Efectos de la capa de nieve en el entorno climático luminoso urbano en las altas latitudes del noreste de China

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 8725 (2023) Citar este artículo

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El entorno climático ligero (LCE) tiene un impacto significativo en la salud humana, las características de comportamiento y la seguridad de la vida y la propiedad debido al alto albedo de la nieve en el tipo de cobertura del suelo, lo que a su vez afecta el clima regional y el desarrollo socioeconómico. pero se han encontrado estudios menos relevantes. En este estudio, el efecto de la nieve en los niveles de luz diurnos y nocturnos se cuantificó mediante observaciones de campo comparativas y experimentos controlados en cámaras climáticas artificiales, combinados con análisis de varianza y ajuste de modelos. Los resultados del estudio encontraron que había una diferencia significativa entre la presencia y ausencia de nieve en los niveles de luz tanto diurnos como nocturnos. Durante el día, el nivel de luz ambiental en el suelo con nieve es 5,68 veces mayor que sin nieve, una mejora de 12.711,06 lux. De noche, con luz de luna, la iluminancia nocturna con y sin nieve es de 0,213 Lux y 0,01 Lux, respectivamente. Cuando no hay luz de luna, la nieve no tiene ningún efecto significativo sobre el nivel de luz. Además, existen diferencias significativas en la intensidad del LCE con diferentes profundidades de nieve, densidades de nieve y contaminación por carbono negro (BC). Con la misma intensidad de luz de fondo, la intensidad del LCE varía significativamente con el aumento de la profundidad de la nieve, la densidad de la nieve y la contaminación de BC. Los resultados revelan el impacto cuantitativo de la nieve en el LCE, brindando respaldo científico para el uso regional de energía de luz natural, la salud y seguridad humana, la gestión ambiental urbana y el desarrollo económico.

El entorno climático luminoso (LCE) se refiere a las condiciones naturales de la luz natural exterior, que es un término general para la meteorología de los cambios o variaciones de la luz natural1. Influenciado por la trayectoria del movimiento solar, la luz local y las características climáticas, el LCE muestra una variación continua en diferentes períodos espaciales y temporales, lo que se refleja en la variación de los valores de iluminancia2. La nieve refleja mucho la luz solar y refleja más que todos los tipos de cobertura de la superficie de la Tierra2. La reflectividad de la nieve fresca y la nieve seca compacta llega al 86-95 %, lo que representa de tres a cuatro veces el albedo de la superficie de los pastizales y de dos a tres veces el de la cubierta forestal3,4,5. En las zonas de glaciares de alta montaña, la alta reflectividad de la nieve provoca que las retinas de las personas que no usan gafas de sol se irriten ante la luz brillante, lo que puede provocar dolores oculares leves o ceguera temporal, fenómeno conocido médicamente como “ceguera de la nieve”6,7 . La luz natural está estrechamente relacionada con la salud humana8,9,10,11; Rosenthal sugirió por primera vez en 1984 que la falta de luz natural puede causar una serie de problemas en el cuerpo, de los cuales el trastorno afectivo estacional (TAE) es un ejemplo típico12. Los biorritmos humanos están influenciados por la luz, que controla la secreción de melatonina por la glándula pineal, que a su vez afecta el sueño y el estado de ánimo13,14. La iluminancia y la distribución de potencia espectral influyen en gran medida en la secreción de melatonina15. Si las áreas residenciales están expuestas a un entorno de luz reflectante tan fuerte durante mucho tiempo, esto puede afectar el sueño normal y la calidad de vida de las personas y también puede causar diversas enfermedades, como pérdida de visión, pérdida de memoria y una alta incidencia de cataratas16. ,17. Debido a la presencia de nieve en los inviernos continentales de latitudes medias, la reflectividad media puede superar el 60%18,19. La capa de nieve de altas latitudes juega un papel importante en el LCE debido a su fuerte reflexión20,21,22. Debido a la existencia de una capa de nieve, no se han informado investigaciones cuantitativas sobre los impactos del LCE.

Recientemente, para ahorrar energía, los consumidores han comenzado a prestar más atención a la utilización de la energía de la luz natural y cada país industrial importante ha invertido una cierta cantidad de investigación23,24,25. En las últimas tres décadas, muchos académicos han utilizado métodos matemáticos para establecer modelos de eficacia luminosa en tiempo real para estudiar la relación entre la iluminancia exterior y la radiación solar utilizando datos de medición reales26,27, incluida la teoría fotométrica de Lambert28, el modelo de distribución de iluminancia de nubes totales y despejadas. sky29, modelo de iluminancia del cielo intermedio promedio, modelos de cielo nublado, modelo de iluminancia del cielo BRE30, modelo de distribución aleatoria de la iluminancia del cielo nublado de Tregnza31, modelo climático completo de Pérez32, modelo de iluminancia del cielo de Norio Igawa33 y modelo de iluminancia del cielo de Kittler34,35,36. Los académicos han utilizado los datos medidos por el Observatorio LCE de Beijing para construir una base de datos LCE correspondiente basada en datos de iluminancia y para configurar módulos de datos escalables37,38. Además, algunos académicos han discutido métodos de cálculo, métodos de diseño, tratamientos artísticos y medidas de ahorro de energía para climas de luz natural y artificial, así como clima de luz, aberturas de luz, diseño de iluminación y métodos de cálculo de luz39,40. Aunque los académicos han realizado investigaciones desde múltiples perspectivas sobre los cálculos y el diseño del clima luminoso, la nieve tiene un impacto significativo en la iluminación debido a su fuerte efecto reflectante sobre la radiación de onda corta41,42, pero hasta ahora falta investigación cuantitativa relevante.

