Фазы ледовых явлений

Фазы ледовых явлений

Введение

Важнейшей характерной чертой морей полярных и умеренных широт является наличие более или менее устойчивого ледяного покрова. Практическое освоение районов существенно зависит от того, в какой степени изучен этот постоянно действующий природный фактор.

Ясно, что достаточно полный учет ледяного покрова при решении океанологических, технических и иных задач невозможен без подробного изучения физических свойств и динамики морского льда.

Большое количество данных натурных наблюдений и экспериментов, теоретические исследования, а также внедрение вычислительной техники способствуют в настоящее время углубленному изучению морских льдов.

Исследованию отдельных частных задач этой проблемы посвящено большое число работ различных авторов. Опубликован ряд монографий, где физика ледяного покрова рассматривается весьма подробно. Однако в большинстве этих работ морской лед изучается либо с позиций физики твердого тела (В.В. Лавров, П.А. Шуйский и др.), либо с точки зрения инженерно-технических приложений (И.С. Песчанский).

В данной курсовой работе лед рассматривается как физический объект, существование и свойства которого определяются процессами взаимодействия океана и атмосферы. Образование и таяние льда, изменение его толщины и прочности зависят от свойств льда как твердого тела. В то же время распространение льда, его дрейф, несущая способность ледяного покрова и ряд других характеристик проявляются только в условиях его взаимосвязи с водной и воздушной средами.

Не оставляя в стороне физические и технические аспекты проблемы в целом, я вижу свою главную задачу в возможно более полном раскрытии свойств морского ледяного покрова как одного из гидрологических элементов замерзающих морей.

Целью курсовой работы является рассмотрение ледовых явлений в морях и океанах.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

.        Описание ледовых явлений и их видов

.        Изучение понятия ледового режима

.        Изучение свойств и строение морского льда

.        Анализ классификаций морского льда

Курсовая работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературных источников и приложения. Общий объем работы 29 страниц. Текст проиллюстрирован таблицами, рисунками и схемами.

1. Ледовые явления

Ледовые явления - элементы ледового режима морей и океанов, характеристики состояния водных объектов с точки зрения ледового режима, фазы возникновения, развития и исчезновения различных видов льда. Обычно к ледовым явления относят также ледяные образования, представляющие собой формы существования льда в водных объектах. В зависимости от контекста иногда все же целесообразно разделять понятия ледовые явления и ледяные образования. Например, ледяные образования - шуга, ледяной покров, льдины и ледяные поля; ледовые явления, соответственно - шугоход, ледостав, ледоход.

Ледовые явления и ледяные образования подразделяют на 3 группы:

периода осенних ледовых явлений;

ледостава;

весенних ледовых явлений.

1.1. Ледовые явления и ледяные образования периода замерзания

Виды ледовых явлений:

Забереги - полосы льда, смерзшиеся с берегом при незамерзшей основной части водного пространства. Различают три вида заберегов: первичные, образующиеся путем замерзания воды у берегов; наносные, возникающие в результате примерзания к берегу льда и шуги во время ледохода или дрейфа льда; остаточные, которые сохраняются у берегов при разрушении ледяного покрова. На крупных озерах эти ледяные образования называются припаем.

Сало - поверхностные первичные ледяные образования, состоящие из иглообразных и пластинчатых, слабо связанных между собой кристаллов льда, по внешнему виду напоминающие пятна застывшего жира (отсюда и название) и превращающиеся по мере нарастания в тонкие ледяные пленки. Образуется в поверхностном переохлажденном (т.е. имеющем температуру ниже 0°C) слое воды. Наблюдается с наступлением отрицательных температур воздуха.

Внутриводный лед - ледяные кристаллы или их скопления в виде губчатой непрозрачной массы в толще воды или на дне; всплывший внутриводный лед на поверхности воды имеет вид снежно-белых комьев разной формы.

Шуга - скопления внутриводного льда (рис. 1). Осенний ледоход - движение льдин и ледяных полей в океане и в морях.

Рис. 1 Шуга (Фото Процкой М.П)

Шугоход - движение шуги по поверхности или внутри водного потока. Иногда с течением времени отдельные комья смерзаются, образуя шуговые поля, вследствие чего шугоход трудно отличить от ледохода.

