Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Внутриводный лед и его роль в формировании ледяного покрова в морях Полярных областей

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Внутриводный лед и его роль в формировании ледяного покрова в морях Полярных областей"

государственны."! комитет ссср по гилрйлетеоролопш

ордена ленина арктический и антарктттоиш

нлуздо-исошоатшьскиЛ институт

впутр.1волий лещ и его роль б формировании ледяного покрова в морях полярных областей

11.00.08 - ОКЕАНОЛОГИЯ

АВТСРЕФЙРДТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических ?аук

На правах рукописи

тмпко

Константин Павлович

ЛЕНИНГРАД 1900

Работа выполнена в ордена Легаша Арктическом и антарктическом научно-исследовательском институте.

Научный руководитель - •

доктор географических наук А.Я.БУ37ЕВ

Офтщальнпс оппонента: доктор геогпаЛячо стопе паук В.В.ПАНОВ кандидат географических наук Ж.А.Л.ИТРАШ

Ведущая организация: Всосовзшй научно-исследовательский институт тадоотвхняки им.Б.Веденеева.

Защита циссеэтапди состоится 1950 г.

в / час. О О минут на заседание специализированного совета Д.024.04.01 по присуждению ученой степени кандидата паук при ордена Ленина Арктическом и антарктическом научно-исслеяоватепьском институте по адресу: 199226, Ленинград, ул.Геринга,38.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, проста направлять по указанному адресу Ученому секретарю совета.

С гдссертацией можно озпакокитъея в библиотеке Арктического и антарктического научно-исследовательского шютитута.

Автореферат разослац " -9 " 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор географических наук.

Е.г.шшгав

ОБЩАЯ ХАРАКТЕН1СТИКА РАБОТ!!

Актуальность. Основные направления развгщщ дау;ся д техники в интересах экономического и социального прогресса страны, сформулированные в директивных документах, преяусмзтрирзят коглплекс-ное изучение Мирового океана и атмосферы р ндсто/тдео время и па перспективу. В морях полярных областей одлда? вз наиболее вазных объектов такого изучения является ледяной сог.род, Строение и особенности пространственного распределения ледщоро рокрова, его сезонная и межгодовая изменчивость объективно отражают процессы, происходящие в океана и атмосфере, особенности их взаимодействия, климатические изменения. Наличие ледяного полова оказывает существенное влияние на все виды народнохозяйственной деятельности в морях полярных областей (гидротехническое строительство, судоходство и т.д.). Таким образом, выявление и уточнение закономерностей формирования ледяного покрова, его пространственно-временной изменчивости и возможного влияния на практическую деятельность с учетом современного уровня развития науки и техники является актуальной проблемой.

Заметную роль при ее решении играет изучение процессов, прямо или косвенно связанных с внутриводным ледообразованием. Так по материалам наблюдений в отдельных районах полярных морей внутри-водный лед монет составлять 70-80$ (а в наиболее динамичных районах и все 100$) от общей толщины ледяного покрова. В результата многолетних исследований как в налей стране, так и за рубежом выявлен ряд основополагающих закономерностей формирования, роста и распространения внутриводного льда в пресных и морских водоемах. В последние года предприняты попытки аналитического описания этих с лозных' природных процессов. Тем на менее, по-преанему,

остается много нерешенных задач, обусловленных сложностью изучения процессов пере охлаждения воды и формирования внутриводного льда как в натурных, так и лабораторных условиях. Так в ряде случаев при исследовании этих процессов отсутствуют их точные физические характеристики, которые плохо поддаются аналитическому описанию, по-ввдимому, не до конца вафыты и все физические механизмы внутриводного ледообразования, практически отсутствуют данные о связи кристаллической структуры ледяного покрова, содержащего прослойки внутриводного льда, с особенностями термо-халинного распределения в поверхностных .слоях моря, которое является важным критерием при изучении физических механизмов формирования внутриводного льда и т.д.

Рель настоящей работы - экспериментальные и натурные исследования физических механизмов переохлаждения воды и формирования внутриводного льда и изучение их роли в формировании кристаллической структуры ледяного шщюва арктических и антарктических морей на примере конкретных акваторий этих регионов. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие основные задачи: '

- выявление основных факторов, обуславливающих возможность переохлаждения природных вод;

- лабораторные исследования переохлаждения воды и форлирования внутриводного льда для получения и уточнения основных физических характеристик этих процессов;

- исследование роли конкретных механизмов переохлаядения воды и образование внутриводного льда в формировании строения ледяного покрова морей полярных областей на примере Карского моря в Арктике и моря Дейвиса в Антарктике;

- лай ораторше исследования физического механизма формирования "активного" внутриводного льда, приводящего к оомерзатго подводных частей гидротехнических сооружений и образованию донного льда;

- теоретические, лабораторные и натурные исследования физического механизма возникновения явления облштания судов в море.

