눈 과학

눈 과학은 눈들이 어떻게 형성되고, 어떻게 분포되며, 그리고 눈들이 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는지 영향을 미치는 과정들을 다룬다. 과학자들은 폭풍 예보를 개선하고, 전 세계의 눈 덮개와 그것이 전 세계의 기후, 빙하, 그리고 물 공급에 미치는 영향을 연구한다. 이 연구에는 재료의 변화에 따른 물리적 특성, 내부 눈팩의 대량 특성, 눈 덮개가 있는 지역의 총 특성 등이 포함된다. 이를 통해 지상의 진리를 확립하기 위한 지상의 물리적 측정 기법과 넓은 지역에 걸쳐 눈 관련 공정에 대한 이해를 발전시키기 위한 원격 감지 기법을 채용한다.^[1]

역사

중국에서 눈은 기원전 135년경 한잉의 저서 '단절'에서 설명되었는데, 이 책은 꽃의 오각형 대칭과 눈의 육각형 대칭을 대조하였다.^[3] Albertus Magnus는 1250년에 눈에 대한 가장 초기 유럽인들의 상세한 설명이 무엇인지 증명했다. 요하네스 케플러는 자신의 1611년 저서 《스트레아 수 데 니브 섹산굴라》에서 눈 결정체가 육각형인 이유를 설명하려고 시도했다.^[4] 1675년 독일의 의사 프리드리히 마르텐스는 24종의 눈 결정체를 목록화했다. 1865년 프란체스코 E. 키커링은 Cloud Crystals - 스노우 플레이크 앨범을 출판했다.^[5][6] 1894년 A. A. Sigson은 월별 날씨 리뷰에서 윌슨 벤틀리의 개별 눈송이의 사진 시리즈에 앞서 현미경으로 눈송이를 촬영했다.

나카야 우키치로 씨는 1932년에 눈송이에 대한 광범위한 연구를 시작했다. 1936년부터 1949년까지 나카야는 최초의 인공 눈 결정체를 만들고 기온과 수증기 포화도의 관계를 도표로 작성했으며, 후에 나카야 다이어그램과 눈 속의 다른 연구 작품들로 불리며, 하버드 대학 출판부가 1954년에 발표한 '눈 결정: 자연과 인공'으로 출판되었다. 고바야시 데이사쿠, 1960년 고바야시 도표로 나카야 도표를 검증·개선하고, 이후 1962년에 정비한다.^[7][8]

인공 눈송이의 발생에 대한 더 많은 관심은 1982년 브라운슈바이그 공과대학의 쿠로다 토시오와 롤프 라크만, 증기 단계에서부터 얼음의 성장 운동학 및 그 성장 형태를 출판하면서 계속되었다.^[9] 1983년 8월, 우주비행사들은 STS-8 임무 동안 우주왕복선 챌린저호의 궤도상에서 눈 결정체를 합성했다.^[10] 1988년까지 후쿠타 노리히코 외 연구진이 나카야 도표를 인공 눈 결정으로 확인했고, 위드라와^[11][12][13] 요시노리는 우주에서 눈 결정의 성장을 보여주었다.^[14]

측정

눈 과학자들은 일반적으로 기본적인 측정과 관찰을 위해 눈 구덩이를 발굴한다. 관측은 바람, 수채화 또는 나무에서 내리는 눈물에 의해 야기되는 특징을 설명할 수 있다. 스노우팩으로의 수분 침투는 플로우 핑거와 연못을 만들거나 모세관 장벽을 따라 흐를 수 있으며, 이는 스노팩 내에서 수평과 수직의 고체 얼음 형성으로 다시 얼릴 수 있다. 국제지상설분류가 제시하는 스노우팩의 특성(코드와 함께) 측정은 다음과 같다.^[15]

• 높이(H)는 지면으로부터 수직으로 측정되며, 보통 센티미터 단위로 측정된다.
• 두께(D)는 눈 덮개의 경사면에 직각으로 측정되는 눈 깊이(일반적으로 센티미터)이다.
• 스노우팩 높이(HS)는 스노우팩의 총 깊이로, 베이스에서 눈 표면까지의 센티미터 단위로 수직으로 측정한다.
• 새 눈의 높이(HN)는 24시간 또는 그 밖의 지정된 기간 동안 눈 보드에 쌓인 갓 내린 눈의 깊이(cm)이다.
• 눈물 등가(SWE)는 눈 덩어리가 특정 지역에 걸쳐 완전히 녹을 경우 발생하는 물의 깊이로, 눈 높이의 산물로써 입방미터당 킬로그램의 수직 통합 밀도의 미터로 계산된다.
• 적설량(HNW)에 상당하는 물은 적설량에 상당하는 제설수로, 24시간 이상의 표준 관측 기간으로 측정된다.
• 눈 강도(Snow strength, 인장 또는 전단)는 눈 강도가 고장이나 파열 없이 견딜 수 있는 최대 응력을 초당 파스칼로 제곱한 것으로 간주할 수 있다.
• 눈 표면의 침투성(P)은 물체가 표면에서 눈 속으로 침투하는 깊이로, 보통 스위스 램몽드로 측정하거나 서 있거나 스키 위에 있는 사람이 센티미터로 더 조잡하게 측정한다.
• 표면 특징(SF)은 바람에 의한 퇴적, 재분배 및 침식, 용융 및 재융, 승화 및 증발, 비에 의한 눈 표면의 일반적인 외관을 설명한다. 다음과 같은 과정은 그에 상응하는 결과를 가지고 있다: 매끄러운—바람 없는 저하, 물결이 쌓인 눈, 오목한 이랑—녹고 승화, 볼록한 이랑—비거나 녹는 것; 무작위 이랑—영원.
• 눈 덮인 면적(SCA)은 눈 덮인 지면의 범위를 설명하며, 일반적으로 전체 지면의 분수(%)로 표현된다.
• 경사각(Slope angle, φ)은 임상계가 있는 경사면의 평면까지 수평에서 측정한 각도를 말한다.
• 경사면(AS)은 북 N = 0° = 360° 또는 N, N, N, N, E, SE, S, S, SW, W, NW로 주어진 경사면이 입면하는 나침반 방향이다.
• 시간(t)은 보통 측정 지속시간 동안 초 단위로, 또는 눈 퇴적물과 층의 연령을 설명하기 위해 더 긴 단위로 주어진다.

계기

깊이 – 눈의 깊이는 6시간 동안 관찰된 스노보드(일반적으로 흰색으로 칠해진 합판 조각)로 측정한다. 6시간의 시간이 끝나면 모든 눈이 측정 표면에서 치워진다. 일일 총 강설량의 경우, 6시간 강설량 측정치 4개를 합산한다. 강설량은 녹고, 압축하고, 불고, 표류하기 때문에 측정하기가 매우 어려울 수 있다.^[16]

스노우 게이지에 의한 액체 등가 – 강설량에 상당하는 액체는 눈 게이지^[17] 또는 직경 100mm(4인치; 플라스틱) 또는 200mm(8인치; 금속)의 표준 강우 게이지를 사용하여 평가할 수 있다.^[18] 레인 게이지는 깔때기와 내부 실린더를 제거하고 외부 실린더 내부에 눈/얼음 비가 모일 수 있도록 하여 겨울에 맞춰 조절한다. 게이지에 떨어지는 눈이나 얼음을 녹이기 위해 부동액을 첨가할 수 있다.^[19] 적설/얼음이 쌓이면 두 가지 유형의 게이지에서 또는 게이지의 높이가 300mm(12인치)에 가까워지면 눈이 녹고 수량이 기록된다.^[20]

분류

지상의 계절별 눈 국제 분류는 공중에 떠다니는 눈과 관련된 눈보다 축적된 눈의 분류가 더 광범위하다. (코드와 함께 인용된) 주요 범주의 목록은 다음과 같이 구성된다.^[15]

