Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Теплофизические свойства и тепломассоперенос в снежно-ледяных толщах ледников

ВАК РФ 11.00.07, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Теплофизические свойства и тепломассоперенос в снежно-ледяных толщах ледников"

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ГЕОГРАФИИ

На правах рукописи

УДК: 551.324(99)

НИКОЛЕНКО

Александр Васильевич

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС В СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ТОЛЩАХ ЛЕДНИКОВ

Специальность: 11.00.07 — Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

А ВТО Р ЕФ ЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

МОСКВА 1991

Работа выполнена в отделе антарктических исследований Ленинградского горного института.

Научный руководитель — чл.-корр. АН СССР, доктор географических наук И. А. Зотиков.

Официальные оппоненты — доктор технических наук, профессор К. Ф. Войтковский; кандидат географических наук А. Б. Бажев.

Ведущая организация — Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, г. Ленинград.

Защита состоится «/*/> и^лъ-иЛ 1991 г. в I 2 часов на заседании Специализированного совета Д.003.19.03 при Институте географии АН

Адрес: 109017, Москва, Старомонетный пер., 29, Институт географии АН СССР.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах (заверенные печатью) просьба направлять по указанному адресу ученому секретарю совета.

Автореферат разослан «.¡Зу* 1991 г.

Ученый секретарь Специализированного совета,

СССР.

кандидат географических наук

Г. М. Николаева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Повышенный интерес ); попросам изучения окружавшей среди, особенно климата и водных ресурсов Земли, отмеченной в последнее время, определяет пристальное внимание ученых разных стран к мотным снежно-ледяным массивам полярных районов.' Помимо традиционного климатологического интереса, естественним об--разом возникает экологический аспект, приобретающий первостепенную значимость. В условиях растущего воздействия человека на природные процессы возникает ряд первоочередных проблем, требуюших незамедлительного решения. В числе наиболее важных из них следует выделить прогноз динамики и теплового режима оледенений. Однако в теоретической теплофизике ледниковых покровов до настоящего времени не уделено достаточного внимания роти приповерхностных снежно-фирновых горизонтов. Тем не менее, именно в этом слое протекают интенсивные процессы тепломассообмена, оказывавшие влияние на динамику и тепловой режим всей ледниковой толши, которая "экранируется" . рыхлой ледяной породой от прямого воздействия атмосферы.

Теплофизические расчеты при анализе процессов, происходящих в приповерхностно;.! снежно-фирновом слое, оказываются особенно сложными в силу наложения и взаимодействия различных явлений, опреде-ляютих процессы тепломассопереноса. Качество подобных расчетов в первую очередь зависит от корректности выбора физической модели, учитывавшей основные явления, которые управляют тепловым режимом в ледниковых покровах, а также от точности определения характеристик ледяной породы, их взаимосвязей и степени влияния на процессы тепломассообмена.

С этих позиций и надо оценивать целесообразность и актуальность проведенных исследований интенсивности, временной и пространство нн'ой изменчивости процессов тепломассопереноса и их зависимостей от ус'логий формирования и спойстл породи, с.тогаю'ппй снежно-

лодгаше порроьн в различных географических регионах.

Цель работы. Основной целью настоящей работы являлось выделение , изучение л количественная оценка всех наиболее важных явлений, участвующих в переносе тепла и массы через снежно-ледяную толщу, определенна влияния на их интенсивность географической изменчивости, а такта полунанке надежных универсальных зависимостей , их основных параметров от свойств среды и обратных зависимостей, характеризующих изменение этих свойств.

Матрриали и тетовн исследований. Фактическую основу диссертационного исследования составили материалы, полученные автором при лаоораторпом изучении естественного снежного покрова Ленинградской области в гидрофизической лаборатории Государственного гидрологического института. Лабораторные и полевые исследования в снежно-ледяных покровах полярных стран были выполнены на куполе Вавилова Сарх. Северная Земля) и в Антарктиде на ст. Восток. Кроме того , некоторые данные были собраны на 105, 140 и 200 километрах профиля Рирныи-Босток во время участия в научном походе.

