научная статья по теме ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НАРАСТАНИЯ И ТАЯНИЯ МОРСКОГО ЛЬДА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ НАРАСТАНИЯ И ТАЯНИЯ МОРСКОГО ЛЬДА»

УДК 551.46.062.7

Экспериментальные исследования процессов нарастания и таяния морского льда

Г. А, Лебедев*, К, К. Сухорукое*

Приведены и проанализированы результаты исследований изменчивости толщины молодых морских льдов в период зимнего нарастания в зависимости от различных гидрометеорологических факторов. Даны количественные характеристики процесса таяния ледяного покрова, полученные синхронными и непрерывными измерениями температуры на нескольких горизонтах во льду и в приледном слое воды, количества тепла, поступающего ко льду из атмосферы, а также изменения толщины льда врезультате стаивания сверху и снизу.

Введение

Изучение естественных процессов ледообразования с помощью современных физических методов имеет не только научное (например, решение задач взаимодействия атмосферы и океана через ледяной покров [6]), но и большое практическое значение, в первую очередь, для составления ледовых прогнозов и расчета проходимости морских путей. В настоящее время для диагностики состояния ледяного покрова различных акваторий широко используются такие дистанционные средства, как радиолокационная и инфракрасная техника [2], позволяющие оперативно районировать по толщине значительные по площади участки ледяного покрова. Несмотря на несомненные преимущества этих методов при решении конкретных научных и прикладных задач, они еще не обладают достаточной точностью и разрешающей способностью для детального исследования процессов формирования толщины льда на локальных участках ледяного покрова.

В этом плане использование гидроакустического метода оказывается весьма перспективным при изучении динамических процессов нарастания и таяния льда. В первую очередь, это обусловливается высокой точностью регистрации изменения толщины ледяного покрова, с практически сколь угодно малой дискретностью измерений во времени, а также возможностью определения толщины льда с момента появления на поверхности воды тонкой ледяной пленки.

Идея метода проста и заключается в регистрации с высокой точностью изменения вследствие роста (таяния) льда положения нижней границы ледяного покрова относительно некоторого уровня, жестко с ним связанного.

Рассматриваемые ниже результаты экспериментальных исследований процессов нарастания и таяния морского льда получены с использованием

* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт.

макета гидроакустического измерителя толщины льда, подробно описанного в работах [1, 5],

Исследование процессов роста морского льда с нижней поверхности

Экспериментальные исследования динамики естественного нарастания тонких и молодых однолетних льдов в зависимости от разных гидрометеорологических величин были проведены в весенний период 1979 г. на дрейфующей станции "Северный полюс-23". Наблюдения за толщиной льда проводились на двух площадках молодого однолетнего льда, характеризующихся разными условиями состояния верхней поверхности (на одной площадке сохранялся ненарушенный снежный покров толщиной около 30 см, на другой — в радиусе 2 м относительно вмороженной в лед штанги с акустическими преобразователями поверхность систематически расчищалась от снега), а также в искусственно созданной майне диаметром примерно 3 м. Первоначальная толщина заснеженного льда составляла 125 см, бесснежного — 111 см. Рост льда в искусственном водоеме фиксировался с момента появления на поверхности воды тонкой пленки льда. При толщине льда 10—15 см лунка очищалась для проведения следующего опыта. Всего было проведено 16 опытов, охватывающих широкий диапазон изменений внешних условий, в частности температуры воздуха. Наблюдения проводились в основные метеорологические сроки: для тонкого льда через 3 ч, для однолетнего — 3—4 раза в сутки.

На рис. 1а представлены временные зависимости изменения толщины и скорости роста льда для заснеженного и бесснежного участков ледяного покрова. Сравнивая полученные данные и учитывая, что измерения проводились одновременно, можно оценить теплоизолирующее влияние снега на процесс нарастания льда. Как видно, при наличии снега на льду процесс увеличения толщины замедляется (по сравнению с бесснежным участком льда), причем скорость нарастания (по сглаженной средней) за период исследования уменьшалась с 5 до 2,5 мм/сут. Интересно отметить довольно тесную взаимосвязь между временными изменениями скорости намерзания льда и температуры воздуха (см. рис. 1а). Кривая скорости отчетливо повторяет почти все экстремумы кривой температуры воздуха для бесснежного льда и более сглаженно для заснеженного. При этом с увеличением толщины льда реакция скорости намерзания на одинаковые перепады температуры воздуха ослабляется. Значения средней скорости роста однолетнего морского льда как функции времени года для определенных толщин и условий состояния его верхней поверхности приведены в табл. 1.

Анализ связи между изменениями температуры воздуха и скорости роста толщины ледяного покрова методом линейной корреляций свидетельствует, что, несмотря на то, что температура воздуха является важнейшим параметром, влияющим на рост морского льда, неучет действия других факторов (ветер, солнечная радиация, течение и др.) затрудняет однозначную интерпретацию этой взаимосвязи.

