Interested Article - Морской лёд

Морско́й лёд — лёд , образовавшийся в море ( океане ) при замерзании воды . Так как морская вода солёная , её замерзание происходит при температуре около −1,8 °C для средней солёности Мирового океана .

Свойства

Основные физические свойства морского льда — пористость , температура и солёность, определяющие его плотность (от 0,84 до 0,94 г/см³) . Из-за малой плотности льда льдины возвышаются над поверхностью воды на 7–10% от их толщины (при отсутствии снега на поверхности льда). По сравнению с пресноводным он труднее поддаётся раздроблению на части и более эластичен . Оценка концентрации (сплочённости) морского льда обычно даётся в баллах — от 0 (чистая вода) до 10 (сплошной лёд).

Солёность

Солёность морского льда зависит от солёности морской воды, скорости льдообразования, интенсивности перемешивания воды и возраста льда . В среднем, солёность льда значительно ниже солёности образовавшей его воды, колеблясь от 0 до 15 промилле (в среднем 3–8 ‰) . Обычная солёность однолетнего морского льда составляет 5–6 г/кг, около 7 раз ниже солёности морской воды, а солёность многолетнего льда составляет около 1.5–2.0 г/кг .

Плотность

Морской лёд является сложным физическим телом, состоящим из кристаллов пресного льда, рассола, пузырьков воздуха и различных примесей. Соотношение составляющих зависит от условий льдообразования и последующих ледовых процессов и влияет на среднюю плотность льда. Так, наличие пузырьков воздуха ( пористость ) значительно уменьшает плотность льда. Солёность льда оказывает на плотность меньшее воздействие, чем пористость. При солёности льда 2 промилле и нулевой пористости плотность льда составляет 922 килограмма на кубический метр , а при пористости 6 процентов понижается до 867 кг/м ³ . В то же время при нулевой пористости увеличение солёности с 2 до 6 промилле приводит к увеличению плотности льда только с 922 кг/м ³ до 928 кг/м ³ .

Теплофизические свойства

Средняя удельная теплопроводность морского льда примерно в пять раз выше, чем у воды и составляет около 2,1 Вт/м·К, но к нижней и верхней поверхностям льда может уменьшаться из-за увеличения солёности и роста количества пор. Теплоёмкость морского льда приближается к теплоёмкости пресного льда с понижением температуры льда, когда солевой рассол вымерзает. С ростом солёности, а следовательно, увеличением массы рассола, теплоёмкость морского льда всё больше зависит от теплоты фазовых преобразований, то есть изменений температуры. Эффективная теплоёмкость льда увеличивается с повышением его солёности и температуры. Теплота плавления (и кристаллизации ) морского льда колеблется от 150 до 397 кДж/кг в зависимости от температуры и солёности (с повышением температуры или солёности теплота плавления понижается).

Оптические свойства

Чистый лёд прозрачен для световых лучей. Включения (воздушные пузырьки, солевой рассол, пыль ) рассеивают лучи, значительно уменьшая прозрачность льда. Оттенки цвета морского льда в больших массивах варьируют от белого до коричневого. Белый лёд образуется из снега и имеет много пузырьков воздуха или ячеек с рассолом. Молодой морской лёд зернистой структуры со значительным количеством воздуха и рассола часто имеет зелёный цвет. Многолетние торосистые льды, из которых выдавлены примеси, и молодые льды, которые замерзали в спокойных условиях, часто имеют голубой или синий цвет. Голубым также бывает глетчерный лёд и айсберги . В голубом льду чётко видна игольчатая структура кристаллов . Коричневый или желтоватый лёд имеет речной или прибрежный генезис, в нём имеются примеси глины или гуминовых кислот . Начальные виды льда (ледяное сало, шуга) имеют тёмно-серый цвет, иногда со стальным оттенком. С увеличением толщины льда его цвет становится светлее, постепенно переходя в белый. При таянии тонкие льдинки снова становятся серыми. В случае, если лёд содержит большое количество минеральных или органических примесей ( планктон , эоловые взвеси, бактерии ), его цвет может меняться на красный, розовый, жёлтый , вплоть до чёрного . В связи со свойством льда задерживать длинноволновую радиацию, он способен создавать парниковый эффект, что приводит к нагреванию находящейся под ним воды.

