 3 возникали лавины, то есть в 30 % случаев, а между промежуточным порогом и крайним верхним лавины отмечались в 6 случаях из 12, то есть в 50 % случаев.

В последнее время все чаще используется статистическая обработка данных для нахождения корреляционных зависимостей между началом схода лавин во время снегопадов и метелей и предшествующими метеорологическими явлениями. В результате получают формулы, в которых момент схода лавин зависит от некоторого числа наблюдаемых в данном районе метеорологических явлений.

В методе критических ситуаций достаточно хорошо исследован нижний критический предел и почти не исследован верхний. Казалось бы, если данное метеорологическое явление сильно превышает критический порог, то должны возникать очень опасные лавинные ситуации. Между тем в районе Норильских гор, где очень часты сильные метели, лавины, как это ни странно, практически отсутствуют. Это объясняется тем, что частые и очень сильные метели так "укладывают" раздробленные снежинки, что многометровая толща остается прочно лежащей на склонах в течение всей зимы.

Прогноз лавин во время снегопадов и метелей выдается обычно за несколько часов до наступления опасного периода. Увеличить его точность и заблаговременность не удается в связи с отсутствием надежных методов прогноза погоды в горах. Все прогнозы лавин основываются на использовании так называемого метода тенденции, смысл которого заключается в следующем утверждении - то, что наблюдается сейчас, будет продолжаться и дальше. Следовательно, если в данный момент наблюдается снегопад с интенсивностью осадков выше критического порога, то предполагается, что он будет таким в течение еще нескольких часов. Опираясь на эту тенденцию, рассчитывают время схода первых лавин. Если через какое-то время интенсивность осадков возрастет, то в прогноз можно ввести коррективы, так как опасный период наступит раньше. Если же до истечения времени прогноза снегопад прекратится или его интенсивность станет ниже пороговой, то предупреждение о лавинной опасности снимается. Отсутствие метеорологического прогноза осадков и метелей в горах накладывает серьезное ограничение на повышение заблаговременности и точности прогноза лавин, поэтому вряд ли следует ожидать в ближайшее время повышения надежности подобных прогнозов лавин. Скорее следует удивляться тому, что при отсутствии метеорологических прогнозов прогнозы лавин, основанные на методе критических ситуаций, оправдываются в 70-80 % случаев. Безусловно, многое здесь следует относить за счет знания местных условий и интуиции лавинщиков, разрабатывающих прогнозы. Понимая, что без метеорологического прогноза развивать дальнейшую работу трудно, некоторые лавинщики небезуспешно пытаются прогнозировать сильные снегопады в горах, что повышает надежность и заблаговременность прогноза лавин.

Неожиданные лавины

В истории изучения лавин есть одно удивительное обстоятельство. В Швейцарии, где впервые были начаты исследования лавин и где много лет существует единственный в мире институт изучения лавин, очень долго не занимались разработкой их прогноза методом критических ситуаций во время снегопадов и метелей. Причин для этого, видимо, было несколько: давние традиции тщательного исследования строения снежной толщи, глубокое понимание сложности происходящих в ней процессов и, наконец, достаточно хорошее представление о роли механических свойств снежного покрова в возникновении лавин. Но все же этот груз знаний, по-видимому, не позволял уяснить тот факт, что в условиях сильных снегопадов и метелей процессы в снежном покрове в своем развитии отстают от быстрого нарастания толщины свежеотложенного слоя, и рост нагрузки становится доминирующим фактором. Накладывало свой отпечаток и то, что исследователи лавин в Альпах прекрасно знали множество случаев, когда лавины срывались со склонов неожиданно, без особой видимой связи с внешними факторами при ясной безветренной погоде. "Мнение, что при морозной погоде лавины не сходят,- писал Матиас Здарский - еще в 1929 году,- или что любой снег через три дня осядет,- широко распространенное заблуждение".
График изменения сил
Рис. 5.
Причина возникновения таких "не очевидных" лавин, когда сила тяжести остается постоянной, так как нет снегопада и метели, лежит в тех преобразованиях толщи снега, которые уменьшают силы, удерживающие его на склоне. В результате в какой-то момент эти силы становятся, сравнимы с составляющей силы тяжести и при дальнейшем ослаблении прочности снежного покрова возникает лавина (рис. 5). 

Попытаемся выяснить, каков спусковой механизм подобных лавин, зарядом которых служит на сей раз не меняющаяся сила тяжести.

Снежный покров имеет две поверхности: нижняя - неподвижная, прилегающая к земле, и верхняя - подвижная, которая граничит с воздухом. Верхняя граница может изменяться во время снегопада или метели, а также в результате оседания и таяния снега. Оседание бывает наибольшим сразу после снегопада. Обычная скорость оседания снега меньше 1 сантиметра в сутки, но после снегопадов она может достигать и даже превышать 10 сантиметров в сутки. Иногда при слабом снегопаде толщина снега не увеличивается, а уменьшается, так как скорость его оседания больше скорости нарастания за счет свежеотложенного снега. Оседание в основном обязано чисто механическому уплотнению за счет передвижения и разлома снежных кристаллов под тяжестью вышележащего снега, но частично оно возникает в результате изменений самих кристаллов. В снежном покрове, при всем огромном разнообразии первоначально отложенных снежинок, идет процесс их превращения в довольно однообразные округлые или ограненные зерна разного размера. Этот процесс называют метаморфизмом. Причиной метаморфизма является температура.