I! пронесен исследований автором били разработаны новые и усо-вершвнетпованы уящ известные методические ириски и способы изучения составляющих тепломассопереноса в сухих снежно-ледяных толщах. Кроме тогобыли разработаны, испытаны и 'внедрены в ррактику работы САЭ; . '

- экспериментальный стенд для изготовления образцов ледяной породи (плотностью свыше 450 кг/м3 ) правильной цилиндрической формы и заданных размеров; . . ' . -> устройство для исследований зависимости термических и реологических свойств льда от гидростатического давления и температуры;

- конструктивно новцй кристаллизатор. для измерений интенсивности миграции водяного пара.

При лабораторных исследованиях теплофпзических свойств ледя-' ной породы, в качестве основного, бил использован метод регулярного

теплового режима первого рода. Для полевого изучения теплового ' режима в приповерхностной снежной толше были применены тепломеры. Лабораторные и полевые исследования характеристик термической диффузии водяного пара через снежный покров осуществлялись с помощью конструктивно новых кристаллизаторов. Такие систематические комплексные наблюдения, одновременно с измерениями температуры и,плотности , позврлиди оценить роль отдельных составлявших тепломассопе-реноса в естественной ледяной породе.

Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в следующем: '

1; Впервые на основе экспериментальных данных показан механизм влияния диффузионного массопереноса на деформирование профиля плотности в приповерхностном снежном покрове холодных ледников.

2. Предложена гипотеза объяснения деформации профиля температуры

в приповерхностной снежной толще холодных ледников за счет ее саморазвития и роста кристаллических форм.

3. Впервые на основе экспериментальных данных для естественной ледяной породы получена обшая зависимость ее эффективной теплопроводности от темввратуры и плотности во всем ее реально существующем в природе диапазоне.

4. На основе экспериментальных данных произведена оценна влияния давления на термические свойства льда. Впервые получена универсальная зависимость эффективной теплопроводности ледяной породы от ее плотности, температуры и давления.

5. Показана возможность использования теплофизического метода для определения границ между стадиями рекристаллизапионного льдообразования.

Практическая значимость работы заключается в разработке новых методических способов исследований и в получении на их основе универсальных залпект'остей, предназначенных для расчетов и анализа

- 6 г -

закономерностей тепломассопереноса в ледниковых толщах различных

Ь

географических регионов. Полученные результаты могут бить использованы для численного моделирования температурного режима по всей снежно-ледяной толше, как это показано в работе на примере расчетов для ледникового покрова Антарктиды в районе ст. Восток.

Апробация работы и публикации. Основные результаты исследо-» вания по теме диссертации обсуждались на заседаниях научиих семинаров гидрофизической лаборатории ГГИ в. 1983 г., отдела географии полярных стран ААНИИ в 1984 г., отдела антарктических исследований ЛГИ в 1986-1990 гг. и отдела гляциологии Института географии • АН СССР в 1991 г..Основные положения, исследований опубликованы в 5 научных публикациях.

Объем и структура работ». Работа'изложена страницах

машинописного текста и состоит из введения, четырех глав и заключений. В работе помещено Я" рисунков и /¿^таблиц. Список литера-, туры включает МО названия, в том числе«?В на иностранных языках.

Работа выполнялась под руководством члена-корреспондента АН СССР, доктора географических-наук И.А.Зотикова", которому автор выражает искреннюю благодарность.- Автор'глубоко признателен своим коллегам по отделу антарктических исследований за помощь при подготовке и'обсувдении диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ПРОЦЕССОВ ТЕПЛОМАССООБМЕНА В СУХИХ СНЕЖ-ТО-ЛЕДЯШХ ТОЛЩАХ И РЕГИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ОСНОВНЫХ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ИХ ИНТЕНСИВНОСТЬ

Исследования тепломассопереноса в снежно-ледяной среде имеют достаточно большую историю. Тем на менее, этот вопрос не утратил .^своей актуальности до настоящего времени. Разнородность используе-

мых подходов и неоднозначность полученных результатов достаточно ярко характеризуют степень изученности данной проблемы. В числе некоторых основных пробелов в истории исследований, попытка ликвидации которых была предпринята в настоящей работе, можно выделить следующие:

1. Малоизученность роли, физической сущности и взаимосвязей отдельных явлений и свойств снежно^ледяной среды, определяющих перенос тепла и массы в ней;

2. Отсутствие сравнительных наблюдений в различных географических регионах, выполненых по единой методике одним и тем-же исследователем или коллективом, что позволялоубез достаточных оснований, часто использовать фактор географической изменчивости для обьясне- ' ния несовпадения получаемых результатов с общепринятыми на текущий момент;

3. Недооценка абсолютным большинством исследователей роли термических условий;

4. Практически полное отсутствие теплофизических исследований естественной ледяной породы средней плотности, т.е. фирна, приводящее к некоторым противоречиям и несоответствиям между результатами измерений для снега и льда;

5. И наконец такая, нак оказалось очень важная характеристика, оказывавшая большое влияние на кондуктивную теплопроводность льда, нак горное давление, создаваемое вышележащей толщей, вообше выпала из поля зрения всех предшествующих исследователей.

В качестве основного объекта исследований выбрана снежно-ледяная толща Восточной Антарктиды (главным образом в районе ст. Восток ), развивающаяся по рекристатаизашгонному I холодному) типу льдообразования и, следовательно, проходящая все стадии уплотнения и эволюции. Особенности процессов тепломассообмена в естественной ледяной пореде, развивающейся по теплому типу льдообразования,рас- '

-г'8 -

сматриваются на основе данных, полученных на леднике Вавилова. Лабораторные исследования-в Ленинградской области, в процессе которых отрабатывались' методические способы и приемы измерений, осуществлялись в естественном снеге, сформировавшемся и развивавшемся в еше более мягких климатических условиях при высоких отрицательных температурах близких к О °С. Следовательно, все основные районы наблюдений имеют разный климат, что предопределяет различия в особенностях формирования и эволюции снежно-ледяной среды и позволяет , в первом приближении, оценить пространственную изменчивость 4 закономерностей изучаемых процессов.

Выбор снежно-ледяной толии Антарктиды в качестве основного объекта исследований обусловлен .прежде всего, специфическими особенностями ее уплотнения, позволившими охватить измерениями практически весь диапазон плотности естественной среды. Наблюдения в Ленинградской области и на куполе Вавилова дополняют данные по• • Антарктиде за счет некоторого расширения диапазона плотности исследуемой ледяной породы, в области ее низких значений.

Сравнение полученных данных с результатами предшествующих из-, мерений, выполненных различными исследователями, свидетельствует о существовании закономерности распределения по глубине плотности приповерхностных горизонтов снежного покрова в районе ст. Восток, .главной характерной особенностью которой является наличие слоев с аномальной плотностью: уплотненного примерно в 1,5 м от,дневной поверхности и разуплотненного на глубине около? м. В остальном, рост плотности с глубино.й происходит достаточно равномерно, исклкъ чая области с критическими плотностями между стадиями метаморфического льдообразования, которые, хорошо прослеживаются, в виде перегибов профиля, полученного на оонове ..экспериментальных данных,-

Снежная толша во'всех районах наблюдений'достигает в процессе своей эволюции высшей скелетной стадии конструктивного метаморфизма,

которая только в низкотемпературных условиях Антарктиды сопровождается дальнейшая регрессивными метаморфическими преобразованиями. Заключительным этапом льдообразования в теплом леднике Вавилова . является формирование инфильтрационно-контеляционного льда, который существенно отличается от рекристаллизационного льда холоднрго ледникового покрова центральной Антарктиды, содержащего большее количество воздушных включений.

По количеству и качеству полученной информации о термике снежно-ледяных толя наибольший интерес для обобщений представляют данные , полученные в Антарктиде на ст. Восток.-Анализ среднегодовых результатов измерений температуры в турфе и данных термометрии в скважинах, выполненной сотрудниками ОАИ ЛГИ, позволил выделить несколько не отмеченных ранее закономерностей:

1. Повышение температуры в скваяинах на глубинах 10-110 м на про-' тягении всего периода габлюд^ний (1977-1989 гг.);

2. Смещение минимального пика температур за этот период с 50 м глубины до - 70 м;

3. Наличие двух минимальных ликов температуры на глубинах около

2 и 60 метров с аномально высокой температурой в слое между ними. Закономерности 1.и 2. можно объяснить движением от дневной поверхности в толпту ледника климатической длиннопериодной волны тепла. ' Приближенные расчеты, показывают, что величина периода этих колебаний температуры при заданных значениях амплитуды на поверхности 2-3 °С составляет около 130 лет. Для объяснения явления 3, был ■ предложен гипотетический вариант его рассмотрения, как результата наложения и взаимодействия проникающей волны потепления климата и внутреннего перераспределения энергии в снежном покрове за счет самоусложнения его структуры и внутренней неоднородности.

