Морской лед имеет очень плотную однородную структуру

9.4 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/см 3 для однолетне­го льда и 0,830-0,900 г/cм 3 для многолетнего. Летом, вследствие усиленного стока рассола, она падает иногда до 0.560 г/см 3 . 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 см 3 /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.

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?

Источник

Изучение свойств морского льда. Сопротивление льда разрушению при сжатии , страница 2

Морской лед образуется при замораживании морской воды. Его механические или другие свойства часто сравнивают со свойствами пресноводного льда из-за большого количества опубликованных трудов в этой области. Однако, свойства морского льда отличаются от пресноводного главным образом из-за содержания рассола и присутствия воздушных карманов. При формировании ледяного покрова, сначала образуется тонкий начальный слой из очень мелких зерен с произвольной ориентацией. Этот слой может быть толщиной от нескольких миллиметров до 15 см. Ниже этого начального слоя, микро- кристаллы растут вертикально, вытесняя рассол, растворенный в воде. Эти кристаллы размером приблизительно 1 мм по ширине с горизонтальной оптической осью. Вытесненный рассол оказывается заключенным в соляных карманах, которые присутствуют между кристаллами льда пресной воды как показано на рис. 2 а. и 2b. Эти соляные карманы имеют размер около миллиметра в диаметре. Рост такого конгломерата из кристаллов пресного льда и соляных карманов ограничен по горизонтали другими подобными множествами. Данный конгломерат можно рассматривать как зерно, с границами как показано в рис. 2а. На макроскопической шкале, полученная структура есть результат сближения вертикального зерна (отсюда название столбчатый лед) которые включают рассол, как показано в рис. 2с.

Рис. 2. Макроструктура столбчатого морского льда. (а) Горизонтальный срез для S2 или S3 типа льда; (b) Направление оптических осей кристаллов морского льда; (с) столбчатый морской лед; (d) пространственная анизотропия в столбчатом морском льде.

Для морского льда S2-типа характерна произвольная ориентация оптической оси в горизонтальной плоскости, в то время как для S3-типа характерно строгое направление для оптической оси. Рисунки 2b и 2с показывают разность между S2 и S3 типами. В то время как морской лед типа S2 составляет большую часть льда в Арктике, присутствие морского льда типа S3наблюдается в значительном количестве в некоторых районах. В любом случае, морской лед типа S3 появляется в ледяных покровах, толщина которых превышает 800 см, и возможно, что присутствие морских течений отвечает за существующую ориентацию кристаллов.

Исследуя природу технических задач, связанных с морским льдом, вполне естественно рассматривать лед как материал, имеющий однородную и непрерывную структуру. При таком подходе необходимо тщательно следить за тем, чтобы размер зерна был мал по сравнению с размером образцов при испытаниях на цилиндрах или балках из морского льда. Кроме того, необходимо принимать во внимание и влияние неоднородности, следовательно, результаты лабораторных испытаний не могут прямо применяться для моделирования поведения льда в пространстве.

Морской лед рассматривается как однородный материал и в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Однако, можно предположить, что материал является ортотропичным в лучшем случае как показано на рис. 2d.

Механические свойства морского льда могут быть разделены на две различных категории: связанные с краткосрочным поведением, и связанные с длительным поведением. Краткосрочные свойства зависят от температуры, скорости нагружения, пористости, зернистости, и содержания рассола, а также ориентации кристаллов. Длительные свойства зависят от вышеупомянутых параметров за исключением того, что скорость нагружения заменена продолжительностью нагрузки и уровнем приложенного давления (или скоростью деформации), который обычно держится постоянным в течение нагрузки.

Оценка механических свойств требует определения параметров, которые влияют на величину прочности и основное поведение морского льда. Для различных целей измерение прочности обычно выполняется с помощью ряда лабораторных или полевых испытаний. Рисунок 3 показывает наиболее общие типы проводимых испытаний.

Источник