УДК 551.326.7:551.521.14
К вопросу об определении альбедо торосистого образования
Б. В. Иванов*, О. М. Андреев*
В рамках анализа способов определения отражающей способности снежно-ледяного покрова показано, что вопрос о методике измерения альбедо торосистого образования исследован недостаточно. Представлены результаты натурных экспериментов, выполненных на арктическом морском льду. Обсуждаются результаты измерений альбедо торосов с помощью разных методик. Высказывается необходимость организации специальных экспериментальных исследований для разработки практических рекомендаций для оценки альбедо торосистых образований.
Введение
Известно, что морской ледяной покров Арктического бассейна в природных условиях не является морфометрически однородным объектом, а представляет собой совокупность льдин разного возраста, толщины, размеров и формы. Характерной особенностью природного морского ледяного покрова являются торосы, формирующиеся в результате выдавливания кусков битого льда под воду и на поверхность льда. Вспыхнувший в последние годы интерес к более подробному исследованию торосов вызван широко развернувшимися проектными изысканиями в районах месторождений нефти и газа на шельфе арктических морей. Торосы представляют реальную угрозу как для трубопроводов, прокладываемых по прибрежным участкам дна, так и для самих нефтегазодобывающих платформ. Кроме того, сильно всторошенные ледяные поля являются одним из основных факторов, ограничивающих морское судоходство в Арктическом бассейне. Однако сложности в исследовании торосистых образований и их эволюции связаны с рядом объективных факторов, препятствующих решению этого вопроса в полном объеме.
Хорошо известно, что значение альбедо морских льдов чрезвычайно важно при определении радиационного баланса поверхности и интенсивности таяния льда в целом [5]. Поэтому значительный объем научных исследований был посвящен, в частности, определению отражательных свойств как отдельных объектов, так и средних значений по некоторым площадям. Диапазон изменения альбедо подстилающей поверхности в полярных районах чрезвычайно широк: от 8—10% для водной поверхности до 98% для свежевыпавшего снега [1]. Наиболее значительные изменения
* Арктический и антарктический научно-исследовательский институт; e-mail: b_ivanov@ aari.nw.ru.
альбедо происходят в весенне-летний период, когда его значение сильно меняется в зависимости от состояния снежно-ледяной поверхности [1—3, 5, 9]. В среднем альбедо снежного покрова весной и осенью колеблется от 70 до 90% соответственно для плотного и свежевыпавшего снега. Считается, что указанные колебания альбедо снежного покрова во времени связаны, главным образом, с изменением физических свойств снега (размер и форма кристаллов, пористость) и микрорельефа поверхности под действием метеорологических и радиационных факторов [4, 10]. Выпадение снега, перенос его ветром, образование на поверхности снега наста способствуют увеличению альбедо. Таяние и уплотнение снега, образование фирна, напротив, приводят к уменьшению альбедо.
В осенний период альбедо ровных участков морского льда везде примерно одинаково и в среднем равно 80 + 5%. Весной, даже до начала интенсивного таяния, характер поверхности снежного покрова зависит от термического состояния снега, которое в сильной степени связано с температурой прилегающего слоя воздуха и суммарной солнечной радиацией [1]. В отечественной и зарубежной научной литературе существует значительное количество работ, посвященных проблеме параметризации альбедо снежно-ледяного покрова в рамках представления его интегральной или спектральной характеристикой [2, 3, 9, 10]. Предлагается большое количество эмпирических зависимостей, связывающих альбедо снежно-ледяной поверхности с температурой воздуха или толщиной льда.
В период интенсивного таяния альбедо ледяного покрова становится чрезвычайно изменчивой как во времени, так и в пространстве характеристикой поверхности морского льда. Как снег, так и лед на разных этапах таяния обладают разной способностью отражать солнечную радиацию. Если в начальный период таяния снег становится плотным, влажным, серовато-белого цвета и имеет альбедо примерно 70%, то в период интенсивного таяния альбедо пропитанного водой снега уменьшается до 35%. То же самое относится и к собственно поверхности морского льда. В зависимости от оттенка и структуры его поверхности альбедо может меняться от 30 до 70%. В процессе таяния на поверхности морского льда появляется множество снежниц разной глубины и площади, образуются ледяные бугры, местами остается тающий снег.