Al ser la segunda zona estable de nieve más grande de China, la temporada de nieve en el noreste puede durar hasta seis meses43. Algunos estudios han demostrado que la luz artificial reflejada por la nieve puede ser dos veces más brillante que la luna llena en su punto más brillante44,45. Los valores de iluminación elevados provocan cambios en el LCE que afectan a los organismos, alterando los ritmos diarios, los patrones de migración e incluso los ciclos reproductivos46. Pero debido a las fuertes perturbaciones provocadas por la actividad humana, las sustancias absorbentes de luz depositadas en la superficie de la nieve oscurecen la nieve, lo que da como resultado niveles reducidos de luz15,35,47. Por tanto, es esencial investigar el impacto de la nieve en el LCE ambiental en el noreste de China. Este estudio enriqueció aún más la dirección de la investigación del LCE ambiental al explorar el efecto de la nieve en el LCE ambiental en el noreste de China a través de experimentos. Los resultados proporcionan referencias a investigaciones relacionadas en geografía, entorno luminoso y disciplinas interdisciplinarias.

Seleccionamos observaciones que se llevarían a cabo en Harbin, provincia de Heilongjiang, China. Como ciudad capital de la provincia de Heilongjiang, Harbin está ubicada en el sur de la provincia de Heilongjiang, 125 ° 42 ′ E – 130 ° 10 ′ E y 44 ° 04 ′ N – 46 ° 40 ′ N (Fig. 1a). Con una población residente permanente de 988,5 millones (hasta 2021), es la ciudad más poblada del noreste de China con la mayor superficie espacial. Harbin es una ciudad importante con alta latitud y baja temperatura y tiene un clima monzónico continental templado medio. Harbin es la capital con los recursos de capa de nieve más abundantes de China. Conocida como la “Ciudad de Hielo”, la temperatura promedio durante todo el año es de 5,6 °C, la temperatura promedio mensual más alta es de 23,6 °C, la temperatura promedio mensual más baja es de −15,8 °C, el invierno es largo y el verano es corto. .

(a) Área de estudio; y (b) el sitio de observación principal (en esta figura (a) fue creado en ArcGIS, versión 10.8).

El sitio de observación para este estudio se estableció en la Universidad Normal de Harbin, que está ubicada en el distrito de Songbei, Harbin (Fig. 1b). El sitio de observación específico está ubicado en la azotea este del quinto piso del edificio Politécnico No. 3. La luz artificial no influye en esta ubicación y está influenciada únicamente por la luz natural, lo que permite observar los valores de iluminancia ambiental exterior en condiciones de luz natural. Además, los días de observación en este estudio se eligieron para que fueran soleados, y los días de observación fueron con niveles bajos de nubes y no hubo efectos como neblina.

Seleccionamos los tres días del 29 de octubre, 2 de noviembre y 5 de noviembre de 2020 como valores de luminosidad del terreno libre de nieve. Las observaciones se realizaron a intervalos de una hora, ubicadas durante el día de 6:00 a 18:00 horas. Para evitar los efectos de la refracción y dispersión de los rayos del sol, en este estudio identificamos el período nocturno de 22:00 a 4:00. Las observaciones a mitad del mes lunar y al comienzo del mes lunar se eligieron en noviembre para representar los valores de fondo con y sin luz de luna, respectivamente.

Las mediciones se tomaron a intervalos de cinco días después de la primera nevada del 11 de noviembre y se tomó una medición adicional en caso de un día de nieve. El período de observación fue del 11 de noviembre (calendario lunar: 7 de octubre) de 2021 al 26 de febrero (calendario lunar: 26 de enero) de 2022, con un total de 22 días de mediciones. Las observaciones se realizaron a intervalos de una hora durante 24 h. Durante este período de observación, hubo siete nevadas; las cantidades de nieve y las temperaturas se muestran en la Fig. 2.

Nevadas y distribución de temperatura en Harbin durante el período de observación.

En este estudio, las pruebas en interiores utilizan principalmente cámaras climáticas artificiales para simular el entorno climático externo estableciendo condiciones ambientales fijas. La cámara climática tiene producción en fábrica de instrumentos experimentales Nanjing Jinheng (RCO2-15M3-10D). La configuración de la cámara climática artificial se ajustó antes del inicio de cada prueba y la temperatura se ajustó a -25 °C. Utilizamos el medidor de iluminancia de grado profesional con registro de datos TES-1339R (Fig. 3). TES-1339R es un medidor de iluminancia digital de alta precisión que se utiliza a menudo en el campo para mediciones de iluminancia. Estándar de reflectancia espectral especificado por la Asociación Internacional de Iluminación, este instrumento ha sido patentado por los Estados Unidos. DES.446 Al instrumento se le ha concedido una patente estadounidense: DES.446, 135 y DES.469, 025, rango de medición de 0,01 Lux a 999.900 Lux, que puede eliminar automáticamente la luz parásita y reflejar el verdadero valor de iluminación de la nieve después de la luz solar directa. . El valor de iluminación reflejado por la superficie del sol. Otros equipos de prueba incluyeron palas quitanieves, tamices para nieve, básculas, tamices comunes, palas y reglas.

Equipo de observación: a) caja climática artificial; (b) Medidor de luminancia de nivel profesional con registro de datos TES-1339R.

Las muestras de nieve de prueba se recolectaron el 9 de enero de 2022 (primera recolección) y el 22 de enero de 2022 (segunda recolección). La primera muestra de nieve se recolectó para el experimento sobre el efecto de la profundidad y densidad de la nieve en las condiciones ambientales de LCE, y la segunda muestra se recopiló para el experimento sobre el efecto de la densidad de la nieve en las condiciones ambientales de LCE. Se tomó la segunda muestra de nieve para repetir la prueba. El terreno de muestreo se muestra en la Fig. 1a.

Para minimizar el efecto de las diferencias en la luz solar directa y las perturbaciones humanas sobre las propiedades básicas de la nieve, recolectamos muestras de nieve de áreas expuestas tanto a la luz solar directa como a la sombra, así como de áreas donde la superficie de la nieve era plana y no pisoteada. Nos aseguramos de que la nieve fuera uniforme por naturaleza. La nieve se tamizó en la caja de prueba usando un tamiz de nieve inmediatamente después de que se recogió cada muestra (asegurando así que la nieve de prueba fuera uniforme). Este procedimiento de recogida aseguró que las muestras de nieve tuvieran una densidad similar y que la prueba se llevara a cabo rápidamente.

Las pruebas en interiores se realizaron utilizando cámaras climáticas artificiales. Configuramos las cámaras para simular condiciones climáticas externas estableciendo condiciones ambientales fijas. Antes de cada prueba, ajustamos la configuración de la cámara climática artificial a una temperatura de -25 °C.

Después de establecer las condiciones de la cámara climática artificial, ajustamos el nivel de iluminación cambiando la cantidad de luz en el suelo desnudo, y el nivel de iluminación inicial en el ambiente se registró para cada uno de los cinco niveles de luz como valor de fondo para el ambiente. iluminación. Designamos cuatro profundidades de nieve diferentes de 5 cm, 10 cm, 15 cm y 20 cm para las muestras de suelo en la cámara de prueba. La prueba se repitió tres veces (Fig. 4).

Muestras experimentales de nieve a diferentes profundidades.

Organizamos pruebas en interiores en una cámara climática artificial con ajustes separados de 0,01, 0,02, 0,03, 0,04, 0,05, 0,06, 0,07, 0,08, 0,09 y 0,10 g/cm3 de densidad de nieve, y ajustamos la iluminación para registrar cinco luces. niveles (100 W, 200 W, 300 W, 400 W y 500 W). Registramos los datos tres veces para cada conjunto de observaciones y con diferentes densidades de nieve. Luego se repitió la prueba tres veces (Fig. 5).

Muestras experimentales de nieve a diferentes densidades.

Se establecieron un total de tres parcelas de prueba de 1 × 1 m 2 el 22 de enero y el 26 de febrero de 2022 en el sitio de observación al aire libre. Espolvoree 10 g, 20 g, 30 g, 40 gy 50 g de contaminante con nieve y mezcle bien. En los datos de medición reales se toma el área central para todo el día y se registran los valores de iluminancia ambiental para las diferentes coberturas (Fig. 6).

Muestras experimentales de nieve a diferentes concentraciones de BC.

El análisis de varianza unidireccional (ANOVA) se utiliza para investigar si diferentes niveles de una variable de control tienen un efecto significativo sobre una variable observada. En este artículo, se utiliza el análisis de varianza (ANOVA) para analizar las diferencias en los efectos de la acumulación de nieve en el fotoclima ambiental para cada parámetro, principalmente bajo diferentes condiciones climáticas, diferentes fases lunares, cada período de acumulación de nieve, profundidad de la nieve y contenido de contaminantes de la nieve. sobre el fotoclima ambiental. Con prueba F para determinar si la diferencia es significativa. Como sigue:

Cada muestra de variables aleatorias se denomina grupo y \(\overline{X}_{i}\) se anota como la media del grupo i. La media de todos \(X_{ij}\) se llama media total. La suma de las desviaciones al cuadrado de la media de cada grupo de la media general es la suma de las desviaciones al cuadrado entre grupos, lo que refleja las diferencias entre grupos, donde \(SS_{A}\) es la suma de las desviaciones al cuadrado de la media de cada grupo de la media general (es decir, la suma de las desviaciones al cuadrado entre grupos, que refleja las diferencias entre grupos; \(SS_{E}\) es la suma de las desviaciones al cuadrado dentro de cada grupo, que refleja las diferencias dentro cada grupo; los grados de libertad de \(SS_{A}\) son \(v_{1} = r - 1\); los grados de libertad de \(SS_{E}\) son \(v_{2} = r\left( {{\text{k}} - 1} \right)\); \(MS_{A}\) es la diferencia cuadrática media entre grupos; y \(MS_{E}\) es la diferencia cuadrática media dentro del grupo.

Los individuos con diferentes niveles de influencia en LCE fueron independientes entre sí en este artículo. Se requieren pruebas de normalidad, pruebas de chi-cuadrado y pruebas de simetría esférica para probar los datos. Se utilizó un nivel de prueba de 0,05 para probar la normalidad en diferentes niveles de cada factor influyente (Prueba de Shapiro-Wilk). Valores de p superiores a 0,05 en cada nivel pueden considerarse que cada grupo de datos pertenece a una distribución normal en general.

Prueba t de muestras independientes (no existía correlación entre los grupos de tratamiento experimental; es decir, las muestras independientes), que se utiliza para probar la diferencia entre los datos obtenidos de dos muestras de sujetos no correlacionadas. En este estudio, utilizamos una prueba t para investigar y analizar la variabilidad de los niveles de luz en presencia o ausencia de nieve y en presencia o ausencia de luz de luna durante el día y la noche. El cálculo es el siguiente:

donde \(S_{1}^{2}\) y \(S_{2}^{2}\) representan varianzas muestrales; y n1 y n2 son tamaños de muestra.

Tres días consecutivos de observaciones del nivel de luz sobre un fondo libre de nieve (Fig. 7a). Los resultados muestran una tendencia de un solo pico durante el día, con valores de iluminancia ambiental crecientes de 6:00 a 12:00 y valores decrecientes de 12:00 a 17:00, con un valor de iluminancia promedio de 2713,66 Lux y un valor máximo de 5803,89 Lux a las 12:00 horas. El análisis de varianza muestra la iluminancia de tres días. Según el ANOVA, no hubo diferencias significativas entre los niveles de luz de tres días, lo que indicó que la distribución de los valores de iluminancia de fondo era estable. Hicimos un total de 19 observaciones con nieve (Fig. 7b). Los resultados mostraron que la variación diurna fue consistente con la distribución de iluminancia sin nieve, pero el valor promedio de iluminancia diurna fue de 12.178,31 Lux, con un valor máximo de 48.746,67 Lux, que fue aproximadamente 4,5 veces mayor que el de sin nieve. Estas 19 observaciones se vieron afectadas por variaciones de las nubes, lo que resultó en diferencias en el rango de valores de distribución de iluminancia diurna.

Caracterización de los valores de iluminancia hora a hora en el entorno (a) sin nieve, (b) con nieve.

Se comparan los valores de la diferencia de iluminación ambiental con y sin nieve (Fig. 8). Los resultados muestran que la nieve tiene un aumento medio de los niveles de luz a lo largo del día de 4732.853 Lux y un aumento medio diurno de 9465.659 Lux. Según los resultados de la prueba t, hubo una diferencia significativa (P <0,01) entre el efecto de la nieve sobre la iluminancia ambiental con y sin nieve, lo que indicó que la nieve tuvo un efecto significativo sobre la iluminancia ambiental. El efecto de la nieve sobre la iluminancia ambiental también mostró variaciones diarias, y el efecto de la nieve sobre la iluminancia fue inconsistente en diferentes momentos temporales. Este resultado indicó que el efecto de la nieve sobre la iluminancia estaba relacionado con la iluminancia de fondo.

Diagrama de diferencias de iluminación del entorno de nieve.

Como el ángulo de altitud solar varía con la hora local y la declinación del sol, el ángulo de altitud solar alcanza su valor mínimo para el año en el solsticio de invierno. En este estudio, la iluminación de fondo se tomó a finales de octubre/principios de noviembre, y las observaciones iluminadas por la nieve duraron de noviembre a febrero, con una gran diferencia en el ángulo de altitud solar al mismo tiempo. Por lo tanto, para analizar el efecto de la nieve en los niveles de luz con mayor precisión y evitar errores causados ​​por diferencias en los niveles de luz ambiental influenciados por diferencias en los ángulos de altitud solar, hicimos más comparaciones bajo el mismo nivel de luz de fondo del ángulo de altitud solar. Según la situación real en Harbin, los ángulos de altitud solar se dividieron en intervalos de cinco grados (Tabla 1).

El valor medio de iluminancia durante el periodo sin nieve fue de 2713,655 Lux y el valor medio de iluminancia durante el periodo con nieve fue de 15.424,714 Lux. La nieve aumentó los niveles de luz en un promedio de 12.711,059 Lux, un aumento del 468,41%, cinco veces mayor que sin nieve, lo que indicó que la nieve tuvo un impacto significativo en los niveles de luz ambiental. La iluminancia en presencia de nieve fue mayor que el valor de fondo en todos los diferentes intervalos de ángulo de altitud solar, que aumentaron al aumentar el ángulo de altitud solar. El efecto de la nieve sobre la iluminación varió con la intensidad de la luz de fondo (Fig. 9). La nieve fuerte que reflejaba la luz también era fuerte, la luz de fondo era fuerte y débil, y la nieve que reflejaba la luz también era débil. Por lo tanto, encontramos más evidencia de un aumento significativo de los niveles de luz debido a la nieve.

Valores de iluminancia ambiental con y sin nieve en el mismo rango de ángulos de altitud solar. (una característica; (b) valor de diferencia.

Un análisis más detallado mostró que el efecto de la nieve sobre la iluminancia se distribuía esencialmente simétricamente con una curva parabólica cuadrática a medida que el ángulo de altitud solar cambia a lo largo del día:

De la ecuación obtenemos:

Esto da una tasa de cambio en la nieve en función de la luminosidad de 48,922 Lux/grado por unidad de aumento en el ángulo de altitud solar a medida que el ángulo de altitud solar aumenta en presencia de nieve.

Para evitar los efectos de la refracción y dispersión de los rayos del sol, este trabajo considera el período comprendido entre las 22:00 y las 4:00 del día siguiente es la noche. Las observaciones a mitad del mes lunar y al comienzo del mes lunar se eligieron en noviembre para representar los valores de fondo con y sin luz de luna, respectivamente. Los resultados de los valores de fondo del nivel de luz nocturno se muestran en la Tabla 2 y la Fig. 10. La iluminancia nocturna fue de 0,010 Lux con luz de luna y 0,005 Lux sin luz de luna (es decir, 0,005 Lux más alta con luz de luna que sin luz de luna). La distribución de la iluminancia de 22:00 a 4:00 tuvo una diferencia significativa en la distribución. Los resultados de la prueba t mostraron una diferencia significativa entre la iluminancia con y sin luz de luna (P <0,01).

Características de los valores de iluminancia ambiental con y sin luz de luna cuando no hay nieve.

La distribución de los niveles de luz con y sin luz de la luna cuando había nieve se muestra en la Tabla 3 y la Fig. 11. Los resultados mostraron que la iluminancia nocturna con luz de la luna fue de 0,213 Lux y sin luz de la luna fue de 0,010 Lux. Cuando había nieve, la iluminancia con luz de luna era 0,203 Lux mayor que sin luz de luna. No encontramos una diferencia significativa en la distribución de la iluminancia de las 22:00 a las 4:00. Los resultados mostraron que la iluminancia con luz de luna cuando había nieve era significativamente diferente de la iluminancia sin luz de luna. También observamos una diferencia significativa en la iluminancia (P <0,01).

Características de los valores de iluminancia ambiental con y sin luz de luna cuando hay nieve.

Según este análisis, con la luz de la luna, la iluminancia nocturna con nieve era mayor que sin nieve, el nivel de iluminancia varía entre 0,07 y 0,13 Lux, en un promedio de 0,203 Lux. Sin luz de la luna, la iluminancia nocturna con nieve era mayor que sin la nieve. nieve, en una media de 0,005 lux. La diferencia con la luz de la luna fue mayor que la diferencia sin la luz de la luna, y esta diferencia fue la misma en cada momento. La prueba t mostró una diferencia significativa en la iluminancia con luz de luna y con o sin nieve, así como sin luz de luna y con o sin nieve (P <0,05).

Comparamos los valores de fondo del dominio en presencia de nieve (Tabla 4) y concluimos que la nieve aumentaba la iluminancia nocturna en un promedio de 0,203 Lux en presencia de luz de luna y 0,005 Lux en ausencia de luz de luna. Las pruebas t mostraron una diferencia significativa en el aumento de nieve en presencia y ausencia de luz de luna. Esto indicó además que la nieve tuvo un efecto significativo en los niveles de luz nocturna. La distribución de los niveles de luz en cada momento mostró que no había un patrón claro. En presencia de nieve, el aumento de luminosidad con luz de luna fue 20 veces el valor de fondo, y sin luz de luna, el aumento de luminosidad fue dos veces el valor de fondo.

En este estudio, investigamos el efecto de la profundidad de la nieve sobre la iluminancia mediante una prueba de interacción de dos factores (Tabla 5). Los resultados mostraron que la iluminancia con nieve era mayor que la iluminancia sin control de nieve, es decir, cuanto mayor era la profundidad de la nieve, más fuerte era la iluminancia ambiental. Sin nieve, la iluminancia promedio fue de 144,84 Lux, y cuando la profundidad de la nieve fue de 5 cm, 10 cm, 15 cm y 20 cm, los niveles de luz ambiental fueron de 882,85 Lux, 969,2 Lux, 977,6 Lux y 1073,35 Lux, respectivamente, lo que fueron 83,59%, 85,06%, 85,18% y 96,51% mayores que cuando no nevaba. Muestra que la profundidad de la nieve también es un factor en la iluminación, lo que indica que el albedo varía con la profundidad de la nieve. Los resultados de ANOVA mostraron diferencias significativas en las interacciones entre la profundidad de la nieve, el nivel de luz y la profundidad de la nieve*nivel de luz.

En la Tabla 6 se muestran más comparaciones múltiples de la profundidad de la nieve. Los niveles de 5 cm, 10 cm, 15 cm y 20 cm fueron significativamente diferentes entre sí en los niveles de probabilidad de 0,05 y 0,01.

El efecto de diferentes espesores de nieve sobre la intensidad de la iluminación bajo diferentes condiciones de luz se muestra en la Fig. 12. Los resultados mostraron que a medida que aumentaba el espesor de la nieve, los valores de intensidad de la luz seguían una tendencia creciente.

Comparación de valores de iluminación para diferentes espesores de nieve en diferentes condiciones de iluminación.

Se obtuvo un ajuste lineal de la profundidad de la nieve a los valores de iluminancia, y la ecuación para la relación entre la profundidad de la nieve y los valores de iluminancia bajo diferentes condiciones de iluminación se ajustó mejor como una función lineal (Tabla 7). Los resultados mostraron que los valores de iluminancia aumentaron rápidamente con diferentes intensidades de luz a medida que la profundidad de la nieve aumentó de 0 a 5 cm, y la tasa de aumento disminuyó significativamente por encima de los 5 cm. Por lo tanto, comparamos las tasas de cambio en los segmentos. La tasa de aumento de la iluminancia de 0 a 5 cm fue mucho mayor que la de 5 a 20 cm. Con 100 W, por ejemplo, se observó un aumento de la iluminancia de 63,346 Lux/cm de 0 a 5 cm y de 5,732 Lux/cm de 5 a 20 cm, 11,051 veces mayor que este último. A 200 w, 300 w, 400 w y 500 w, la tasa de aumento de la iluminancia fue 13,270, 14,716, 17,386 y 16,929 veces mayor para 0 a 5 cm que para 5 a 20 cm, respectivamente.

Además, los valores de luz para cada espesor de nieve con diferentes intensidades de luz se muestran en la Fig. 13. Los resultados mostraron que la tasa de aumento al aumentar la intensidad de la luz también aumentó con el espesor de la nieve para diferentes espesores de nieve. Un análisis más detallado muestra que a la misma profundidad de nieve, la tasa de impacto sobre los niveles de luz ambiental no es consistente en diferentes profundidades de nieve a medida que aumenta el nivel de luz ambiental. Cuanto mayor es la profundidad de la capa de nieve, más rápida es la tasa de aumento, al aumentar la intensidad de la luz, más rápida es la tasa de aumento (Tabla 8).

Efectos de la profundidad de la nieve sobre los valores de iluminancia en diferentes condiciones de luz.

Al controlar la prueba de interacción entre la densidad de la nieve y la intensidad de la luz, los resultados mostraron que bajo la misma intensidad de luz, cuanto mayor era la densidad de la nieve, más fuerte era la intensidad de la luz ambiental. Cuando la densidad de la nieve fue de 0,01 g/cm3, la intensidad de la luz ambiental fue de 910,48 Lux en promedio y la intensidad de la luz ambiental aumentó en un 58,33%, cuando la densidad de la nieve fue de 0,02, 0,03, 0,04, 0,05, 0,06, 0,07, 0,08 y 0,09 g/cm3, el nivel de luz ambiental aumentó en 13,84%, 25,43%, 31,83%, 35,93%, 36,68%, 38,07%, 38,61% y 39,42%, respectivamente. El análisis de varianza mostró diferencias significativas entre la densidad de la nieve y los niveles de luz en todos los casos (P <0,05) (Tabla 9).

En la Fig. 14a se muestra el efecto de distintas densidades de nieve sobre la intensidad de la luz bajo diferentes niveles de luz. Los resultados demostraron que los niveles de luz siguieron una tendencia creciente a medida que aumentaba la densidad de la nieve. La intensidad de la luz de varias densidades de nieve bajo diferentes intensidades de luz se muestra en la Fig. 14b. Los resultados demostraron que los valores de luz en todos los niveles de densidad de nieve también siguieron una tendencia creciente a medida que aumenta la intensidad de la luz.

Efectos de la densidad de la nieve en el LCE: (a) efecto de la densidad de la nieve en los valores de iluminación bajo diferentes condiciones de luz; y (b) efecto de la luz sobre los valores de iluminancia con diferentes densidades de nieve.

Un análisis más detallado muestra que a medida que aumenta la intensidad de la luz ambiental, el efecto sobre la intensidad de la luz en diferentes densidades de nieve, la tasa de cambio fue inconsistente. Cuanto menor sea la densidad de la nieve, más rápida será la tasa de aumento al aumentar la intensidad de la luz. Esto significa que la acumulación de nieve cuanto mayor sea la densidad, mayor será su efecto al aumentar la intensidad lumínica (Tabla 10).

Como uno de los factores importantes que influyen en el impacto de la nieve en el LCE, este estudio investigó el impacto del carbono negro (BC), el contaminante más activo en la superficie de la nieve, en el LCE a través de experimentos controlados. Llevamos a cabo el diseño experimental y la prueba de interacción de dos factores controlando el contenido de contaminantes BC y el nivel de luz (Fig. 15). Concluimos que, bajo el mismo nivel de luz, cuanto mayor era el contenido de contaminantes de BC, más débil era la luz ambiental y más débil era la intensidad de la luz ambiental (Tabla 11). Con el mismo contenido de contaminantes BC, la intensidad de la luz sobre la nieve aumentó a medida que aumentaba la intensidad de la luz. Cuando la superficie de la nieve estaba libre de contaminación por BC, la intensidad de la luz promedio fue de 882,85 Lux. Cuando el contenido de BC fue de 50 g, la intensidad de la luz promedio fue de 280,41 Lux y la intensidad de la luz ambiental se redujo en un 68,24%. Cuando el contenido de BC fue de 10 g, 20 g, 30 gy 40 g, la intensidad de la luz ambiental se redujo en un 42,98%, 53,12%, 61,58%, 61,58% y 65,25%. Los resultados de ANOVA mostraron diferencias significativas en los valores de iluminación para diferentes contenidos de BC en nieve con el mismo nivel de luz.

Efectos del carbono negro en la nieve sobre el LCE: (a) efectos de los contaminantes BC sobre los valores de iluminancia en diferentes condiciones de luz; y (b) efectos de la luz sobre los valores de iluminancia bajo diferentes contaminantes de BC.

Un análisis más detallado muestra que la tasa de efecto de las concentraciones de BC sobre la intensidad de la luz muestra variabilidad a medida que aumenta la intensidad de la luz ambiental (Tabla 12). Se puede observar que cuanto menor es la concentración de BC en la nieve, mayor es la tasa de influencia sobre el nivel de luz ambiental.

Este artículo proporciona una evaluación preliminar del efecto de la nieve sobre el fotoclima mediante pruebas observacionales y análisis estadístico. El estudio incluyó el efecto de la nieve durante el día y la noche del LCE. También se incluyen los efectos de la profundidad de la nieve, la densidad de la contaminación, etc. sobre las propiedades del fotoclima. Sin embargo, este estudio se limita a un experimento de observación de un año de duración, que simplemente revela la relación lineal y el efecto de la acumulación de nieve sobre la luminosidad. Es necesario explorar más a fondo el mecanismo del efecto de las características del manto de nieve sobre el clima ligero.

En la década de 1960, Me Zhensheng propuso una fórmula para comparar la radiación de onda corta emitida por varios tipos de suelo y comparó la diferencia de radiación cuando el suelo estaba cubierto de nieve y cuando no lo estaba48. Concluyó que cuando el suelo estaba cubierto de nieve, la radiación directa aumentaba aproximadamente un 20% en un día despejado y más del doble en un día nublado. Estos resultados sugirieron que en latitudes altas, la nieve tenía un efecto significativo sobre la iluminancia y, por tanto, tiene gran importancia para el LCE49. Sin embargo, faltan investigaciones sobre el efecto de la nieve sobre la iluminancia. Realizamos un estudio cuantitativo del efecto de la nieve sobre la iluminancia utilizando observaciones del mundo real.

Observamos una diferencia significativa entre el suelo con nieve y el suelo sin nieve, y el suelo con nieve aumenta significativamente el nivel de luz ambiental diurna. La iluminancia ambiental promedio diaria del suelo con nieve fue de 15.424,714 Lux y la iluminancia ambiental promedio diaria del suelo sin nieve fue de 2713.655 Lux, que fue 5.684 veces mayor que la iluminancia ambiental del suelo sin nieve, que fue un aumento de 12.711.059 Lux. . La iluminancia ambiental del suelo con nieve fue mayor que la iluminancia ambiental del suelo sin nieve en todo momento del día. El efecto de la nieve sobre la iluminación es una curva parabólica cuadrática con la ecuación: Y = 393,005 + 2050,578 X−48,922X2. La tasa de cambio de la iluminancia de la nieve fue de 48,922 lux/grado por unidad en el ángulo de altitud solar.

La nieve aumentaba la iluminación nocturna en presencia o ausencia de luz de luna. La iluminancia nocturna (de 22:00 a 4:00 de la noche) con y sin nieve cuando no hay luz de luna es de 0,010 lux y 0,005 lux respectivamente. La iluminancia nocturna con y sin nieve en presencia de luz de luna es de 0,213 Lux y 0,010 Lux respectivamente. Con una diferencia significativa en la iluminancia nocturna con y sin condiciones de luz de luna. La nieve aumentó el nivel de luz en 0,203 Lux con luz de luna y 0,005 Lux sin luz de luna. Desde las 22:00 hasta las 4:00 de la noche, en cada momento, hubo un efecto, pero ese efecto no fue significativamente consistente con el momento (P > 0,1).

Los contaminantes emitidos por las actividades humanas afectan profundamente la composición química del manto de nieve. El efecto directo de los componentes que absorben la luz (p. ej., carbono negro, carbono orgánico, polvo, etc.) es reducir el albedo del hielo y la nieve, calentar la capa de nieve y promover el derretimiento del hielo al absorber más radiación solar a medida que la nieve se derrite. La superficie del hielo se vuelve más oscura. Como resultado, la contaminación por nieve se está intensificando debido a las actividades humanas y no se debe subestimar su impacto en el entorno climático con poca nieve. Las sustancias que absorben la luz en la superficie de la nieve también incluyen polvo mineral, carbón pardo y carbón orgánico. El impacto cuantitativo de estas sustancias absorbentes de luz depositadas en la superficie de la nieve en LCE no se abordó en este estudio y debe explorarse en futuras investigaciones.

Las conclusiones de este estudio son las siguientes:

El suelo con nieve mejora significativamente los niveles de luz ambiental durante el día. La iluminancia ambiental del suelo con nieve es de 12.711,059 Lux, 5,684 veces mayor que la iluminancia ambiental del suelo sin nieve.

Por la noche, cuando hay luz de luna, la nieve aumenta la iluminación de la luz en 0,203 Lux y en ausencia de la luz de la luna, la iluminación de la nieve aumenta en 0,005 Lux.

El efecto del aumento de la profundidad de la nieve sobre la luminosidad aumentó en diferentes fondos de iluminación de luminosidad, y su tasa de aumento tiende a aumentar con el aumento de la profundidad de la nieve. En diferentes fondos de iluminación, la tasa de aumento fue de 6,534 Lux/cm, 7,769 Lux/cm, 11,697 Lux/cm, 17,726 Lux/cm y 18,070 Lux/cm. A medida que aumenta la densidad de la nieve, el efecto sobre el nivel de luz se vuelve más significativo.

Para la misma intensidad de luz de fondo, el contenido de sustancias de diferentes contaminantes BC tuvo un efecto significativo en el nivel de luz; a medida que aumenta el contenido de contaminantes BC, el efecto sobre la iluminancia se vuelve más significativo.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a la [confidencialidad del proyecto], pero están disponibles a través del autor correspondiente previa solicitud razonable. La correspondencia y las solicitudes de datos deben dirigirse a F. Zhang ([email protected]).

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Esta investigación fue financiada por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 42271136).

Laboratorio clave de simulación y patrones de la superficie terrestre, Instituto de Ciencias Geográficas e Investigación de Recursos Naturales, CAS, Beijing, 100101, China

Fan Zhang

Laboratorio clave de vigilancia del entorno geográfico y servicio de información espacial en regiones frías de la provincia de Heilongjiang, Universidad Normal de Harbin, Harbin, 150025, Heilongjiang, China

Nan Wang, Lijuan Zhang, Yue Chu, Shiwen Wang y Yutao Huang

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FZ y NW son los primeros coautores. FZ fue responsable de la recolección de muestras, la metodología, el análisis de datos, presentó las ideas de investigación del artículo y fue responsable de la redacción del manuscrito. NW fue responsable del diseño e implementación experimental, la recolección y el procesamiento de muestras de nieve y el análisis de datos. conceptualización, metodología, redacción, revisión y edición. YC fue responsable de la recolección y procesamiento de muestras de nieve y del análisis de datos en el laboratorio. SW fue responsable de la recolección y procesamiento de muestras de nieve y del análisis de datos en el laboratorio. YH fue responsable de la recolección y procesamiento de muestras de nieve y del análisis de datos en el laboratorio. Se solicita a todos los autores contribuyentes que den su consentimiento firmado para la publicación, para confirmar que han aprobado la versión final de su manuscrito y han hecho todas las declaraciones requeridas. .

Correspondencia a Lijuan Zhang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zhang, F., Wang, N., Zhang, L. et al. Efectos de la capa de nieve en el entorno climático luminoso urbano en las altas latitudes del noreste de China. Representante científico 13, 8725 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35825-x

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Recibido: 25 de enero de 2023

Aceptado: 24 de mayo de 2023

Publicado: 30 de mayo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35825-x

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