Фактический материал. Основным исходным материалом для работы послужили результаты экспериментов, проведенных автором в лаборатории физического моделирования АА1Ш, экспедиционных исследований на а/л "Сибирь", "Ленин" и "Арктика" в период о 1Э85-1989гг, а также авиационной экспедиции в Карском в которых автор принимал непосредственное участие. При анализе результатов и обосновании выводов широко использованы также данные, опубликованные в советской и зарубежной печати.

Метопы исследований. При решении поставленных задач авторш попользован комплексный подход, предусматриванций моделирования исследуемых процессов в лабораторных условиях, проведение натурных наблюдений с применением нестандартной измерительной аппаратуры высокого разрешения. Структурный анализ ледяного покрова щюводился по методике, разработанной в ДАНИИ. При решении аналитических задач использованы известные физические модели теории ледообразования.

Научная новизна:

- на основании теоретических и лабораторных исследований автором предложена физическая модель, объясняющая возможность переохлаждения природаых вод;

- предлогов а экспериментально подтвержден физический механизм переохлаздай^*. 5оды вследствие конвекции в однородней по плотностп слое коря при ограничении глубннн конвекции.

- в результате лабораторных исследований уточнены физические характеристики процессов переохладцеяия воды и формирование внутриводного льда;

- ярвдлсаены, теоретически и экспериментально подтверждены возможные физические механизмы формирования "активного" внутри-водного льда и возникновения облипающ судов в море.

Практическая ценность работы. Научные результаты и методы изучения внутриводного ледообразования, гредставленные в работе, могут быть использованы:

- при исследованиях роли и масштабов внутриводного ледообразования в формировании и эволюции ледяного покрова в морях полярных областей;

- при разработке эффективных мер борьбы с форлированиеи "активного". внутриводного льда, "обливанием" судов в море;

- для совершенствования лабораторных и натурных исследований цроцессов переохлаэдения вода и внутриводного ледообразования;

- для дальнейшего изучения взаимодействуя атмосферы и океана на основе структурного анализа ледяного покрова в морях полярных областей.

Ашюбадия работы. Основные результаты исследований докладывались на конференции молодых специалистов ААБШ (1985), итоговом заседании физико-технической секции Ученого совета ААНИИ (1987), на Всесоюзном совещании по гидротехнике "Лед-87" (1987), научно-техническом семинаре отдела физики льда и океана ААНИИ (1989).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 4 работы, одна работа находится в печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пятиглав, заключения, списка литературы ( 12 ? наименований). Общий объем составляет I8S страниц и включает за рисунков и 7 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДИТ-АНЕ РШГС1

Во вг.ецеттп обосновывается актуальность теш диссертации, с'юптулзгровакн цель п задачи исследования, показгла научная но-аизна, практическая значимость работа, ггредсгав.тсгш основные выводи и положения, выноси.™ на папкту-

Пешая глава посвяаена лабораторшп исследованиям процесса переохталения воды, которое во .многих случаях является необходимым условием для уорглхрования внутриводного льда. Кратко анализируются результата предыдущих исследований, на основании которых делаются вывода, послуяпваия автору отлравноЗ точкой в его исследованиях. К наиболее з^ачи:.:;:.] из них могло отпости вывод, одолантй З.Лзнгз::о!.: и Б.Мо^соно:; (1Г68), Т.Карстенсо;; (1966), Л.Карте и др. (1955), которые етатата, что оста из основопола-ггггах факторов, влияющих на величину переохлаждения води, является скорость ее охлаждения. Сгщатсо отсутствие в этих работах анализа ^йзлчоскпх причин лто'*. заглсимостп, ттг.е как п удовлот-гютат^льпого исследования еоэ"о::шост:г перзохяэг.д-птя прггрощшх вод в целоп указало актору па необходимость проведения дололнп-■пльшгх пзЛоратортшх исследования, целью которых было:

1. Изучение зависимости гогтот пвроохлатдошм вода от концентра:^ содчрхются с ней ионов глетеральных веществ (имеется

в еч^ дястиллирорштпя я пресная вор.п) и сочеяости при различ-нлх температурах, но ггоитнчпо:; способе охлаг-цеппи.

2. Пют.лешю -^язячоскях причин перэомапдогпгя кок тмсяой, таг. и морской вода.