Методика наблюдений
Среднее значение альбедо морского льда, рассчитанное для конкретной площади, зависит от относительной доли его разных участков (снежницы, сухой лед, лед со снегом и т. д.). Для определения альбедо ровных участков поверхности морского льда существует общепризнанная методика измерений и расчетов [7], в то же время для определения альбедо участков поверхности, занятых торосами, аналогичной методики не существует. Нет никаких сомнений в том, что применение вышеуказанной методики для отдельных торосов и их гряд едва ли возможно. Однако применение методики измерения альбедо для наклонных поверхностей [8] к объектам такого рода до настоящего момента серьезным образом не исследовалось. По-видимому, единственной, по крайней мере в отечественной практике, попыткой измерить альбедо морского льда, покрытого грядами торосов, с
помощью стандартных средств измерений (интегральных пиранометров) можно считать эксперименты, организованные на одной из дрейфующих станций в Арктике [6]. Автор [6] выполнил весьма оригинальные измерения альбедо гряды торосов. С двух сторон гряды были установлены столбы, и между ними на высоте 1,5—2,0 м над грядой натянут трос, по которому перемещался пиранометр. Одновременно с этим другим аналогичным прибором фиксировалась приходящая суммарная радиация. Таким образом, автору работы [6] удалось оценить величину альбедо гряды торосов в целом, как единого объекта.
Несомненно, данная методика измерений, несмотря на ее трудоемкость, позволяет определить искомую величину альбедо, но лишь отчасти. Так, для решения климатических задач, базирующихся на расчетах характеристик снежно-ледяного покрова в узлах сеточной области или ячейках и использующих характерные для данной ячейки средние значения альбедо (например, альбедо открытой воды, ровного льда и торосов), применение описанной методики даст нам искомую величину. Однако для решения ряда прикладных исследовательских задач, например для расчета нагрузок на гидротехнические сооружения, используются математические модели, которые должны воспроизводить эволюцию конкретного тороса (гряд торосов, консолидированного слоя, паруса тороса и т. п.). Для решения подобных задач методика, представленная в работе [6], едва ли может быть использована. Для подобного рода расчетов важно получить не одно, общее, значение альбедо, а конкретные значения отражающей способности поверхности тороса в разных его точках. В этом смысле методика, описанная в работе [8], представляется нам более приемлемой.
Измерения альбедо торосистых образований проводились нами в три этапа. На первом этапе альбедо гребней торосов измеряли с помощью походного альбедометра. В качестве средства измерения применялась головка высокочувствительного (50—60 Вт • м-2 • мВ-1) полупроводникового пиранометра ПП-1, установленная в карданном подвесе. Пиранометр фиксировал приходящую и отраженную радиацию в спектральном диапазоне 300—3000 нм. В выбранных точках фиксировались значения суммарной и отраженной солнечной радиации непосредственно над гребнем тороса (не менее 10 измерений в каждой точке) на высоте ~1 м. На втором этапе проводились аналогичные (тем же приемом) измерения альбедо боковых граней тороса в разных участках склона. Причем в ясные дни при измерении альбедо на затененных участках склонов головка пиранометра затенялась от попадания на приемную пластину прямой солнечной радиации либо измерения проводились в тени гребня тороса. На третьем этапе измерений альбедометр устанавливался таким образом, чтобы приемная пластина пиранометра в момент измерения приходящей и отраженной радиации располагалась параллельно склону тороса, но не ближе 1 м от его боковой поверхности.
Использованные данные
В период экспедиции ААНИИ, проходившей в Арктическом бассейне по программе Международного полярного года (МПГ) в августе — сентябре 2008 г., нами была предпринята попытка оценки отражательных харак-
теристик (далее альбедо) торосистого образования в соответствии с обеими вышеуказанными методиками измерений [7, 8]. Объектом нашего исследования стал участок ледяного поля, состоявшего из многолетнего льда толщиной более 1,5 м, с ярко выраженными грядами торосов. Исследованные нами торосы были высотой от 3 до 5 м над уровнем ровного льда и уже претерпели летнее таяние ^еаШеп^ Ииттоскз [5]), поэтому выделить отдельные блоки, из которых изначально слагался торос, не представлялось возможным. Боковые грани были сглаженными и покрыты слоем снега толщиной 3—5 см. Углы ската (склон тороса) в разных точках наблюдений колебались в пределах 20—35°. Всего нами было исследовано шесть гряд торосов и выполнено свыше 280 измерений альбедо.
Анализ и обсуждение полученных результатов
В табл. 1 приведены результаты измерений альбедо в разных точках двух из исследованных нами торосов. Эти измерения были выполнены в ясную погоду в часы, близкие к истинному полдню. Измерения проводились при неизменных условиях освещенности, при этом один склон тороса постоянно находился в тени.
Как и следовало ожидать, применение стандартной методики [7] дает абсолютно нереальные результаты (альбедо превышает 100%) для освещенных прямыми солнечными лучами боковых граней тороса. Это связано с тем, что на приемник, фиксирующий отраженный солнечный свет, попадает не только поток радиации, отраженный от боковой грани тороса, но и поток, отраженный от ровного льда. Очевидно, что и при измерении альбедо гребня тороса данный эффект в той или иной степени также и
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.