aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2019-65-2-169-185aari-161Research ArticleГЛЯЦИОЛОГИЯ И КРИОЛОГИЯGLACIOLOGY AND CRYOLOGY OF THE EARTHСезонные вариации температуры снежной толщи и теплопроводность снега в районе станции Восток, АнтарктидаSeasonal variations of snowpack temperature and thermal conductivity of snow in the vicinity of Vostok station, AntarcticaШибаевЮ. А.ShibayevYu. A.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ЧихачевК. Б.TchikhatchevK. B.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

tchikhatchev@aari.ruЛипенковВ. Я.LipenkovV. Ya.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ЕкайкинА. А.EkaykinA. A.

Санкт-Петербург

St. Petersburg

ЛефеврЭ.LefebvreE.

г. Гренобль

Grenoble

АрноЛ.ArnaudL.

г. Гренобль

Grenoble

ПетиЖ.-Р.PetitJ.-R.

г. Гренобль

Grenoble

ГНЦ РФ Арктический и антарктический НИИРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian FederationГНЦ РФ Арктический и антарктический НИИ; Санкт-Петербургский государственный университет, Институт наук о ЗемлеРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute; Institute of Earth Sciences, Saint Petersburg State UniversityRussian FederationИнститут наук об окружающей средеФранцияInstitut des Géosciences de l’EnvironnementFrance201909072019652169185Copyright © Шибаев Ю.А., Чихачев К.Б., Липенков В.Я., Екайкин А.А., Лефевр Э., Арно Л., Пети Ж., 20192019Шибаев Ю.А., Чихачев К.Б., Липенков В.Я., Екайкин А.А., Лефевр Э., Арно Л., Пети Ж.Shibayev Y.A., Tchikhatchev K.B., Lipenkov V.Y., Ekaykin A.A., Lefebvre E., Arnaud L., Petit J.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/161

В работе впервые представлены результаты измерения температуры снежной толщи до глубины 10 м, выполненные в районе станции Восток автономной системой TAUTO в период с 2010 по 2017 г. Анализ сезонных вариаций температуры снега на различных глубинах с помощью модели теплопереноса позволил установить зависимость относительной теплопроводности снега от его пористости для этого района Антарктиды. Такой же анализ выполнен по аналогичным данным, полученным на станции Купол Фуджи в 1995–1997 гг. Установлено, что теплопроводность слоев снега, имеющих одинаковую плотность, заметно меньше на Куполе Фуджи, чем на станции Восток, что свидетельствует о различии структурных свойств снега, влияющих на его теплофизические свойства, в указанных пунктах. Показано, что кондуктивная теплопроводность является основным механизмом переноса тепла, определяющим распределение температуры в снежной толще на высокогорном антарктическом плато. Полученные параметры модели теплопереноса могут быть использованы при реконструкции изменений температуры поверхности антарктического ледникового покрова по данным многолетних измерений температуры верхнего 100-метрового слоя ледника.

The data on snow the temperature which was monitored to a depth of 10 m in the vicinity of Vostok Station by the TAUTO autonomous system in 2010–2017 are presented. By analyzing seasonal temperature variations at different depth with the aid of a heat-transfer model we have inferred a relationship between relative thermal conductivity of snow and its porosity at this site. The same approach was also applied to analyze similar data obtained at Dome Fuji station in 1995–1997. It was found that the thermal conductivity of snow layers with identical density is noticeably lower at Dome Fuji than at Vostok, which point to a difference in structural characteristics of snow that determine its thermophysical properties. We demonstrate that the conduction is the dominant heat-transport mechanism which controls the temperature distribution in snow pack on the Antarctic plateau. The obtained parameters of the heat-transfer model can be used for reconstructing the past surface temperature variations from the long-term temperature measurements in the upper 100 m thick layer of the ice sheet.