• 강수 입자(PP)(아래 참조)
• 기계로 만들어진 눈(MM) – 표면 안쪽에서 매우 작은 물방울이 얼어서 생기는 원형 다결정 입자 또는 압착 및 강제 분포로 인한 얼음 입자일 수 있음
• 분해 및 파편화된 강수 입자(DF) — 분해는 가벼운 바람에 의해 초기 분해되는 표면 자유 에너지를 줄이기 위해 표면 면적의 감소에 의해 발생한다. 바람은 입자의 파편화, 포장, 반올림을 유발한다.
• 둥근 알갱이(RG) – 일반적으로 크기가 0.25mm 정도로 둥글고 길쭉한 입자로부터 달라지며, 이 입자는 매우 소결된다. 그것들은 또한 바람이 꽉 차거나 얼굴이 둥글게 되어 있을 수도 있다.
• 면 결정(FC) – 큰 온도 구배에 의해 구동되는 곡물 대 곡물 증기 확산으로 재배하는 것이 건조한 눈더미 안에서 면 결정의 주요 동인이다.
• 깊이 호어(DH) – 큰 온도 구배에 의해 구동되는 곡물과 곡물 간 증기 확산은 건조한 스노우팩 내에서 깊이 호어의 주요 동력이다.
• 표면 호어(SH) – 대기에서 눈 표면을 향해 수증기를 전달하여 눈 표면의 결정체가 빠르게 성장하며, 주변 온도 이하의 복사 냉각에 의해 냉각된다.
• 용해 형태(MF) – 정맥 내 물이 얼었을 때 습설물의 군집화된 둥근 알갱이부터 용해 또는 강우에 의해 습윤된 후 다시 녹는 습설 표면층의 용해된 둥근 폴리 결정 및 polycrystals.to 다결정까지 다양하다.
• 얼음 형성(IF) – 다음 기능을 포함하십시오. 표면의 비 또는 용해물이 차가운 눈으로 스며들어 층 장벽을 따라 다시 얼면서 발생하는 수평 층. 냉동된 배수수의 수직 손가락. 기초지각은 기질 위에 못을 녹여 얼린 물에서 부활한다. 눈 표면의 얼음 유리는 눈 위에 내린 얼어붙은 비로 인해 발생한다. 표면의 녹은 물에서 나오는 태양 지각은 복사 냉각으로 인해 표면에서 다시 용출된다.

강수 입자

냉동 미립자의 분류는 나카야와 그의 후계자의 이전 분류를 확장하며 다음 표에 인용된다.^[15]

강수 입자

서브클래스	모양	물리공정
기둥	고체 또는 중공 프리즘 결정	수증기로 인한 성장 -8°C 이하 -30°C에서
바늘	바늘 모양, 대략 원통형	수증기로 인한 성장 -3 ~ -5 °C에서 -60 °C 이하에서 초포화 상태
접시들	판형, 대부분 육각형	수증기로 인한 성장 0 ~ -3°C 및 -8 ~ -70°C에서
스텔라르스, 덴드라이트	별 모양 6배, 평면 또는 공간	수증기로 인한 성장 0 ~ -3°C 및 -12 ~ -16°C에서 초고속으로
불규칙 결정체	아주 작은 결정으로 이루어진 군집	다양한 다결정체 성장 환경 조건
그라우펠	테두리가 많은 입자, 구형, 원뿔형 육각형 또는 불규칙한 모양	다음 기준의 입자 중림 과냉각 물방울의 응고
우박	층 내부 구조, 반투명 또는 우유빛 유약 표면	의 억제에 의한 성장 과냉각수, 크기: >5 mm
얼음 알갱이	투명 대부분 작은 영웅들	빗방울이 얼거나 대게 녹은 눈 결정이나 눈송이(슬리엣)를 다시 얼린다. 얇은 얼음 층(작은 우박)에 싸여 있는 그라우펠 또는 눈알. 크기: 둘 다 5mm
리메	불규칙한 예금 또는 더 긴 원추형 및 바람을 가리키는 바늘	제자리에 동결된 작고 냉각된 안개 방울의 응고. 얇은 깨지기 쉬운 지각은 만약 과정이 충분히 오래 지속된다면 눈 표면에 형성된다.

초냉각 습기에 노출된 물체에 형성되는 라임과 맑은 하늘 아래 온도 역전이 가능한 일부 판, 덴드라이트, 스텔라 등을 제외한 모든 것이 구름 속에서 형성된다.