Результаты исследований автора показали, что воляпгаш пэре-ох?г~гегп{я рощ» ялпгсит хаг: от скорости охлап^оняя, так и от ее покпого состава. Характер сто.'! зппстгюст:; хорошо согчасуотся с

полученной ранее (Д.лода, 1956) закономерностью изменения разности потенциалов, возникающей вследствие миграции ионов на границе твердой и падкой фаз при разной скорости замораживания. На основании этих выводов автором предложена физическая модель переохлаждения природных вод, основным положением которой является зависимость процессов переохлаждения воды и ее кристаллизации от соотношения кедцу скоростями теплоотдачи м миграции ионов на периферии яидких лъдоподобных молекул (кластеров). Б случае, если скорость миграции ионов превышает скорость теплоотдачи, то формирующийся на периферии кластеров минерализированный слой будет предохранять их от преждевременной кристаллизации и вода будет переохтаддаться. В противном случае начнется формирование кристаллов льда. Предложенная физическая модель хорошо объясняет основные результаты предыдущих исследований, выполненных различными авторами, а именно:

1. Морская вода при одинаковых условиях охлаждения переохлаждается на большую величину, чей дистиллированная или преоная.

2. Величина переохлаждения яри динамических условиях охлаждения больше, чем при статических. ■ ■ •

3. Стенки сосудов И' наличие в воде примесей оказйвают свое влияние на величину переохлаждения воды только в том случае, если их форма и материал, а, следовательно, и теплопроводность приводят к неравномерному охлаждению контактирующего с ними слоя вода.

Во второй главе рассматриваются физические механизмы переохлаждения воды и формирования внутриводного льда, которые могут оказывать существенное влияние на кристаллическое строение ледяного покрова арктических и антарктических морей. До недавнего времени били известны четыре таких механизма: тепловой, к о:,трое-

сионньй и концентрационный (Пехович А.И., 1983) п за счет "двойной диффузии" (Мартин С., Кауффман П., 1974). В одном пз последних псслсдовашй, посвященных этому вопросу, рассмотрен есо один механизм формирования внутриводногс льда: дисперсионный (Монахов 13.И., 1989). Тем не менее ни один из ппх нельзя считать до конца изученным, т.е. таким, .для которого были бы известны изменения всех его физических параметров и установлены их количественные значения.

В этой связи в лаборатории физического моделирования ААЕЙИ, при непосредственном участии автора, проведен комплекс эксперимента льнах рг.бот по изучению особенностей протекацг"~*и выявлению физических характеристик различных механизмов формирования гну-тргводного льда.

Исследования механизма переохлаждения вода п формирования виутривсдяого льда вследствие ди^еренцнально-дайузиошгоа конвекции при контакте трах и белее слоег. морской вода явитесь как бн щюдолшшем экспериментальных и теоретических исследований этого процесса, выполненных Мартини С. и Кауфй.шноа П. (1974) п Монаховш Е.И. (1909) для двухслойной модели. При этом разработанная в лабораторий гегоддка проведения экспериментов позволяла с большой точностью измерять те физические параметры, которые наиболее трудно поддаются определению в натурных условиях, такие, напргслор, ках вел.гапа пере охлатдежш воды, толщина переходкого слоя, количество формирующегося зяутрпьодиого льда, его пористость и т.д. Подобный леханязгл переохлаядешш вода имеет больше потенциальные воз.\:озност1: в процессе формирования внутрпводного льда. Наиболее существенные результаты лабораторных исследований в этом направлении гаплэчаэтея в сдедувсш:

I. В случае начала крастаялзгацди в самом верхнем слое при

величинах переохлавдзния менее О, I °С, средние слои сохраняв? свое переохлажденное состояние, величина переохлаждения которых достигает нескольких десятых градуса С.

2. ЫакоиыашШе величины переохлаждения в случав конвективного теплообмена мезду Слоями достигают 1,5 °С, при чисто диффузионном * 0»7 °0.

3. Йнтейсиьнооп крйбталлйаеаии и количество формируемого внутриводного Льда определяется величиной переохлаждения воды в слое. При величинах переохлаждения, на превышающих 0,5 °С, процесс кристаллизации значительно растянут во времени и может длиться в течение нескольких десятков мин. и даже часов. Прй этом наблвдается сосуществование остаточной величины переохЛахдания вода и кристаллов льда. При больших величинах переохлаждения кристаллизация длится от нескольких минут до нескольких секунд, кохда практически весь переохлажденный обът вода заполняется кристаллами льда. И в той, и в другом случае величина пористости1^ внутриводного льда при статических условиях кристаллизации (без уплотнения) не превышает значения 0,9.