Антарктидаметаморфизм снегамодель теплопереносаснегтемпературатеплофизические свойствачисленные экспериментыAntarcticaheat-transfer modelnumerical experimentssnowsnow metamorphismtemperature measurementsthermophysical propertiesРабота выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, грант 18–55–16002 НЦНИЛ_а. Исследование проводилось в рамках деятельности российско-французской Международной ассоциированной лаборатории (МАЛ) «Ледниковые архивы данных о климате и окружающей среде». Авторы благодарны Российской антарктической экспедиции и Французскому полярному институту за логистическую поддержку работ на станции Восток.This work was financially supported by the Russian Fund for Basic Research, grant 18–55–16002 НЦНИЛ_а. The research was carried out in the network of the Russian-French International Associated Laboratory (LIA) “Climates and Environments from Ice Archives”. We are grateful to the Russian Antarctic Expedition and French Polar Institute which provided logistic support for this work at Vostok Station.ReferencesCuffey K.M., Alley R.B., Grootes P.M., Bolzan J.M., Anandakrishnan S. Calibration of the δ18 O isotopic paleothermometer for central Greenland, using borehole temperatures // Journal of Glaciology. 1994. V. 40. № 135. P. 341–349.Cuffey K.M., Alley R.B., Grootes P.M., Bolzan J.M., Anandakrishnan S.Calibration of the δ18 O isotopic paleothermometer for central Greenland, using borehole temperatures. Journal of Glaciology. 1994, 40, 135: 341–349.Johnsen S., Dahl-Jensen D., Dansgaard W., Gundestrup N. Greenland palaeotemperatures derived from GRIP bore hole temperature and ice core isotope profiles // Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 1995. V. 47. № 5. P. 624–629. doi: 10.3402/tellusb.v47i5.16077.Johnsen S., Dahl-Jensen D., Dansgaard W., Gundestrup N. Greenland palaeotemperatures derived from GRIP bore hole temperature and ice core isotope profiles. Tellus B: Chemical and Physical Meteorology. 1995, 47, 5: 624–629. doi: 10.3402/tellusb.v47i5.16077.Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya., Barkov N.I., Jouzel J., Petit J.R., Raynaud D. Ice-core age dating and palaeothermometer calibration based on isotope and temperature profiles from deep boreholes at Vostok Station (East Antarctica) // Journal of Geophysical Research. 1998. V. 103. № D8. P. 8963–8977.Salamatin A.N., Lipenkov V.Ya., Barkov N.I., Jouzel J., Petit J.R., Raynaud D. Ice-core age dating and palaeothermometer calibration based on isotope and temperature profiles from deep boreholes at Vostok Station (East Antarctica). Journal of Geophysical Research. 1998, 103, D8: 8963–8977.Brandt R.E., Warren S.G. Temperature measurements and heat transfer in near-surface snow at the South Pole // Journal of Glaciology. 1997. V. 43. № 144. P. 339–351.Brandt R.E., Warren S.G. Temperature measurements and heat transfer in near-surface snow at the South Pole. Journal of Glaciology. 1997, 43, 144: 339–351.Riche F., Schneebeli M. Thermal conductivity of snow measured by three independent methods and anisotropy considerations // The Cryosphere. 2013. V. 7. P. 217–227. doi:10.5194/tc–7–217–2013.Riche F., Schneebeli M. Thermal conductivity of snow measured by three independent methods and anisotropy considerations. The Cryosphere. 2013, 7: 217–227. doi:10.5194/tc–7–217–2013.Sturm M., Holmgren J., Konig M., Morris K. The thermal conductivity of seasonal snow // Journal of Glaciology. 1997. V. 43. № 143. P. 26–41.Sturm M., Holmgren J., Konig M., Morris K. The thermal conductivity of seasonal snow. Journal of Glaciology. 1997, 43, 143: 26–41.Calonne N., Flin F., Morin S., Lesaffre B., Rolland du Roscoat S., Geindreau C. Numerical and experimental investigations of the effective thermal conductivity of snow // Geophysical Research Letters. 2011. V. 38. P. L23501. doi:10.1029/2011GL049234.Calonne N., Flin F., Morin S., Lesaffre B., Rolland du Roscoat S., Geindreau C. Numerical and experimental investigations of the effective thermal conductivity of snow. Geophysical Research Letters. 2011, 38: L23501. doi:10.1029/2011GL049234.Morin S., Domine F., Arnaud L., Picard G. In-situ monitoring of the time evolution of the effective thermal conductivity of snow // Cold Regions Science and Technology. 2010. V. 64. P. 73–80.Morin S., Domine F., Arnaud L., Picard G. In-situ monitoring of the time evolution of the effective thermal conductivity of snow. Cold Regions Science and Technology. 2010, 64: 73–80.Lefebvre E., Arnaud L., Ekaykin A.A., Lipenkov V.Ya., Picard G., Petit J.-R. Snow temperature measurements at Vostok station from an autonomous recording system (TAUTO): preliminary results from the first year operation // Лед и Снег. 2012. № 4 (120). С. 138–145.Lefebvre E., Arnaud L., Ekaykin A.A., Lipenkov V.Ya., Picard G., Petit J.-R. Snow temperature measurements at Vostok station from an autonomous recording system (TAUTO): preliminary results from the first year operation. Led i Sneg. Ice and Snow. 2012, 4 (120): 138–145.