Изменение температуры в снежном покрове
Рис. 6.
В снежном покрове температура меняется довольно закономерно (рис. 6). На его нижней поверхности она обычно равна или близка к нулю, а в приповерхностном слое происходят колебания температуры, следующие за колебаниями температуры воздуха. Между температурой у поверхности и у грунта в зимнее время есть разница, которая характеризуется градиентом температуры, то есть ее изменением на каждый сантиметр глубины. Когда начинается таяние, температура снежной толщи становится однородной, равной нулю. В целом снежный покров на поверхности нашей планеты существует при температуре, близкой к точке плавления,- этим он резко отличается от прочих горных пород. Молекулы любого вещества в таких условиях очень подвижны и чувствительны к изменению внешних условий, поэтому огромная площадь поверхности, которую образуют кристаллы в снежном покрове, очень активна: между соседними кристаллами снега и между кристаллами и окружающей средой идет непрерывный обмен молекулами воды. Свежевыпавший снег - одно из самых неустойчивых веществ на земле: он начинает изменяться сразу же после отложения на поверхности грунта. Скорость метаморфизма и его направление определяются температурой: чем она выше, тем быстрее происходят изменения. Различают три типа метаморфизма: изотермический, который происходит при отсутствии в снежном покрове температурного градиента или когда последний очень мал, этот тип называют также деструктивным; метаморфизм при температурном градиенте в толще снега, его часто называют конструктивным; и метаморфизм таяния - замерзания. Каждый тип метаморфизма вызывает свои особые изменения в толще снега.

На начальной стадии изотермического метаморфизма при отсутствии температурного градиента снежинки теряют мелкие детали, распадаются на мелкие зерна, отчего этот тип метаморфизма и называют деструктивным, то есть разрушительным. Затем начинается постепенное округление зерен и рост более крупных за счет более мелких. Перенос вещества при этом происходит за счет испарения с острых выступающих деталей зерен и отложения его в местах соприкосновения зерен, где прилегающие друг к другу кристаллы создают вогнутую поверхность. За счет того, что на выступах давление водяного пара больше, чем в вогнутых полостях, в порах снежного покрова как бы действует множество мельчайших насосов, перекачивающих вещество, минуя жидкую фазу. Испарение вещества без перехода в жидкую фазу называют возгонкой, а переход этого пара прямо в твердое вещество - сублимацией. Таким образом, в снежной толще идут процессы возгонки и сублимации. Перенос молекул происходит также за счет еще недостаточно изученных процессов на поверхности ледяных частиц. Этот тип метаморфизма приводит к срастанию снежных зерен и в целом к упрочнению того слоя, где он развивается.

Когда в снежной толще возникает температурный градиент, он тоже начинает действовать как насос, перегоняя водяной пар из более теплых участков, где давление пара по законам физики выше, к более холодным, где оно ниже. При этом типе метаморфизма пар, оседая (сублимируясь) на зернах, преобразует их в угловатые, полые внутри, чашеобразные кристаллы, которые могут достигать 8-10 миллиметров в поперечнике. За такое строительство этот тип метаморфизма и называют конструктивным. Подобные кристаллы называют глубинной изморозью, а слой, в котором они развиваются, исследователи лавин в Альпах назвали снегом-плывуном, потому что в слоях глубинной изморози связи между ограненными зернами ослаблены, слой становится менее прочным и более рыхлым, и при механическом воздействии он обычно рассыпается на отдельные зерна. Нередко снег-плывун образуется в основании снежного покрова, на границе с грунтом, когда в начале зимы, еще при сравнительно тонком снежном слое, в нем возникает большой температурный градиент. В таком слое силы, удерживающие снег на склоне, уменьшаются, и в тот момент, когда они станут меньше составляющей силы тяжести, направленной вдоль склона, срывается лавина.

"Глубинная изморозь подкрадывается потихоньку,- пишет М. Отуотер,- месяц за месяцем. Я всегда считал, что мины - одна из отвратительнейших форм оружия. Эта бездушная штука лежит себе, поджидая кого-нибудь, кто пришел бы и зацепил спусковой механизм. Для мины неважно, будет ли жертва другом, врагом или ни тем и ни другим. Жертвой может оказаться любой". Морозная погода разбрасывает такие мины на склонах; бывает достаточно одной - двух недель мороза, чтобы образовался слой глубинной изморози.

Развитие слоев снега-плывуна тесно связано с толщиной снежного покрова: глубинная изморозь развивается быстрее там, где он тоньше. При прочих равных условиях на затененных склонах она образуется быстрее и имеет большую толщину. В суровых климатических условиях образование слоя глубинной изморози более вероятно, так же как и на больших высотах в горах. Разрыхленный снег не обязательно образует непрерывный слой; он может образовывать пятна в снежном покрове. Снег-плывун развивается не обязательно только на границе с грунтом: он может возникать и внутри снежной толщи, а также на ее поверхности.

Изотермический метаморфизм и метаморфизм при температурном градиенте ведут к упрочнению или же разрыхлению и ослаблению слоев снежного покрова. Они, в соответствии с изменениями погоды, непрерывно сменяют друг друга, создавая в толще снега слои разной прочности. Пачка слоев разной прочности уже сама по себе представляет неустойчивую конструкцию, но когда очень слабые слои находятся внутри пачки или в ее основании - это делает конструкцию похожей на карточный домик.