4. При значительна! ( > 0,5 °С) переохлаждении воды, возникающем вследствие конвективного теплообмена между слоями, внутри-водный яед целиком заполняет переохлажденные объемы воды, что в натурных условиях приводит к формированию генетического тина льда В7, В8. При чисто диффузионном теплообмене между слоями и малых величинах переохлаждения формирующиеся кристаллы льда могут лишь нарушать рост конхеляционного льда, т.е. способствовать формированию тина ВЗ, В4.

Ё дшшш елуч&а иод аьре?ев?й> ьйу*р№о.Щ1ого льда йогашотся йродоНтноо Содораанле воды в смеси кристаллов льда и воды.

В лабораторных условиях автором исследован и другой механизм переохлаждения води и формирования внутркводного льда, который обусловлен смешением пресной и морской воды, находятся при своих температурах замерзания (концентрационный тип). Как известно, переохлаядение воды в данном случае обусловлено эндотер.шчяостыэ процесса растворония солей морской вода при низких температурах (Миллеро 5., Леунг Д., 1976). Теоретическому исследовании этого процесса посвящено несколько работ, результата которых значительно отличается друг от друга (Лоховпч А.И., Шаталина H.H., 1970, Монахсв Е.И., 1989). Это и вызвало необходимость моделирования этого процесса в лабораторных условиях. Эксперимента проводились в рабочей емкости, объемам около 80 л, ь которой смешивались различные объемы пресной воды п водного раствора С? . Величина переохлагдения смеси определялась косвшшш путам по количеству формирующегося внутризодного льда, которое определялось калориметрическим способом. Результаты экспериментов показали довольно хорошую сходимость с ранее виполпеншгяп теоретическими расчетами (Пехович АЛ., Шаталина И.Н., 1970, табл.1). Кроме этого автором былп проведены расчеты величин переохяавденяя при смешении пресной и морской воды с учотс:.". теплот растворения солей морской воды при низких температурах (Миллеро Ф., Леукг Д., 1976).

Таблица I

Величины переохлаздепня смеси в °С, образовавшейся в результате смешения различных объемов солессдэрзащих растворов (i.^) с пресной водой (Mj), находящихся при температурах замерзания.

\

nTAi2 вид смеси 0 ОД 0,3 0,4 0,5 1,0 2,0 3,7

эксп. 0 0,080 0,052 0,047 0,038 0,023 0,010 0

Порская вода 0 0,034 0,060 0,070 0,066 0,036 0,007 О расчет

В работе предложен и экспериментально подтвержден физический механизм переохлавдения воды и форгяароваяия внутриводного льда в результате осенне-зимней конвекции в случае ограничения развития этого процесса по глубине. Такое ограничение может быть обусловлено как малыш глубинами моря, так и ярко выраженной плот-ностной стратификацией, когда дальнейшее понижение температуры однородного по плотности слоя воды ке приводит к дальнейшему увеличению его гшщшш. Б патурних условиях вго явление, до-вадимо-цу, может наблюдаться в двух случаях:

1. В период осеннего выхолаживания, когда глубина конвекции достигла дна или слоя пикнокяина, а температура воды не достигла еще точки замерзания.

2. В зимний период ори возникновении разрывов в ледяном покрове и относительно спокойных гидрометеоусловиях (малых скоростях ветра и дрейфа). В атом случае (по данным Франческини Г., 1963 и Катсароса К., 1975) на поверхности чистой вода может возникать переохлажденная пленка толщиной несколько км, препятствующая процессу кристаллизации на поверхности разрыва.

Проведенные автором лабораторные эксперименты показали, что при конвективном охлаждении однородного по плотности столба морской воды, температура которой выше точки замерзания, нижние его слои охлаждаются быстрее чем верхние. Это приводит к ступенчатому распределению в нем температуры вода, в результате чего нижние слои оказываются переохлажденными на величину 0,05-0,08 °С к тому моменту, когда температура самого верхнего слоя достигнет точки замерзания.