Глава 2. №Т0Ди ИССЛЕДОВАНИЙ И ИСПОЛЬЗУЕМАЯ АППАРАТУРА

Основными способа!!-!! уменьшения суммарной погрешности любых наблюдений являются выбор надежных методов и совершенствование использугг.-ого оборудования и аппаратуры. До настоящего времени не существует стандартных методов исследований для изучения снёж-но-ледяиых покровов, в ему их специфических особенностей и недостаточной изученности. По этой причине выбору и совершенствованию ужо известных методик наблюдений, а-также разработке новых методи- . чсских способов,- было уделено оообое внимание. В шлях выбора оптимального варианта и уменьшения погрешности наблюдений, неоднократным видоизменения!/ подверглись комплекты использубмых приборов и аппаратуры. Учитывая специфику климатических особенностей, большое внимание, помимо-надежности, уделялось и автоматизации непосредственных измерений, позволяющей,кроме всего прочего.избежать . субъективной погрешности наблюдателя при считывании результатов.■

Определение платности йак в лабораторных, так и в полевых условиях производилось путем взвешивания на весах ВЛКТ-500 проб ледя;-шй породи строго определенного объема. Для отбора проб снега малой плотности использовались тонкостенные латунные бюксы с известит» весом и.объемом.- Изготовление образцов правильной цилиндрической формы и заданны! размеров из Ледяной породы плотностью .свыше 450 кг/м5 осуществлялось с помощью специально разработанного и изготовленного экспериментального устройства. Как показали мкогократ-■ ные обмеры каждого изготовленного образца, отклонение их форм! от правильного цилиндра находилось в пределах точности измерительного инструмента, равной 0,05 мм.

Полевые термоградиентные наблюдения в снежном покроре осуществлялись состаренными и предварительно протарированныш термистора-№ МЭТ-^.с погрешность»,не-превышающей 0,05 °С. Контрольная тарировка термисторов выполнялась перед началом и после,окончания наблю- '

дений с использованием ультратермостата У-10 и специального термостата, изготовленного на базе сосуда Дыоара.'

Сопротивление первичных преобразователей измерялось и регистрировалось универсальным волвтметром И! 68003 и печатающим устройством Щ 68000К. Эти приборы бичи использованы и для полевых дистанционных исследований теплового'режима снежной толти, наблюдения за которым осушествлялись с помошыо тепломеров ДМ-1.

В качестве основы для изучения процессов термической диффузии пара был выбран способ, предложенный и использовавшийся для измерения массопереттоса в естественном снежном покрове Л.В.Павлов!jm (1965). Основные положения этого метода остались неизменным!. Принципиальные видоизменения претерпела лишь конструкция самого кристаллизатора. Необходимость этого выявилась при отработке методики и исследованиях характеристик миграции водяного пара внутри снежных монолитов в лабораторных условиях.

Все лабораторные теплофизические измерения выполнялись методом регулярного тгплового режима Г.М.Кондратьева (1957), погрешность которого составляет около 3 %. Для исследований использовались те же самые образцы ледяной породы, с помощью которых определялась ее плотность. Термостатироввние образцов в процессе измерений теп-лофизических характеристик производилось в ультратермостатех У-10 и HBF. При этом в качестве первичных преобразователей для наблюдений за градиентом температуры использовались медно-константановые дифференциальные термопары. Измерения и регистрация поступавшей в ходе опытов информации осушествлялись цифровым вольтметром 01 1526 и печатающим устройством Щ 68000К. В качестве внешнего запускающего устройства для цифрового вольтметра бил применен транскриптор Ф 5235, который обеспечивал высокую точность' предустановленного интервала времени мо^ду измерениями.

При исследованиях зависимости от гидростатического давления

тсплофизических характеристик'глубинного льда их рпределение также выполнялось методом регулярного режима. Для трехосного сжатия льда было разработано и изготовлено устройство, названной по ана-г логии с его прототипом, предложенным в свое время Г.М.Кондратьевым, и с учетом специфики применения - акалориметром давления. Тарирование акалориметра давления на сжатие-производилось • с помощью-электромеханического пресса и образцового динамометра ДОС-3.

