Влияние фазового состава снега на возникновение в нём конвекции воздуха

Рассмотрена задача возникновения термической конвекции в снежном покрове плавающего льда. Обычно она решается в рамках так называемой однотемпературной (классической) модели с одним уравнением теплопроводности, поскольку предполагает равенство температур жидкой (паровоздушной) и твёрдой (ледяной) фаз снега, несмотря на разницу их теплопроводностей примерно в сто раз. Здесь задача устойчивости, по-видимому, впервые для снега, исследуется в рамках более общей, двухтемпературной модели, использующей уравнения теплопроводности для каждой фазы. Такой подход учитывает интенсивность межфазного теплообмена, разность теплофизических свойств воздуха и льда, пористость снега, а также гидрологическую специфику задачи. Предложены два варианта граничных условий, соответствующих непроницаемой (из-за смерзания поверхностных кристаллов льда) и проницаемой для воздуха верхней границей. Получены аналитические решения задачи, проведено их параметрическое исследование, выполнено сравнение оценок процесса одно- и двухтемпературной моделями, определены области применимости. Показано, что учёт теплообмена фаз вызывает рост порога неустойчивости по сравнению с классическим подходом в несколько раз. С использованием термодинамической модели снежно-ледяного покрова, позволяющей рассчитать температуру границ слоя снега по данным стандартных метеонаблюдений, выполнено сравнение данных моделирования с оценками характеристик процесса для реальных условий энергообмена моря и атмосферы в проливе Шокальского (архипелаг Северная Земля).