Этот процесс может происходить и в зимний период при образовании участков чистой вода (трещин, полыней, разводьев и т.д.). В этил случае физический механизм переохтадцения воды будет нес-

колько отличаться от предыдущего тем, что конвективный процесс ' будет происходить в слое води уже охлажденном до точки замерзания. С физической точки зрения это возможно только в том случае, если на поверхности формируется переохлажденная пленка (Франчес-кини Г., 1963, Катсарос К., 1973), предо хранящая поверхностный слой воды от кристаллизации. Тогда и здесь становится возможным ступенчатое распределение температуры в первоначально однородной охлажденной до точки'замерзания толщи воды. Существенным же ее отличием от распределения температуры рассмотренного ппе является не увеличение значения переохлаждения с глубиной, а наличие максимумов переохлаждения в самом верхнем п в самом нижнем слоях водной толщи. При этом максимум переохлаждения в самом верхнем слое объясняется теп, что конвективный процесс происходит в воде уже охлажденной до точки замерзания, поэтому при достижении термодинамического равновесия на границе верхнего й нижележащих слоев первый из них будет уже переохлажден, причем на довольно значительную величину, несколько десятых градуса О (Фраяческини Г., 1963, Катсарос К., 1973). Вертикальное распределение температуры вода, полученное в результате теоретических и лабораторннх экспериментальных исследований, хорошо подтверждается и в натурных условиях как в Арктике (результаты исследований НИЛ "0.Шмидт"), так и в Антарктике (Дюбкин И.А., Топорков Л.Г., 1970). В своп очередь приведенный в работе расчет показывает, что при скоростях ветра менее 10 м/сек и тепловых пото-

л

ках с открытой водной поверхности 150-500 Вт/м , величина переохлаждения в поверхностном слое может достигать 1,2 °С при скоростях- конвекции Ю-4 - Ю-3 м/сек.

Третья гдпва посвящена исследованиям роли внутр;пзодпого льда в стратотрафлческих псслодоваших ледяного покрова в .'.горях Арк-

тики и Антарктики на примере Карского моря и моря Дейвиса. По мнению автора, структурный анализ ледяного покрова является важным косвенным методом исследований гидрометеорологических процессов, особенно в труднодоступных районах морей полярных областей. Известно, что по содержанию прослоек внутриводного льда можно определять время динамических подвижек однолетнего ледяного полова (Черепанов Н.В., 19£4), возраст многолетнего льда (Черепанов Н.В., 1957), Учитывая многообразие механизмов формирования внутриводного льда, его содержание в ледяном покрове при определенных условиях может также служить критерием величин переохлаждения вода, стаивания прееннх талых вод с ледников, массы поднимающихся в поверхностные слоя глубинных вод и т.д. Для того, чтобы он служил тагам критерием необходимо установление корреляционных зависимостей между значениями его массы и объема в ледяном покрове и темп гидрометеорологическими факторами, которые способствуют его формирования. В качестве примера в работо заводится расчет величин температуры воздуха и скорости ветра над раарывом в ледяном покрове по 'содораапию прослойка внутриводного .. льда, находящейся от него на расстоянии нескольких километров. Ilpri этом предполагается, что теплоотдача над разрывом происходит эа счет турбулентного теплообмена п элективного излучения, а воо отданное тепло идет на переохлаждение вода в результате конвективного перемешивания поверхностного слоя моря. При этом величина пористости внутриводного льда принята равно:: 0,9, что соответствует результатам лабораторных ясследовашС автора процесса статического образования внутриводного льда, т.е. без уплотняющего воздействия таких динамических уакторов как ззотор, толчение, течете и т.д. Результаты расчета показали, что пр:г содоргятт

в ледяном покрове 15-санйШотровоЛ прослойки вйутрйвОДЯого льда на расстоянии 5 км от трвЩМ йлй Полины! йрй ёё наличии в течение 48 часов средняя Тб'.игаЬатура воздуха над Ней бШга « б °С при скорости ветра 6 и/сва, При этом для определения волМЯШ! переохлаждения вода в заййбимостп от удаления от йсШньй шш трещны использовалась формула вида (<&ковскяЙ С.С., 1971)

где лТл,р _ веллчина переохлаждения вода при удалении ее от источника образования на раостеяняе, равное Ь А^и - величина переохлаждения вода В Верхнем 10-20 мот-розом слое полыньи;

К - оютиричсскж! коэффициент, равный 0,023. Несомненно, что прпведегашЯ расчет является довольно прй-блишенным, позто:.!у для полноправного использования метода структурного анализа ледяного по)фова необходимо дальнейшее изучонае взаимосвязи ме-ду количеством в:!утриводногб льда и величина-.!» гидрометеоэлементов, 'при которых оп форг.йгруотея.

Результаты исследований последних трех десятилетий убедительно показывают, что содержание впутрйводного льда в ледяном покрове арктичесглпс и антарктических морей достигать до-

вольно значительна величин, особенно в наиболее динамичных участках поря: в районах заприпайных шшшой, усТЬ9Ы1х участков рек, ледников, где ледяной покров моле? целиком состоять йЭ льна типа Б7, ГО (Черепанов Я.П., 1976). 51 связи о Этим йй основании гс-ещихся данных о кристаллической структуре лодтпого покрова -Карского моря в Арктике й ЭОШ! Нрпплл моря ДоЙвпса в Антарктике, а такте с учетом лсдовоМ1Дролог)гческих одьтх, по-лучештх пвторо:; при зкспсдгат.ио::!1)!* Г>эбоТпх п Харсйом море, на-

глдцно представлена взаимосвязь между функционированием различных механизмов переохгаддения воды и формирования внутриводного льда и соответствующими им изменениями в структуре ледяного покрова этих регионов в различные сезоны года. Так, например, вы-гоышейный автора? расчет поГчазывает, что слой весенне-летнего внутриводного льда в припае моря Дейвиса в районе станции Мирный мокет формироваться за счет талых прооных вод с нижней и верх-' ной поверхности близлежащих ледников, которые, смешиваясь с морокой водой, формируют как мелкие игольчатые кристаллы размерами 1-5 ю, так н крупные пластины льда о диаметром до 10-12 си.

Четвертая гланд посвящена исследованиям процессов "активного" и "пассивного" внутриводного ледообразования. "Активность" внутриводного льда, зашдачаящаяся в обмерзаний подводных частей гидротехнических сооружений и формировании донного льда, еще в начале века послужила толчком к проведению дополнительных исследований этого процесса при строительстве Петербургского водопровода. в процессе этих исследований Власовым В.А. (1008) было установлено, что при налпчзш открытой водной поверхности в зимний период в проста водоемах вода в них может переохлаждаться на веднчану 0,04-0,06 °С. В дальнейшем возможность иереохяазде-ния кроеной и морской воды в лабораторных а натурных условиях ис-сдедовалась в работах Альтберга В.К. (1939}, Чижова Л.Н. (1962), йлшю С а Кавасаки С. (1959), Карстенса Т. (1966), Тесакера Е. (1966) а др.

Однако результаты всех этих исследований на дают ответа ка водроа, в каких же случаях кристаллы внутриводного льда ведут себя "активно", т.е. контактируют с поверхностями опущенных в воду предметов к ашшгеоа лева водоша, а в каких находятся в ней во взвешенном состоянии, Частотно отвогом ка поета&яентШ вопрос

явились исследования Девика 0. (1948), который считал, что "активность" внутриводного льда проявляется только в переохлажденной воде. Однако физический механизм этого свойотва внутриводного льда остается до сих пор невыясненным.

Визуалыше исследования "активного", внутриводного ледообразования в пресной воде показали:

1. В пресном потоке процесс криоталлизации может происходить при сохранении остаточной величины переохлаждения воды в диапазоне 0,05-0,10 °С.

2. В потоке происходит интенсивный подъем кристаллов от дна и стенок лотка, а таюге от поверхностей помещенных в него предметов.

3. Отсутствие интенсивного заноса криоталлов льда вглубь потока,

4. Отсутствие видимых источников холода для формирования "активного" внутриводного льда.

Последний вывод показал необходимость рассмотрения этого процесса с точки зрения 'гидромеханики. Так теоретический анализ плоскопараллельного движения под действием силы тяжести показывает, что величина работы совершаемая по переносу единичного столба воды вдоль поверхности раздела твердой й жидкой фаз равна диссипаций кинетической энергии на данной поверхности, т.е.

А = П = ■О'*'* (2)

3 /л

При этом происходит необратимый переход кинетической энергии в тепло, что должно приводить к пульсационным изменениям температуры. Выполненный расчет по формуле (2) показывает, что при двинении единичного объема воды со скоростью 18 га/сек за I сек

его тввдардтура должна повыситься вд величину Ю~7оС. Такая же величине далучдотея и при расчете цд формуле Богословского П.А. (1950), дредлоденнда им для расчету потерь тепла за счет трения в трубопровода* в виде?

в трМ* ««■<>'£ у» 8 у (3)

Однако в действительности пульсшвщшо изменения темпоратурн воды происходят не в сантиметровом, а более тонком слое. Для определения его толпонш авторе»* выполнены специальные иамере1гия дульсацзй ^еглературн воды, Для ото!} цели к обмываемой пероох-ладдошщм потовом стеклянной «ссостя ррикреплялся тершетр 'ТГ-54, о помощью которого к регистрировались истинные значония колебаний температура води, (К мсталличоеши предметам термистр примерзал и оказырэдея нечувствнтельндо к измепениям температуры вода), результаты измерений показали, что потишше значения пуль-сащШ температуры воды происходят в диапазоне 0,001-0,005 °С, что свидетельствует о том, что оки происходят в слое толщиной порядка Учитывая, что ршщуа термоятш отчески равновес-

ного зародоса составляет 4 • Ю"7сп, то такая толщина пленки воды оказывается вполне достаточной для формирования в ней первичных кристаллов льда.