Чтобы предсказывать лавины, связанные с образованием слоя, ослабленного в результате конструктивного метаморфизма, надо прежде всего выяснить - образовался ли он в толще снежного покрова и если образовался, то в каком месте и на какой глубине. Это всегда делалось с помощью шурфования, то есть выкапывания в снегу ямы - шурфа. На стенке шурфа в слоях снега записаны история их отложения и характер изменений, которые в них происходят. Опытный лавинщик, используя набор нехитрых инструментов, довольно легко читает страницы этой записи. Исследуя один слой за другим, можно определить все основные характеристики снега: плотность, размеры и огранку зерен, температуру, реакцию на механические воздействия и т. п. Слои глубинной изморози (снег-плывун) отличаются специфическим характером огранки и формой зерен. Чтобы выявить смену типов метаморфизма и интенсивность изменений кристаллов, шурфы надо копать регулярно через сравнительно короткие промежутки времени. Труд это тяжелый, так как в горах в течение большей части зимы толщина снежного покрова превышает 2 метра, а разреженный воздух затрудняет дыхание. Поэтому даже среди лавинщиков - фанатиков находится не так уж много любителей копать шурфы. В известной мере облегчил жизнь лавинщикам простой и удобный прибор для выявления снега-плывуна, известный как зонд Хефели, твердомер-зонд или пенетрометр (от английского слова - проникать). Это размеченный разъемный металлический трубчатый стержень с конусовидным наконечником, который имеет диаметр, чуть больший диаметра стержня. С помощью груза постоянного веса с отверстием в середине, который свободно движется вдоль стержня до специального упора, зонд забивают в снег. Глубина, на которую стержень погружается в снежный покров при каждом ударе или серии ударов, или нагрузка в килограммах на каждое погружение, характеризует твердость, то есть сопротивление данного слоя проникновению в него постороннего тела. Используя измерения, полученные с помощью твердомера-зонда, можно построить график зависимости изменения твердости слоев Снега с глубиной и выявить ослабленные слои, которые отождествляются со снегом-плывуном. Работа с пенетрометром значительно менее трудоемка, чем копание шурфов, поэтому этот простой прибор широко применяют лавинщики.

Однако ни шурф, ни твердомер-зонд не могут дать сведений о скорости ослабления в той или иной прослойке в зависимости от величины температурного градиента. Почти невозможно с помощью существующих приборов определить механические свойства в такой прослойке, так как, когда к образцу из нее прикладывают некоторую нагрузку, снег частично рассыпается и остается неясным, что же было определено при приложении нагрузки.

И еще одна трудность - правила безопасности запрещают, проведение каких-либо исследований на лавиноопасном склоне, в том числе в предполагаемом месте возникновения лавины. Шурфы обычно копают на максимально близком к месту отрыва лавин и похожем на него участке. Уже в этом заложено определенное допущение, так как полной идентичности в формировании ослабленных прослоек, естественно, быть не может. Но все идет более или менее хорошо, пока не сойдет первая лавина. После этого возникает огромное различие между слоистостью снежного покрова на безопасном участке и лавинном склоне, где обвал снес часть слоев. Поэтому исследование шурфа на безопасном участке становится чисто академическим занятием и уже не может быть полезным для прогноза лавин.

Лавинщики остро нуждаются в дистанционном приборе, с помощью которого можно было бы заглядывать внутрь снежного покрова, не выходя на опасный склон. Но, к сожалению, пока нет даже дистанционного твердомера-зонда, который остается одним из основных приборов для предупреждения о лавинах, обязанных предательскому снегу-плывуну.

Сотрудники Горской службы Чехословакии, организации, которая занимается вызволением людей из разных передряг в горах (в том числе - в случаях лавинных катастроф), Милош Врба и Игорь Гоудек, изучив данные наблюдений лавинных станций за снежной толщей, твердостью снега, определяемой твердомером-зондом, и сходом лавин, получили довольно простые эмпирические соотношения, которые позволяют давать предупреждения о состоянии слоев снега, лежащих на прослойках глубинной изморози. Если твердость ослабленной прослойки меньше некоторого порога, определенного твердомером-зондом, а у соседних верхнего и нижнего слоев она в 2,5-4 раза больше, то такая структура снежного покрова неустойчива, и слои, лежащие на основании с малой величиной твердости, могут обрушиться при небольшом дополнительном импульсе. Если же величина твердости ослабленной прослойки совсем небольшая, а у соседних слоев эта величина больше в 4 раза, то лавину можно ожидать в любой момент. Конечно, это не метод прогноза, а скорее констатация факта неустойчивой структуры снежного покрова, которая может реализоваться в виде лавины.

О глубинной изморози, или снеге-плывуне, знает каждый лавинщик. Считалось, что ослабленный слой в толще снега - это обязательно слой глубинной изморози, и всякий неожиданный сход лавины без особых видимых причин связывали с этим "проклятием лавинщиков". Но появляется все больше фактов, которые свидетельствуют о том, что далеко не всегда глубинная, изморозь является, причиной неожиданного нарушения устойчивости снежного пласта. Не раз отмечались случаи, когда срыв лавины происходил в слое, где было очень мало кристаллов глубинной изморози. При этом в сохранившейся после схода лавины толще снега иногда присутствовал слой снега-плывуна, но не он оказывался причиной обвала. Коварный слой, по которому произошел сдвиг снежного пласта, имел вид обычного мелкозернистого или крупнозернистого снега. Поэтому сейчас слои, по которым происходит срыв лавин, все чаще называют ослабленными, не связывая их с глубинной изморозью, так как внешне похожие слои без характерного для снега-плывуна преобладания ограненных кристаллов могут оказаться как прочными, так и ослабленными. Разница между ними заключается в том, что при приложении нагрузки к ослабленному слою он рассыпается на отдельные зерна или сростки зерен, а прочный слой реагирует на разрушающую нагрузку иначе - он раскалывается на несколько кусков. Причина такой разной реакции на нагрузку остается пока неясной.

