Структура и свойства морского льда

С позиций физики твердого тела морской лед представля­ет собой конгломерат отдельных кристаллов пресного льда и, за­ключенных между ними капелек морской воды (рассола), обусловливающих его соленость, пузырьков воздуха, обусловливающих его пористость. Основные его теплофизические свойства прямо или косвенно зависят от целого ряда взаимосвя­занных между собой и переменных во времени параметров - солености, плотности, пористости, структуры и текстуры. Определя­ющее значение из них имеет соленость, под которой понимают количество солей в жидкой и твердой фазах, приходящихся на весовую единицу морского льда.. Концентрация и объем рассола в ячейках, как и объем твердой фазы, непрерывно изменяются в соответствии с колебаниями температуры (либо часть рассола вымерзает, либо часть льда переходит в рассол). Это обусловле­но избирательностью кристаллизации растворенных в морской во­де солей. Основная масса солей, содержащихся в морском льду, кристаллизуется при температуре -23°С. Считается, что полное отвердение морской вода наступает при -36°С, хотя некоторые следы рассола в толще монолитного льда обнаруживаются методом ядерного магнитного резонанса при температурах значительно ниже указанной. [1] Начальная соленость образовавшегося морского льда колеблется в широких пределах, от 2 до 20%,в зависимо­сти от солености замерзающей морской воды и скорости ледооб­разования. Со временем, в результате постепенного стекания рассола из солевых ячеек, соленость морского льда понижается до 3-1 %. В гораздо меньшей степени наблюдается и противо­положный стеканию рассола процесс, а именно: при малых сече­ниях капиллярных пор гидростатические силы приводят к подъёму рассола до поверхности льда. Это является одной из причин, препятствующих полному опреснению многолетних льдов, соленость которых в среднем не превышает 0,5%.

По мере увеличения толщины льда скорость вертикальной ми­грации рассола становится различной по глубине залегания слоев. Самые верхние слои имеют наиболее низкую тем­пературу и здесь жидкая фаза в большей мере оказывается вымо­роженной и ограниченной в способности перемещения. Слои льда, расположенные ближе к нижней поверхности, имеют небольшую от­рицательную температуру. Они более насыщены рассолом и сток рассола в них более интенсивен, чем в верхних слоях.

Таким образом, складывается ситуация, когда в толще льда образуются два максимума солености - в самом верхнем слое и в самом нижнем. В верхнем слое рассол оказывается в значите­льной мере зафиксированным, в нижнем слое он многочислен из-за стока рассола из средних слоев. С увеличением толщины льда соленость вновь образующегося слоя уменьшается. В связи с этим уменьшается и средневзвешенное значение солености льда для всей его толщины в целом. При этом отмеченные два максимума солености сохраняются долгое время (до начала летного таяния). Такая картина формирования солености характерна для периода нарастания льда в спокойных погодных условиях.

Однако часто ледяной покров нарушается образующимися трещинами, че­рез которые происходит выход соленой воды на поверхность льда, притопленного из-за больших скоплений снега.

На распределение солей в толще льда влияют и динамические процессы, имеющие место в период становления ледяного покрова (разломы, надвиги и торошение первичных образований льда). Из-за процессов на­рушения горизонтальной послойности льда, распределение и ко­личество солей в нем может бить весьма различным. Это харак­терно для многих районов Арктики.

Совершенно особые условия формирования солености льда наблюдаются в Антарктике, в зонах "инфильтрационного ледооб­разования". В них лед образуется преимущественно из пропитан­ного морской водой снега и отличается высокими значениями со­лености.

Таким образом, различные условия формирования льда обус­ловливают большой диапазон значений его солености, особенно в верхнем слое. При оценке солености ледяного покрова целесообразно рассматривать в отдельности различные области Мирово­го океана, различая их по суровости климата и типу ледообразования.