Механические свойства

Под механическими свойствами льда понимают его способность противостоять деформациям . Типичные виды деформации льда: растяжение, сжатие , сдвиг , изгиб . Выделяют три стадии деформации льда: упругая , упруго- пластическая , стадия разрушения. Учёт механических свойств льда важен при определении оптимального курса ледоколов , а также при размещении на льдинах грузов, полярных станций , при расчёте прочности корпуса судна . Традиционно физико-механические свойства морского льда изучаются на основании кернов и образцов, выбуренных из ровных ледяных полей, торосов и стамух. В последнее время для определения прочности льда безобразцовым методом также стал применяться скважинный зонд-индентор, состоящий из гидростанции, индентора, регистратора показаний датчиков давления, перемещения и сигналов трещинообразования во льду во время испытания. Применение данного способа позволяет значительно сократить временные затраты на исследования .

Условия образования

При образовании морского льда между целиком пресными кристаллами льда оказываются мелкие капли солёной воды, которые постепенно стекают вниз. Температура замерзания и температура наибольшей плотности морской воды зависит от её солёности. Морская вода, солёность которой ниже 24,695 промилле (так называемая солоноватая вода ), при охлаждении сначала достигает наибольшей плотности , как и пресная вода , а при дальнейшем охлаждении и отсутствии перемешивания быстро достигает температуры замерзания . Если солёность воды выше 24,695 промилле (солёная вода), она охлаждается до температуры замерзания при постоянном увеличении плотности с непрерывным перемешиванием (обменом между верхними холодными и нижними более тёплыми слоями воды), что не создаёт условий для быстрого выхолаживания и замерзания воды, то есть при одинаковых погодных условиях солёная океаническая вода замерзает позже солоноватой.

Классификации

Морской лёд по своему местоположению и подвижности разделяется на три типа:

припай (неподвижный лёд)
плавучие (дрейфующие) льды
паковые льды (дрейфующий лёд при сплоченности более 7/10)

Также морской лёд включает в себя недеформированные типы льда (ровный лёд) и деформированные типы ( торосы , стамухи, наслоенный лёд). Деформированный лёд составляет до 40-50% от общей площади морского льда в Арктике .

Прогноз изменения толщины ледового покрова к 2050 году

По стадиям развития льда выделяют несколько так называемых начальных видов льда (в порядке времени образования):

ледяные иглы
ледяное сало
снежура
шуга
внутриводный (в том числе донный или якорный), образующийся на некоторой глубине и на предметах, находящихся в воде, в условиях турбулентного перемешивания воды.

Дальнейшие по времени образования виды льда — ниласовые льды :

нилас, образующийся при спокойной поверхности моря из сала и снежуры (тёмный нилас до 5 см толщиной, светлый нилас до 10 см толщиной) — тонкая эластичная корка льда, легко прогибающаяся на воде или зыби и образующая при сжатии зубчатые наслоения;
склянки, образующиеся в распреснённой воде при спокойном море (в основном в заливах , около устьев рек), — хрупкая блестящая корка льда, которая легко ломается под действием волны и ветра;
блинчатый лёд , образующийся при слабом волнении из ледяного сала , снежуры или шуги или вследствие разлома в результате волнения склянки, ниласа или так называемого молодого льда, представляет собой пластины льда округлой формы от 30 см до 3 м в диаметре и толщиной 10–15 см с приподнятыми краями из-за обтирания и ударов льдин .

Дальнейшей стадией развития льдообразования являются молодые льды , которые подразделяются на серый (толщина 10–15 см) и серо-белый (толщиной 15–30 см) лёд.

Морской лёд, развивающийся из молодого льда и имеющий возраст не более одного зимнего периода, называется однолетним льдом . Этот однолетний лёд может быть:

тонким однолетним льдом — белый лёд толщиной 30–70 см
средней толщины — 70–120 см
толстым однолетним льдом — толщиной более 120 см

Если морской лёд подвергался таянию хотя бы в течение одного года, он относится к старым льдам . Старые льды подразделяются на:

остаточный однолетний — не растаявший летом лёд, находящийся вновь в стадии замерзания
двухлетний — просуществовавший более одного года (толщина достигает 2 м)
многолетний — старый лёд толщиной 3 м и более, переживший таяние не менее двух лет. Поверхность такого льда покрыта многочисленными неровностями, буграми, образовавшимися в результате неоднократного таяния. Нижняя поверхность многолетних льдов также отличается большой неровностью и разнообразием формы