물리적 성질

스노우팩의 그러한 각 층은 마이크로 구조나 밀도를 설명하는 하나 이상의 특성에 의해 인접 층과 다르며, 이는 함께 눈 유형과 다른 물리적 특성을 정의한다. 따라서 어느 때라도 층을 형성하는 눈의 유형과 상태를 정의해야 하는데, 그 물리적, 기계적 특성이 그 층에 의존하기 때문이다. 지상의 계절별 눈 국제 분류는 (그들의 코드와 함께) 눈 속성에 대한 다음과 같은 측정을 제공한다.^[15]

• 눈의 미세 구조는 복잡하고 측정하기 어렵지만 눈의 열, 기계, 전자기 특성에 중요한 영향을 미친다. 미세구조를 특성화하는 방법은 여러 가지가 있지만 표준적인 방법은 없다.
• 곡물 모양(F )은 자연적 및 인공적 퇴적물을 모두 포함하며, 분해되었거나 새로 형성된 결정 동결토 또는 호아 서리로 인해 형성되었을 수 있다.
• 곡물 크기(E )는 각각 가장 큰 확장에서 측정한 곡물의 평균 크기를 밀리미터 단위로 나타낸다.
• 눈 밀도(snow density)는_s 알려진 부피의 눈 단위 부피 당 질량으로 kg/m으로³ 계산된다. 분류는 0.2 mm 이하에서 매우 거친(2.0–5.0 mm) 및 그 이상에서 매우 미세하다.
• 눈 경도(R )는 물체가 눈으로 침투하는 것에 대한 저항이다. 대부분의 눈 연구는 더 부드러운 눈(중간에서 매우 부드러움)을 위해 주먹이나 손가락을 사용하고 얼음의 경도 경계 아래에 연필이나 칼(매우 단단함)을 사용한다.
• 액상 물 함량(LWC ) (또는 자유수 함량)은 용해, 비 또는 두 가지 모두로부터 액체 단계의 눈 안에 있는 물의 양이다. 측정은 부피 또는 질량 분율(%)으로 표현된다. 건조한 눈은 평균 부피 분율이 0%이다. 젖은 눈 5.5%, 적신 물 15% 이상
• 눈 온도(T_s )는 눈기둥 내부와 위의 다양한 높이에서 자주 측정된다: 지면에서, 표면에서, 그리고 표면에서 보고된 높이(°C).
• 불순물(J )은 일반적으로 먼지, 모래, 그을음, 산, 유기 및 수용성 물질이며, 각각 질량 분율(% ppm)으로 충분히 설명 및 보고되어야 한다.
• 스노우팩의 각 층의 층 두께(L )는 cm 단위로 측정한다.

새로 떨어지고 변형된 눈 결정체

• 

  덴드리트틱 눈송이—윌슨 벤틀리의 마이크로그래프.

• 

  혈소판과 바늘, 두 가지 다른 형태의 눈송이.

• 

  신선하고 건조한 눈, 새롭게 형성된 결합으로 곡물 경계(상단 중심)를 보여준다.

• 

  낮은 액체 함량으로 젖은 눈 속의 얼음 알갱이 군집—곡선 결정 범위는 0.5 ~ 1.0 mm이다.

위성 데이터 및 분석

위성 및 기타 플랫폼이 있는 스노우팩의 원격 감지에는 일반적으로 여러 개의 스펙트럼 이미지 컬렉션이 포함된다. 획득한 데이터의 정교한 해석은 관찰된 내용에 대한 추론을 가능하게 한다. 이러한 원격 관측의 배후에 있는 과학은 실제 조건에 대한 지상 사실 연구로 검증되었다.^[21]

위성 관측은 위성 관측을 시작한 1960년대 이후 눈 덮인 지역의 감소를 기록하고 있다. 중국 등 일부 지역에서는 눈 덮개가 늘어나는 추세가 관측됐다(1978~2006년). 이러한 변화는 지구 기후 변화에 기인하며, 이것은 더 일찍 녹고 더 적은 aea 커버리지로 이어질 수 있다. 그러나 일부 지역에서는 40°의 북위도에 대한 높은 기온 때문에 눈의 깊이가 증가할 수 있다. 북반구 전체에서 월평균 눈 덮기 범위는 10년 당 1.3%씩 감소하고 있다.^[22]

눈 위성 관측은 원격으로 감지된 데이터를 분석하기 위한 눈의 물리적 및 스펙트럼 속성의 유용성에 의존한다. 디에츠 외에서는 이를 다음과 같이 요약한다.^[22]

• 눈은 입사 방사선의 높은 비율을 가시 파장으로 반사한다.
• 지구는 표면에서 수동 마이크로파 센서를 이용해 우주에서 측정할 수 있는 마이크로파 방사선을 지속적으로 방출한다.
• 눈 덮개 특성을 지도화하기 위해 활성 마이크로파 데이터를 사용하는 것은 젖은 눈만 신뢰성 있게 인식할 수 있다는 사실에 의해 제한된다.