Ослабленные прослойки влияют и на возникновение лавин во время снегопадов и метелей. Если перед снегопадом (или метелью) в снежном покрове возник ослабленный слой, то дополнительная нагрузка в виде свежеотложенного снега может вызвать нарушение устойчивости не в новом снеге, а в этом ослабленном слое, и тогда по нему произойдет срыв пласта, который включает как старый, так и новый снег. Возникнет смешанная лавина. При прогнозах во время снегопадов и метелей такие лавины пока не выделяют в особую группу.

Приходится как будто признать, что лавины, связанные с метаморфизмом сухого снежного покрова, еще плохо поддаются прогнозированию. Прямое изучение ослабленных прослоек пока не дает лавинщикам ключа к уверенному прогнозу таких лавин. Но не будем спешить с окончательными выводами.

Мокрые лавины

Кроме метаморфизма сухого снега в снежном покрове идет метаморфизм таяния - замерзания. Снег все время находится на грани превращения в воду. Зимние оттепели, прогревание снега на солнечном склоне, весеннее потепление - все это вызывает появление в снежном покрове свободной воды в результате перехода части льда из твердого в жидкое состояние. Появление воды в снеге не может не вызвать изменений его механических свойств. Лавины, которые рождаются в результате взаимодействия снега с водой, обычно называют мокрыми, или влажными. Они разнообразны и весьма опасны, так как снег в них всегда тяжел и плотен. Вот описание такой лавины, сошедшей в Давосе (Швейцария), сделанное В.Фляйгом: "Здесь пришлось иметь дело с совершенно мокрой снежной массой, которая так замуровала свои жертвы, что они не могли даже пошевелиться. У всех умерших было спокойное выражение лица: им не пришлось вести тяжелой предсмертной борьбы, для которой у них не было ни сил, ни возможности".

Если метаморфизм сухого снега сводит все разнообразие снежных кристаллов к округлым зернам разного размера и ограненным чашеобразным кристаллам глубинной изморози, то метаморфизм таяния - замерзания еще больше упрощает структуру снега - он превращает и снежинки, и зерна, и кристаллы глубинной изморози в однородную крупнозернистую массу.

Эксперименты с образцами снега показывают, что при повышении температуры его прочностные свойства ослабевают, и наоборот, при понижении температуры снег становится более прочным. Но в то же время в естественном снежном покрове понижение температуры у его поверхности ведет к возникновению слоев разрыхления, а повышение температуры ускоряет процесс изотермического метаморфизма, который способствует упрочнению снежных слоев. В снеге идут разнонаправленные процессы, и преобладание одного над другим в конце концов зависит от соотношения скоростей их протекания. При повышении температуры в результате изотермического метаморфизма снег упрочняется, но когда температура достигает нуля градусов, появляется вода, и прочность снега быстро уменьшается. Остается такое впечатление, что природа, решив помочь человеку в борьбе с лавинами, задумала сбалансировать разнонаправленные процессы, но не довела это дело до конца.

Свободная вода в снежном покрове появляется после того, как снег достигнет температуры плавления - нуля градусов по шкале Цельсия; вслед за этим всякий дополнительный приток тепла ведет не к повышению температуры снега, а только к таянию некоторого количества его, соответствующего количеству поступившего тепла. Тепло в снег поступает из разных источников. Это может быть теплый воздух над снежным покровом; тогда таяние, вызванное им, называют адвективным. Это может быть солнечное излучение, когда в ясный солнечный день, - даже при отрицательной температуре воздуха, снег на склонах, обращенных к солнцу, может подтаивать; такое таяние называют радиационным. Наконец, вода в снеге может появиться при выпадении дождя: обычно дождь выпадает на уже тающую поверхность, но бывают случаи выпадения и на сухой снежный покров. Дождь также приносит тепло в снег. Небольшое количество влаги, появившееся в первый момент после начала снеготаяния или дождя, только смачивает ледяные зерна, что способствует увеличению сцепления между ними за счет сил поверхностного натяжения. Дальнейшее увеличение количества свободной воды приводит к таянию мелких зерен и спаек между зернами, что уменьшает силы, удерживающие снег на склоне. Так, при радиационном таянии, когда слой подтаявшего снега лежит на сухом холодном слое, на границе между ними образуется водонасыщенная прослойка, в которой связи между зернами снега нарушены в результате таяния, а верхний влажный слой еще достаточно прочен и в нем возникают дополнительные связи за счет сил поверхностного натяжения. Этот слой очень пластичен, и когда он сходит в виде лавины, на его поверхности могут образоваться складки и волны, что позволило В.Фляйгу назвать такие лавины снежными платками, так как их движение похоже на соскальзывание шелковой скатерти с поверхности полированного стола.

Таяние снежного покрова - сложный процесс: оно начинается с верхней поверхности, где вода первоначально удерживается в порах капиллярными силами (силами поверхностного натяжения). Но когда количество воды увеличится и ее вес превысит капиллярные силы, она начинает движение вниз под действием силы тяжести. Таяние неоднократно прерывается возвратами холодов. Весной в дневное время, при ярком солнце н положительной температуре воздуха, в горах идет довольно интенсивное таяние, которое в ночное время сменяется замерзанием, так как температура воздуха падает ниже нуля, а снежный покров быстро выхолаживается за счет потери тепла путем излучения. В результате к утру на поверхности снежного покрова образуется ночной наст из смерзшегося талого снега, который с восходом солнца снова начинает таять. Для возникновения лавин, связанных со свободной водой в снежном покрове, большое значение имеет скорость насыщения снега водой при таянии или выпадении дождя на его поверхность. Если насыщение идет медленно, то тающий или смачиваемый дождевой водой снег будет постепенно оседать, уплотняться, излишки воды будут стекать или поглощаться подстилающим грунтом, и снег растает на месте. Быстрое таяние или интенсивный дождь в своей разрушительной работе опережают процесс оседания и уплотнения, приводя к образованию грандиозных лавин, которые часто срывают со склона всю толщу снега, накопившуюся за зиму, и несут ее вниз вместе с камнями, кусками дерна и вырванными деревьями. Но это не более чем общая схема. В реальных условиях она существенно усложняется. Даже при медленном таянии может возникнуть лавина, если в снежном покрове сохраняется ослабленный горизонт: он быстрее, чем любой другой слой, теряет устойчивость при проникновении в него воды.

Если в снежной толще есть водонепроницаемая ледяная корка или прослойка сильно уплотненного снега, то она может оказаться той поверхностью, над которой будет накапливаться талая вода. Затем вода потечет по уклону вдоль этого водонепроницаемого слоя. В водонасыщенном слое снега возникнут сила всплывания и сила, связанная с фильтрацией, направленная вдоль склона. Две эти силы действуют так же, как и составляющая силы тяжести, стремящаяся сорвать снег со склона. Поток воды будет вымывать частицы снега, что приведет к ослаблению сил, удерживающих снег на склоне. Такой механизм образования лавин также возможен при снеготаянии.
При метаморфизме таяния - замерзания снежный покров может переходить в устойчивое и неустойчивое состояние в зависимости от интенсивности притока воды и скорости разрушения связей между кристаллами; при этом часто возникают новые дополнительные силы, которые помогают силе тяжести сдвинуть снежный пласт. Происходит сложное взаимодействие свободной воды со слоями снежной толщи. Все это создает трудности в выявлении точного механизма срыва каждой мокрой лавины.

В большинстве горных районов преобладают лавины, возникающие во время снегопадов и метелей, а также в результате метаморфизма сухого снега. Мокрые лавины бывают реже обычно их число не превышает 20-30 % всех лавин, но суммарный объем этих лавин может быть больше суммарного объема всех остальных, лавин. Это связано с тем, что мокрые лавины обычно сбрасывают весь снег до грунта. К началу снеготаяния снежный покров на склонах достигает наибольшей плотности - обычно порядка 300-350 килограммов на кубический метр. Когда такой снег насыщается водой и движется в виде лавины, то его плотность возрастает еще больше: мокрые лавины - это тяжелые лавины; они несут также много камней и другого материала, который захватывают по дороге. Все это вместе взятое делает мокрые лавины очень опасными, и прогноз их остается важной практической задачей.

Проблема прогноза мокрых лавин исключительно сложна. Если при сильном снегопаде или метели процессы, происходящие в снежном покрове, отступают на второй план, так как подавляются и не поспевают в своем развитии за ростом толщины снега, а при метаморфизме роль внешних факторов (низкая температура воздуха, создающая большой температурный градиент в снеге), напротив, как бы уходит на задний план, то тяжелые лавины мокрого снега есть очевидный результат совместного и одновременного действия как внешних, так и внутриснежных изменений. Именно поэтому они часто задают исследователям трудноразрешимые загадки, так как сложный механизм взаимодействия внешних и внутренних факторов понят еще недостаточно, а механические свойства влажного и мокрого снега вообще остаются белым пятном. Исследование шурфов в мокром снежном покрове не дает достаточной информации для суждения о возможном образовании лавины, поскольку преобразованный водой снег однороден - вода как бы стирает "текст" слоев со "страниц" снежного шурфа. Поэтому при прогнозах мокрых лавин исходят из метеорологических данных на чисто качественной основе: пошел сильный дождь - жди лавины, началась резкая и глубокая оттепель среди зимы - жди лавины, весной при бурном снеготаяний - жди лавины. Вряд ли тут можно говорить о какой-то надежности или заблаговременности. Казалось бы, прогноз лавин, связанных со свободной водой в снеге, равно как и, прогноз лавин, связанных с метаморфизмом сухого снега, невозможен. Но в последние годы появились новые пути для решения этой проблемы.

Прогноз непредсказуемого

Вычислительная техника позволяет обрабатывать большие массивы информации; именно поэтому она и была использована для статистико-эмпирических методов прогноза лавин. Смысл этого подхода к решению проблемы прогноза заключается в том, что с помощью компьютера производится анализ многочисленных данных за ряд прошедших лет наблюдений. Для каждого дня, независимо от того, была в этот день лавина или нет, отбираются все метеорологические данные и сведения о состоянии снежного покрова, которые так или иначе могут повлиять на возникновение лавины любого типа - при снегопаде или метели, в результате появления ослабленного слоя, выпадения дождя, снеготаяния и т. п. Это может быть следующий набор показателей: температура воздуха - максимальная, средняя суточная; влажность воздуха - тоже в разных вариантах; интенсивность снегопада; толщина снежного покрова и т. д. Таких показателей могут быть десятки. Все эти сведения вводятся в компьютер; при этом их разделяют по крайней мере на два класса - дни с лавинами и без них. Компьютер проводит статистические тесты, которые известны как дискриминантный анализ, то есть анализ опознавания, с целью выявления тех метеорологических данных и сведений о снежном покрове, которые наилучшим образом различают выделенные классы дней.

Это похоже на опрос свидетелей для составления фоторобота преступника по словесному портрету. Подобно тому, как от качества и количества свидетельских показаний зависит сходство фоторобота с истинным лицом преступника, так и оправдываемость прогноза лавин методом опознавания зависит от количества и качества вводимых исходных данных. В начале разработки прогноза обычно используют максимальное количество данных, но затем определяют информативность каждого метеорологического или снежного показателя, и если роль того или иного из них в повышении оправдываемости прогноза оказывается незначительной, то его исключают из рассмотрения. В то же время исследователи стараются найти новые, более информативные показатели для выделения класса дней с лавинами.