Исследование морского льда на Северном полюсе

Толщина ровных многолетних льдов в Северном Ледовитом океане в некоторых районах достигает 4 м. В антарктических водах в основном находится однолетний лёд толщиной до 1,5 м, который исчезает в летнее время. По структуре морской лёд условно делится на игольчатый, губчатый и зернистый, хотя обычно он встречается смешанной структуры. Таяние льда происходит неравномерно из-за обратной связи лёд – альбедо и приводит к образованию на его поверхности талых прудов . При дренировании талых прудов могут также образоваться подлёдные слои талой воды и ложное дно .

Области распространения

По продолжительности сохранения ледяного покрова и его генезису акваторию Мирового океана обычно делят на шесть зон .

Акватории, на которых ледяной покров присутствует круглый год (центр Арктики, северные районы морей Северного Ледовитого океана, антарктические моря Амундсена , Беллинсгаузена , Уэдделла .
Акватории, на которых льды ежегодно меняются ( Баренцево , Карское моря).
Акватории с сезонным ледяным покровом, образующимся зимой и полностью исчезающим летом ( Азовское , Аральское , Балтийское , Белое , Каспийское , Охотское , Японское моря).
Акватории, на которых льды образуются только в очень холодные зимы ( Мраморное , Северное , Чёрное моря).
Акватории, на которых отмечается лёд, принесённый течениями из-за их границ ( Гренландское море , район острова Ньюфаундленд , значительная часть Южного океана , включая область распространения айсбергов .
Остальные акватории, составляющие бо́льшую часть Мирового океана, на поверхности которых льдов не бывает.

Примечания

Timco, G.W.; Frederking, R.M.W. (January 1996). . Cold Regions Science and Technology . 24 (1): 1—6. doi : . ISSN .
Sergey M Kovalev, Victor N Smirnov, Vladimir A Borodkin, Aleksandr I Shushlebin, Nikolay V Kolabutin. // International Journal of Offshore and Polar Engineering. — 2019-12-01. — Т. 29 , вып. 4 . — С. 369–374 . — ISSN . — doi : .
Чем старше лёд, тем меньше его солёность, так как солёный рассол при таянии стекает в море
В Антарктических водах встречались льды с солёностью более 22 промилле.
Cox, G. F. N.; Weeks, W. F. (1974). "Salinity Variations in Sea Ice". Journal of Glaciology . 13 (67): 109—120. doi : . eISSN . ISSN .
При исследовании пористость оценивается в процентах от общего объёма образца льда.
По данным таблицы в издании: Жуков Л. А. Общая океанология. — Л. : Гидрометиздат, 1976. с. 323
V.N. Smirnov, S.M. Kovalev, A.V. Chernov, A.A. Nubom, N.V. Kolabutin, E.V. Shimanchuk, K.A. Kornishin, Y.O. Efimov, P.A. Tarasov. (англ.) // Proceedings of the Twenty-ninth (2019) International Ocean and Polar Engineering Conference : Труды конференции. — 2019. — 16 июня. — С. 792-798 . — ISSN .
К.А. Корнишин, В.А. Павлов, А.И. Шушлебин, С.М. Ковалев, Я.О. Ефимов. (рус.) // Научно-технический вестник ОАО «НК Роснефть : Журнал. — 2016. — Январь ( № 1 ). — С. 47-51 . — ISSN .
Leppäranta, M. (2005). The Drift of Sea Ice. Springer-Verlag, New York, 266 p.
Жуков Л. А. Общая океанология. — Л. : Гидрометиздат, 1976. с. 334

Литература

Дерюгин К. К., Степанюк И. А. Морская гидрометрия. — Л. : Гидрометиздат, 1974. 392 с.
Дитрих Г., Калле К. Общее мореведение. — Л. : Гидрометеоиздат, 1961. 464 с.
Снежинский В. А. Практическая океанография. — Л. : Гидрометеоиздат, 1954. 672 с.
Шамраев Ю. И., Шишкина Л. А. Океанология. — Л. : Гидрометеоиздат, 1980. 386 с.
Четырёхъязычный энциклопедический словарь терминов по физической географии. — М. : Советская энциклопедия, 1980. С. 271.