Глава 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОМАССООБМЕНА В ЛЕДЯНОЙ ПОРОДЕ

Измерения методом регулярного теплового режима при исследованиях зависимости термических .свойств от плотности (в диапазона 100-916 кг/и3 )и температуры 1в интервале'.О +■ -40 °CJ производились на образцах, отобранных в снежно-ледяных покровах Ленинградской _ области, Северной Земли и Антарктиды на ст. Восток, 105 и .200 км от ст.Мирный. Для каздого района било выполнено соответственно 200, 215, 597, 98 и 6 измерений, т.е. всего в процессе исследований проведено 1116 опытов.

Процесс обшей передачи энергии в естественной снежно-фирновой толще осушертвляется, в основном, посредством кондукшш и тершг-г ческой диффузии. Поэтому при исследованиях теплофизических. характеристик ледяной породы определяются их эффективные-значения. Как' показали проведенные исследования,термические характеристики снож-• но-ледяной среды практически полностью- определяются ее плотностью, температурой и давлением. Впервые на основе экспериментальных данных' получены две общие эмпиричестае зависимости -эффективной теплопроводности естественной ледяной породы'от температуры ц.плотности во всем ее реально существующем в природе диапазоне. Они имеют об-шие структуру и эмпирические параметры и отличаются только за счет разного вида зависимостей теплопроводности от температуры для по-.'

- I 3- -13 -

роди с плотностав меньше критической (экспоненциальный вид) и больше критической (линейный вид). По результатам исследований ледяной породы Антарктиды в районах ст.Восток ЙШ5 км двумя способа' ми определена критическая плотность, равная 760 кг/м3, при которой теплопроводность не зависит от' температуры. Ее физической сущностью, вероятно, является соответствие границе между пористым состоянием материала и монолитным. Эта величина, полученная теплофи-зическими методами, хорошо соответствует известной критической плотности меету второй и третьей стадиями метаморфического льдо- . образования,при которой по мнению К.Ф.Войтковского (1977 )-происходит замыкание пор, а по данным Н.Маэно и 5,Эбинума (1гПся.гпо V.¿Ит*-та Т. } /5?3) фирн характеризуется максимальной плошадьв-контактов между зернами. • ■ г ' ' Полученные зависимости били апроксимированн следующими вираже- ' . ниями:

для ¿0 < 760 кг/м3; • . ' •

Л ' : ■

'•дня 760 кг/м3;. ...

гдо Л'зф- эффективная теплопроводность ледяной породы, Вт/м.К; ^Р - плотность, кг/м3; Т -температура, °С

При значениях эмпирических параметров: :

' С( = 5,28.10 ~3; 6= 1,06'Ю-9; С = 6,97-Ю-4; с/ = 0,47; € = 1,84» Ю-5; J■ = 0,014 .-для льда от .Восток; 6 = 3,2'Ю-5; } .= 0,024" - дня Льда купола Вавилова; , ' выведенные зависы/ости хорошо апроксимируют данные топлофизических измерений во всех географических регионах, за исключением результатов дпн ст.Восток в диапазоне плотности 320-550 кг/м3. На основа анализа экспериментальных и теоретических результатов была по-

I Ч- 14 -

казано, что основной причиной этой аномалии термических свойств являются низкотемпературные условия формирования и эволюции снежной толсти на ст.Восток, сказывающиеся в конечном итоге на величине удельной плошяди контактных связей между ледяными зернами. Кроме того. у иифильтрационно-коняеляционного льда купола Вавилова термические свойстга в большей степени зависят от температуры в сравнении с рекристаллизациопннм льдом Антарктиды в районе ст.Вое-' ток, в котором заключено большее количество воздуха. Это отражается на величине коэффициента $ в выражении, описывающем результаты измерений:

■ лт = к а -/'О.,

где.. -теплопроводность льда при О °С;