Плотность морского льда зависит от его температуры, со­лености и пористости, т.е. от характеристик определяемых гла­вным образом возрастом льда и условиями его образования. В зимний период она составляет 0,860-0,920 г/см³ для однолетне­го льда и 0,830-0,900 г/cм³ для многолетнего. Летом, вследствие усиленного стока рассола, она падает иногда до 0.560 г/см³. Наличие воздушных и газовых включений в толще морского льда обусловливает его пористость, которая определяется как проце­нтное содержание объема пузырьков воздуха и газов, находящих­ся в образце, к общему его объему. Наличие воздушных и газовых включений в толще морского льда, проявляющихся обычно в виде пузырьков различного разме­ра, влияет на его термические свойства, снижая способность проводить тепло. Содержание воздуха в морс­ком льду значительно и может колебаться от 1 до 50 см³/кг. Видимо, основную роль в формировании пористости морского льда играют процессы выделения газов из воды и рассола, связанные с зависимостью растворимости газов от колебаний температуры воды.

Образующийся в природе из морской воды лед содержит те же химические элементы, что и вода, однако, как правило, в гораз­до меньшей концентрации.

Главные формы внутреннего строения морского льда, положенные в основу его структурной классификация, определяются типом ледообразования. Основным и преобладающим по распро­страненности является конжеляционное ледообразование, при ко­тором прирост толщины первоначального слоя льда происходит за счет развития слагающих этот слой кристаллов и формирования новых кристаллов непосредственно из подстилающего слоя воды. Если этот про­цесс не нарушается сильным волнением и ветром, образовавшийся лед имеет главным образом вертикально - волокнистую структуру, и прирост массы льда обычно соответствует ее тепловому эквиваленту, выраженному через теплоту плавления. При конкретных гидрометеорологических условиях конжеляционное ледообразование соп­ровождается намерзанием на нижней поверхности автономных ледяных кристаллов - элементов внутриводного льда, снежуры и шуги. Доля этих форм льда в массе отдельных слоев ледяного поля мо­жет быть значительной и составлять единицы и более процентов. Поэтому образовавшийся таким способом лед переходит в катего­рию также достаточно широко распространенных конжеляционно-внутриводных льдов. Широкий диапазон факторов, обусловливающих развитие конжеляционно - внутриводного льда, предопределяет образование разных модификаций его структуры - от волокнистой, с вкраплениями изометрических кристаллов, до мелко- и средне-кристаллической с различной зернистостью и неправильной формой кристаллов. Для льда этих типов образования характерны малая соленость с максимумом в нижних слоях и высокая прочность с минимумом также в нижних.

Принципиально иное строение имеет лед, образовавшийся пo инфильтрационному типу ледообразовании. Он является продуктом смерзания снежной массы, пропитанной морской водой, вытесненной на поверхность льда тяжестью снежного покрова. Отличается мелкозернистой структурой с хаотической оптической opиeнтировкой кристаллов.

Разумеется, изложенное является лишь схемой, отражающей основные различия внутреннего строения льда, которые вытекают из разных механизмов его образования. Реально же, в зависимос­ти от изменчивости гидрометеорологических условий, динамики во­доема, направления и устойчивости теплопотоков, нарастания толщины, формируется большое количество структурных видов мор­ского льда и их комбинаций, так или иначе влияющих на физичес­кие свойства ледяного покрова.

Изучив различные источники по теме данной работы, можно сделать вывод, что свойства морского льда зависят от ряда изменчивых гидрометеорологических условий, температурных и химических свойств морской воды, течений.

Рассмотрев условия образования и существования морских льдов и их роль в ледниковые периоды, можно сказать, что морские льды Арктики, периодически покрывающие всю акваторию Северного Ледовитого океана, выполняют важные функции в формировании теплового баланса полярной области. Появление морского льда изменяет отражательную способность подстилающей поверхности в среднем от 15% (чистая вода) до 90% (лед, покрытый снегом). Кроме того, морской лед играет роль теплоизолирующего слоя между водой и воздухом, в сотни раз уменьшая теплоотдачу из океана в атмосферу. Таким образом, морские льды служат своеобразным регулятором поглощения и отдачи тепла полярным океаном, что делает их важным звеном, поддерживающим колебательный режим климатической системы.

Контрольные вопросы:

1. Классификация морских льдов.

2. Каковы условия образования и существования морских льдов?

3. Морские льды в истории ледникового периода.

4. Строение и своеобразие морских льдов.

5. Какова плотность морского льда?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: