Ciencia de la nieve

La ciencia de la nieve estudia cómo se forma la nieve , su distribución y los procesos que afectan a los cambios en los mantos de nieve a lo largo del tiempo. Los científicos mejoran la predicción de tormentas, estudian la capa de nieve global y su efecto en el clima, los glaciares y el suministro de agua en todo el mundo. El estudio incluye las propiedades físicas del material a medida que cambia, las propiedades generales de los mantos de nieve existentes y las propiedades agregadas de las regiones cubiertas de nieve. Para ello, emplean técnicas de medición física in situ para establecer datos de referencia y técnicas de teledetección para comprender los procesos relacionados con la nieve en grandes áreas. ^{[ 1 ]}

La nieve fue descrita en China, ya en el año 135 a. C. en el libro de Han Ying ^{[ a ]} Discursos morales que ilustran el texto Han del Libro de las Odas , ^{[ 3 ] [ b ]} que contrastaba la simetría pentagonal de las flores con la simetría hexagonal de la nieve. ^{[ 4 ]} Alberto Magno demostró lo que puede ser la primera descripción europea detallada de la nieve en 1250. Johannes Kepler intentó explicar por qué los cristales de nieve son hexagonales en su libro de 1611, Strena seu De Nive Sexangula . ^{[ 5 ]} En 1675 Friedrich Martens , un médico alemán, catalogó 24 tipos de cristales de nieve. En 1865, Frances E. Chickering publicó Cloud Crystals - a Snow-Colake Album . ^{[ 6 ] [ 7 ]} En 1894, AA Sigson fotografió copos de nieve bajo un microscopio, precediendo a la serie de fotografías de copos de nieve individuales de Wilson Bentley en el Monthly Weather Review .

Ukichiro Nakaya inició un extenso estudio sobre los copos de nieve en 1932. Entre 1936 y 1949, Nakaya creó los primeros cristales de nieve artificiales y trazó la relación entre la temperatura y la saturación de vapor de agua , posteriormente conocida como el Diagrama de Nakaya , y otros trabajos de investigación sobre la nieve, que fueron publicados en 1954 por Harvard University Press bajo el título Snow Crystals: Natural and Artificial . Teisaku Kobayashi verificó y mejoró el Diagrama de Nakaya con el Diagrama de Kobayashi de 1960 , posteriormente refinado en 1962. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El interés por la génesis artificial de copos de nieve continuó en 1982 con la publicación de Cinética de crecimiento del hielo a partir de la fase de vapor y sus formas de crecimiento por Toshio Kuroda y Rolf Lacmann, de la Universidad Tecnológica de Braunschweig . ^{[ 10 ]} En agosto de 1983, los astronautas sintetizaron cristales de nieve en órbita en el transbordador espacial Challenger durante la misión STS-8 . ^{[ 11 ]} En 1988, Norihiko Fukuta y otros confirmaron el Diagrama de Nakaya con cristales de nieve artificiales, hechos en una corriente ascendente ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} y Yoshinori Furukawa demostró el crecimiento de cristales de nieve en el espacio . ^{[ 15 ]}

Los científicos de la nieve suelen excavar un pozo de nieve para realizar mediciones y observaciones básicas. Las observaciones pueden describir características causadas por el viento, la percolación del agua o la descarga de nieve de los árboles. La percolación del agua en un manto de nieve puede crear dedos de flujo y charcos o flujo a lo largo de barreras capilares, que pueden volver a congelarse formando hielo sólido horizontal y vertical dentro del manto de nieve. Entre las mediciones de las propiedades de los mantos de nieve (junto con sus códigos) que presenta la Clasificación Internacional de la Nieve Estacional en el Suelo se encuentran: ^{[ 16 ]}

