Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

117

116

Глава IV

МОРСКИЕ ЛЬДЫ

§ 16. Образование и таяние морских льдов

Отправным пунктом для изучения физической сущности про­ цесса льдообразования служит теория строения воды.

По своим физическим и механическим свойствам морской лед существенным образом отличается от пресноводного. Это различие вызывается содержащимися в нем солями.

Для образования льда необходимыми и достаточными услови­ ями являются потеря тепла водой и некоторое ее переохлаждение,

атакже наличие в воде ядер кристаллизации.

Вприродных условиях в спокойной воде переохлаждение вы­

ражается обычно в десятых долях градуса и охватывает только тонкий поверхностный слой. (Наибольшего переохлаждения вода достигает при —1,4° С.) Ядрами кристаллизации обычно являются пыль, состоящая главным образом из зерен кварца, кристаллики снега, выпадающие на поверхность воды, и частицы льда, уже су­ ществующие в данном объеме. Ядра кристаллизации — это заро­ дыши, вокруг которых идет нарастание льда. Чем больше в воде ядер кристаллизации и чем она интенсивнее перемешивается, тем меньше будет ее переохлаждение.

Льдообразование в пресных водах. Рассмотрим несколько идеа­ лизированную картину замерзания пресного водоема. Горизонталь­ ные перемещения воды и воздуха временно не будем принимать во внимание. От осени к зиме происходит постепенное выстывание верхнего слоя воды. Охладившись до температуры наибольшей плотности 4° С и став более тяжелым, он опускается вниз, а на его место поднимаются менее плотные и сравнительно теплые слои; развивается вертикальная циркуляция (конвекция).

После того как весь перемешиваемый объем воды принял тем­ пературу наибольшей плотности, конвекция прекращается. После­ дующее охлаждение сказывается только на поверхностном слое воды, плотность которого становится меньше плотности подстила­ ющих его слоев. Это исключает возможность дальнейшего конвек­ тивного перемешивания. После такой «подготовки» воды происхо­ дит образование ядер кристаллизации в самом верхнем переохлаж­

119-

денном ее слое. Частицы первого льда, как только они становятся видимыми, имеют форму мелких дисков. Из них в дальнейшем образуются кристаллы льда. Рост кристаллов сначала происходит в горизонтальном направлении. Когда горизонтальный рост пре­ кращается, начинается рост кристаллов в вертикальном направ­ лении, и на поверхности водоема появляется сплошная корка льда, как результат статического льдообразования. Дальнейший рост толщи ледяного покрова происходит за счет теплообмена на гра­ нице лед—воздух. В этом случае образуется плотный прозрачный, без примесей и пузырьков воздуха игольчатый лед, который может быть представлен как сросток усеченных призм и пирамид. Раз­ мер каждого кристалла льда, образующегося в спокойных усло­ виях, нередко достигает 10 см и более. Игольчатый лед-—самый прочный вид льда, но в то же время и самый хрупкий.

Температурный профиль озера в зимнее время имеет весьма характерные очертания. У нижней границы льда температура воды близка к 0°С. Далее располагается термоклин (граница темпера­ турных слоев), характеризующийся перепадом температуры от О до 4° С. Глубина этого слоя зависит от степени суровости и про­ должительности зимы. Ниже термоклина вся масса воды имеет одну и ту же температуру 4° С.

Чтобы показать реальные условия в естественном водоеме, рас­ смотренную схему замерзания следует несколько видоизменить. Если замерзанию сопутствует ветер, охлаждение воды происходит быстрее благодаря испарению воды и турбулентности воздуха, по­ этому и лед появляется несколько раньше. Вместе с тем, сильные ветры вызывают интенсивное перемешивание верхних слоев, при этом на поверхность выходит теплая вода из глубины, толщина термоклина возрастает, а ледостав задерживается. По этой при­ чине некоторые из озер, например Онтарио, Гурон и Верхнее (Се­ верная Америка) никогда не покрываются льдами полностью.

В условиях турбулентного перемешивания воды под влиянием сильных течений и волнения, вызываемого ветром, образование ядер кристаллизации будет иметь место во всем объеме перемеши­ ваемой воды, а не только в тонком поверхностном слое. Теплота льдообразования будет вихрями выноситься на поверхность и отда­ ваться в атмосферу. Такими же вихрями будут захватываться с по­ верхности и уноситься на глубины переохлажденные частицы воды и порции холодного воздуха, что способствует переохлаждению всей массы воды. Поэтому образование льда происходит не только у поверхности, но и на различных глубинах, на дне, а также на предметах, находящихся под водой (тросах, сетях и т. д.).

Лед, образовавшийся в этих условиях, принято называть внутриводным льдом. Он возникает в результате динамического льдо­ образования.

Термин «внутриводный лед» характеризует генетическое отли­ чие этого вида льда от льда поверхностного образования и объ­ единяет два распространенных названия: глубинный лед и дон­ ный, или якорный, лед.

120

Внутриводный лед представляет собой губчатую ноздреватую’

образная). Промежутки между кристаллами льда могут быть за­ полнены пузырьками воздуха или водой, а также содержать вклю­ чения песка, ила и т. д., в результате чего внутриводный лед не­ прозрачен. Кристаллы, сталкиваясь и частично смерзаясь, обра­ зуют комья, всплывающие на поверхность воды. В свою очередь комья, соединяясь, образуют «ковры» и «венки».

Название «донный лед» применяют в тех случаях, когда речь идет об образовании или всплывании внутриводного льда, образо­ вавшегося на дне. Он представляет собой рыхлую массу и отлича­ ется большой плавучестью. Нарастание ледяных кристаллов на дне может происходить иногда настолько быстро, что в течение суток образуется слой мягкой мохоподобной ледяной массы тол­ щиной до 1 м.

Важную роль в образовании донного льда играет характергрунта. Наиболее интенсивно он образуется на скалистом грунте,, хуже — на песчаном и илистом.

Поднятие донного льда на поверхность воды обычно приурочено к рассвету, т. е. ко времени наиболее сильного охлаждения.

Ледяной покров, образовавшийся из смерзшегося глубинного' или донного льда, а также в результате непосредственного замер­ зания воды в условиях ветра и волнения, имеет мутный (белесо­ ватый) цвет. Его прочность ниже прочности прозрачного льда.

Слоистый лед является комбинацией прозрачного и мутногольда и состоит из параллельных слоев обеих разновидностей льда.

Зимой лед независимо от его характера имеет более или ме­ нее ясно выраженную кристаллическую структуру с характерной раковистой (стекловидной) поверхностью излома. В естественных условиях чаще всего встречается мелкокристаллический лед. Раз­ меры кристаллов льда, образующихся на взволнованной поверх­ ности воды, не превышают, как правило, 0,5—2 см.

Льдообразование в морях умеренных широт. В этих широтах ледяной покров представляет сезонное явление. В открытом оке­ ане на широтах ниже 60° (северной или южной) морской лед боль­ шого значения не имеет, однако для таких акваторий, как, на­ пример, Гудзонов залив, залив Святого Лаврентия, Балтийское и Охотское моря, Азовское море, он играет чрезвычайно важнуюроль.

Процесс замерзания солоноватых вод (до 24,695%о) происходит так же, как и в пресной воде: вода сначала достигает температуры наибольшей плотности при данной солености, а затем точки за­ мерзания. В этом случае температура ниже термоклина будет равна температуре максимальной плотности, т. е. будет различной в за­ висимости от солености.

При солености 24,695%0 температуры замерзания и наибольшей плотности одинаковы (—1,332° С) . При солености больше 24,695%0 температура наибольшей плотности ниже температуры замерзания,.

121