Снежура - снежный покров на воде, образующийся при обильном выпадении снега на поверхность воды, близкой к точке замерзания. Быстро пропитывается водой и образует кашеобразную вязкую массу. Смерзаясь, образует шугу. (рис. 2)

Рис. 2 Снежура (Фото Замошского Ю.П.)

Блинчатый лед - плавающие льдины округлой формы диаметром от 0,5 до 3 м, имеющие по краям валик из измельченного льда. Образуется при смерзании сала, шуги и мелких льдин.

Битый лед - плавающие льдины неправильной формы. Различают крупный (от 20 до 100 м) и мелкобитый (льдины размером от 2 до 20 м) лед и куски льда размером (от 0,5 до 2 м).

Ледяная каша - смесь измельченного льда, иногда с шугой и снежурой. Набивается у кромки льда или берегов плотным слоем в несколько метров.

Ледяные поля - льдины размером более 100 м. Различаются малые ледяные поля с наибольшим размером от 100 до 500 м и большие ледяные поля - более 500 м.

Ледяные валы - ледяные образования в виде гряд, сложенных из шуги и битого льда. Образуются в период осеннего ледохода вдоль берегов. Высота валов достигает 1 м; река течет как бы в ледяных берегах.

Ледяная перемычка - короткий участок ледяного покрова, образующийся в местах смыкания заберегов или вследствие остановки и смерзания плывущих льдин и шуги.

Айсберг - крупный свободно плавающий кусок льда в океане и море (рис. 3) Как правило, откалываются от шельфовых ледников. Поскольку плотность льда составляет 920 кг/мі, а плотность морской воды - около 1025 кг/мі, около 90% объёма айсберга находится под водой.

Форма айсберга зависит от его происхождения:

·              Айсберги выводных ледников имеют столообразную форму с слегка выпуклой верхней поверхностью, которая расчленена различного вида неровностями и трещинами. Характерны для Южного океана.

·              Айсберги покровных ледников отличаются тем, что их верхняя поверхность практически не бывает ровной. Она несколько наклонена, наподобие односкатной крыши. Их размеры, по сравнению с другими видами айсбергов Южного океана, наименьшие.

·              Айсберги шельфовых ледников имеют, как правило, значительные горизонтальные размеры (десятки и даже сотни километров). Их высота в среднем составляет 35-50 м. У них ровная горизонтальная поверхность, почти строго вертикальные и ровные боковые стенки

Рис. 3 Вид айсберга под водой (#"721113.files/image004.gif">

Рис. 4 Гряда торосов (Фото Ляховца Сергея).

Полынья - пространство с открытой водной поверхностью в ледяном покрове.

Трещины - разрывы в ледяном покрове, образующиеся под влиянием колебаний температуры воздуха и уровня воды, подвижек и других причин. Различают поверхностные сухие трещины и сквозные, заполненные водой.

Наледь - ледяное образование, возникающее в результате выхода воды на поверхность льда и ее замерзания вследствие стеснения водного сечения нарастающим ледяным покровом и промерзания русла на мелких местах. В некоторых случаях образуется при стекании грунтовых вод со склонов берегов на поверхность ледяного покрова.

Шуговая дорожка - часть ледяного покрова, образовавшегося из смерзшейся шуги в виде продольной полосы между заберегами. Лед шуговой дорожки обычно торосистый.

Осевший обсохший лед - участок ледяного покрова вблизи берега или на мелководье, осевший на дно при снижении уровня воды.

Снежница - вода на льду, образующаяся в результате таяния снега при длительных оттепелях.

Наслоенный лед - двухслойные и многослойные льдины, образующиеся при надвигании льдин друг на друга. Многослойные льдины достигают толщины 2-3 м и более.

Ледовые явления и ледяные образования периода вскрытия

Закраины - полосы открытой воды вдоль берегов, образующиеся перед вскрытием в результате таяния льда, повышения уровня воды, а также вследствие усилившегося притока грунтовых вод.

Вода на льду - скопления стоячей воды на льду, образующиеся от таяния снега или за счет воды, выступившей из-под ледяного покрова. Лед подняло - всплывание и отделение от берегов ледяного покрова без разламывания при повышении уровня воды; если лед подняло без отрыва от берегов - лед вспучило. Подвижка льда - небольшие перемещения ледяного покрова на отдельных участках реки, происходящие под действием течения, ветра, подъема уровня. Подвижка бывает одна или несколько.

