Донный лёд. Морской лед. Свойства и классификация морского льда Морские льды
Морской лёд - лёд, образовавшийся в море (океане) при замерзании воды. Так как морская вода солёная, замерзание воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана происходит при температуре около −1,8 °C.
Важнейшие свойства морского льда - пористость и солёность , определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г/см³). Из-за малой плотности льда льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7 - 1/10 их толщины. Таяние морского льда начинается при температуре выше −2,3 °C. По сравнению с пресноводным он труднее поддаётся раздроблению на части и более эластичен.
Солёность морского льда зависит от солёности воды, скорости льдообразования, интенсивности перемешивания воды и его возраста. В среднем солёность льда в 4 раза ниже солёности образовавшей его воды, колеблясь от 0 до 15 ‰ (в среднем 3-8‰).
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 ‰ и нулевой пористости плотность льда составляет 922 кг/м³, а при пористости 6 % понижается до 867. В то же время при нулевой пористости увеличение солёности с 2 до 6 ‰ приводит к увеличению плотности льда только с 922 до 928 кг/м³.
Морские льды по степени своей подвижности подразделяются на неподвижные и дрейфующие . Основной формой неподвижного льда является припай , который может образовываться путем естественного замерзания воды или же в результате примерзания к берегу дрейфующего льда любой возрастной категории. К неподвижным льдам относятся также стамухи - торосистые образования, сидящие на грунте на мелководье или у берега. Все остальные виды морского льда относятся к категории дрейфующих, которые перемещаются под действием ветра и течений. В результате неоднородности полей ветра и течений, различий в толщине и строении ледяных полей и сложного взаимодействия с берегами дрейф ледяных полей, льдин и кусков льда происходит неравномерно. Это приводит к их сталкиваниям, деформациям и разломам.
Дрейфующие льды по сплоченности подразделяются на отдельные льдины, редкий лед, сплоченный лед, очень сплоченный лед и сплошной лед. Движение сплоченных льдов сопровождается деформациями, включающими подвижки и сдвиги ледяных полей и льдин относительно друг друга, вращение льдин, образование торосов, трещин и разводий. В результате перемещений и деформации происходит перераспределение льдов на поверхности моря, изменяется их сплоченность, меняются строение и морфология ледяного покрова.
После сплочения льдов до 9-10 баллов, если вызвавшие его силы продолжают действовать, начинается сжатие, при котором происходят наслоение и торошение льдов. Процесс торошения заключается в разламывании ледяного покрова с последующим наклоном обломков, вплоть до вертикального положения, раздроблении кромок льдин, надвиге льдин одна на другую, нагромождении ледяных валов и гряд. При относительном перемещении ледяных полей образуются длинные прямые гряды торосов из мелкораздробленного льда. Гряды торосов сдвигового происхождения характерны для районов, где наблюдаются существенные различия скоростей дрейфа. На границе припая с подвижным льдом в зависимости от направления дрейфа могут возникать трещины или разводья или же образуются сдвиговые гряды торосов либо торосы сжатия. При малой глубине моря и интенсивном торосообразовании подошвы торосов могут достигать грунта. Такие торосы пропахивают борозды на дне.
В зависимости от причин, вызывающих поступательное движение льдов, выделяют несколько разновидностей дрейфа. Ветровой дрейф возникает под действием ветра. Такой дрейф продолжается некоторое время и после прекращения ветра, так как дрейфующий лед вовлекает в движение верхние слои воды. Скорость ветрового дрейфа морских льдов близка к 1:50 скорости ветра. Направление дрейфа обычно не совпадает с направлением ветра. В арктических морях под действием сил Кориолиса направление дрейфа отклоняется вправо от направления ветра на угол 28°, а в антарктических морях - в противоположную сторону. Во многих морях, например, в Белом, Баренцевом, Беринговом, Охотском и других, важную роль играет приливный дрейф льдов , обусловленный течениями при приливах и отливах.
На направление дрейфа большое влияние оказывают близость береговой линии, наличие островов и отмелей, рельеф дна. В результате одновременного влияния множества факторов дрейф льдов часто бывает неравномерным, отдельные массивы и скопления льдов могут дрейфовать в разных направлениях и с разными скоростями. Границы между ними называются дрейфоразделами , для которых характерно наличие полос тертого льда и поясов торосов.
По стадиям развития льда выделяют несколько так называемых начальных видов льда (в порядке времени образования):
Дальнейшие по времени образования виды льда - ниласовые льды:
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:
Если морской лёд подвергался таянию хотя бы в течение одного года, он относится к старым льдам . Старые льды подразделяются на:
Распространение морских льдов
Площадь распространения морских льдов меняется по сезонам от 9 до 18 млн км² в Северном полушарии и от 5 до 20 млн км² в Южном. Максимальное развитие ледяного покрова в Северном полушарии наблюдается в феврале-марте, а в Антарктике - в сентябре-октябре. В целом на земном шаре морские льды с учетом сезонных колебаний покрывают 26,3 млн км² при средней толщине покрова около 1,5 м. Морские льды образуются во всех морях Северного Ледовитого океана. Зимой они формируются также в Беринговом, Охотском, Азовском, Аральском и Белом морях, в Финском, Ботническом и Рижском заливах Балтийского моря, в северных частях Японского и Каспийского морей и временами на северо-западном побережье Черного моря.
