ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 179
Скачиваний: 1
вследствие чего замерзание морской воды происходит иначе, чем пресной, при этом только часть солей переходит в лед, образовав шийся из морской воды, другая же часть стекает обратно в воду в виде солевого рассола, увеличивая тем самым соленость, а сле довательно, и плотность поверхностной воды. Это обстоятельство, с одной стороны, способствует поддержанию и усилению конвекци онных движений и тем самым задерживает замерзание, а с дру гой, требует дальнейшего понижения температуры, так как с уве личением солености понижается температура замерзания. Поэтому замерзание морской воды происходит не при одинаковой темпера туре, а при понижающейся.
В морях умеренных и высоких широт, так же как и в пресных водах, происходит образование глубинного и донного льда. Для этого необходимо некоторое переохлаждение и перемешивание воды, обеспечивающие теплоотдачу.
Интенсивное образование донного льда наблюдается в Азов ском и Балтийском морях, в морях Советской Арктики, в Гудзо новом заливе, в Центральной части Северного Ледовитого океана, в Антарктике. Известны случаи, когда в начале зимы в Балтий ском море суда оказывались окруженными огромным количеством льда, внезапно поднявшегося со дна моря. Обладая большой подъ емной силой, донный лед нередко выносит на поверхность воды куски почвы, камни, якоря и другие предметы.
Образование глубинного и донного льда в море, как и в прес ной воде, прекращается, когда на поверхности образуется сплош ная корка льда, задерживающая потерю тепла водой.
Льдообразование в Арктике и Антарктике. Поверхность Север ного Ледовитого океана и некоторых соединяющихся с ним морей, а также морей, окружающих Антарктиду, почти полностью покрыта многолетним полярным льдом, имеющим весьма специфические особенности. При отсутствии снежного покрова такой лед имеет бледно-голубой цвет в отличие от серовато-белого однолетнего льда. Поверхность полярного льда редко бывает ровной. Обычно она состоит из пологих холмов или гряд высотой около 1 м и про тяженностью 30—40 м.
В морях высоких широт лед образуется только после длитель ных осенних холодов, когда вся толща воды, охваченная верти кальной циркуляцией, охладилась до температуры замерзания.
Началу льдообразования благоприятствует спокойное море, на личие опресненного таянием льдов или речным стоком поверхност ного слоя воды, большая отдача тепла в атмосферу.
Образовавшийся осенью лед растет как обычный однолетний лед, и в течение первой зимы толщина его достигает 2—3 м. Ти пичная для такого льда соленость составляет 4%о. За короткое по лярное лето льдина полностью растаять не успевает. Однако за это время из льда вымывается большая часть солей и он превра щается в молодой полярный лед соленостью около 1°/оо. Выпадение солей может происходить и на следующий год, и лед становится почти пресным (соленость 0,5%о) •
122
В теплые месяцы снег и некоторая часть льда тает, и талая вода заполняет мелкие углубления в поверхности ледяного поля. Поскольку альбедо у воды меньше, чем у мокрого снега, то вокруг образовавшихся лужиц лёд тает быстрее и проталина постепенно становится глубже и обширнее.
Часть талой воды стекает под лед и, соприкасаясь у его ниж ней границы с холодной соленой водой, быстро замерзает. Поэтому при наступлении холодов толщина ледяного поля сразу возрастает. По Э. Паундеру (1967) «циклический процесс таяния льда на верх ней поверхности льдины летом и намораживание его внизу зимой продолжаются до тех пор, пока ледяное поле находится в доста точно холодных климатических условиях, чтобы не растаять пол ностью, и «равновесная» толщина 3—4 м достигается им за первые несколько лет существования. Если мы отметим в толще льда ка кую-то горизонтальную плоскость, расположенную на некоторой глубине, то с течением времени она будет как бы подниматься: лед, находящийся сегодня па глубине 2 м в толще льдины, через 2 или 3 года окажется на ее поверхности. Разумеется, средняя тол щина льда может быть различной в зависимости от изменений климата, воздействия ледяных наслоений и т. д. — часто встреча ются ледяные поля толщиной более 5 м».
Особенностью морских антарктических льдов являются живу щие в них одноклеточные водоросли — преимущественно диатомо вые. Поселения этих микроорганизмов встречаются во льду са мого различного возраста. Заселяя молодые льды с их нижней по верхности, дпатомеп проникают затем в толщу годовалых и много летних льдов. Слои льда, в которых обитают водоросли, имеют ржаво-коричневую окраску различных оттенков и интенсивности. По данным Л. М. Зауэра (1950), В. X. Буйницкого (1968) и ав тора (1971), проникая в морской лед и очень быстро в нем раз множаясь, диатомеи нарушают внутреннюю структуру льда, изме няют его свойства, существенно снижают прочность.
Таяние морского льда в основном зависит от интенсивности солнечной радиации и альбедо (отражающей способности) его поверхности, как правило, покрытой снегом. Прекращение роста п таяние льда обычно возникают прежде, чем температура воз духа повысится до точки плавления льда. При таянии морского льда (в районах с большой соленостью воды) одновременно про
исходят два взаимно противоположных процесса: |
стаивание |
с верхней поверхности и намерзание льда у нижней |
поверхности. |
Лед нарастает снизу, так как стекающие вниз талые воды за мерзают при соприкосновении с тяжелой и холодной подледной водой.
При температурах воздуха, близких к 0°С, ледяной покров в своих поверхностных слоях перекристаллизовывается и стано вится непрозрачным, белого цвета.
Первые признаки разрыхления морского льда, предшествующего его таянию, появляются вблизи его поверхности, поскольку пер выми очагами, вокруг которых происходит таяние, являются капли
123
рассола. Это понятно, так как вода менее прозрачна для тепловых лучей, чем лед, и, следовательно, нагревается быстрее. Рассол, по глощая тепло, растопляет лед и постепенно стекает вниз. Вследст вие этого в ледяном покрове появляется множество сквозных канальцев. Подледная вода проникает по ним в толщу льда, и ста новится возможным конвективное движение, способствующее уско рению таяния. Под действием тепла в пузырьках воздуха во льду образуется пар, который также способствует более интенсивному разрушению льда.
Прочность и структура пропитанного талой водой льда изменя ются так же, как у подмоченного водой куска сахара. Не изменяя существенно своих размеров, лед становится чрезвычайно хрупким и легко рассыпается при малейшем надавливании на него.
Игольчатый (прозрачный) лед весной распадается сначала на столбчатые отдельности (призмы), являющиеся монокристаллами льда, а в дальнейшем — на заостренные плоские ледяные пластины (иглы). Структурное разрушение такого льда начинается с появ ления в нем нитевидных белых прожилок (капилляров), проре зающих всю его толщу.
Мутный лед при таянии образует рыхлую массу ноздреватого строения. Процесс разрушения этого льда идет медленнее, чем раз рушение прозрачного. Слоистый лед тает медленно и сохраняется дольше, чем прозрачный.
Морской лед, до тех пор, пока он остается соленым, не делится на кристаллы при таянии. После вымывания рассола опресненный морской лед, подобно пресному прозрачному льду, приобретает игольчатую структуру или распадается в поверхностном слое на ■небольшие зерна неправильной формы, напоминающие гальку.
В арктических широтах морской лед за лето пропитывается водой и поэтому плохо промерзает с наступлением холодов. На мерзанию льда в осенне-зимний сезон предшествует затяжной про цесс консолидации ледяного покрова, когда за лето образуется большое количество пустот, заполненных талой водой.
§ 17. Физические свойства морского льда
Лед следует рассматривать как материал, который в течение зимы непрерывно меняет свои свойства, а следовательно, и проч ность. Даже в одном и том же районе, на одном и том же месте лед осенью и весной настолько различен по своим физико-механи ческим свойствам, что представляет собой совершенно различные физические тела. В природе существует множество разновидно стей (сортов) льда, зачастую резко отличающихся друг от друга.
Естественный ледяной покров представляет собой неоднород ную массу как по своему строению (примеси, чужеродные вклю чения, мозаичность и т. д.), так и по всей толщине. В зависимости от характера гидрометеорологических условий во время льдооб разования во льду появляются слои и прослойки, обладающие раз личными физическими свойствами.
Температура ледяного покрова неодинакова по вертикали и ме няется от температуры замерзания воды у нижней границы до близкой к текущей температуре воздуха на его поверхности. Соле ность льда также значительно изменяется в его поперечном се чении.
Лед является одним из немногих тел, у которых температура плавления лежит в пределах температуры воздуха и понижается при увеличении давления.
Термические свойства морского льда в большой степени опреде ляются его соленостью, а соленость льда, в свою очередь, зави сит от скорости замерзания. Содержание рассола во льду умень шается при понижении температуры и возрастает при ее повыше нии. По этой причине понятия теплоемкости и скрытой теплоты плавления в данном случае теснейшим образом взаимосвязанны и обнаруживают аномалии.
Теплоемкость морского льда при относительно высоких темпе ратурах и больших соленостях льда может достигать весьма боль
ших значений. Так, |
если теплоемкость пресного льда |
равна |
0,50 кал/г • град • С, |
то для морского льда соленостью |
10%о она |
повышается до 0,92 при температуре —10° и до 11,3 при темпера туре —2° С.
Скрытая теплота плавления чистого льда, по данным различных авторов, лежит в пределах 79,4—79,7 ккал. Указать точнее значе ние теплоты плавления морского льда невозможно, поскольку
внем непрерывно происходит процесс фазового перехода жидкости
втвердое вещество и, наоборот, твердого вещества в жидкость. При температуре —6° С скрытая теплота плавления для льда со
леностью 20%о равняется 60,6 ккал, а для льда соленостью 40%о —
49,5 ккал.
Коэффициент теплопроводности льда различной плотности ко леблется от 0,0054 до 0,0049.
Морской п пресный лед различно ведут себя при тепловом рас ширении. Известно, что пресный лед при повышении температуры расширяется; в пределах температур от 0 до —20° С коэффициент его объемного расширения равен 0,000165 и линейного —0,000055. Соленый лед, наоборот, увеличивается в объеме при понижении температуры от 0 до —23° С. Аномалия объясняется тем, что в ука занном температурном интервале одновременно действуют два вза имно противоположных процесса: процесс нормального уменьше ния объема за счет понижения температуры и процесс увеличения объема за счет вымораживания из солевого рассола, содержаще гося во льду, дополнительных порций льда. До температуры —23° С преобладает второй процесс, а затем остается действовать только первый процесс, приводящий к сокращению объема льда.
С наступлением тепла происходит термическое расширение ле дяного покрова. Возникающий вследствие термического расшире ния распор льда (т. е. давление, распространяющееся в горизон тальном направлении) сопровождается сильными подвижками льда и может причинить большие повреждения причалам, пирсам,
эстакадам, различного рода гидротехническим и инженерным со оружениям, а также судам, стоящим у стенок.
Соленость льда. Под соленостью льда понимается соленость воды, полученной при таянии льда.
Абсолютное значение солености льда колеблется в пределах от О до 15%о; среднее значение 3—8%0. Обычно считают, что в начале зимы соленость льда в среднем, как правило, в четыре—пять раз меньше солености воды, из которой он образовался.
Морской лед, особенно вновь образовавшийся, представляет собой конгломерат отдельных кристаллов пресного льда и жид ких прослоек солевого рассола, удержанного льдом при замерза нии воды.
Соленость льда зависит не только от солености воды, но и от скорости льдообразования, от состояния моря во время льдообра зования, от возраста льда и его высоты над уровнем моря. Чем скорее образуется лед, тем больше его соленость, так как в этом случае только небольшая часть рассола успевает просочиться ме жду кристаллами в воду. Заплескивание воды на поверхность новообразовавшегося ледяного покрова во время волнения также уве личивает соленость льда. По сравнению с пресноводным льдом морской лед обладает пониженной прочностью, величина которой зависит от величины его солености. Наименее прочным соленый лед бывает в начальный момент своего образования, когда он скорее представляет смесь воды и льда, чем лед в собственном смысле слова.
Поверхностные слои льда, которые образуются во время силь ных морозов, задерживают наибольшее количество капелек рас сола. С увеличением вертикальной мощности ледяного покрова интенсивность роста льда ослабевает, что ведет к уменьшению ко личества рассола в нижних слоях льда. По этой причине в образ цах морского льда наблюдается ясно выраженный «клин мутно сти» от молочно-белого или серого наверху до почти совершенно прозрачного в самых нижних слоях льда.
О |
том, какое количество рассола находится |
в морском льду |
||||||
дает представление следующая таблица. |
|
|
|
|
||||
Количество рассола в граммах на 1 кг морского льда |
|
|
||||||
при разных его температурах (по Н. Н. Зубову) |
|
|
|
|
||||
Соленость, |
|
|
|
Температура, |
°С |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
°/оо |
_о |
—4 |
- 6 |
- 8 |
-1 0 |
— 15 |
-2 0 |
—23 |
2 |
54 |
29 |
21 |
17 |
14 |
10 |
8 |
8 |
4 |
108 |
58 |
42 |
33 |
27 |
21 |
17 |
15 |
6 |
162 |
87 |
63 |
50 |
42 |
31 |
25 |
23 |
8 |
216 |
116 |
84 |
67 |
56 |
42 |
34 |
31, |
10 |
270 |
145 |
105 |
83 |
69 |
52 |
42 |
38 |
15 |
405 |
217 |
158 |
125 |
104 |
78 |
63 |
58 |
126
