Исследование применимости зеркально-отражающих систем для снижения риска схода лавин
, 17 лет
Казахстан, г. Алматы, ННПООЦ «Бобек», гимназия «Самопознание»
Руководитель проекта: Ти Сергей Вадимович, M. Sc.
Оглавление
Оглавление. 1
Аннотация. 2
Abstract (Summary) 3
Введение. 4
Исследовательская часть. 8
Теоретическая часть. 8
Параметры модели. 8
Физическая (расчетная) модель. 8
Постановка задачи. 9
Экспериментальная установка. 10
Описание методов решения поставленной задачи. 12
Позиционирование установки. 12
Определение Солнечной постоянной F. 13
Измерение начальной температуры снега Т и времени работы отражающих экранов t 14
Ход эксперимента. 14
Результаты работы и их обсуждение. 15
Определение погрешности расчетной модели. 15
Обсуждение результатов. 15
Заключение. 17
Список использованной литературы.. 18
Благодарности. 19
Аннотация
В данной поисковой исследовательской работе рассмотрена гипотеза явления снижения риска схода лавин на северных склонах путем установки зеркальных поверхностей на южном склоне.
Представлены теоретические основы плавления снега за счет потока лучистой энергии Солнца, предложен простая расчетная модель. Сконструирована и подробно описана экспериментальная установка для моделирования этого явления. Измерены величина солнечной постоянной для г. Алматы и время плавления слоя снега на северном склоне. Угол поворота зеркала определялся из условия, что отраженные от зеркала лучи должны быть перпендикулярны поверхности северного клона для максимального поглощения лучистой энергии снежным покровом.
Ошибка эксперимента составила 26%. Полученные данные показывают, что в среднем на уменьшение глубин слоя снега на 2 мм в представленной конфигурации установки требуется в среднем 2 часа.
Из отклонения экспериментальных результатов от расчетных на 50-60% был сделан вывод, что предложенная расчетная теоретическая модель описывает эксперимент не полностью и при дальнейших исследования должна быть уточнена. Установлено, что эффект явления имеет место быть, авторы считают, что отражение одним плоским зеркалом малоэффективно, однако при увеличении количества зеркальных установок эффективность возрастает.
Экспериментальная установка с выработанной методикой измерения может быть полезна для комплексной лабораторной по физике по разделам термодинамики, оптики и астрономии.
Abstract (Summary)
In this given search research work is considered the hypothesis of the phenomenon of decrease in risk of avalanches on northern slopes by installation of smooth surfaces on a southern slope.
Theoretical bases of fusion of a snow are submitted due to a stream of radiant energy of the Sun, is offered simple settlement model. Experimental installation for modeling this phenomenon is designed and has been described in detail. It has been measured size of a solar constant for Almaty and time of fusion of a layer of a snow on northern slope. The corner of mirrors was defined from a condition, that the beams reflected from a mirror should be perpendicular surfaces of northern clone for the maximal absorption of radiant energy by a snow cover.
The mistake of experiment has made 26 %. The received data show, that on the average on reduction of depths of a layer of a snow by 2 mm in the submitted configuration of installation 2 hours are required on the average.
The conclusion has been made of a deviation of experimental results from settlement on 50-60 %, that the offered settlement theoretical model describes experiment not completely and at the further of research should be specified. It is established, that the effect of the phenomenon takes place to be, authors consider, that reflection by one flat mirror is ineffective, however at increase in quantity of mirror installations efficiency grows.
Experimental installation with the produced technique of measurement can be useful for complex laboratory on physics on sections of thermodynamics, optics and astronomy.