눈 범위, 눈 깊이 및 눈수량 등가물을 매핑하고 측정하는 가장 자주 사용되는 방법은 가시적외선 스펙트럼에 복수의 입력을 사용하여 눈의 존재와 특성을 추론한다. 국립빙설데이터센터(NSIDC)는 가시광선과 적외선 방사선의 반사율을 이용해 구름과 눈을 구별할 수 있는 방사선 매개변수의 비율인 정상화된 차이 눈 지수를 산출한다. 다른 연구자들은 보다 정확한 평가를 위해 이용 가능한 데이터를 채택하면서 의사결정 트리를 개발했다. 이 평가에 대한 한 가지 어려움은 축적 또는 절제 기간 동안 그리고 숲이 우거진 지역에서도 눈 덮개가 패치된 경우다. 구름 덮개는 표면 반사율의 광학적 감지를 억제하여 구름 아래의 지반 상태를 추정하는 다른 방법을 가져왔다. 수문학적 모델의 경우, 눈 덮개에 대한 지속적인 정보를 갖는 것이 중요하다. 적용 가능한 기법은 미지의 유추에 알려진 것을 사용하는 보간법을 포함한다. 수동적인 전자레인지 센서는 구름 아래나 어둠 속에서 표면을 지도할 수 있기 때문에 시간적, 공간적 연속성에 특히 중요하다. 반사 측정과 결합하면 패시브 마이크로파 감지 기능은 스노우팩에 대한 추론을 크게 확장한다.^[22]

모델

눈 과학은 종종 눈 침적, 눈 녹기, 그리고 지구의 물 순환의 요소인 눈 수문학을 포함한 예측 모델로 연결되는데, 이것은 지구 기후 변화를 설명하는 데 도움이 된다.^[21]

지구 기후 변화

지구 기후 변화 모델(GCMs)은 눈을 계산의 요소로 통합한다. 눈 덮개의 중요한 측면으로는 알베도(빛의 반사율)와 단열 품질 등이 있는데, 이것은 해빙의 계절적 녹는 속도를 늦춘다. 2011년 현재 GCM 눈 모델의 녹는 단계는 초목 덮개, 지형 등 눈 녹는 것을 조절하는 복잡한 요인이 있는 지역에서 저조한 성능을 발휘하는 것으로 생각되었다. 이러한 모델은 다음과 같은 방식으로 SWE(눈물 등가물)를 계산한다.^[21]

SWE = [ –ln_c(1 – f )] / D

여기서:

• f_c = 눈의 부분적 커버리지
• D = 식물의 마스킹 깊이(전 세계적으로 0.2m 이상)

스노우멜트

농업에 있어 제설량의 중요성을 감안하여, 예측에 제설량을 포함하는 수문학적 유출 모델에서는 제설량의 축적, 녹는 과정, 하천망을 통한 용융수의 분포 및 지하수로의 분포의 단계를 다루고 있다. 녹는 과정을 설명하는 열쇠는 태양열 유동, 주변 온도, 바람 및 강수량이다. 초기 스노우멜트 모델에서는 공기와 스노우 팩 사이의 온도 차이를 강조하는 도일 접근 방식을 사용하여 다음과 같이 눈수 등가(SWE)를 계산했다.^[21]

SWE = T_a ≥ T일_m 때 M(T_a – T_m)

= T_a < T일_m 때 0

여기서:

• M = 용해 계수
• T_a = 공기 온도
• T_m = 스노우 팩 온도

보다 최신 모델에서는 용해 가능한 에너지(Q_m)를 다음과 같은 요소로 계산하는 에너지 균형 접근법을 사용한다.^[21]

Q_m = Q^* +Q_h + Q_e + Q_g + Q_r – Q_Θ

여기서:

• Q^* = 순방사선
• Q_h = 스노우 팩과 공기 질량 사이의 지각 열 대류 전달
• Q_e = 스노우팩에서 증발 또는 응결로 손실된 잠열
• Q_g = 지면에서 스노우 팩으로 열 전도
• Q_r = 비를 통한 열 접착
• Q_Θ = 표면적 단위당 내부 에너지 변화율

다양한 열 흐름량(Q )을 계산하려면 단순한 온도보다 훨씬 더 큰 폭의 눈과 환경적 요인을 측정해야 한다.^[21]

공학

과학에서 얻은 지식은 공학으로 바뀐다. 극지방 만년설 시설물의 건설과 정비, 눈길 활주로 설치, 스노우 타이어 설계, 스키 미닫이 표면 설계 등 4가지 예다.

• 눈 기반 위의 건물 – 미 육군 한랭지역 연구 및 엔지니어링 연구소(CRREL)는 냉전 시대 미 공군이 원거리 조기 경보(DEW) 라인 시설을 구축하고 유지하는^[23] 데 도움을 주는 역할을 했다. 1976년, CRREL 연구원이 그린란드 빙하 위에 있는 10층 높이의 2,900t(3,200t-to-ton)의 DEE Line 시설을 그것이 건설된 얼음의 이동으로 인해 훼손된 기초에서 새로운 기초로 옮기는 데 중요한 역할을 하였다.^[24] 이를 위해서는 현장 눈 강도의 측정과 건물의 새로운 기초 설계에 사용할 필요가 있었다.
• 스노우 런웨이 – 2016년에 CRREL Research 토목 공학자들은 "Phenix"라고 불리는 맥머도 역의 새로운 스노우 런웨이를 설계, 건설 및 테스트했다. 이 항공기는 연간 약 60대의 중형 바퀴 달린 수송기를 수용하도록 설계되었다. 소형 스노우 런웨이는 무게가 23만 kg(50만 lb)이 넘는 보잉 C-17에 서비스를 제공하기 위해 설계되고 건설되었다. 이를 위해서는 기계적으로 단단해진 눈의 특성에 대한 공학 지식이 필요했다.^[25]
• 스노우 타이어 – 스노우 타이어는 압축, 전단 본딩 및 베어링의 세 가지 기능을 수행한다. 도로에서는 앞쪽의 눈을 압축하고 트레드와 압축된 눈 사이에 전단 결합을 제공한다. 오프로드에서는, 그들은 또한 압축된 눈에 대한 내력을 제공한다. 베어링 접촉은 타이어가 너무 깊이 가라앉지 않도록 충분히 낮아야 하며, 타이어 앞의 눈을 압축하여 전진하는 데 방해가 된다.^[26] 트레드 디자인은 도로에서 사용되는 스노우 타이어에 매우 중요하며 눈길 트랙션과 건조 및 습식 도로의 편안함과 핸들링 사이의 절충을 나타낸다.^[27]
• 스노우 슬라이더 – 스키 또는 다른 주자의 눈 위를 미끄러지는 능력은 눈과 스키의 특성에 따라 결정되며, 스키와 마찰에 의해 눈이 녹을 때 최적의 윤활량을 얻을 수 있으며, 스키가 단단한 눈 결정과 상호 작용하는 것은 너무 적고, 용해수의 모세관 흡인력은 스키를 지연시킨다. Before a ski can slide, it must overcome the maximum value static friction, ${\displaystyle F_{max}=\mu _{\mathrm {s} }F_{n}\,}$, for the ski/snow contact, where ${\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}$ is the coefficient of static friction and ${\displaystyle F_{n}\,}$ is the norm눈 위에 스키의 힘 스키가 눈 위를 움직일 때 운동(또는 동적) 마찰이 발생한다.^[28]

참조

외부 링크

• 국제 연합 환경 프로그램: 세계 빙설전망
• 홋카이도 대학 저온과학연구소
• 스위스연방산림경관
• 미국 국립 눈 및 얼음 데이터 센터 눈 과학 웹사이트
• 미국 토목공학회 지상설하중 미국 대륙을 위한 인터랙티브 맵
• 지상의 계절별 눈 국제분류(ICSSG) 분류