• La altura (H) se mide verticalmente desde la superficie del suelo, generalmente en centímetros.
• El espesor (D) es la profundidad de la nieve medida perpendicularmente a la pendiente en capas de nieve inclinadas, generalmente en centímetros.
• La altura del manto nivoso (HS) es la profundidad total del manto nivoso, medida verticalmente en centímetros desde la base hasta la superficie de la nieve.
• La altura de la nieve nueva (HN) es la profundidad en centímetros de la nieve recién caída que se acumuló en una tabla de nieve durante un período de 24 horas o algún otro período especificado.
• El equivalente de agua de la nieve (SWE, por sus siglas en inglés) es la profundidad del agua que resultaría si la masa de nieve se derritiera por completo, ya sea en una región determinada o en una parcela de nieve confinada, y se calcula como el producto de la altura de la nieve en metros por la densidad integrada verticalmente en kilogramos por metro cúbico.
• El equivalente en agua de la nevada (HNW) es el equivalente en agua de la nieve de la nevada, medido durante un período de observación estándar de 24 horas u otro período.
• La resistencia de la nieve ( Σ ) , ya sea compresiva, de tracción o de corte, puede considerarse como la tensión máxima que la nieve puede soportar sin fallar o fracturarse, expresada en pascales por segundo al cuadrado.
• La penetrabilidad de la superficie de la nieve (P) es la profundidad a la que un objeto penetra en la nieve desde la superficie, generalmente medida con una sonda suiza o, de forma más rudimentaria, por una persona de pie o sobre esquís, en centímetros.
• Las características superficiales (CS) describen el aspecto general de la superficie de la nieve, debido a la deposición, redistribución y erosión por el viento, el deshielo y la recongelación, la sublimación y la evaporación, y la lluvia. Los siguientes procesos tienen los resultados correspondientes: superficie lisa: deposición sin viento; superficie ondulada: nieve depositada por el viento; surcos cóncavos: deshielo y sublimación; surcos convexos: lluvia o deshielo; surcos aleatorios: erosión.
• El área cubierta de nieve (ACE) describe la extensión del suelo cubierto de nieve, generalmente expresada como una fracción (%) del total.
• El ángulo de pendiente ( Φ ) es el ángulo medido desde la horizontal hasta el plano de una pendiente con un clinómetro.
• La orientación de la pendiente (AS) es la dirección de la brújula hacia la que mira una pendiente, normal a las curvas de nivel de elevación, dada en grados desde el norte verdadero N = 0° = 360° o como N, NE, E, SE, S, SW, W, NW.
• El tiempo (t) se suele expresar en segundos para una duración de medición o en unidades más largas para describir la edad de los depósitos y capas de nieve.

Instrumentos

Profundidad : La profundidad de la nieve se mide con una tabla de snowboard (generalmente un trozo de madera contrachapada pintada de blanco) que se observa durante un período de seis horas. Al final de este período, se retira toda la nieve de la superficie de medición. Para obtener la nevada total diaria, se suman cuatro mediciones de nevada de seis horas. La nevada puede ser muy difícil de medir debido al derretimiento, la compactación, el viento y la acumulación de nieve. ^{[ 17 ]}

Equivalente líquido mediante pluviómetro de nieve : El equivalente líquido de la nevada se puede evaluar utilizando un pluviómetro de nieve ^{[ 18 ]} o con un pluviómetro estándar con un diámetro de 100  mm (4  pulg.; plástico) o 200  mm (8  pulg.; metal). ^{[ 19 ]} Los pluviómetros se ajustan para el invierno retirando el embudo y el cilindro interior y permitiendo que la nieve/lluvia helada se acumule dentro del cilindro exterior. Se puede agregar líquido anticongelante para derretir la nieve o el hielo que cae en el pluviómetro. ^{[ 20 ]} En ambos tipos de pluviómetros, una vez que la nieve/hielo termina de acumularse, o cuando su altura en el pluviómetro se acerca a los 300 mm (12 pulg.) , la nieve se derrite y se registra la cantidad de agua. ^{[ 21 ]}  

La Clasificación Internacional de Nieve Estacional en el Suelo tiene una clasificación más extensa de la nieve depositada que la que se refiere a la nieve en suspensión en el aire. Una lista de las categorías principales (citadas junto con sus códigos) comprende: ^{[ 16 ]}

• Partículas de precipitación (PP) (Ver más abajo)
• Nieve artificial (MA) : puede consistir en partículas policristalinas redondas formadas por la congelación de gotas de agua muy pequeñas desde la superficie hacia el interior, o en partículas de hielo triturado resultantes de la trituración y distribución forzada.
• Partículas de precipitación en descomposición y fragmentadas (DF) : La descomposición se produce por una disminución de la superficie para reducir la energía libre superficial y la ruptura inicial por vientos suaves. El viento provoca la fragmentación, el empaquetamiento y el redondeo de las partículas.
• Granos redondeados (GR) : varían desde partículas redondeadas, generalmente alargadas, de un tamaño aproximado de 0,25  mm, que están altamente sinterizadas. También pueden ser compactadas por viento o redondeadas facetadas.
• Cristales facetados (CF) : El crecimiento mediante difusión de vapor de grano a grano, impulsada por un gran gradiente de temperatura, es el principal factor que impulsa la formación de cristales facetados dentro del manto de nieve seca.
• Escarcha de profundidad (DH) : la difusión de vapor de grano a grano, impulsada por un gran gradiente de temperatura, es el principal factor que provoca la formación de escarcha de profundidad dentro del manto de nieve seca.
• Escarcha superficial (SH) : crecimiento rápido de cristales en la superficie de la nieve por transferencia de vapor de agua desde la atmósfera hacia la superficie de la nieve, que se enfría por enfriamiento radiativo por debajo de la temperatura ambiente.
• Formas de fusión (MF) : van desde granos redondos agrupados de nieve húmeda hasta policristales redondeados de fusión-congelación cuando el agua en las vetas se congela, pasando por cristales individuales y policristales completamente redondeados y poco unidos, hasta policristales de una capa superficial de nieve húmeda que se volvió a congelar después de haber sido humedecida por la fusión o la lluvia.
• Formaciones de hielo (FI) : Engloban las siguientes características: Capas horizontales, resultantes de la lluvia o el agua de deshielo de la superficie que se filtra en la nieve fría y se vuelve a congelar a lo largo de las barreras de las capas. Dedos verticales de agua congelada drenada. Una costra basal que resurge del agua de deshielo que se acumula sobre un sustrato y se congela. Un glaseado de hielo en la superficie de la nieve, resultante de la lluvia helada sobre la nieve. Una costra solar formada por agua de deshielo en la nieve superficial que se vuelve a congelar en la superficie debido al enfriamiento radiativo.

Cada capa de nieve se diferencia de las capas adyacentes por una o más características que describen su microestructura o densidad, las cuales, en conjunto, definen el tipo de nieve y otras propiedades físicas. Por lo tanto, en cualquier momento dado, es necesario definir el tipo y el estado de la nieve que forma una capa, ya que sus propiedades físicas y mecánicas dependen de ellos. La Clasificación Internacional de la Nieve Estacional en el Suelo establece las siguientes mediciones de las propiedades de la nieve (junto con sus códigos): ^{[ 16 ]}

• La microestructura de la nieve es compleja y difícil de medir, pero influye decisivamente en sus propiedades térmicas, mecánicas y electromagnéticas. Si bien existen diversos métodos para caracterizar la microestructura, no existe un método estándar.
• La forma del grano ( F ) incluye depósitos naturales y artificiales, que pueden haberse descompuesto o incluir cristales recién formados por congelación y descongelación o por escarcha.
• El tamaño del grano ( E ) representa el tamaño promedio de los granos, cada uno medido en su máxima extensión, expresado en milímetros.
• La densidad de la nieve ( ρs ₎ es la masa por unidad de volumen de nieve de un volumen conocido, calculada en kg/m³ ^. La clasificación va desde muy fina (menos de 0,2  mm) hasta muy gruesa (2,0-5,0  mm) y más allá.
• La dureza de la nieve ( R ) es la resistencia a la penetración de un objeto en ella. La mayoría de los estudios sobre la nieve utilizan el puño o los dedos para nieves blandas (desde muy blandas hasta medianas) y un lápiz (dura) o un cuchillo (muy dura) por debajo del límite de dureza del hielo.
• El contenido de agua líquida ( CAL ) (o contenido de agua libre ) es la cantidad de agua presente en la nieve en fase líquida, proveniente del deshielo, la lluvia o ambos. Las mediciones se expresan como fracción de volumen o masa en porcentaje. La nieve seca tiene una fracción de volumen media del 0%. La nieve húmeda tiene un 5,5% y la nieve empapada, más del 15%.
• La temperatura de la nieve ( T _s ) se mide frecuentemente a varias alturas dentro y por encima de la columna de nieve: en el suelo, en la superficie y a una altura sobre la superficie que se indica en °C.
• Las impurezas ( J ) suelen ser polvo, arena, hollín, ácidos, materiales orgánicos y solubles; cada una debe describirse completamente y reportarse como fracción de masa (%, ppm).
• El espesor de capa ( L ) de cada estrato de un manto de nieve se mide en cm.

• 
  Copo de nieve dendrítico: micrografía de Wilson Bentley .
• 
  Plaquetas y agujas, dos formas alternativas de copos de nieve.
• 
  Nieve fresca y seca con enlaces recién formados, que muestra un límite de grano (parte superior central).
• 
  Agrupación de granos de hielo en nieve húmeda con bajo contenido de líquido; los cristales de los granos tienen un tamaño que oscila entre 0,5 y 1,0  mm.

La teledetección de la capa de nieve mediante satélites y otras plataformas suele incluir la recopilación de imágenes multiespectrales. La interpretación sofisticada de los datos obtenidos permite inferir lo observado. La ciencia que sustenta estas observaciones remotas se ha verificado mediante estudios de campo de las condiciones reales. ^{[ 22 ]}

Las observaciones satelitales registran una disminución de las áreas cubiertas de nieve desde la década de 1960, cuando comenzaron dichas observaciones. En algunas regiones, como China, se ha observado una tendencia al aumento de la capa de nieve (de 1978 a 2006). Estos cambios se atribuyen al cambio climático global, que puede provocar un deshielo más temprano y una menor cobertura de la superficie. Sin embargo, en algunas áreas puede haber un aumento en la profundidad de la nieve debido a las temperaturas más altas en latitudes al norte de los 40°. Para el hemisferio norte en su conjunto, la extensión media mensual de la capa de nieve ha disminuido un 1,3 % por década. ^{[ 23 ]}

La observación satelital de la nieve se basa en la utilidad de las propiedades físicas y espectrales de la nieve para analizar datos de teledetección. Dietz, et al. lo resumen de la siguiente manera: ^{[ 23 ]}

• La nieve refleja una alta proporción de la radiación incidente en longitudes de onda visibles.
• La Tierra emite continuamente radiación de microondas desde su superficie, la cual puede medirse desde el espacio mediante sensores pasivos de microondas.
• El uso de datos de microondas activas para mapear las características de la capa de nieve está limitado por el hecho de que solo la nieve húmeda puede reconocerse de manera fiable.

Los métodos más utilizados para mapear y medir la extensión, profundidad y equivalente de agua de la nieve emplean múltiples entradas en el espectro visible-infrarrojo para deducir la presencia y las propiedades de la nieve. El Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo (NSIDC) utiliza la reflectancia de la radiación visible e infrarroja para calcular un índice de nieve de diferencia normalizada, que es una relación de parámetros de radiación que permite distinguir entre nubes y nieve. Otros investigadores han desarrollado árboles de decisión, empleando los datos disponibles para realizar evaluaciones más precisas. Un desafío para esta evaluación se presenta cuando la capa de nieve es irregular, por ejemplo, durante períodos de acumulación o ablación y también en áreas boscosas. La nubosidad dificulta la detección óptica de la reflectancia de la superficie, lo que ha llevado al desarrollo de otros métodos para estimar las condiciones del suelo bajo las nubes. Para los modelos hidrológicos, es importante contar con información continua sobre la capa de nieve. Las técnicas aplicables implican la interpolación, utilizando los datos conocidos para inferir los desconocidos. Los sensores de microondas pasivas son especialmente valiosos para la continuidad temporal y espacial, ya que pueden mapear la superficie bajo las nubes y en la oscuridad. Combinada con mediciones de reflectancia, la detección de microondas pasivas amplía considerablemente las inferencias posibles sobre el manto nival. ^{[ 23 ]}

La ciencia de la nieve a menudo conduce a modelos predictivos que incluyen la deposición de nieve, el deshielo y la hidrología de la nieve —elementos del ciclo del agua de la Tierra— que ayudan a describir el cambio climático global . ^{[ 22 ]}

El conocimiento científico se aplica a la ingeniería. Cuatro ejemplos son la construcción y el mantenimiento de instalaciones en los casquetes polares, la creación de pistas de esquí, el diseño de neumáticos para nieve y superficies para deslizarse sobre el esquí .