Наслуд - лед, образующийся при замерзании талой воды на ледяном покрове после оттепели (близкий по звучанию термин наслуз обозначает совсем другое образование - малопрозрачный водноснеговой лед, образующийся из снега на прозрачном слое озерного льда). Разводье - пространство открытой воды в ледяном покрове, образующееся в результате подвижек льда.

Навалы льда - нагромождение льдин, часто в виде валов на берегах и в пойме реки, образовавшиеся во время весеннего ледохода. Достигают особенно больших размеров в местах бывших заторов льда. Остаточные забереги - полосы неподвижного льда, оставшиеся весной у берегов при разрушение ледяного покрова.

2.Фазы ледового режима морей и океанов

ледяной океан покров

Фазы ледового режима - совокупность закономерно повторяющихся процессов возникновения, развития и разрушения ледяных образований на водных объектах. Выделяют следующие основные типы ледового режима:

) ледяные образования и ледовые явления отсутствуют. Этот тип характерен для тропических широт;

) наблюдаются ледовые явления, но ледостав отсутствует (преимущественно горные районы субтропического пояса);

) наблюдается неустойчивый ледостав (умеренный климат западных побережий материков);

) ежегодно в зимний период наблюдается устойчивый ледостав различной длительности (субарктический и умеренный пояс);

) ледостав в течение всего года (встречается только у озер арктического пояса и близкого к нему климата высокогорий). Для 4-ого типа, занимающего подавляющую часть территории России, выделяют три основных фазы ледового режима:

замерзания;

ледостава;

вскрытия.

Замерзание - фаза ледового режима, характеризующаяся образованием ледяного покрова на водотоках и водоемах. Период замерзания начинается с появления льда и заканчивается образованием ледостава. Различают процессы ледообразования (появление плавучего льда) и формирования сплошного ледяного покрова. Ледообразование происходит при кристаллизации воды в любой точке водной толщи и на дне, а образование сплошного ледяного покрова происходит как за счет замерзания воды на поверхности, так и за счет смерзания всплывших масс льда, заберегов и льда, приносимого течением или дрейфом. По характеру образования ледяного покрова выделяют два типа: статический и динамический. Статический тип замерзания характерен для мелководных и небольших по площади озер, водохранилищ, прудов, участков небольших рек и каналов с медленным течением. В поверхностном слое формируются кристаллы льда в виде тонких прозрачных игл, скопления которых создают матовые пятна (сало), у берегов на мелководье формируются забереги, постепенно нарастающие от берега к глубоководной части. При спокойных условиях замерзания они имеют ровную поверхность и небольшую начальную толщину. Дальнейшее их распространение и примерзание к ним плавающих ледяных образований приводит к установлению сплошного ледяного покрова. Динамический тип замерзания характеризуется интенсивным перемешиванием, остывание воды происходит по всей глубине перемешиваемого слоя, что способствует переохлаждению всей толщи и заносу на глубину ядер кристаллизации. Образующийся при этом внутриводный лед может превышать количество льда, образующегося на поверхности. На дне образуются скопления донного льда. Смерзание плавающих на поверхности ледяных образований и обломков льдин увеличивает количество ледяного материала и в конце концов приводит к образованию сплошного ледяного покрова.

Вскрытие - фаза ледового режима, характеризующаяся разрушением ледяного покрова. Начало разрушения ледяного покрова происходит под влиянием термических факторов - подтаивания льда снизу за счет уменьшения потерь тепла в атмосферу. После освобождения ледяного покрова от снега начинается интенсивное стаивание льда сверху. Механические факторы либо дополняют процессы термического разрушения льда, либо являются главной причиной вскрытия водотоков и водоемов. К механическим факторам относится движение воды подо льдом, создающее постоянное усилие, приложенное к нижней кромке льда и направленное вниз по течению, а также весенний подъем уровня, создающий усилие, направленное вверх, отрывающее лед у берегов, создающее прогиб ледяного покрова. Разрушение льда усиливается при образовании открытых водных пространств - к работе ветра добавляется воздействие волн, разрушение льдин во время дрейфа и т.п.