В Арктике выделяют шесть градаций однолетних и многолетних льдов, различающихся по толщине и времени их существования. Однолетний лед называется тонким при толщине 30-70 см, средней толщины - от 70 до 120 см и толстым - более 120 см. Двухлетние льды имеют толщину 180-280 см, трех- и четырехлетние - 240-280 см. Толщина многолетних льдов достигает 280-360 см. В период максимального развития ледяного покрова в Северном Ледовитом океане многолетние льды занимают 28% общей площади, двухлетние - 25%, однолетние и молодые - 47%.
В Южном полушарии ледяной покров развивается с апреля по сентябрь концентрически вокруг Антарктиды. Многолетние льды там практически не встречаются, а двухлетние занимают менее 25% площади максимального развития льдов.
Войтковский К.Ф. Основы гляциологии. М.: Наука, 1999, 255 с.
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.
Особенности судовождения в ледовых условиях зависят от района плавания и присущего ему ледового режима, который в свою очередь зависит от многих факторов: географического положения района, характера течений, солености и температуры воды, ветров, приливо-отливных явлений, наличия рек, впадающих в моря в данном районе.
Сведения о ледовых режимах даются в гидрометеорологических очерках лоции, состоящих из характеристик метеорологической, гидрологической и ледового режима.
Иллюстративным материалом к таким очеркам служат атласы физикогеографических данных, карты льдов и гидрометеорологические карты, специальные приложения к лоциям.
Располагая указанными пособиями, а также данными ледового патруля, метеорологических станций, авиаразведок и прочими источниками, судоводитель может получить в большинстве случаев достаточно точное представление о распределении льдов, о навигационной характеристике предстоящего пути. Данные о распределении льдов с указанием их кромок и разновидностей рекомендуется наносить на бланковые карты или на кальки, снятые с навигационных карт.
Асимметричный ледокол
Во время перехода судна большую роль играет получение дополнительных сведений и коррективов от радиостанций, несущих специальную службу, а также от ледоколов и отдельных судов, находящихся в том же районе. Кроме того, необходимо иметь сведения о синоптической обстановке на время перехода и ледовые прогнозы.
Для правильной оценки получаемых сведений о льдах необходимо знать их классификацию, а по возможности и навигационную характеристику, определяющую степень проходимости льдов.
Плавание во льдах обусловливает повышенные требования к экипажам судов, и к судоводителям, и к матросам. Управление судном во льдах предъявляет ряд специфических требований к матросам, стоящим на руле. Помимо выполнения команд вахтенного помощника, рулевой матрос должен уметь самостоятельно ориентироваться при движении среди льда.
Классификация льдов
Морской плавучий лед не связан с берегом или дном и находится в постоянном движении (дрейфует) под воздействием ветра и течения. Плавучий лед является преобладающей категорией льда в морях и океанах. Образуются плавучие льды в море самостоятельно или в результате разлома припая (берегового льда).
Различаются плавучие льды по форме, размерам, возрасту, сплоченности и другим признакам.
По возрасту различают:
- начальные образования льда (ледяные иглы, ледяное сало, снежуру, шугу, блинчатый лед, склянку, темный нилас);
- молодой лед (светлый нилас, серый лед) толщиной 5 — 15 см;
- зимний лед (серо-белый, белый лед) толщиной 15 — 200 см.
По форме лед подразделяют на:
- неподвижный (ледяной заберег, припай, стояк, стамуха);
- дрейфующий, или плавучий (обширные большие и малые ледяные поля, крупнобитый и мелкобитый лед, куски льда, ледяная каша).
По строению льда и состоянию его поверхности различают:
- ровный лед;
- наслоенный;
- торосистый;
- бесснежный;
- заснеженный лед и сморозь.
По размерам плавучие льды делятся на следующие виды:
- большие ледяные поля, состоящие из льдин размером свыше 10 км;
- ледяные поля, состоящие из льдин размером в поперечнике 2 — 10 км;
- малые ледяные поля — 0,5 — 2,0 км в поперечнике;
- обломки полей — 100 — 500 м в поперечнике;
- крупнобитый лед — льдины размером в поперечнике 20 — 100 м;
- мелкобитый лед — льдины размером 2 — 20 м в поперечнике;
- тертый лед — битый лед менее 2 м в поперечнике;
- несяк — большой торос или группа торосов, смерзшихся вместе и представляющих собой отдельную льдину, высотой до 5 м;
- крупный несяк — сильно торосистая льдина среднего размера, возвышающаяся над водой на 5 м;
- малый несяк — небольшой кусочек льда зеленоватого оттенка, едва возвышающийся над водой;
- ледяная каша — скопление льда, состоящее из обломков не более 2 м в поперечнике;
- айсберг — монолитный отколовшийся от ледника кусок льда, выступающий над уровнем моря более чем на 5 м и находящийся на плаву (или на мели); по форме айсберги подразделяются на столообразные, куполообразные, наклонные, с остроконечными вершинами, окатанные или пирамидальные;
- ропак — отдельная льдина, стоящая вертикально или наклонно и окруженная сравнительно гладким льдом.
Терминология
Границы среднего распространения льда — среднее положение кромки льда для заданного месяца или сезона, выведенное из многолетних наблюдений.
Редкий лед — различного вида плавучий лед, преимущественно битый, равномерно распределенный и занимающий до 30% видимой поверхности моря (сплоченность 1 — 3 балла).
Разреженный лед — различного вида битый дрейфующий лед, занимающий более половины видимой поверхности (сплоченность 4 — 6 баллов). Разрежение льда вызвано двумя причинами:
- приливо-отливными течениями, периодически сжимающими и разрежающими льды, и
- таянием льдов.
Сплоченный лед — скопление плавучих льдов, покрывающих около 80% видимой поверхности (сплоченность 7 — 9 баллов).
Сплошной лед — сплошная масса, покрывающая все видимое пространство моря (сплоченность 10 баллов).
Атомоход Россия, движущийся во льдах
Лед может быть легким, тяжелым и деформированным.
Легкий лед толщиной до 60 см свободно преодолим ледоколами, а при благоприятных условиях — судами с усиленным подкреплением корпуса.
Тяжелый лед толщиной более 60 см с торосами возрастом больше одного года с трудом преодолевают только мощные ледоколы.
Деформированный лед , наслоенный с глубиной наслоений до 20 м. Это лед торосистый и может быть непроходим даже для самых мощных ледоколов.
Торошение — вид формирования ледовых препятствий, когда разломы, столкновения и сжатия льда образуют торосы.
Торосы — нагромождение льдин, обычно смерзшихся; могут располагаться отдельными образованиями и группами, чаще грядами.
По месту нахождения торосы могут быть береговыми и морскими. Они образуются от взлома, раздробления и надвигания льдов.
В шуге суда двигаются легко, а плотный эластичный покров снежуры затрудняет движение, так как он не колется форштевнем, а только сжимается; тонкий лед или корку суда проходят с некоторыми затруднениями.
Сжатие льда — уплотнение под влиянием ветров и течений. Сжатие льда наблюдается и во время смены приливоотливных течений независимо от ветров. Ветры могут только усилить или ослабить, задержать или ускорить приливо-отливные сжатия. Это явление составляет самое большое затруднение для плавания.
Сплоченность плавающего льда определяется по десятибалльной шкале:
Шкала сплоченности дрейфующего льда | ||
---|---|---|
Баллы | Размер площади | Характеристика |
0 | Льда нет | Чистая вода |
1 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 9 раз меньше площади проме-жутков воды между ними | Редкий лед |
2 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 4 раза меньше площади проме-жутков воды между ними | Редкий лед |
3 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 2 — 2,5 раза меньше площади промежутков воды между ними | Редкий лед |
4 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 1,5 раза меньше площади про-межутков воды между ними | Разреженный лед |
5 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, равна площади промежутков воды между ними | Разреженный лед |
6 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 1,5 раза больше площади про-межутков воды между ними | Разреженный лед |
7 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 2 — 2,5 раза больше площади промежутков воды между ними | Сплоченный лед |
8 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 4 раза больше площади проме-жутков воды между ними | Сплоченный лед |
9 | Площадь, занятая дрейфующими льдами, в 9 раз больше площади проме-жутков воды между ними | Очень сплочен¬ный лед |
10 | Льдины полностью покрывают видимую поверхность моря | Сплошной лед |
Признаки приближения ко льдам
Для обеспечения безопасности плавания очень важно заблаговременно обнаружить приближение льда, особенно при плохой видимости или тумане, чтобы своевременно уменьшить ход, усилить наблюдение, проверить местоположение судна. Признаками приближения ко льдам являются:
- «ледовый отблеск» или «ледовое небо» — характерное белесоватое отсвечивание на облаках над отдельными скоплениями льдов. Отблеск бывает особенно ясен при хорошей прозрачности воздуха, когда льды покрыты снегом;
- «водяное небо» — темные пятна на низких облаках над участками чистой воды, расположенными среди льдов; темные пятна на облаках иногда являются отражением грязного льда. При безоблачном небе чистую воду или льды иногда можно обнаружить благодаря рефракции;
- понижение температуры забортной воды, иногда резкое, указывающее на почти предельное приближение ко льдам;
- понижение температуры воздуха, наблюдающееся при подходе к обширным полям льда, особенно при ветре со стороны льда.