• Edificios sobre cimientos de nieve : el Laboratorio de Investigación e Ingeniería de Regiones Frías del Ejército de los EE. UU. (CRREL) desempeñó un papel importante al ayudar a la Fuerza Aérea de los EE. UU. a establecer ^{[ 24 ]} y mantener un sistema de instalaciones de la Línea de Alerta Temprana a Distancia (DEW) durante la era de la Guerra Fría . En 1976, un investigador del CRREL fue fundamental en el traslado de una instalación de la Línea DEW de 10 pisos de altura y 2900 t (3200 toneladas cortas) en el casquete polar de Groenlandia desde una base que se había visto comprometida por el movimiento del hielo sobre la que estaba construida a una nueva base. ^{[ 25 ]} Esto requirió la medición de la resistencia de la nieve in situ y su uso en el diseño de nuevas bases para el edificio. 
• Pistas de nieve : En 2016, los ingenieros civiles de investigación del CRREL diseñaron, construyeron y probaron una nueva pista de nieve para la Estación McMurdo , denominada "Phoenix". Está diseñada para dar cabida a aproximadamente 60 salidas anuales de aeronaves de transporte pesadas con ruedas. La pista de nieve compactada fue diseñada y construida para dar servicio a un Boeing C-17 que pesa más de 230 000 kg (500 000 lb) . Esto requirió conocimientos de ingeniería sobre las propiedades de la nieve endurecida mecánicamente. ^{[ 26 ]}  
• Neumáticos de invierno : Los neumáticos de invierno cumplen tres funciones: compactación, unión por cizallamiento y apoyo. En las carreteras, compactan la nieve que tienen delante y proporcionan una unión por cizallamiento entre la banda de rodadura y la nieve compactada. Fuera de la carretera, también proporcionan apoyo sobre la nieve compactada. El contacto de apoyo debe ser lo suficientemente bajo para que los neumáticos no se hundan demasiado y el avance se vea obstaculizado por la compactación de la nieve. ^{[ 27 ]} El diseño de la banda de rodadura es fundamental para los neumáticos de invierno utilizados en carreteras y representa un equilibrio entre la tracción sobre nieve y la comodidad y el manejo en carreteras secas y mojadas. ^{[ 28 ]}
• Deslizadores de nieve : la capacidad de un esquí u otro patín para deslizarse sobre la nieve depende tanto de las propiedades de la nieve como del esquí para que se produzca una cantidad óptima de lubricación por fusión de la nieve mediante fricción con el esquí; si es muy poca, el esquí interactúa con cristales de nieve sólidos, si es demasiada, la atracción capilar del agua de deshielo retarda el esquí. Antes de que un esquí pueda deslizarse, debe superar el valor máximo de fricción estática.${\displaystyle F_{max}=\mu _{\mathrm {s} }F_{n}\,}$, para el contacto esquí/nieve, donde${\displaystyle \mu _{\mathrm {s} }}$es el coeficiente de fricción estática y${\displaystyle F_{n}\,}$es la fuerza normal del esquí sobre la nieve. La fricción cinética (o dinámica) se produce cuando el esquí se mueve sobre la nieve. ^{[ 29 ]}

• Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente: Perspectivas mundiales sobre el hielo y la nieve.
• Instituto de Ciencias de Bajas Temperaturas, Universidad de Hokkaido
• Sitio web del Instituto Federal Suizo de Investigación Forestal, de la Nieve y del Paisaje
• Sitio web del Centro Nacional de Datos de Nieve y Hielo de EE. UU. sobre la ciencia de la nieve
• Mapa interactivo de cargas de nieve en el suelo para los Estados Unidos continentales, elaborado por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles.
• Clasificación Internacional de la Nieve Estacional en el Suelo (ICSSG) Archivada el 10/10/2018 en Wayback Machine