В память электронно-вычислительной машины вводят также комбинации данных, например, за каждый день и за предшествующие 1, 2, 3 или 4 дня, или в каких-то других сочетаниях. Это помогает выяснить, какие сочетания дают более четкое разделение между днями со сходом лавин и без них, и позволяет увеличить заблаговременность прогноза.

Число классов, на которые разделяются дни, можно увеличить, вводя, например, три класса: дни без лавин, дни с сухими лавинами и дни с мокрыми лавинами. Такое разделение как раз и позволяет прогнозировать лавины, обязанные своим происхождением взаимодействию снега со свободной водой. Дни с сухими лавинами, в свою очередь, можно разделить на два класса - дни с лавинами во время снегопадов и метелей и дни с прочими сухими лавинами. Последний класс - это в основном дни с лавинами, обусловленными возникновением в снежном покрове ослабленных слоев.

Анализ информативности показателей, или предикторов, используемых для прогноза лавин (метеорологические данные и сведения о снежном покрове), говорит о том, что хорошим предиктором мокрых лавин является максимальная температура воздуха за несколько часов до схода лавины. Для класса дней с лавинами, обусловленными возникновением ослабленной прослойки, хорошим предиктором служит температура воздуха за длительные (вплоть до нескольких недель) сроки.

Статистико-эмпирический прогноз позволяет предвидеть начало лавинной опасности только для исследуемого района, а не для каждой отдельной лавины, то есть это тоже фоновый прогноз времени наступления лавинной опасности.

Прогноз лавин методами опознавания используется Высокогорным геофизическим институтом Госкомгидромета в Приэльбрусье, снеголавинными станциями в горах Средней Азии и лавинной службой производственного объединения "Апатит". В Соединенных Штатах этот метод впервые применил Ричард Армстронг из Института арктических и альпийских исследований Университета штата Колорадо. Метод был проверен в последующие годы и дал хорошие результаты: прогноз оправдался в 80 % случаев. Все-таки фоторобот еще не сам преступник. Однако 80 % - довольно высокий показатель.

Прогноз методом опознавания можно улучшить и сделать его более надежным, вводя новые "улики" - предикторы, которые лучше отражают процесс возникновения лавин. Такими предикторами могут быть скорости протекания как метеорологических процессов, так и преобразований в снежном покрове. Возможно, положительную роль сыграет введение показателей, характеризующих рельеф лавиносборов.

Прогноз лавин существенно отличается, от метеорологического или гидрологического прогноза. Если прогноз града или катастрофического наводнения не оправдался, то этих явлений уже нельзя ожидать. А вот если не сошли запрогнозированные лавины, то это совсем не означает, что они еще не сойдут. Состояние снежного покрова может быть таким близким к критическому, что достаточно просто появления человека в опасной зоне и создания тем самым дополнительной нагрузки, чтобы произошла катастрофа. Не раз бывало, что от громкого крика или выстрела, грохота проезжающей автомашины или рева вертолета, брошенного камня или даже подрезки лыжами пласта со склонов срывалась лавина, которая, оказывается, висела "на волоске". Не зря говорит альпийская пословица: "Если не повезет, то и от горсти снега погибнешь".

Есть и еще одно существенное отличие. В Альпах швейцарские и французские лавинщики на основе наблюдений в районе Парсенн начиная с 1960 года проверили несколько статистико-эмпирических методов прогноза. Оказалось, что лавиноопасная ситуация развивается за очень короткий промежуток времени - несколько дней или даже часов. Это означает, что лавинный прогноз всегда должен иметь небольшую предельную заблаговременность - несколько часов или дней. На больший срок прогноз этим методом невозможен. Поэтому прогноз за часы до схода лавин следует считать краткосрочным, за сутки - двое - среднесрочным, а заблаговременность больше двух суток - уже долгосрочный прогноз.

Вот таким способом, избежав трудностей определения прочности многоликого снега, опираясь в значительной степени на обычные стандартные данные сети метеорологических станций, при полном отсутствии сколь - нибудь надежных прогнозов погоды в горах лавинщики предсказывают то, что кажется в таких условиях совершенно непредсказуемым - лавины.

Правомерно задать вопрос: а как же все-таки обстоит дело с прогнозом конкретной лавины в определенном лавиносборе? Ответ прост: пока момент схода лавины в определенном месте никто не предсказывает. Это при существующих методах невозможно. Здесь лавинщики находятся в начале пути. Одна из трудностей на этом пути - отсутствие возможности наблюдать за изменениями в снежном покрове прямо в зоне зарождения лавины: приборов для дистанционного наблюдения нет, а правила безопасности категорически запрещают вход в опасную зону (впрочем, никакой нормальный лавинщик и не пойдет туда). Но есть и принципиальные трудности.

Несмотря на уже достаточно многочисленные экспериментальные и теоретические исследования метаморфизм сухого снежного покрова не имеет законченной количественной теории; казалось бы, такой доступный, такой всем знакомый снег тщательно хранит свои тайны. Остаются открытыми даже некоторые качественные вопросы. Например, при метаморфизме, обусловленном температурным градиентом, перенос пара объясняют его диффузией от более теплых зерен к более холодным, где давление пара ниже. Но, возможно, механизм переноса заключается в передвижениях пара из более теплого слоя в более холодный по почти, вертикальным каналам имеющимся в снегу в результате случайного распределения пор. А возможно, сочетаются и тот, и другой механизмы. Не исключен и такой вариант переноса пара: вентиляция пористого снега в результате существования у поверхности грунта легкого теплого воздуха, а в верхних слоях снега - холодного и тяжелого. Теплый воздух, насыщенный водяным паром, поднимается вверх, а холодный и бедный паром - опускается вниз. За счет этого и идет перенос вещества из нижних горизонтов и их -разрыхление. Мало кто из исследователей пытался выявить роль ветра в метаморфизме сухого снежного покрова, а также влияние конденсации влаги из воздуха в верхних слоях снега и испарения с его поверхности. Совершенно недостаточно изучена роль слоистости, особенно плотных и ледяных корок в процессе метаморфизма. Последние могут работать как "запирающие клапаны", перекрывающие перенос вещества между слоями.

Уже не раз подчеркивалось, что нет надежных методов для определения прочностных характеристик снега - его сопротивления сдвигу, разрыву и сжатию. Особенно трудно определять их у рыхлого сухого и мокрого снега. Образцы этого снега при приложении к ним нагрузки частично деформируются и рассыпаются, поэтому результаты опытов характеризуют не реальный снег, а какой-то другой, подвергшийся искусственным изменениям.

Оказалось, что наиболее надежно определяемые характеристики прочности существенно меняются по площади даже в пределах нескольких метров, хотя образцы для их определения отбираются из одного и того же слоя. Наконец, многие определения свидетельствуют о том, что закон о выражении сопротивления сдвигу в виде суммы сил сцепления и внутреннего трения, как это установлено для грунтов, к снегу неприложим.

Типы лавин
Рис. 7. Типы лавин
Остается неразгаданной и еще одна из лавинных загадок: в достаточной мере представляя спусковые механизмы лавин, исследователи практически не наблюдали самого момента рождения естественной лавины. Хорошо известно, что все лавины начинают свое движение или "из точки", то есть в результате нарушения устойчивости очень малого объема снега, или "от линии", то есть в результате нарушения устойчивости значительного по площади и объему пласта снега (рис. 7). В первом случае образуются лавины из рыхлого снега, во втором - из снежных досок.

Движение лавин из рыхлого снега начинается на поверхности: обычно сдвигается небольшой объем - меньше одного кубического метра. Чем более рыхлый снег, чем меньше, соответственно, связей между кристаллами, тем меньший объем снега начинает движение. В "диком" снеге начало движения возможно даже с единичного снежного зерна, если оно при этом развивает достаточно энергии, чтобы привести в движение два или три соседних, и тем самым дать толчок лавинному процессу. Неустойчивость локальных участков снежного покрова возникает в результате его неравномерного отложения и по-разному идущих в нем изменений даже на сравнительно небольшом участке. Локальные участки неустойчивости могут возникать при снегопадах, под воздействием нагрева от солнечных лучей, порывов ветра, падения на снег камней и комьев снега. И все же почти никто не наблюдал, как начинается первое движение неустойчивого участка при начале естественной лавины, как происходит сам момент ее рождения.

Лавина из снежной доски, или лавина от линии, начинается с образования трещины и дальнейшего растрескивания снежного покрова. Трещины распространяются с большой скоростью. Чтобы снежная доска сошла в виде лавины, вся она должна быть опоясана трещиной. Верхняя часть такой трещины называется линией, или ступенью, отрыва, она обычно перпендикулярна снежной поверхности. Слева и справа образуются боковые, или фланговые, трещины, или ступени. В нижней части трещина образует подпорную ступень.

Растрескивание снежной доски - только видимый результат других механизмов, которые действуют в момент потери снежной доской устойчивости. Снежная доска, лежащая на склоне, всегда напряжена. В зависимости от формы подстилающей снег поверхности, ее микрорельефа, толщины снежного покрова, контура и толщины подстилающего ослабленного горизонта в доске возникают зоны сжатия и растяжения. Может быть по крайней мере три варианта механизма нарушения устойчивости. При первом снежная доска сначала сдвигается по плоскости ослабленного слоя, а уже потом образуются линия отрыва, подпорная ступень и боковые трещины. При втором варианте - сначала образуется трещина на лилии отрыва и лишь затем - сдвиг доски по ослабленному слою. Наконец, при третьем варианте снежная доска проседает на ослабленном горизонте, сминая и разрушая этот слой; в это же время, образуются опоясывающие ее трещины, а потом начинается движение.

Однажды мне случилось видеть момент отрыва снежной доски. Как-то в верховьях реки Майликатан в Западном Тянь-Шане из-за небольшого перегиба склона я рискнул ступить на более крутой его участок, покрытый сероватой, очень плотной, снежной доской, присыпанной местами белоснежными пятнами свежего метелевого снега. Достаточно было сделать один шаг по ее поверхности, как вдруг она явственно стала прогибаться и оседать. Прыжок вверх - к чахлому деревцу арчи, растущему на бровке перегиба, верхушка которого торчала из-под снега. Чуть выше того места, где в метелевом белоснежном наносе четко отпечатался след сапога, в серой снежной доске с шипеньем раскрылась трещина, другие трещины пронзили осевший пласт, и снежные плиты, сначала как бы присев, устремились вниз.

Вот пример другого нарушения устойчивости снежной доски на склоне: "При подходе к месту закладки взрывчатки один из лавинщиков, - пишет А. И. Королев, сотрудник одной из лавинных станций на Тянь-Шане,- подошел к перегибу склона, который в этом месте был совершенно свободен от растительности, и осторожно ступил на склон. Мгновенно поперек склона в обе стороны от ноги с небольшим шумом протянулась трещина длиной до 25 метров. Мягкая снежная доска пришла в движение по всему склону вплоть до тальвега... За считанные мгновения ненарушенная поверхность снега оказалась пронизанной десятками трещин, разбивших цельное поле на множество отдельных плит со сторонами от 0,5 до 0,2 метра. Было четко видно, что трещины распространялись сверху вниз, но не возникали повсеместно одновременно. Сразу после растрескивания приходили в движение сначала верхние, затем последовательно нижние части доски".

Остается пока неизвестным, какой из описанных выше механизмов реализуется чаще и какие условия необходимы, чтобы движение началось с того или иного нарушения неустойчивости. Можно только предположить, что дополнительная нагрузка в виде тяжести человеческого тела или выпавшего на доску нового снега скорее вызовет просадку; дальнейшее ослабление разрыхленного слоя или проникновение туда воды повлечет за собой сдвиг доски. Опытные лавинщики не раз замечали, что в ясные морозные дни лавины из снежных досок иногда сходят после полудня, когда снежные склоны уходят в тень. В тени нагретая до этого солнцем верхняя толща снега быстро охлаждается, в результате чего в ней возникает дополнительное напряжение и она становится более хрупкой. При таком варианте первоначально может образоваться трещина на линии отрыва. Существует предположение, что снег, находящийся на склоне в условиях длительных меняющихся напряжений, со временем ослабевает - создается нечто типа "усталости" снега, и это одна из причин образования лавин. Сейчас эта идея находит подтверждение в исследованиях, проведенных в Канаде Перла и Макклангом. В этом случае также возможно начало движения с образования ступени отрыва.

Похоже, что момент отрыва лавины в данном конкретном месте - явление в значительной степени случайное, а поэтому его трудно предсказать.

Есть лавины, о которых исследователи продолжают спорить, например, такие лавины, которые сходят на следующий, второй и даже третий день после снегопада или метели. Некоторые лавинщики, правда, уверяют, что таких лавин нет и быть не может! Во всяком случае, именно это подсказывает им опыт работы в конкретном районе. Вопрос о спусковом механизме таких лавин пока остается открытым.

Предполагается, что некоторые лавины обязаны своим происхождением изменениям температуры воздуха. При этом допускаются разные механизмы их отрыва. В одних случаях - это уменьшение прочности снежного покрова в результате повышения его температуры при потеплениях; в других, наоборот, сход лавин объясняют охлаждением снежного покрова при похолоданиях. В результате он становится очень жестким и при значительных напряжениях слои снега гасят эти напряжения не деформациями в объеме пласта, а растрескиванием поверхности и последующим сходом лавины. Наконец, сход лавин при понижении температуры объясняют сжатием пласта снега (как это происходит с большинством материалов). В сжимающемся снежном пласте возникают большие напряжения, приводящие к его разрыву в тех местах, где и без того имеется большое напряжение, обязанное своим появлением существованию составляющей силы тяжести, направленной вдоль склона. Задача прогноза подобных лавин пока во многом остается нерешенной, а сам механизм образования экспериментально не доказан.

И все же есть путь, который, возможно, приведет к раскрытию тайны рождения лавин. Снег, лежащий на склоне, непрерывно деформируется, ползет, оседает, скользит по грунту, при этом зерна трутся друг о друга, ломаются, связи между ними разрушаются, все это не может не вызвать колебаний разной частоты. Значит, снег звучит - он имеет свой голос.

Эксперименты подтвердили, что снег, находящийся в напряженном состоянии, в результате деформации и разрушений связей между кристаллами действительно генерирует звуки высокой частоты порядка первых сотен килогерц. Возрастание эмиссии ультразвуковых колебаний может свидетельствовать о приближении момента нарушения устойчивости. Некоторые эксперименты говорят об усилении "голоса" за 5-14 часов до схода лавины. Надо сказать, что подобный метод - прослушивания неслышимых человеческому уху звуков - уже применяется для предсказания возможного разрушения металлических сооружений - труб, котлов, нефтяных емкостей. Разработанная для этого аппаратура позволяет не только услышать звуки "тревоги", вызываемые повышенным напряжением, но в отыскать участки, где концентрация напряжений может привести к разрушению металла.

Подвижка значительных снежных масс вызывает колебания другого тона, близкие к сейсмическим порядка нескольких десятков герц. Эксперименты показали, что начало движения лавины из снежной доски регистрируется геофоном, датчиком сейсмических колебаний, в виде резкого сигнала, затем наступает короткий период затишья - около 0,5 секунды, и далее идет постепенное нарастание сигнала. Лавина из рыхлого снега характеризуется только постепенным нарастанием сигнала.

Сама движущаяся, лавина тоже "звучит", но уже на частоте радиосигналов - порядка тысяч и больше килогерц. Это звучание можно улавливать с помощью антенн. Такой "радиослед" позволяет не только регистрировать момент схода лавин, но и методом радиопеленгации определять место ее схода в горах и, наконец, по продолжительности "радиозвучания" лавины рассчитывать потом среднюю скорость ее движения от момента отрыва до момента остановки.

Исследования голоса снега и голоса лавин пока еще сопряжены со множеством сложностей как технического порядка, так и связанных с расшифровкой сигналов, потому что существует, например, сейсмический фон, на котором надо выделить полезный сигнал, существует звуковой фон сложнонапряженного снежного покрова. Первые эксперименты с геофонами чуть было не загубили всю идею, так как первоначально выделенные исследователями "лавинные" всплески колебаний отражали, как затем выяснилось, вовсе не моменты отрыва лавин, а прохождение тяжелых автомашин по ближайшему шоссе.

Если научиться слушать снег и понимать его язык, то можно многое узнать о его тайнах. Но и сейчас, не вникая во все премудрости зарождения лавин, можно сформулировать одно простое правило, полезное всем, кто бывает в горах: остерегайтесь лавин во время и сразу после резкой смены погоды.

0

<<< Лавины - прошлое и настоящее
Лавины в движении >>>