В результате выполненных исследований автором была сфор.!у-лироваия хащотш о физическом механизме фогшрогАчпя "активного" янутргазодного льда, которая заключается в следующем, При дшг.ош пероохлаедошюго потока па поверхностях находящихся в нем вреда.;отов происходит непрерывная диссипация ■/.пистическо!'. эноргки, приводящая к пульепцаотиг: изменениям тсулегатура г. тот?«.! СЛОО воды. При атом, оста сытость «го охл.т-.-^тая в результата этих пульсацп*! опюшдотея гао критич^—о4, то п со-

ответствии с данныгли ранее проведенных исследований (гл.1), в нем начнется процесс формирования "активного" внутриводного льда.

В главе У представлены результаты лабораторных и натурных исследований процесса облипания судов в море, выполненных сотрудниками лаборатории физического моделирования ААНИИ при непосредственном участии автора. Облшаяие корпуса судов относится к особо опасным природным явлениям в холодпый период года. Вопросам распространения этого явления S морях полярных областей и особенностям его возникновения посвящены работы Воеводина В.А. (1973, I98IJ, Вол A.A., Ионова Б.П., Леднева В.Аа (1987), Росли-ка Я.Ф. (1984, 1988). И тем не менее механизм возникновения облипания корпуса судов еще недостаточно ясен. До недавнего времени это явление изучалось лишь визуально о борта судна с последующей статистической обработкой тех гидрометеорологических параметров, при которых оно наблюдается. Однако.их диапазон оказывается настолько велик, что они не в состоянии прояснить те физические процессы, которые являются первопричиной данного явления. Статистическая обработка результатов многолетних наблюдений, выполненная Адамовичем Н.М. (1987), показала, что вероятность возникновения этого явления в осенне-зимний и начале весеннего периодов на участке трассы от о.Колгуев до Диксона практически одинакова. Многообразие гидрометусловий, при которых наблюдается облипание и его равновероятность на таком значительном участке трассы Северного морского пути привело к необходимости моделирования этого явления в лаборатории* условиях.

Результаты экспериментов,' проведенных в лаборатории физического моделирования ААНИИ, показали:

I. Интенсивное "обшта1ше"корпуса модели возмогло только при наличии riopnoxnj^oimoü воды.

2. С увеличением скорости двидения модели при наличии пере-охладданяя всщы интенсивность облилания увеличивается.

3. Кристалла внутриводного льда являются основным цементирующим материалом при возникновении облилания судна.

4. Механизм облилания корпуса модели зависит от характера ее поверхности. Облиаанге ровной поверхности модели возмогло только в мереохлазденной воде. При наличии на ее поверхности каких-либо изъянов (трещин, отверстий), которые соизмеримы по размерам о кристаллами внутриводного льда и, вследствие этого, препятствуют их свободна^ движению, в этом случае при попадании в них крне?аллов льда силы сцепления мезду последними могут оказаться доататочнкш для возникновения облилания и при отсутствии пере-едагагщешш воды.

Еопулматн лабораторных экепераментов были частично подтверждай! ща выполнений натурных исследований механизма облилания корпуса ледокола, проведенных на а/л "Сибирь", "Ленин" и "Арктика", которые позволили сделать следующие основные выводы:

1. Отсутствие аномальных распределений температуры корпуса

в районе ватерлинии в: электрического эффекта взаимодействия корпуса Ледокола со льдом в момент формирования ледовой "подушат" ощдетельствуйт о. малой вероятности влияния этих двух факторов Н& инициирование и развитие этого явления.

2. Отсутствие переохлаждения воды в однородном по плотноста поверхностном слое моря во всех случаях возникновения облилания подтвердило возможность формирования ледовой "подуппа" без этого ш^ргетического фактора взаимодействия корпуса ледокола со льдш. (Шр©©ззшздешге вода было обнаружено только при ярко выраженной плсдак>о?н©й ^ратификации поверхностных слоев моря).

3. Мощные щртрнв одного льда «ождаой 1-3 метра, ©бка-

руженные под ледяным покровом, во всех местах формирования ледовой "подушки", а также большое его количество (около 90%) в самой "подушке" подтвердили результаты лаборатории: экспериментов о том, что именно внутриводный лед является основной составной частью этого ледового образования.

4. Ярко выраженное термохалшшое расслоение в подледном слое внутриводного льда с диапазоном изменения солености 6-7 и температуры 0,3-0,4 °С является единственным постоянным гидрометеорологическим -фактором, сопутствующим образованию ледовой "подушки", который может инициировать ее формирование.

Проведенные лабораторные исследования показали, что ледовая "подушка" может образовываться в однородном потоке морской вода с шугой при положительной температуре воздуха, т.е. при отсутствии каких-либо термических причин взаимодействия кристаллов льда с корпусом модели. Инициирующим началом при,этом может слузить какая-либо щель или отверстие, куда могут попадать кристаллы шуги. Учитывая, что в корпусе таких ледоколов .как "Арктика" имеется порядка 120 отверстий, можно предположить, что Любое из них, находящееся в носовой или мидельной части, может служить источником возникновения облипания. Подтверждением правомерности предложенного автором физического механизма этого явления, могут служить результаты ранее проведенных исследований. •

Так по данным исследований Хоббса П. и Мэйсона Б. (I9S4), Лэтеыа Д. и Саундера Р. (1967), Хослера Л. и др. (1957) при контакте двух пресных ледяных сфер диаметром несколько мм между ниш возникают силы взаимодействия в случае, если расстояние их разделяющее не превышает I—10 М . Лабораторные эксперименты Накайя У. и Матсумото А. (1954) показали, что контакт между двумя ледяными сферами при их взаимодействии является жидглп. Не проводя тео-

ретпчоского анализа многообразия гипотез о физических причинах этого взаимодействия, изложенных в работе Хоббса П. и Мэйсона Б. (1964), в данной работе физический механизм этого процесса рассмотрен с позиций изменения свободной поверхностной энергии системы, происходящей в результате взаимодействия составляющих ее компонентов. Для проведения такого анализа использовалась формула Дерягина Б.В. и Кротовой H.A. (1949) для определения силы взаимодействия .двух сфер

М -- 2<Я т]тк (

Результаты експертаонтов Хослера К. и др. (1957) показал;, что с пли взаимодействия кристаллов льда с учетам площади контакта могут достигать 2-3 кг/сп2. с учетом того,что в соленом льду, по даннш Хоббса й. и Мзйсона Б. (IS64), рост перемычки между кргстаялами происходит в точение 1-2 шн., в то врсгя, как в пресном в течение нескольких часов, автором предложена схема образования ледовой "попужГ, которая включает несколько этапов:

1. Ifpn вхождении ледокола в мощный слой шугп происходит попадание кристаллов льда в его корпусные отверстия.

2. Уплотнение пути и возникновение пленочного взаимодействия иовду кристаллами.

3. В результате выхода взаимодействующих кристаллов за пределы отверстия происходит боковой и продольный рост ледовой "ло-дущи" До тех пор, noica расстояние, между кристаллами в результате ушитшния не превысит критического значения.

В.заключении изложены основные результаты проведенных исследований, наиболее значимая часть которых сформулирована в разделе "щртак новизна", отмечены наиболее ватлыо из нерсоенпах вопросов в процессе этих исследований и предложены перспективные пути ИХ рашепая.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

I. Монахов , Тышко К.П Внутриводный лед // Вертикальная структура и динамика приледного слоя океана /Под род. Л.А.Тимо-хова. -Л.: Гцдрометеоиздат, 1389. -с.44г50.

2. Черепанов Н.В., Назинцев О.Л., Тышко К.П. Особенности внутриводного ледообразования в прабрешшх районах моря // Ледо-тершческие проблемы в сев.гидротехн.стр-вс и вопр.продления навигации: Натер. II Всес.науч.-техн.совещ., Архангельск, 25-27 июня, 1987. -Л.: 1909. -C.77-S0.

3. Тышко К.П., Назинцев В.Л. С<3 "активней" в "пассивном" внутриводнои ледообразовании // Электрофизические и физико-механические свойства льда /Под ред.В.В.Богородского и В.П.Газридо. -Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -с.135-143.

4. Черепанов Н.В., Назинцев Е.Л., Тышко К.П. Контактное переохдаддекпе води и впутриводаое ледообразование в море. // Электрофизические и физико-механические свойства льда. /Под ред. В.В.Богородского и В.П.Гаврило. -Л.: Гидрометеоиздат, 1989. -с.124--134.

5. Тышко К.П., Лялягин H.A. Лабораторные исследования пористости внутриводного льда, форлирующегося при статическом ледообразовании. - Тр.//АЛШМ, 1990. -т.423, - 6.I4I-I45.

РопиАЛПИИ 3«. 130 при 100 in, Поштовмо к печати 21.ОЗДО М-18568 y\icvlJvlJ> Бвспитис^