[(#"721113.files/image005.gif">

Рис. 5 Преобладание роста кристаллов с наклонными оптическими осями, вызывающее постепенное исчезновение кристалла с вертикальной с-осью. (Паундер, 1967)

Поверхность раздела лед - вода

Исследование нижней поверхности растущего морского льда помогает понять процесс замерзания воды. Нижние 1-2 см ледяной толщи состоят из пластинок чистого (пресного) льда с прослойками рассола между ними. Пластинки, составляющие часть отдельного кристалла, параллельны друг другу и расположены, как правило, вертикально. Это так называемый скелетный (или каркасный) слой. Механическая прочность этого слоя обычно чрезвычайно мала. При дальнейшем замораживании пластинки несколько утолщаются, между ними появляются ледяные перемычки и постепенно образуется сплошной лед, в котором рассол содержится в виде капель или ячеек между пластинками. Понижение температуры льда приводит к уменьшению размеров заполненных рассолом ячеек, которые принимают форму длинных вертикальных цилиндров почти микроскопических размеров в поперечном сечении. Такие ячейки можно обнаружить на рис. 4 в виде рядов черных точек, расположенных вдоль линий между пластинками. Некоторое количество ячеек рассола имеется также у границ между кристаллами, но, основная масса рассола содержится внутри отдельных зерен. На рис. 5 приводятся результаты статистического исследования толщины пластинок в образце годового морского льда. Видно, что пластинки имеют однородную толщину, в среднем в пределах 0,5-0,6 мм. Диаметр гнезд, содержащих рассол, обычно около 0,05 мм.

Рис. 6 Статистическое распределение толщины пластинок в однолетнем морском льду. (Паундер, 1967)

Достаточного количества данных о длине таких гнезд до сих пор не имеется; известно лишь, что она колеблется в значительно более широких пределах, чем диаметр. Ориентировочно можно считать, что длина гнезд порядка 3 см.

Таким образом, мы видим, что в большинстве случаев морской лед состоит из макроскопических кристаллов со сложной внутренней структурой - содержит пластинки чистого льда и большое количество ячеек, содержащих рассол. Помимо этого, во льду обычно имеется множество мелких сферических воздушных пузырьков, образующихся из растворенного в воде воздуха, выделяющегося в процессе замерзания. Часть объема морского льда, занятая жидкостью - рассолом, представляет собой чрезвычайно важный параметр, называемый содержанием рассола v (Рис. 6). Его можно рассчитать, зная соленость, температуру и плотность морского льда. Основываясь на знании фазовых соотношений растворов солей, содержащихся в морской воде при низких температурах, (Ассур, 1958) вычислил v для тех значений солености и температуры льда, которые встречаются на земном шаре. В полученных Ассуром результатах не учитывается наличие во льду пузырьков воздуха, однако влияние последних на величину v может быть определено экспериментально сравнением плотности образца морского льда с плотностью пресноводного льда при той же температуре. (Паундер, 1967)

Рис. 7 Миграция рассола в направлении температурного градиента (Паундер, 1967)

Типы морского льда

Морской лед по своему местоположению и подвижности разделяются на три типа:

припай;

плавучие (дрейфующие) льды;

паковые многолетние льды (пак)

Припай - вид неподвижного льда в морях и океанах и их заливах вдоль берегов.

Рис. 8 (Покрытый снегом припай и дрейфующий лед на Балтийском море)

В динамическом отношении морской лед разделяется на подвижный (дрейфующий) и неподвижный. К неподвижным льдам относятся припай и стамуха.

Припай представляет собой прикрепленный к берегу или отмели ледяной покров, простирающийся на расстояние от нескольких метров до сотен километров от берега при замерзании воды. Припай испытывает только вертикальные колебания при изменениях уровня воды. Он может образовываться как на месте нахождения при замерзании морской волны, так и в результате примерзания. Этот вид может взламываться и таким образом становится дрейфующим льдом. В высокоширотных районах припай может существовать по несколько лет и достигать толщины 10-20 м. С целью борьбы с припаем на морских путях используются ледоколы.

Плавучие льды не связаны с берегом и дрейфуют под влиянием ветра и течения. К ним относятся начальные стадии льда (сало, снежура, шуга, блинчатый лед), более поздние его формы (нилас, молодик, однолетний, двухлетний и многолетний лед), лед в виде полей, их обломков или отдельных льдин, а также айсберги, их обломки и ледяные острова.