Введение
За последние 50 лет среднее количество жертв при сходе лавин увеличилась в 5 раз. [1,2] Исследователи и эксперты продвинулись в обнаружении, предотвращении и обеспечении безопасности, но лавины продолжают получать свои жертвы по всему миру. К примеру, ежегодный ущерб от схода лавин в РФ составляет 20 млн. долларов США. [2]
Лавины уносят не только человеческие жизни, но и разрушают коммуникации населенных пунктов. Лавины обладают огромной разрушительной силой, создаваемой не только снегом, но и, главным образом, предлавинной воздушной подушкой. Сила удара может достигать 50 тонн на метр квадратный. Для сравнения: деревянный дом выдерживает удар не более 3 тонн на метр квадратный, а удар силой 10 тонн на метр квадратный выворачивает с корнем вековые деревья. Лавины сметают все на своем пути, они являются причиной возникновения многих ЧС в горах: повреждают и разрушают строения, коммуникации, ЛЭП, спортивные сооружения, дороги, технику, травмируют и убивают людей. Основными опасными факторами лавин являются: неожиданность, внезапность, быстродействие, неотвратимость, нарастающий эффект, огромная разрушающая сила. [3]
Самой большой считается лавина, которая сошла со склонов горы Аускаран (Перу) 16 января 1962 г. Ее объем составил более 50 миллионов кубических метров. Длина пути 16,5 км. Скорость на отдельных участках достигала 450 км/ч. Вместе со снегом двигался лед, грунтовые массы, камни, глыбы массой до 3 т. Лавина полностью уничтожила город Юнгай, отстоящий от подножия горы на расстоянии 14 км. Погибло 25 тысяч человек. В первую мировую войну на северо-итальянском фронте в лавинах погибло 50 тыс. солдат, а в Австрии были уничтожены целые селения. Часты лавины в Карпатах, в Чехии и Словакии. Они губят альпийские луга, уничтожают постройки, скот, изменяют ландшафт. [4]
Лавины, наряду с грязекаменными потоками (селями), относятся к одной из самых опасных стихийных бедствий, с которыми человек без существенных успехов борется уже в течение многих сотен лет.[5] На их долю приходится примерно 50% несчастных случаев в горах. Первое описание лавин встречается в трудах древнегреческого историка Полибия и римского историка Ливия.[6]
Сегодня от лавин особенно страдают густо заселенные людьми Альпы. С начала прошлого столетия по 1970-е годы в Швейцарских Альпах от лавин погибло 1244 человека. А всего в Альпах насчитывается около 20 тысяч участков схода лавин, из них - более 10 тысяч мест постоянного схода и 3 тысячи из них угрожают населенным пунктам, дорогам, линиям электропередач и связи. Лавины периодически напоминают о себе в обеих Америках, срываются с вершин Тянь-Шаня, шумят в Хибинах, в Сибири, на Камчатке и во всех прочих горных районах. [7]
Несмотря на то, что в горах работает большое количество снеголавинных служб, которые постоянно следят за снежной обстановкой и предупреждают о лавинной опасности, заметного прогресса нет. До сих пор нет действенного метода борьбы с лавинами.[5] Сейчас в мире используются различные инженерные системы защиты от снежных лавин: от методов удержания снега на склоне до методом искусственного обрушения снега при помощи артиллерийских залпов. Однако эти методы неэкологичны. Артобстрел перегруженных снегом склонов позволяет избежать случайных жертв, но не спасает от разрушений в местах схода лавин. Разумеется, ущерб в этом случае значительно ниже, чем в не санкционированных сходах лавин, но, тем не менее, он существует и с этим приходится мириться. А.[6, 7] строительство и обслуживание противолавинных сооружений требует больших средств, и этот метод защиты применяется лишь в редких случаях.
Лавины представляют собой снежные обвалы, возникающие при нарушении связи с подстилающей поверхностью больших масс снега. Основными критериями лавиноопасности являются крутизна склона, масса накопившегося снега, ослабление сцепления между снежными слоями. Причинами схода лавин могут служить как естественные причины, связанные с перегруженностью склона снежными массами, зрелость снега (его особая зернистая структура), так и случайные – миграционные движения животных по склонам, пересечение лавинного участка туристами, альпинистами, громкий крик, камнепад и др. .[5, 7]
Каждый крутой заснеженный склон потенциально лавиноопасен. Благоприятным условием для образования лавин является горный заснеженный склон крутизной 15-30 градусов. Самыми лавиноопасными периодами года являются зима-весна, в это время сходит до 95% лавин. [5]
Большинство катастрофических лавин возникало после многодневных обильных снегопадов. Уже при интенсивности снегопада 2 см/ч и длительности до 10 часов кряду возникает лавинная опасность. Свежевыпавший снег нередко бывает несвязанным и сыпучим, как песок. Такой снег легко порождает лавины. Лавинная опасность многократно возрастает, когда снегопады сопровождаются ветром. При сильном ветре на поверхности снега формируется так называемая "снежная доска". Это пласт мелкозернистого снега большой плотности, который может достигать несколько десятков сантиметров в толщину. Нередко бывает, что надувы такого снега на гребнях и крутых склонах достигают такого размера, что сотрясение воздуха от порыва ветра, выстрел, даже громкий крик могут вызывать их отрыв. Последний очень облегчается, если свежий снег ложится на гладкую, схваченную после оттепели морозом поверхность старого снега. В зоне зарождения, или очаге, лавина набирает силу, захватывает первые порции снега со склона и быстро превращается в бурный поток, сметающий все на своем пути. [7]
Часто бывает так, что склон считается не лавиноопасным, на нем строятся альплагеря, турбазы, кемпинги и вдруг за одно мгновение все это разрушается лавиной, о возможности возникновения которой, никто и никогда даже не подозревал. Примеров таких масса и мы их здесь не будем перечислять, поскольку это не является целью данной работы. Отметим лишь то, что все эти неожиданные, непредсказуемые причуды лавин связаны с далеко не всегда ясным механизмом формирования лавиноопасной обстановки, хотя основные принципы возникновения лавин достаточно изучены.[3-5]
Резюмируя вышесказанное, можно однозначно утверждать, что в основе образования любых лавин лежит накопление больших масс снега на склонах. Иными словами, для того чтобы предотвратить возникновение лавин, необходимо не допускать перегруза склонов снежными массами.
Для обеспечения безопасности промышленных и жилых сооружений в горах Кавказа, Средней Азии и Сибири созданы снеголавинные станции, задача которых - давать прогнозы наступления периодов схода лавин. Учащение лавинных катастроф в последние годы связано с бурным освоением горных территорий и слабым обеспечением лавинной безопасности.[2]
Как было сказано выше, для того, чтобы резко снизить, а может и вообще ликвидировать лавинную опасность, необходимо резко уменьшить толщину снегового покрова северных лавиноопасных склонов. Существует гипотеза, что если на южных и прилегающих к ним склонах установить отражающие зеркальные установки, то этого будет достаточно для снижения риска схода лавин. Солнечный поток, отражаясь от них, падает на противоположный северный склон. Регулируя положение установок, можно управлять потоком лучистой энергии от максимального до нуля. В 2010 г. Исследователи из МГТУ им. Баумана [7] представили работу, в которой рассматривались вопросы автоматизации подобных комплексов, однако результатов проверки самой физической модели представлено не было.
В настоящей работе поставлена задача проверки этой гипотезы через построение теоретической модели и сравнение расчетных данных с экспериментальными результатами.
Исследовательская часть
Теоретическая часть
Параметры модели
Для проверки применимости нашего противолавинного комплекса построим модель. В качестве объектов модели выберем северный склон со снегом, южный склон, на котором установлено плоское зеркало (отражающий элемент), Солнце. Установим исходные параметры для такой модели:
· Северный склон со снегом:
o угол наклона склона α, толщина снежного покрова d (м),
o плотность снега ρснега(кг/м3),
o отражающая способность снега (альбедо снега) А,
· Южный склон, на котором установлено плоское зеркало:
o площадь зеркала SЗУ(м2),
o угол поворота зеркальной установки (ЗУ) относительно горизонта β
· Солнце:
o Величина солнечной постоянной в данных условиях FСолнца(Вт/м2)
o Угол падения солнечных лучей к горизонту γ
Физическая (расчетная) модель
Экспериментально определив солнечную постоянную F в нашей местности, зная площадь Sзеркальных установок, угол падения лучей на зеркальную установку α1 и принимая альбедо зеркала равной 1,получим для потока энергии W1, падающей на зеркало:
W1=FСолнца * SЗУ * cos (α1), [W1]=[Вт]=[Дж/с] (1)
Тогда с учетом альбедо снежного покрова А, получим для отраженного потока излученияW2, падающего на северный склон под углом α2 и поглощенного снегом, выражение:
W2=(1-A)* FСолнца *SЗУ*cos(α1) *cos(α2), [W2]=[Вт]=[Дж/с] (2)
Полученная энергия W2*tрасходуется на нагрев снежной массы до температуры плавления Q1и дальнейшее плавление льдаQ2
W2*t = Q1+Q2 ó(1-A)*FСолнца*SЗУ*cosα1*cosα2=M*(λ +c(T-T0))/t, (3)
где М(кг)-масса снега, с (Дж/кг/°С) - удельная теплоемкость снега, λ(Дж/кг) - удельная теплоемкость плавления льда, Т(°С)-температура снега, Т0(°С)--температура плавления снега, t (сек.)-время, в течение которого работают отражающие экраны
Ключевым параметрами для сравнения теоретической модели с экспериментом являются время tи количество плавленого снега M.
t=(M*(λ+c(T-T0)))/((1-A)*F*SЗУ*cosα1*cosα2) (4)
Постановка задачи
Проверить экспериментально возможность применения зеркального противолавинного комплекса для условий г. Алматы. Сравнить поученные экспериментальные данные с расчетами.
Экспериментальная установка
В рамках принятой теоретической модели была изготовлена экспериментальная установка.(см. Рис.1). В качестве южного склона использована установка с поворачивающимся зеркалом
Рис.1 Принципиальная схема экспериментальной установки
Для изготовления установки использовались следующие материалы:
(1)зеркало размерами 200*400*5мм;
(2)деревянный брусок размерами 50*50*2000мм;
(3)металлическая трубка длиной 300мм и диаметром 15мм;
(4)крепежи(гвозди да уголки, суперклей);
(5)транспортир
Деревянный брусок распиливался на 7 частей: 2 части по 35см(боковые стенки), 2 части по 30см, 2 части по 25см, 1 часть длиной 20см(держатель зеркала).
Подробнее со схемой сборки можно ознакомиться в Приложении 1.
Угол северного склона выбран равным α=45°. Это связано со статистическими данными, что лавины происходят на склона с углами наклона от 15° до 50°
Описание методов решения поставленной задачи
Позиционирование установки.
В рамках рассмотренной гипотезы о плавлении снежного покрова на северном склоне, с помощью компаса устанавливаем установку в пространстве.(См. Рис.2)
Рис.2. Позиционирование установки по компасу.
Далее рассмотрим схему эксперимента и позиционирование углов поворота зеркала:
,
Рис.3. Угловое позиционирование установки:
α-угол наклона северного склона;γ-угол падения солнечных лучей к горизонту; θ-угол между лучом падающим и лучом отраженным; α1-угол между лучом и нормалью к зеркалу; ν-угол поворота зеркала
С учетом высоты Солнца над горизонтом течение года угол падения солнечных лучей к горизонту γ вычисляется по формуле (5):
h=γ=π/2 – φ + δ, где φ- широте местности, δ – склонение Солнца (5)
Для измерений в г. Алматы можно принять широту φ=45°. Склонение солнца 22 марта и сентября δ=0, 22 июня φ=23,5 °, 22 декабря δ=-23,5 °. Т. о. в сутки склонение меняется на δ=15’, поэтому для экспериментов 4-8 января 2011 г можно принять δ=-18 °. Т. е. угол γ=90°-45°-18°= 26 °
Соотношения между углами:
β=90-α; γ΄=90-γ; β΄=90-β=90-90+α=α;
θ=180-β΄-γ΄=180-α-90+γ=90-α+γ;
α1=θ/2=(90-α+γ)/2;
ν=90-θ/2-γ΄=90-θ/2-90+γ=γ-θ/2
Определение Солнечной постоянной F
Для определения солнечной постоянной воспользуемся установкой сконструированной в рамках научного проекта Козулина Артема (ННПООЦ «Бобек», 9Б класс). Здесь приводим только суть их эксперимента, конечную расчетную формулу и поясняющую принципиальную схему их установки. [6]
Рис.4. Принципиальная схема эксперимента определения солнечной постоянной F
Для эксперимента был создан прибор в виде гири весом в два килограмма, помещенный в «рубашку» из пенопласта. К поверхности гири припаян электронный чувствительный датчик температуры. Все поверхности, обращенные к солнцу, были покрашены в черный цвет матовой краской. Вся внутренняя полость вместе с гирей прикрывается прозрачным стеклом.
Расчет производился по формулам:
F(1- k)=Q/(S·t) иQ=(T - T0)*·mгири*·cгири, где (6)
F – эксперимантально определенная солнечная постоянная.
Q –поглощенная энергия; t – время эксперимента
k –коэффициент поглощение стекла (1.3% на 1 мм стекла).
T0 - начальная температура системы; T – конечная температура системы
S – площадьстекла; С – теплоемкость чугуна
Параметры системы:
m=2 кг; T = 10 минут;;S – 13см х 13см; k= 5·1.3=0.06; С = 550Дж/кг С
Измерение начальной температуры снега Т и времени работы отражающих экранов t
Для измерения температуры использовался стандартный спиртовой градусник с ценой деления 1 °С. Считаем, что температура воздуха совпадает с начальной температурой снега.
Для измерения времени использовались наручный часы-хронометр ORIENT.
Ход эксперимента.
После позиционирования экспериментальной установки по компасу и по углам, в период с 4 по 8 января 2011 г. проводились измерения. На лоток северного склона складывался слой снега толщиной 1,5-2 см. В центр склона устанавливалась деревянная зубочистка с нанесенной градуировкой в 1 мм. Затем по показаниям термодатчика вычислялась величина солнечной постоянной F. Для определенности для расчетного времени плавления люда была взята толщина снежного покрова в 2 мм. Экспериментально же измерялось время, необходимое для плавления снега на те же 2 мм.