- изменение характера волны; короткая волна, иногда толчея при подходе ко льдам с наветренной стороны и ослабление при подходе с подветра;
- появление мелкобитых льдинок и «ледяной каши»;
- появление тумана над горизонтом;
- шум, треск и шорох, слышимые при приближении к торосистым льдам;
- эхо при свистках или выстрелах, отраженное от близких, высоких торосистых масс льда и от крупных айсбергов;
- появление моржей, тюленей и стай птиц.
Ледовые карты
Общее представление о распределении льда в районе плавания дает ледовая карта. Информацию о состоянии льда получают с помощью искусственных спутников Земли, самолетов и вертолетов ледовой разведки, судовых наблюдений, береговых пунктов наблюдений, автоматических дрейфующих ледовых станций. С использованием всей этой информации береговыми службами подготавливаются ледовые карты, которые передаются на суда.
Решение о движении судна во льдах принимается на основе анализа ледовых карт, на которых в виде символов отображаются характеристики ледового покрова. Главным условным знаком в этой системе символов является овал, в котором указываются основные навигационные характеристики льда (рис. 1), где буквой С обозначена общая сплоченность льда в баллах.
Рис. 1 Овальный символ морского льда
- Са, Сb, Сс — сплоченность льда самого толстого (Са), менее толстого (Сb) и третьего по толщине (Сс), баллы;
- Sa, Sb, Sc — возраст льда, сплоченность которого, соответственно, равна Са, Сb, Сс;
- Fa, Fb, Fc — преобладающие формы льда, возраст которого, соответственно, равен Sa, Sb, Sc.
Для возраста льда используются следующие основные цифровые символы:
- 1 — начальные виды льда;
- 2 — нилас, толщиной до 10 см;
- 3 — молодой лед, толщиной 10 – 30 см;
- 4 — молодой лед, толщиной 10 – 15 см;
- 5 — молодой лед, толщиной 15 – 30 см;
- 6 — однолетний лед, толщиной 30 -250 см;
- 7 — старый лед, толщиной более 250 см;
- Δ — материковый лед;
- X — возраст неизвестен.
Для обозначения формы ледяных образований применяются следующие цифровые символы:
- 1 — тертый лед или ледяная каша;
- 2 — мелкобитый лед;
- 3 — крупнобитый лед;
- 4 — обломки ледяных полей;
- 5 — большие ледяные поля;
- 6 — обширные ледяные поля;
- 7 — гигантские ледяные поля;
- 8 — припай;
- 9 — айсберги;
- X — форма неизвестна.
Пример применения овального символа морского льда, приведенного на рис. 1, означает, что в данном районе находится лед общей сплоченностью 6 баллов. Из них 2 балла — обломки полей старого льда, 1 балл — крупнобитый молодой лед, 3 балла — нилас, форма которого не определена.
Наряду с главным символом — овалом, на ледовой карте применяются и другие символы, дополняющие и конкретизирующие общую картину распределения льда:
Дополнительные ледовые символы | |
---|---|
торосистость льда, в баллах; | |
разрушенность льда, в баллах; | |
заснеженность льда (С — площадь покрытого снегом льда в десятых долях от общей площади; S — заснеженность в баллах ← направление застругов); | |
сжатие льда в баллах; | |
рекомендованные маршруты движения. | |
На ледовой карте каждая зона льда с примерно одинаковыми характеристиками выделяется по ее границе изолиниями (рис. 2). Для наглядности различные зоны могут быть заштрихованы.