о

Я = 5*10 - дугя Льда кулола Вавилова; •

о

$ - 2,9-10~° - для льда ст.Восток. •

При моделировании теплового режима в толше ледникового покрова важное значение приобретает знание не только величины теплофи-зических параметров, но и их изменения по глубине. Как уже отмечалось, на термические свойства чистого льда горячу с температурой значительное влияние оказывает горное давление вышележащей толши. •Экспериментальные исследования данного вопроса б.чли выполнены в Антарктиде -на ст.Восток. Всего било поставлено около 200 опытов в трех экспериментальных.сериях продолжительностью 2,5-3 месяца каждая на образцах льда с глубин 1722 и 1975 м. Сжатие льда происходило под действием нагрузки, увеличиваемой через определенные промежутки времени от 0 до 9,8 МПа. После достижения при неизменных термических условиях предельного (для данной фиксированной нагрузки) объеиного сжатия испытуемого образца начинались исследования зависимости теплофкзических характеристик нагруженного льда от температуры. На основе этих экспериментальных данных впервые лолучога обтпя эмпирическая зависимость теплопроводности льда от

гидростатического давления и температуры, имевшая следующий вид:

= I- 4,МгНр2 + 3,3.10-2-р + 1,78)11 - г.Э.НГ^.Т) ;

где р - давление, Ша.

Лабораторные исследования основных закономерностей массопере-носа, в процессе которых отрабатывались методические способы изме-

ЬЫПОЛНЯЛИСЬ

рений, в сухой естественной снежной толше Ленинградской области. Всего било поставлено 132 опыта со средней продолжительностью каждого из них 8-3 суток. Температура снега в процессе измерений изменялась от - 0,5 до - 25 °С, а ео градиент от 5 до 110 °С/м. Причем в точение всех отдельных опытов термический режим поддерживался неизменным.

Полученные результаты свидетельствуют, что термические условия являются основным фактором, влиявшим на конвективный массопе-ренос в сухом снежном покрове, из всех видов которого, как известно , преобладает перенос диффузией под действием перепада температур. На интенсивность диффузионного потока потека наиболее активное воздействие оказывает градиент плотности водяного пара, определяющийся темп1 ратурой снега в данной точке и ее градиентом. Как .показывают экспериментальные данные, при понижении температуры от - 1 до - 20 °С плотность диффузионного потока уменьшается в 8-10 раз.

Температура снега оказывает основное воздействие и на коэффициент диффузии водяного пара, который по данным измерений умень-

с; с о,

шается от 9*10 до З'Ю-^ м*ус при понижении температуры от - 0,5 до - 25 °С. Данная связь была апроксимнрована следующей эмпирической зависимостью:

£) = +0,27).Ю-4.

Комплексные лабораторные исследования закономерностей тепломассообмена способствовали уточнению физической сущности процесса суммарной передачи тепла через пористую ледяную среду. На оснопе экспериментальных данных было показано, что влияние температуры

на этот яроцесо нэ исчерпывается только регулированием диффузионной составляющей, а распространяется и на кондуктивнутр теплопроводность.

Глава 4. ВЕ11ШСТВЕРН0-Э11ЕТГЕТИЧЕСКИЯ ОБМЕН В СНЕЖНО-ЛЕДЯНЫХ ТОЛЩАХ ПОЛЯРНЫХ СТРАН '

Полученные в.лабораторных условиях закономерности позволили конкретизировать направленность полевых наблюдений и акцентировать основное внимание на количественной оценке процессов' тепломассо-переноса, иХ временной изменчивости и роли отдельных составляющих. Сравнение данных намерений в различных регионах показало, что интенсивность миграции пара в снежной толше ледника Вавилова пример: но .в '2-3 раза выше, чем в прибрежных .областях Антарктиды и- примерно в 5 раз выше, чем в'районе.ст,Восток. Тем не менее, как оказалось, массоперенос играет более важную роль при формировании приповерхностных, горизонтов ледников, развивающихся именно по холодному типу льдообразования.-Объясняется это большой продолжительностью, вернее даже непрерывностью действия этих процессов в хо- .,' - лодных условиях. В то время как в сезонных снежных толщах массоперенос, несмотря на его большую интенсивность,не успевает серьезно повлиять на свойства снега и в частности на его плотность.

По данным измерений на ст.Восток внутригодовой. цикл миграции пара в приповерхностном снежном покрове Антарктиды состоит из двух периодов: холодного с положительным температурным градиентом, . определяющим перенос массы вверх, и теплого - с отрицательным градиентом температуры и направвлением паропереноса. Несмотря на'большую продолжительность холодного периода (около 7,5 месяцев),суммарный перенос вещества за это время меньше, чем в течение теплого сезона. Преобладание гтаграции м.ассы вниз в годовом цикле паропереноса отмечается от поверхности до глубины около 1м. Ниже начинает преобладать положительный поток массы (вверх) с максимумом на глу-

т -\г-

бине примерно 1,5 м. Такой характер распределения по глубине.годового баланса масси, а соотвественно и плотности, является наи-

■ более вероятной причиной наблюдаемого за период с 1957 по 1988 гг. в районе ст.Восток и отмеченного ранее аномального уплотнения снежного покрова на глубине около 1,5 м.

Основной причиной данных процессов является среднегодовое распределение- температуры в приповерхновтном снежном покрове , характеризующееся отрицательным термическим градиентом до глубины около 1,6 м. Кроме того, среднегодовые данные измерений тепловых потоков с помощью тепломеров также свидетельствуют о смене знака теплопередачи в слое 1,6-2,0 м. С учетом направления переноса это означает, что в данный слой тепло поступает как сверху, так и сни- • зу.т.е. он является потребителем энергии. В качестве потребителя этой энергии можно предположить процессы самоусложнения и роста кристаллических форм снежного покрова, который в данном слое достигает наиболее высокой скелетной стадии конструктивного метаморфизма.

На основании этих закономерностей была выполнена ориентировочная интерполяция профиля температуры мезду измерениями в верхнем 2-х метровом слое.сне&ной толши и в скважине. Для этого было необ-

■ ходимо определить глубины, на которых формируютря пики или перегибы температур. Верхний, отрицательный пик,'как уже было показано, располагается между 1,6 и 2,0 м. Глубину второго пика можно определить исходя ия того, что из этой более теплой области должен осуществляться диффузионный вынос массы в окружавшие более холодные слои; И если этот дроцесс- постоянный или очень продолжительный, он должен'сказаться на профиле плотности. И дёйствительно,по данным В.Я.Липенкова 11988) на глубине около 7 м имеется аномально разуплотненный горизонт, в котором-, вероятно, и происходит перегиб профиля температуры. Для того, чтобы такой вид профиля темпера-

туры, который кстати характерен и для других районов Антарктиды, сохранялся постоянно, на этой глубине должен быть-какой-то источник тепла. Таким предположительны!.: источником , опять таКи,.может являться процесс самоусложнения и саморазвития снега, который, примерно на этих глубинах, находится на-ходнтся на заключительных стадиях регрессивного метаморфизма. . '

Подводя итоги анализа закономерностей массопереноса

в естественных условиях, следует отметить, что термические условия оказывают решающее влияние и на его роль в суммарной передаче теп-лà через снежный покров. Как свидетельствуют полученные результаты, при температурах близких к О °С примерно 25 Я всей энергии в снеж- ' : ной толте переносится термической диффузией пара. С'понижением температуры роль диффузионной составлявшей в эффективном теплопе-реносе резко снижается по экспоненциальному закону и достигает 0,2 f при темпераууре - 68 °С. t

Приведенные выше зависимости теплопроводности чистого льда от плотности, температуры и давления можно свести к одной уиивер- • сальной, которая будет иметь следующий вид:

где у =-4,1.10^; ^ = 3,3-Ю-2.

На ее основании было определено распределение основных теплофизи-ческих свойств ледяной породы по глубине ледникового покрова в районе ст.Восток. Используя эти данные,'а также аналитическое решение задачи И.А.Зотиковв '( 197-7 ), были выполнены теоретические расчеты распределения по всей толше ледн/.кового покрова темперптуры, ее градиента и теплового потока. Полученные результаты свидетельствуют о том, что величина потока тепла, отводимого в леднике от его • р

нижней границы, составляет около 62 мВт/м , что неплохо соответствует известит- тоор тическим оценкам (Зотиков, 1982; Rit 2 ,1989). В целом.по глубине отклонение теоретических температур от

экспериментальдах, полученных в скважине до глубины 2075 м, изменяется синусоидально с амплитудой около 0,045 °С. Такой характер изменения отклонений, в первом приближении, можно объяснить про-ховдением длиннопериодной тепловой волны по толще ледника.

В призабойно'й зоне скважины наблюдается отклонение от общего распределения по глубине разности измеренных и расчетных температур. Эта область характеризуется также наибольшим изменением во времени данной разности с максимумом в 1985-86 гг. Денное явление объясняется, вероятнее всего, термическим возмущением, вызванным тепловыми э({фектами бурения и возможно дополнительннм выделением энергии за счет аномальной подвижности ледникового покрова на горизонтах около 2000 м, отдельные признаки которой били обнаруженн в процессе проведения буровйх работ и при изучении ледяного керна с 'этих глубин.