На рис. 16 показаны экспериментальные зависимости толщины заснеженного и очищенного от снега льда от суммы градусодней с отрицательной температурой воздуха за исследуемый период. Для сравнения здесь же

Рис. 1. Изменение роста заснеженного и незаснеженного молодого однолетнего льда в зависимости от времени (в) и суммы градусодней с отрицательной температурой воздуха (б).

/, Г — толщина льда Лд; 2,2'— скорость роста льда У„\ 1 — скользящая средняя температура воздуха за 10 сут; 4,4' — скользящая средняя скорость роста льда за 4 сут; 5 — температура воздуха Т.; 6,7— экспериментальные данные; 8,9 — расчетные данные по формуле из [6]; Л 2,4, 6, 8 — заснеженный лед; Г, 2', 4', 7,9 — лед без снега.

приведены результаты расчета нарастания толщины молодого льда по формуле из [6], в которой она получена на основании упрощенного решения уравнения теплопроводности для ледяного покрова при известной температуре его верхней и нижней поверхностей. Некоторое несоответствие между экспериментальными и расчетными данными, по-видимому,

Таблица 1

Средняя скорость роста (мм/сут) однолетнего морского льда

Дата Толщина льда

ПО—130 см (снег отсутствует) 120— 140 см (слон снега 30 ск)

Апрель, 1-я декада 9,0 5,0

Апрель, 2-я декада 8,7 4,25

Апрель, 3-я декаде 6,5 3,0

Май, 1-я декада 4,0 2,5

можно объяснить тем, что расчетная формула выведена при условии линейности вертикального профиля температуры льда, что не всегда справедливо для весеннего периода наблюдений.

По результатам исследования образования льда в искусственной полынье получен статистический материал, на основании которого выведена эмпирическая формула для расчета толщины тонких льдов в весенний период в зависимости от суммы градусодней с отрицательной температурой воздуха

А? + 6.7А, = 6,1|вЛ,

где интеграл представляет собой сумму градусодней с отрицательной температурой воздуха, 1г:, — толщина льда.

Физические условия таяния морского ледяного покрова с нижней поверхности

Исследованию процесса таяния морского льда с верхней поверхности посвящено много работ. Их анализ показывает, что механизм этого процесса в общем ясен. Значительно слабее изучено таяние льда с нижней поверхности, причем аналитические решение этой задачи возможно лишь для упрощенных ситуаций. Поэтому интересно рассмотреть результаты специального цикла натурных исследований по таянию нижней поверхности дрейфующего и припайного ледяного покрова в Арктике.

Дрейфующий ледяной покров

Эксперименты выполнялись в течение летнего периода в районе к северу от Новосибирских островов на многолетнем и однолетнем дрейфующих льдах различной заснеженности [4]. Наблюдения за толщиной льда выполнялись одновременно на трех экспериментальных площадках, расположенных среди сплоченных льдов (8—9 баллов): площадка I — однолетний лед толщиной ~1 м (без снега); площадка 2 — однолетний лед толщиной ~1 м (слой снега 0,1 м); площадка 3 — многолетний лед толщиной ~3 м (слой снега 0,3 м). В процессе экспериментов 6—8 раз в сутки проводились измерения радиационного баланса, скорости изменения толщины льда снизу с использованием описанной выше методики, температуры льда, а также температуры и средней относительной скорости течения подледного слоя воды непосредственно у нижней границы льда.

Полученные временные зависимости температуры воздуха Та, радиационного баланса К и скорости изменения толщины льда снизу V на площадках 1 2 (У2) и 3 (К3) представлены на рис. 2. Отрицательные значения скорости V соответствуют намерзанию льда, положительные — таянию. На рисунке видно, что таяние снизу однолетнего льда приняло устойчивый характер уже с первых чисел июня, при этом среднее за июнь значение скорости таяния составило -0,75 мм/сутп для бесснежного ледяного покрова и -1,25 мм/сутп для заснеженного. Стаивание с нижней поверхности многолетнего льда началось на полторы декады позднее, а средняя скорость стаивания в последней декаде месяца V] =? 0,6 мм/сутп. Намерза-

К,кал/(смг-маи)

В)

ние многолетнего льда снизу в первой половине июня со средней скоростью ~1,5 мм/сут, по-видимому, обусловлено запасом холода во льду. Это заключение подтверждается прямыми измерениями температуры льда. Кроме того, при рассмотрении рис. 2 интересно отметить существование взаимосвязи между временными изменениями Та, /?, У2 и К3. Оценка взаимосвязи между ними на временных интервалах от нескольких часов до нескольких суток произведена с помощью спектрального и корреляционного анализов.

Анализ кривых спектральных плотностей флуктуаций указанных величин, определенных относительно соответствующих скользящих средних, показал, что спектры колебаний температуры воздуха, радиационного баланса и скорости таяния для всех типов льда примерно одинаковы. Наилучшее совпадение достигается при интервале осреднения скользящей средней в 1 сут. Результаты корреляционной обработки сводятся к следующе

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком