Файл: Егоров Н.И. Физическая океанография.pdf

В среднем, как это следует из более поздних работ, содержа­ ние рассола колеблется от 19% в начальный период льдообразо­ вания до 3—5% в середине зимы, достигая 14% весной. Рассол со­ стоит из солей с различными температурами кристаллизации. Начальной температурой выпадения солей из раствора является температура кристаллизации карбонатов (порядка —2°С). При по­ следующих понижениях температуры количество жидкой фазы уменьшается благодаря вымораживанию новых порций льда, зато концентрация рассола (солевой рапы) непрерывно увеличивается. Так будет продолжаться, пока рассол не примет температуру —23° С, которая называется эвтектической. При этой температуре выделяются в твердом состоянии и лед и соли хлористого натрия, па долю которых приходится 92,1% всех солей. Полное отверде­ вание морской воды происходит при температуре —36° С и обус­ ловлено выпадением из раствора хлористого магния.

Вусловиях морозной погоды на поверхности ледяного покрова

втечение длительного времени может сохраняться тонкая пленка

концентрированного рассола, выжатого из капилляров во льду или образовавшегося в результате вымораживания морской воды, заплеснутой на лед во время льдообразования.

При полном вымерзании поверхностного рассола на льду появ­ ляется налет кристаллов соли. Наличие такого налета исключает возможность передвижения на лыжах или санях, поскольку со­

до 50—100%. Соленый лед значительно слабее пресного и только во время сильных морозов, когда полностью вымерзает солевой рассол, существенные различия в прочности обоих видов льда ис­ чезают.

Условия плавания в пресных и соленых льдах различны. Прес­ ный лед крошится на мелкие куски, которые облепляют судно, за­ держивая его ход. Соленый же лед ломается на большие глыбы, которые расступаются легче и не задерживают в такой степени ход, как лед пресный. Когда боком или скулой ледокол нажимает на льдину соленого льда, то она обминается, а не крошится, как пресная льдина.

Присутствие на льду снежного покрова препятствует плаванию. Снег защищает ледяной покров от действия морозов, благодаря чему он не столько колется, сколько обминается, что значительно осложняет его ломку.

Плотность льда. Плотность чистого пресного льда, лишенного

в более широких пределах, чем пресноводного, и зависит от его температуры, солености, пористости, возраста льда и условий льдообразования. Чем больше возраст льда, тем плотность его меньше. При разных температурах и соленостях она лежит в ин­ тервале 0,85—0,94 г/см3.

127

Пористость льда выражается в процентах и характеризует собой отношение объема пузырьков воздуха или газов, находя­ щихся во льду, к общему его объему. Содержание воздуха в мор­ ских льдах может колебаться от 4 до 8—13% •

Оптические свойства льда. Чистый лед прозрачен для лучей видимого света. Поглощающая способность льда определяется по обычному экспоненциальному закону поглощения

/ « / о ехр (—kx),

где /■—интенсивность света после прохождения им слоя льда тол­ щиной х см. При

k = \0 - 10-3 см-1

метровый слой льда поглощает 63% света, падающего на его по­ верхность. Лед, содержащий пузырьки воздуха или какие-либо другие инородные включения, пропускает свет значительно хуже, так как в его толще происходит еще и рассеивание световых лу­ чей. Прозрачность морского льда, в частности, при температуре ниже —10° С, сравнительно невелика, поскольку в нем всегда име­ ются капельки рассола или частицы выпавших в осадок солей.

Другим важным свойством льда является двойное лучепрелом­ ление. С точки зрения оптики лед представляет собой одноосевой кристалл, оптическую ось которого кристаллографы называют С-осью. Если луч света направлен параллельно С-оси, его прохож­ дение через лед происходит обычным путем. Когда же свет па­ дает под некоторым углом к С-оси, он разлагается на так называе­ мые обыкновенный и необыкновенный лучи, которые проходят толщу льда с разными скоростями и поэтому преломляются под разными углами. Показатели преломления для этих лучей имеют следующие значения.

Оптические свойства льда существенно облегчают изучение его внутренней структуры, что, в свою очередь, способствует решению вопросов таяния и распада льда.

Радиационные свойства льда. Так как льдина оптически не­ однородна, рассеянная радиация, падающая на нее под различ­ ными углами и с разных направлений, легче проходит сквозь лед. Поэтому лед более прозрачен для рассеянной радиации, чем для прямой. Особенно хорошо проницаем он для коротковолновой ча-

128

сти спектра лучистой энергии. Лед даже в очень тонких пластин­ ках совершенно непрозрачен для земного излучения. Это обстоя­ тельство имеет большое значение. Солнечная радиация, проходя сквозь лед, достигает верхнего слоя воды и почти целиком погло­ щается. Обратной отдачи подледной водой тепла в атмосферу не происходит, так как лед задерживает длинноволновое излучение и создает, подобно стеклу, оранжерейный, или парниковый, эффект. Благодаря этому лед не только предохраняет лежащие под ним слои воды от охлаждения, но и способствует их нагреванию.

Электрические свойства морского льда. Электропроводность чистого льда чрезвычайно низка —10-8—10~9 (ом-см)-1, что дает основание отнести лед к классу полупроводников.

Электрические свойства морского льда зависят от количества содержащегося в нем рассола. Ячейки с рассолом выполняют роль тонких проводников низкого сопротивления. Экспериментальных данных по электропроводности и диэлектрической проницаемости такого льда пока еще немного. По данным Кука (1960), диэлек­ трическая постоянная морского льда близка к ее значениям для чистого льда и колеблется в пределах от 3 до 4. С уменьшением температуры диэлектрическая проницаемость льда уменьшается. И. С. Песчанский (1963) указывает, что диэлектрическая прони­ цаемость льда зависит также от возраста льда; у многолетних и паковых льдов она практически такая же, как у пресного льда.

§ 18. Механические свойства льда

Под механическими свойствами льда, так же как и механиче­ скими свойствами любого твердого тела, понимается его способ­ ность сопротивляться воздействию внешних сил. У различных сор­ тов льда в зависимости от их структуры, солености, плотности, слоистости, пористости, внутренних дефектов (микротрещины, рых­ лые места), температуры и пр., эта способность будет неодинакова. Мелкокристаллический лед отличается более однородными меха­ ническими свойствами, чем лед крупнокристаллический. Кроме того, на механические свойства льда оказывают существенное влия­ ние гидрометеорологические условия, в которых он находится, и длительность воздействия на него внешних сил.

Очевидно, что каждая разновидность льда должна характери­ зоваться определенными (числовыми) величинами механических свойств. Эти величины имеют значения постоянных только для данного льда в данных гидрометеорологических условиях. Кроме того, величины, определяющие механические свойства льда, имеют достоверный характер лишь тогда, когда они получены в системе «вода—лед». Ледяной покров, располагающийся на упругом осно­ вании, каковым служит вода, представляет собой совершенно иной, во много раз более прочный материал, чем лед, лишенный такого основания.

Лед-—сложное вещество. Он сочетает в себе свойства упругого и пластического тела, являясь по своей природе пластическим

материалом, и под действием тяжести способен течь подобно тому, как текут вязкие жидкости. Характерным примером текучести льда может служить движение ледников, спускающихся по скло­ нам гор.

Морской лед по сравнению с пресноводным отличается боль­ шой пластичностью. Под влиянием приливных колебаний уровня или под действием волн он свободно изгибается, повторяя их очер­ тания. Наползая на берега и следуя форме уступов и ступеней, он может подниматься вверх до высоты 15 м. Но такой высокой пластичностью морской лед обладает лишь при температурах, близких к точке его плавления.

Для льда подходит следующий тип уравнения текучести:

где а — напряжение; е — деформация сдвига; т — эмпирический коэффициент (приблизительно равен 3,1 для напряжений в диа­ пазоне от 1 до 10 кг/см2); k — параметр, зависящий от темпера­ туры. По Глену (1958), параметр k уменьшается при изменении температуры от —1 до 10° С приблизительно в шесть раз.

Упругие свойства льда проявляются при действии кратковре­ менной нагрузки. В этом случае он испытывает деформацию, в со­

в первоначальное состояние, когда напряжение снимается.

Опыт плавания в ледовых условиях, а также практика исполь­ зования ледяного покрова для проведения тех или иных действий на льду или со льда показали, что к нему нужно подходить так же, как к любому инженерному сооружению, и рассчитывать его проч­ ность, принимая во внимание качество материала, окружающую гидрометеорологическую обстановку и комплекс условий работы.

При расчетах несущей способности (грузоподъемности) льда обычно используются следующие характеристики: предел и модуль упругости льда, временное или разрушающее сопротивление на изгиб и коэффициент Пуассона.

Предел упругости льда X— величина того напряжения, при ко­ тором лед перестает быть упругим и становится пластичным (по­ являются остаточные деформации, обусловленные текучестью льда).

Предел упругости льда величина не строго постоянная, она может изменяться в значительных пределах в зависимости от тем­ пературы, структуры, солености, плотности льда, времени дейст­ вия нагрузки и других факторов. Чем ниже температура льда, тем выше для него значения предела упругости и тем в большем диапа­ зоне действует закон Гука. При температуре льда —5° С предел упругости 4,0—8,0 кг/см2, а при температуре льда —23° С предел упругости повышается до 13,0—25,0 кг/см2.

М о д у л ь у п р у г о с т и л ь д а Е, или модуль Юнга, — коэффи­ циент пропорциональности деформаций действующему напряжению

130