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования в теоретических расчетах постоянных по всей ледниковой толще термических коэффициентов и особенно те[лпературопроводности, при условии исключения из рассмотрения верхних слоев ледника, в которых, к тому же, значительно сказываются "вековые" колебания . тешературы. Глубина затухания этих колебаний, до величины амплиту-,ды, соответствующей погрешности измерений, составляет в районе ст. Восток 110 м. На этих горизонтах ледяная порода уплотняется до значения третьей критической плотности, т.е. эта глубина является границей между снежно-фирновыми отложениями и ледяной толщой. Оказалось, что этот верхний снежно-фирновый слой характеризуется прямолинейным увеличением термических свойств среды с глубиной. Ниже связь достаточно резко отклоняется от прямолинейного вида. ■Прямолинейный рост термических свойств, Определяющийся в коночном итоге скоростью уплотнение среди, дкпзался характерным дня всех

проанализированных районов Антарктиды. Различаются лишь скорости э;гого роста, характеризующиеся углом наклона зависимостой и глубины,

до которых связи" имеют линейный вид и хорошо соответствующие нижним грантам снежно-фирнового- слоя в различных проанализированных районах. Для рекристаллизаиионпых зон льдообразования Антарктиды были получены зависимости этих характеристик деятельного слоя от. условий снегонакопления и частности от скорости аккумуляции осадков и температуры.

'ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В процессе проведенных исследований разработаны новые и усовершенствованы уже известные методические приемы и устройства .для изучения составляющих'тепяомассопереноса в сухих снежно-ледяных толщах.

2. На основании фактического материала установлено, что во, всех географических регионах механизм процессов тепломассообмена подчиняется одним и тем же закономерностям. Географическая изменчивость проявляется за счет различий в климатических условиях фор-' мирования и эволюции ледников. . .

■3. На основе экспериментальных данных показан механизм влияния диффузионного массопереноса на деформирование профиля плотности в приповерхностном снежном покрове холодных ледников.'

4. Предложена гипотеза объяснения деформации профиля температуры в приповерхностной снежной толше холодных ледников за счет

ее эволюции, самоусложнения и внутренней неоднородности!

5. Впервые на основё экспериментальных данных для естественной ледяной породы получена обшая зависимость ее теплопроводности от температуры и плотности во всем ее реально существующем в природе .диапазоне, Определена величина критической плотности, при которой теплопроводность не зависит от температуры.

С. Проанализирована физическая сущность процесса суммарной передачи тепла через гористую ледяную среду. Никл»«':г, чм.влии- ••

ние температур-на этот процесс не исчерпывается только регулированием диффузионной составляющей, а распространяется и на кон-дуктивную теплопроводность.

7. На основа экспериментальных данных произведена оценка влияния давления на термические свойства льда. Впервые получена универсальная зависимость теплопроводности ледяной породы от ее плотности, температуры и давления.

8. Показана возможность выделения снежно-фирнового слоя в холодных ледниках на основе анализа закономерностей изменения с глубиной термических свойств. На базе фактических данных для различных районов Антарктиды получена зависимость мощности сне.гло-фирнового слоя от скорости аккумуляции осадков и температуры.

' ' Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях;

1. Лавины в районе трассы БАМа. !.!. , ГИМКЗ, 1984, 172с. (соавторы Бруханда В.И., Гун O.E., Капаев Л.А, и др. ).

2. 'Геилофиэические.свойства снега и льда купола Вавилова на Северной Земле.- МГИ, вып. 61, 1988, с. 51-58.

3. Лабораторные 'определения характеристик диффузии водяного пара в смежном покрове.- МГИ, был. 62, 1988, с..90-95.

4^ Лабораторные исследования теплофизических свойств снежного покрова,- В сб.: Географические и гляциологические исследования в полярных странах. Л., ГИМИЗ, 1988, с. 146-155,

5,- Исследования зависимости теплофизических характеристик льда от гидростатического давления и температуры.- МГИ; вып. 71, 1991, о. 22-2У Iсоавтор'Зотиков' H.A.).