Согласно (4) и учитывая, что M=ρ*g*SЗУ*h, гдеh-глубина(толщина снега).получаем:
tрасч=(ρ*g*h(λ+c(T-T0)))/((1-A)*F*cosα1*cosα2)= t (T, F) (7)
За плотность свежевыпавшего снега принята ρ=100кг/м3, удельную пеплоту плавления - λ=330000 Дж/кг, теплоемкость - c=2100дж/(кг*° С), альбедо снега А=0,8, h = 2 мм,
Результаты работы и их обсуждение
Таблица 1. Результаты экспериментов
№ опыта | Температура воздуха, °С | Солнечная постоянная F, Дж/м2/с | Расчетное время tрасч, мин | Эксперимен-тальное время, tэксп |
1 | -10 | 682±6.82 | 106.7±53.3 | 193 |
2 | -5 | 560±5.6 | 126±63 | 217 |
3 | -8 | 613±6.13 | 117.3±58.6 | 208 |
Определение погрешности расчетной модели.
По (6) вычислим относительную ошибку измерения солнечной постоянной:
(8)
По (7) вычислим относительную ошибку расчетного времени плавления:
(9)
Обсуждение результатов
Полученные экспериментальные данные отличаются от расчетных в среднем на 50-60 %, и хотя это практически сопоставимо с погрешностью расчетной модели, где, согласно (9) основную часть составляет ошибка определения толщины слоя, нельзя исключать и другие, возможные источники погрешностей. Температура воздуха во время проведения экспериментов считалось постоянной, хотя в масштабе 2-3 часов возможны отклонения до 3-4 °C. Соразмерив время на уменьшение толщины снежного покроя, можно с уверенностью сказать, что одного плоского зеркала для эффективного плавления недостаточно. Этот результат согласуется с работой МГТУ им. Баумана, где предлагалось позиционирование нескольких установок по южному склону. Для повышения эффективности топления снега возможны два дальнейших решений: или увеличить количество позиционных зеркальных установок, или заменить плоские зеркала на фокусирующие.
Заключение
Модель несомненно имеет недостатки. Невысокая мощность может компенсироваться количеством установок, направляющих световой поток в одну точку, но это ведет к большому расходу материала. Следует исследовать возможность применения установок с различными конфигурациями зеркал. Имеет место вопрос о применимости данной установки для снега различной конфигурации. На конфигурацию снега влияет его плотность, структура, наличие воды в нем. С другой стороны учесть эти факторы практически невозможно. Поэтому нельзя категорически говорить о неприемлемости данной установки. Погрешность измерений составляет приличную величину, но этот фактор напрямую зависит от мощности, так как чем выше мощность, тем большее количество снега мы сумеем растопить.
Список использованной литературы
1. «Современные противолавинные системы»// http://gorimpex. ru
2. «Современные инженерные системы защиты от снежных лавин в мире. Анализ различных технологий.» // http://gorimpex. ru
3. / «Экологический мониторинг. Методы и средства. Часть 1» Учебное пособие // РГУ им. , Рязань, 2008.
4. Исаева экологической безопасности при природных катастрофах. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2003.
5. http://www. fireplanexpress. ru/clipart/html_stat/kurs02.htm
6. Козулин Артем/ Доклад призера Республиканского слета юных астрономов // Астана, 23-27 июля 2011
7. / Автоматизированная система определения параметров противолавинного комплекса // Дипломы МГТУ им. , кафедра ИУ-5, Москва, 2010.
Благодарности
Автор выражает благодарность Хван Наталье Владимировне за постоянную поддержку и координацию, канд. пед. наук за консультацию Загаиновой Вере Ивановне за консультации по астрономии и предоставлении установки по определению солнечно постоянной в условиях города, Екшибарову Александру Ивановичу за идею использования данной работы в качестве комплексной лабораторной работы по физике, Мартыновой Анжелике Владимировне, Солодниковой Юлии Вячеслвовне – за моральною и техническую поддержку, а также Козулину Артему за помощь в измерениях солнечной постоянной.
Авторы посвящают эту работу д-ру физ.-мат. наук, проф. Ибрагимову Кариму Юнусовичу, основателю Лицея космического природоведения №48, который предложил и сформулировал идею проверяемого явления.
Светлая Вам память, Карим Юнусович!