В зависимости от размеров льдин плавучие льды подразделяются на следующие формы:

§   ледяные поля - это наиболее крупные по площади образования дрейфующего льда, которые по размерам делятся на гигантские (свыше 10 км в поперечнике), обширные (2-10 км), большие (0,5-2 км) и обломки полей - льдины размером 100 - 500 м;

§   крупнобитый лед - льдины размером 20-100 м;

§   мелкобитый лед - льдины размером 2-20 м;

§   тертый лед - льдины размером 0,5-2 м;

§   сморозь - смерзшиеся в ледяном поле куски льда различного возраста;

§   торосы - отдельные нагромождения обломков льдин (бугры) на ледяном покрове, образующиеся вследствие сильного столкновения или сжатия льдов;

§   несяк - большой торос или группа торосов, смерзшихся вместе, представляющих собой отдельную льдину со сравнительно малыми горизонтальными и большими вертикальными размерами; осадка до 20-25 м и высота над уровнем моря до 5 м.

Паковый лед - многолетний полярный морской лед, просуществовавший более 2 годовых циклов нарастания и таяния. Обычно наблюдается в виде обширных ледяных полей в Арктическом бассейне, а также в виде припая вдоль северных берегов Гренландии, в северных проливах Канадского Арктического архипелага и в Антарктике. Торосы на полях паркового льда обычно сглажены неоднократным таянием, отчего их поверхность преимущественно холмистая. В Арктике парковый лед занимает площадь от 60 до 90% ледяного покрова. Мощный парковый лед непроходим для судов.

Паковый лед понимаются, как свободно плавающие ледяные массивы, сползшие в воду и оторвавшиеся от ледников на суше, а также дрейфовавшие льдины, захваченные впоследствии прибрежным льдом. У морского льда есть такое свойство: уже при образовании он отличается меньшей солёностью, чем морская вода. По мере продолжения «жизни» он всё более приближается к пресному состоянию и, наконец, становится годным для употребления в пищу.

Рис. 9 Паковый лед

Заключение

ледяной океан покров

Изучение и анализ данных позволило сделать следующие выводы:

.        К ледовым явления относят также ледяные образования, представляющие собой формы существования льда в водных объектах.

.        Фазам ледового режима соответствуют характерные периоды ледового режима - осенних ледовых явлений, ледостава, весенних ледовых явлений.

.        Морской лед представляет собой сложное, неоднородное по своим теплофизическим свойствам образование, формирующееся под влиянием целого комплекса внешних факторов.

.        Важнейшие свойства морского льда - пористость и солёность, определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г./смі).

.        Структура морского льда состоит из большого количества дисков или пластинок чистого льда, называемых шугой. Толщина этих льдинок очень мала, средние размеры примерно 2,5 см*0,5 мм, а форма может быть чрезвычайно разнообразной - от квадратов (или почти квадратов) до гексагональных образований.

.        Льды в океанах и морях принято классифицировать по ряду
признаков, основными из которых являются генетический, динамический, возрастной и морфологический.

Список литературы

1.     Бартон В., Кабрера Н., Франк Ф. Рост кристаллов и равновесная структура их поверхностей // В сб.: Элементарные процессы роста кристаллов. Пер. с англ. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. С. 11 - 168.

2.      Бурке А.К. Морской лед. Л.: Главсевморпути, 1940. 94 с.

.        Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е., Морской лед. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 318 с.

.        Жуков Л.А. Общая океанология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. 376 с.

.        Зубов Н.Н. Морские воды и льды. Л., Гидрометеоиздат, 1938. 451 с.

.        Назаров В.С. К изучению свойств морского льда // Труды ААНИИ 1938, т. 110. С. 101-108.

.        Паундер Э.Ф. Физика льда. М.: «МИР». Пер. с англ. Шинкар Г.Г., 1967, с. 30 - 39.

.        Савельев Б.А. Строение, состав и свойства ледяного покрова морских и пресных водоемов. Изд. МГУ, 1963. 541 с.

.        Хейсин Д.Е. Динамика ледяного покрова. Л., Гидрометеоиздат, 1967. 215 с.