Рис. 2 Ледовая картаУсловные обозначения | |||
---|---|---|---|
Раскраска обзорных карт по возрасту (стадиям развития) льда: применяется в период образования, становления и частичного разрушения льда «зимняя раскраска по возрасту» |
|||
Возрастные характеристики льда: | |||
условная раскраска по цвету: | применение графических символов: | ||
* * * | начальные виды льда | ||
⊛ | нилас, склянка (толщина до 10 см) | ||
серый лед (10-15 см) | |||
серо-белый лед (15-30 см) | |||
тонкий однолетний (белый) лед (30-70 см) | |||
однолетний лед средней толщины (70-120 см) | |||
толстый однолетний лед (более 120 см) | |||
остаточный однолетний лед | |||
двухлетний лед (до 2,5 м и более) | |||
многолетний лед (около 3 м и более) | |||
Формы плавучего льда: | Условные обозначения, возраст: | ||
мелкобитый лед | нилас | ||
крупнобитый лед | серый | ||
обломки ледяных полей | серо-белый | ||
большие поля | тонкий | ||
обширные ледяные поля | средний | ||
гигантские ледяные поля | толстый | ||
ледяная каша | старый | ||
блинчатый лед | припай | ||
Возрастные характеристики неподвижного льда (припая) в см: | Обобщенные характеристики льда: | ||
ниласовые льды (5-10 см) | возрастной состав дрейфующих льдов | ||
молодые льды (10-30 см) | торосистость льда (в баллах) | ||
тонкий однолетний лед (30-70 см) | показатель сжатия (в баллах) | ||
однолетний лед средней толщины (70-120 см) | наслоеность льда | ||
толстый однолетний лед (>120 см) | разрушеность льда |
Раскраска обзорных карт по сплоченности: применяется в период разрушения и таяния льда «летняя раскраска по сплоченности» |
|||
---|---|---|---|
Сплоченность льда: | Формы плавучего льда: | ||
сплошной, смерзшийся спл. и очень спл. дрейф. лед (9-10/10) | мелкобитый лед | ||
сплоченный лед (7-8/10) | крупнобитый лед | ||
разряженный лед (4-6/10) | обломки ледяных полей | ||
редкий лед (1-3/10) | большие поля | ||
отдельные льдины (<1/10) | обширные ледяные поля | ||
чистая вода | гигантские ледяные поля | ||
айсберговые воды | ледяная каша | ||
блинчатый лед | |||
Условные обозначения | |||
чисто | |||
1-3 | |||
4-6 | |||
7-8 | |||
9-10 | |||
10 | |||
припай |
Современные средства доставки и отображения гидрометеорологической информации на суда
В 2006 году на базе Арктического и Антарктического института (ААНИИ) создана система контроля и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы для обеспечения морской деятельности в арктических и замерзающих морях РФ.
Основными источниками исходной информации являются:
- искусственные спутники Земли;
- наземная сеть береговых и островных полярных станций;
- автоматические дрейфующие буи;
- отечественные и зарубежные центры гидрометеорологической информации.
Решаемые задачи:
- контроль ледяного покрова;
- долгосрочное планирование операций;
- выбор оптимального маршрута плавания.
В результате разработан «ледовый терминал», позволяющий отображать на мониторе судового компьютера в виде непрозрачных и прозрачных слоев совмещенные с навигационной картой следующие данные:
- изображения поверхности, получаемые с ИСЗ;
- фактические ледовые карты;
- прогностические ледовые карты;
- синоптические карты и прогнозы погоды;
- навигационные рекомендации.
Информация поступает посредством каналов связи, предоставляемых системами Inmarsat, Globalstar, Iridium или Internet. Ниже приведены примеры использования «ледовых терминалов» на судах (рис. 3 – 6).
Рис. 3 Ледовая карта Рис. 4 Ледовый прогноз в Татарском проливе Рис. 5 Рекомендованный маршрут в Татарском проливе Рис. 6 Маршрут судна при следовании во льдахПредлагается к прочтению:
Морско́й лёд - лёд, образовавшийся в море (океане) при замерзании воды. Так как морская вода солёная, замерзание воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана происходит при температуре около −1,8 °C.
Оценка количества (густоты) морского льда даётся в баллах - от 0 (чистая вода) до 10 (сплошной лёд).
Свойства
Важнейшие свойства морского льда - пористость и солёность, определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г/см³). Из-за малой плотности льда льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7 - 1/10 их толщины. Таяние морского льда начинается при температуре выше −2,3 °C. По сравнению с пресноводным он труднее поддаётся раздроблению на части и более эластичен. Солёность
Солёность морского льда зависит от солёности воды, скорости льдообразования, интенсивности перемешивания воды и его возраста. В среднем солёность льда в 4 раза ниже солёности образовавшей его воды, колеблясь от 0 до 15 промилле (в среднем 3 - 8 ‰).
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.
В то же время при нулевой пористости увеличение солёности с 2 до 6 промилле приводит к увеличению плотности льда только с 922 до 928 килограммов на кубический метр.
Теплофизические свойства
Средняя удельная теплопроводность морского льда примерно в пять раз выше, чем у воды, и в восемь раз выше, чем у снега, и составляет около 2,1 Вт/м·градус, 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.
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:
плавучие (дрейфующие) льды,
паковые многолетние льды (пак).
По стадиям развития льда выделяют несколько так называемых начальных видов льда (в порядке времени образования):
ледяные иглы,
ледяное сало,
внутриводный (в том числе донный или якорный), образующийся на некоторой глубине и находящихся в воде предметах 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.
Толщина 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.
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.
Морской лёд -- лёд, образовавшийся в море (океане) при замерзании воды. Так как морская вода солёная, замерзание воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана происходит при температуре около?1,8°C.
Важнейшие свойства морского льда -- пористость и солёность, определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г/смі). Из-за малой плотности льда льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7 -- 1/10 их толщины. Таяние морского льда начинается при температуре выше?2,3 °C. По сравнению с пресноводным он труднее поддаётся раздроблению на части и более эластичен.
Солёность морского льда зависит от солёности воды, скорости льдообразования, интенсивности перемешивания воды и его возраста. В среднем солёность льда в 4 раза ниже солёности образовавшей его воды, колеблясь от 0 до 15 ‰ (в среднем 3-8‰).
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 ‰ и нулевой пористости плотность льда составляет 922 кг/мі, а при пористости 6 % понижается до 867. В то же время при нулевой пористости увеличение солёности с 2 до 6 ‰ приводит к увеличению плотности льда только с 922 до 928 кг/мі.
Морские льды по степени своей подвижности подразделяются на неподвижные и дрейфующие. Основной формой неподвижного льда является припай, который может образовываться путем естественного замерзания воды или же в результате примерзания к берегу дрейфующего льда любой возрастной категории. К неподвижным льдам относятся такжестамухи - торосистые образования, сидящие на грунте на мелководье или у берега. Все остальные виды морского льда относятся к категории дрейфующих, которые перемещаются под действием ветра и течений. В результате неоднородности полей ветра и течений, различий в толщине и строении ледяных полей и сложного взаимодействия с берегами дрейф ледяных полей, льдин и кусков льда происходит неравномерно. Это приводит к их сталкиваниям, деформациям и разломам.
Дрейфующие льды по сплоченности подразделяются на отдельные льдины, редкий лед, сплоченный лед, очень сплоченный лед и сплошной лед. Движение сплоченных льдов сопровождается деформациями, включающими подвижки и сдвиги ледяных полей и льдин относительно друг друга, вращение льдин, образование торосов, трещин и разводий. В результате перемещений и деформации происходит перераспределение льдов на поверхности моря, изменяется их сплоченность, меняются строение и морфология ледяного покрова.
После сплочения льдов до 9-10 баллов, если вызвавшие его силы продолжают действовать, начинается сжатие, при котором происходят наслоение и торошение льдов. Процесс торошения заключается в разламывании ледяного покрова с последующим наклоном обломков, вплоть до вертикального положения, раздроблении кромок льдин, надвиге льдин одна на другую, нагромождении ледяных валов и гряд. При относительном перемещении ледяных полей образуются длинные прямые гряды торосов из мелкораздробленного льда. Гряды торосов сдвигового происхождения характерны для районов, где наблюдаются существенные различия скоростей дрейфа. На границе припая с подвижным льдом в зависимости от направления дрейфа могут возникать трещины или разводья или же образуются сдвиговые гряды торосов либо торосы сжатия. При малой глубине моря и интенсивном торосообразовании подошвы торосов могут достигать грунта. Такие торосы пропахивают борозды на дне.
В зависимости от причин, вызывающих поступательное движение льдов, выделяют несколько разновидностей дрейфа.Ветровой дрейф возникает под действием ветра. Такой дрейф продолжается некоторое время и после прекращения ветра, так как дрейфующий лед вовлекает в движение верхние слои воды. Скорость ветрового дрейфа морских льдов близка к 1:50 скорости ветра. Направление дрейфа обычно не совпадает с направлением ветра. В арктических морях под действием сил Кориолиса направление дрейфа отклоняется вправо от направления ветра на угол 28°, а в антарктических морях - в противоположную сторону. Во многих морях, например, в Белом, Баренцевом, Беринговом, Охотском и других, важную роль играет приливный дрейф льдов, обусловленный течениями при приливах и отливах.
На направление дрейфа большое влияние оказывают близость береговой линии, наличие островов и отмелей, рельеф дна. В результате одновременного влияния множества факторов дрейф льдов часто бывает неравномерным, отдельные массивы и скопления льдов могут дрейфовать в разных направлениях и с разными скоростями. Границы между ними называются дрейфоразделами, для которых характерно наличие полос тертого льда и поясов торосов.
По стадиям развития льда выделяют несколько так называемых начальных видов льда (в порядке времени образования):
ледяные иглы,
ледяное сало,
внутриводный (в том числе донный или якорный), образующийся на некоторой глубине и находящихся в воде предметах 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.
Распространение морских льдов.
Площадь распространения морских льдов меняется по сезонам от 9 до 18 млн кмІ в Северном полушарии и от 5 до 20 млн кмІ в Южном. Максимальное развитие ледяного покрова в Северном полушарии наблюдается в феврале-марте, а в Антарктике - в сентябре-октябре. В целом на земном шаре морские льды с учетом сезонных колебаний покрывают 26,3 млн кмІ при средней толщине покрова около 1,5 м. Морские льды образуются во всех морях Северного Ледовитого океана. Зимой они формируются также в Беринговом, Охотском, Азовском, Аральском и Белом морях, в Финском, Ботническом и Рижском заливах Балтийского моря, в северных частях Японского и Каспийского морей и временами на северо-западном побережье Черного моря.
В Арктике выделяют шесть градаций однолетних и многолетних льдов, различающихся по толщине и времени их существования. Однолетний лед называется тонким при толщине 30-70 см, средней толщины - от 70 до 120 см и толстым - более 120 см. Двухлетние льды имеют толщину 180-280 см, трех- и четырехлетние - 240-280 см. Толщина многолетних льдов достигает 280-360 см. В период максимального развития ледяного покрова в Северном Ледовитом океане многолетние льды занимают 28% общей площади, двухлетние - 25%, однолетние и молодые - 47%.
В Южном полушарии ледяной покров развивается с апреля по сентябрь концентрически вокруг Антарктиды. Многолетние льды там практически не встречаются, а двухлетние занимают менее 25% площади максимального развития льдов.
Ледниковая летопись
Снег, выпадающий на ледник, ложится слоем на его поверхность, причем зимние отложения по строению сильно отличаются от летних. Каждый год новый слой снега погребает под собой прошлогодний, и так - в течение десятков и сотен тысяч лет. Ледник растет, древние слои оказываются все глубже и глубже, и вся ледяная толща разбивается на годовые слои, похожие на годичные кольца деревьев. Так пишется ледниковая летопись, но, для того чтобы ее прочитать, необходимо по крайней мере научиться определять возраст каждого ледникового слоя.
В верхней части ледника, образовавшейся «совсем недавно» - за последние несколько тысяч лет, - возраст слоя определяется без особого труда. Для этого просто подсчитывают годовые слои, состоящие из зимних и летних отложений. С увеличением глубины сделать это становится все труднее, поскольку лед медленно течет. Поэтому при определении возраста древних слоев используют специальные расчеты, учитывающие это движение.
В ледниках записано гораздо больше подробных сведений о былых эпохах, чем в годовых кольцах деревьев. Они могут рассказать ученым о том, какой климат, температура воздуха, атмосфера были на нашей планете не 10 - 20, а 200 - 300 тысяч лет назад. Даже сведения о ветрах, дувших в те далекие эпохи, остаются в памяти ледников. Как же хранится в толще льда вся эта богатейшая информация? Известно, что вода состоит из двух химических элементов - водорода и кислорода. Но кислород и водород бывают разные - «легкие» и «тяжелые», Из так называемых легких изотопов образуется обычная вода, а из тяжелых - тяжелая. Среди множества молекул обычной воды всегда можно найти несколько молекул тяжелой - в природе они, как правило, неразлучны. Но дело в том, что содержание тяжелой воды во льду зависит от температуры, при которой он образовался. Чем выше температура, тем больше в составе льда молекул тяжелой воды. Поэтому, измерив количество тяжелой воды в толще льда, можно достаточно точно узнать, какая температура была в момент его образования. Вместе с водой в толще ледника хранится и атмосферная пыль, которая осела на поверхности льда много тысяч лет назад. Сделав ее анализ, можно узнать, чем был загрязнен воздух в те эпохи, откуда он принесен ветрами, не было ли тогда крупных извержений вулканов и многое другое.
Еще более интересные записи ледниковой летописи касаются состава древней атмосферы. Проблема загрязнения воздуха является одной из насущных проблем современного человечества. А узнать, насколько сильно испортилась атмосфера, можно лишь сравнив ее современный состав с тем, который она имела задолго до появления человека и промышленности. А где же найти древний воздух?
В ледниках. Выпав на поверхность, снег вначале превращается в фирн - рыхлый зернистый лед с большим количеством воздуха.
Уплотняясь и замерзая, фирн образует лед, и содержащиеся в нем пузырьки воздуха плотно закупориваются в ледниковой толще. Выделив эти мельчайшие пузырьки древнего воздуха, ученые делают их химический анализ и определяют, сколько в нем было углекислого газа, кислорода, метана и многих других атмосферных газов.
Самое важное и интересное заключается в том, что всю информацию, записанную в ледниковой летописи, можно читать шаг за шагом, год за годом, отдельно и по порядку анализируя каждый годовой слой льда. Двигаясь сверху вниз, можно проследить, как постепенно изменялись температура, загрязненность и состав земной атмосферы, как колебались климатические условия на Земле в течение сотен тысяч лет. Для того чтобы это узнать, надо пробурить тысячеметровую толщу ледников, достать пробы льда с разных глубин и потом подвергнуть их анализу в научных лабораториях.
Первая скважина во льду была сделана в Альпах в Альпах в 1841 году, а спустя полвека несколько альпийских скважин уже достигали ледникового ложа. В наше время бурение ледников стало обычным занятием исследователей. Глубина некоторых скважин в Гренландии и Антарктиде превысила 2 км.
Бурить лед очень нелегко из-за его пластичности: стоит вынуть буровой снаряд, как стенки скважины быстро смыкаются. Поэтому скважину приходится заполнять незамерзающей жидкостью, которая имеет ту же плотность, что и лед. Обычно для бурения применяют либо электромеханический, либо электротермический способ, когда лед плавят нагреваемой коронкой бура.
Колонка льда, вынимаемая во время бурения из толщи ледника, называется «керн». Его бережно отвозят в специальные лаборатории-холодильники, где подробно изучают, применяя самые современные методы анализа.
Самые интересные результаты пока принесло бурение на полярной станции «Восток» в Антарктиде, начатое еще в 70-х годах XX века. Станция «Восток» расположена в центральной части Восточной Антарктиды на высоте 3490 м. Средняя годовая температура здесь -56,б С, снега за год накапливается чуть больше 2 см. Толща ледника в 3500 м содержит лед, отложенный на протяжении сотен тысяч лет.
Морские льды классифицируются:
по происхождению,
по формам и размерам,
по состоянию поверхности льда (ровный, торосистый),
по возрасту (стадии развития и разрушения),
по навигационному признаку (проходимость льдов судами),
по динамическому признаку (неподвижные и плавучие льды).
По происхождению льды делятся на морские, речные и глетчерные.
Морские льды образуются из морской воды, имеет зеленоватый или белесоватый (при наличии пузырьков воздуха или снега) оттенок.
Пресноводные льды выносятся весной и летом из рек, имеет сероватый или коричневатый оттенок из- за вкраплений взвесей.
Глетчерные льды (материкового происхождения) образуются в результате откалывания ледников, спускающихся в море – айсберги, дрейфующие ледяные острова.
По виду и форме льды делятся на:
ледяные иглы , образующиеся на поверхности или в толще воды,
ледяное сало – скопление смерзшихся ледяных игл в виде пятен или тонкого слоя серовато свинцового цвета,
снежура – вязкая кашеобразная масса, образующаяся при обильном снегопаде на охлажденную воду,
шуга – скопление комков льда, снежуры и донного льда,
нилас – тонкая эластичная ледяная корка толщиной до 10 см,
склянка – тонкий прозрачный лед толщиной до 5 см, образующийся при спокойном море из ледяных кристаллов или сала,
блинчатый лед – лед, обычно круглой формы диаметром от 30см до 3 м и толщиной до 10 см.
По возрасту лед бывает:
молодой лед толщиной 15-30 см, имеет серый или серо-белый оттенок,
однолетний лед – лед, просуществовавший не более одной зимы, толщиной от 30 см до 2 м,.
двухлетний –лед, достигший к концу второй зимы толщины более 2 м,
многолетний паковый лед – лед, просуществовавший более 2 лет, толщиной более 3 м, голубого цвета.
По навигационному признаку проходимость льда оценивается по 10 бальной шкале сплоченности льда. Сплоченность (густота) льда – это соотношение площади льдин и промежутков воды между ними в данном районе. Практика ледового плавания показала, что самостоятельное плавание морского судна обычного возможно при сплоченности дрейфующего льда 5-6 баллов.
По динамическому признаку льды делят на неподвижные и плавучие.
Неподвижные льды существуют в виде припая у берегов. Толщина многолетнего припая у берегов Гренландии более 3м, а у берегов Антарктиды десятки и даже сотни метров. Толщина однолетнего припая в Северно-Ледовитом океане около 2–3м, ширина до 500км (море Лаптевых).
Плавучие льды образуются или путём намерзания плавающего льда или в результате откалывания от припая.
Для обозначения любого вида плавучего морского льда применяется термин дрейфующий лед.
Размеры дрейфующих льдов различны: при размерах более 500м в поперечнике их называют ледяными полями, при размерах 100…500м - обломками ледяных полей , при размерах 200…100м - крупногабаритным льдом , при размерах меньше 20м - , мелкобитым льдом .
Движение льда происходит под влиянием ветра или течений, под воздействием которых они меняют свою сплоченность. При ветре, дующем на берег сплоченность дрейфующего льда увеличивается, при ветре, дующем с берега, льды разрежаются. С увеличением скорости течений льды разрежаются, с уменьшением скорости льды скапливаются. Скопление (сжатие) льдов приходится на время смены приливо-отливных течений, и продолжаются 1-2 ч, после чего наблюдается разрежение льдов. При подъеме уровня воды льды разрежаются, а при спаде сплачиваются.
Глетчерные льды – айсберги (ледяные горы) образуются в районах Северно-Ледовитого океана и у берегов Антарктиды. Течениями они выносятся в умеренные широты обеих полушариев. Айсберги достигают иногда огромных размеров. В 1854 г. в районе 44°Ю.Ш. 28°З.Д. встречен айсберг длиною 120км и высотой 90м. Только десятая часть айсберга высится над водою.