Саламатин А.Н., Шираива Е., Муравьев Я.Д., Зиганшин М.Ф. Теплоперенос в сезонном деятельном слое ледникового купола Горшкова на вершине вулкана Ушковского, Камчатка // Материалы гляциологических исследований. 2001. Вып. 90. С. 100–106.Salamatin A.N., Shiraiwa E., Murav’ev Ya.D., Ziganshin M.F. Heat transfer in seasonal active layer of Gorshkov Ice Cap, Ushkovskiy Volcano summit, Kamchatka. Materialy gliatsiologicheskikh issledovanii. Data of Glaciological Studies. 2001, 90: 100–106. [In Russian].Salamatin A.N., Muravyev Y.D., Shiraiwa T., Matsuoka K. Modeling Dynamics of Glaciers in Volcanic Craters // Journal of Glaciology. 2000. V. 46. № 153. P. 177–187.Salamatin A.N., Muravyev Y.D., Shiraiwa T., Matsuoka K. Modeling Dynamics of Glaciers in Volcanic Craters. Journal of Glaciology. 2000, 46, 153: 177–187.Hobbs P.V. Ice Physics. Oxford: Clarendon Press, 1974. 804 p.Hobbs P.V. Ice Physics. Oxford: Clarendon Press, 1974: 804 p.Slack G.A. Thermal conductivity of ice // Physical Review B. 1980. V. 22. № 6. P. 3065–3071.Slack G.A. Thermal conductivity of ice. Physical Review B. 1980, 22, 6: 3065–3071.Salamatin A.N. Paleoclimatic reconstructions based on borehole temperature measurements in ice sheets. Possibilities and limitations // Physics of Ice Core Records. Sapporo: Hokkaido University Press, 2000. P. 243–282.Salamatin A.N. Paleoclimatic reconstructions based on borehole temperature measurements in ice sheets. Possibilities and limitations. Physics of Ice Core Records. Sapporo: Hokkaido University Press, 2000: 243–282.Hondoh T., Narita H., Hori A., Fujii M., Shoji H., Kameda T., Mae S., Fujita S., Ikeda T., Fukazawa H., Fukumura T., Azuma N., Wang Y., Kawada K., Watanabe O., Motoyama H. Basic analyses of Dome Fuji deep ice core Part 2: Physical properties // Proc. NIPR Symp. Polar Meteorol. Glaciol. 1999. V. 13. P. 90–98.Hondoh T., Narita H., Hori A., Fujii M., Shoji H., Kameda T., Mae S., Fujita S., Ikeda T., Fukazawa H., Fukumura T., Azuma N., Wang Y., Kawada K., Watanabe O., Motoyama H. Basic analyses of Dome Fuji deep ice core Part 2: Physical properties. Proc. NIPR Symp. Polar Meteorol. Glaciol. 1999, 13: 90–98.Липенков В.Я., Шибаев Ю.А., Саламатин А.Н., Екайкин А.А., Вострецов Р.Н., Преображенская А.В. Современные климатические изменения, зарегистрированные в вариациях температуры верхнего 80-метрового слоя ледниковой толщи на станции Восток // Материалы гляциологических исследований. 2004. Вып. 97. С. 44–56.Lipenkov V.Ya., Shibaev Yu.A., Salamatin A.N., Ekaykin A.A., Vostretsov R.N., Preobrazhenskaya A.V. Current climate changes recorded in ice temperature variations in upper 80-m layer, Vostok station area. Materialy gliatsiologicheskikh issledovanii. Data of Glaciological Studies. 2004, 97: 44–56. [In Russian].JARE Data Reports № 223, Glaciology, 26. National Institute of Polar Research, 1997. P. 49–66.JARE Data Reports № 223, Glaciology, 26. National Institute of Polar Research, 1997: 49–66.JARE Data Reports № 234, Glaciology, 27. National Institute of Polar Research, 1998. P. 15–33.JARE Data Reports № 234, Glaciology, 27. National Institute of Polar Research, 1998: 15–33.Красс М.С., Мерзликин В.Г. Радиационная теплофизика снега и льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1990. 264 с.Krass M.S., Merzlikin V.G. Radiacionnaja teplofizika snega i l’da. Radiation thermophysics of snow and ice. Leningrad: Hydrometeoizdat, 1990: 264 p. [In Russian].Войтковский К.Ф., Голубев В.Н., Лаптева Н.И., Трошкина Е.С., Ушакова Л.А., Павлов А.В. Массоперенос и метаморфизм в снежном покрове // Материалы гляциологических исследований. 1976. Вып. 25. С. 146–152.Voytkovskiy K.F., Golubev V.N., Lapteva N.I., Troshkina E.S., Ushakova L.A., Pavlov A.V. Mass transport and metamorphism in snow cover. Materialy gliatsiologicheskikh issledovanii. Data of Glaciological Studies. 1976, 25: 146–152. [In Russian].Van Ommen T.D., Morgan V.I., Jacka T.H., Woon S., Elcheikh A. Near-surface temperatures in the Dome Summit South (Law Dom, East Antarctica) borehole // Annals of Glaciology. 1999. V. 29. P. 141–144.Van Ommen T.D., Morgan V.I., Jacka T.H., Woon S., Elcheikh A. Near-surface temperatures in the Dome Summit South (Law Dom, East Antarctica) borehole. Annals of Glaciology. 1999, 29: 141–144.Павлов А.В. Теплофизика ландшафтов / Отв. ред. П.И. Мельников. Новосибирск: Наука, 1979. 285 с.Pavlov A.V. Teplofizika landshaftov. Thermal physics of landscapes. Novosibirsk: Nauka, 1979: 285 p. [In Russian].Осокин Н.И., Сосновский А.В., Чернов Р.А. Коэффициент теплопроводности снега и его изменчивость // Криосфера Земли. 2017. Т. XXI. № 3. С. 60–68.Osokin N.I., Sosnovskiy A.V., Chernov R.A. Effective thermal conductivity of snow and its variations. Kriosfera Zemli. Earth’s Cryosphere. 2017. XXI, 3: 60–68. [In Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.