Оценка естественного и антропогенного загрязнения морского льда
Б.В. Иванов
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
Рассмотрена связь альбедо арктического морского льда с его загрязненностью и разрушенностью, приведены экспериментальные оценки альбедо загрязненного льда.
Введение
Поверхность морского ледяного покрова под воздействием различных факторов подвергается естественному и искусственному загрязнению. Вещества органического происхождения попадают на лед в основном при замерзании морской воды (фито- и зоопланктон) и в период таяния, когда в озерках, образующихся на поверхности старых и однолетних льдов, развиваются колонии микроскопических диатомовых водорослей, а частицы неорганического происхождения — со дна морей (мелководье), в результате материкового стока и ветровой эрозии суши. Часть загрязнений — следствие хозяйственной деятельности человека. Искусственному загрязнению чаще всего подвергаются районы интенсивного судоходства, устья рек, некоторые заливы и бухты, на берегах которых расположены портовые сооружения, промышленные предприятия, города и поселки. В последние годы существенным источником загрязнений становится добыча и транспортировка полезных ископаемых (нефть, газ) на шельфе арктических морей.
Данные о загрязненности льда позволяют уточнить характер его дрейфа и условия таяния. Загрязнения на поверхности льда обычно распространены не равномерно, и их количество меняется в течение года. Степень загрязненности оценивают по специальным шкалам. Так, в практике ледовой авиационной разведки [17], термином загрязненность льда обозначают площадь такого льда, выраженную в процентах от наблюдаемой [14]. В соответствии с «Международной символикой для морских ледовых карт и номенклатурой морских льдов» [11], степень загрязненности оценивают в десятых долях площади загрязненного льда по отношению к наблюдаемой (табл. 1).
В зарубежной практике используют термины грязный лед и чистый лед. Первый обозначает мор-
ской лед, имеющий на поверхности или в толще различные минеральные или органические включения, а второй — морской лед без видимого загрязнения. Такая трактовка термина грязный лед полностью соответствует определению, которое используется в отечественной практике [14], но термин чистый лед означает лед, на поверхности которого отсутствуют посторонние примеси.
Связь альбедо морского льда
с его загрязненностью и разрушенностью
Отражательная способность поверхности ледяного покрова зависит от многих взаимообусловленных факторов. Поэтому выделить их влияние в чистом виде на изменение альбедо очень трудно. Вместе с тем при модельных расчетах таяния снега и льда, скорости очищения моря от него, теплозапаса моря и сроков начала ледообразования необходимо знать изменение альбедо во времени и пространстве с максимальной точностью. Наиболее подробный обзор экспериментальных данных, связывающих величину альбедо с основными характеристиками поверхности ледяного покрова и параметрами приледного слоя атмосферы, приведен в [4]. Обобщение полученных тогда результатов выполнено в [19], где приводится уравнение, выражающее интегральное альбедо (среднее по площади) ледяного покрова за определенный интервал времени через альбедо воды, снега и сухого льда (в зависимости от толщины последнего), слоя стаявшего льда, площади и глубины снежниц. В то же время в значительно меньшем объеме там представлены данные натурных наблюдений, связывающие величину альбедо с интенсивностью и характером загрязнения, т.е. его количественным и качественным перераспределением на поверхности и в толще льда и снега.
Шкала загрязненности льда
Таблица 1
Загрязненность льда
Характеристика поверхности льда
Баллы
Чистый
Мало загрязнен Средней загрязненности Сильно загрязнен
незначительные следы загрязненности
площадь загрязненного льда составляет менее 1/3 наблюдаемой поверхности
площадь загрязненного льда составляет от 1/3 до 2/3 наблюдаемой поверхности
более 2/3 поверхности льда загрязнено
121 -
Материалы гляциологических исследований, вып. 102
Сведения о пространственном распределении загрязненности могут способствовать выявлению очагов интенсивного таяния и более раннего очищения моря ото льда. В связи с этим в 1950—1960 гг. специалисты ААНИИ проводили комплексные исследования альбедо ледяного покрова с борта самолетов ледовой авиаразведки [3, 7, 10]. В указанных работах проанализирована связь интегрального альбедо поверхности многолетних, двухлетних и однолетних, в частности, речных, льдов различной разрушенности с их поверхностной загрязненностью. Выяснилось, что величина альбедо льдов разного возраста в значительной степени нивелируется при увеличении их загрязненности и разрушенности (табл. 2). Так, возраст льда оказывает влияние на альбедо подстилающей поверхности только при разрушенности до 2 баллов, причем при уровне загрязненности более 2 баллов эти различия также пропадают.
Если результаты, описанные выше, были получены главным образом для акваторий морей Карского и Лаптевых, то в первой половине 1970-х годов подобные работы проводились в прибрежных и устьевых районах Восточно-Сибирского моря [12, 13]. Основные количественные оценки, характеризующие связь интегрального альбедо с разрушенностью и загрязненностью поверхности морского льда, оказались весьма близки к рассмотренным выше данным (см. табл. 2). Это позволяет нам сформулировать некоторые обобщения и распространить полученные результаты на все арктические моря. Поскольку активная деятельность самолетов ледовой авиаразведки завершилась на рубеже 1980—1990-х годов, мы воспользуемся в основном данными актинометрических измерений in situ, т.е. выполненных непосредственно на поверхности морского льда.
Для выявления количественной связи между величиной альбедо и загрязненностью морского льда мы использовали материалы наблюдений, выполненных в морях Баренцевом и Лаптевых с 1993 по 1995 г. [23, 25]. Некоторые полученные при этом результаты приведены в табл. 3. Измерения, выполнявшиеся спектральным прибором, осреднялись для указанного диапазона длин волн. С учетом реальной погрешности стандартных измерений (10%) представленные данные можно рассматривать как вполне удовлетворительные, подчеркивающие универсальный механизм загрязнения поверхности морских льдов в арктических морях и влияние этого процесса на величину альбедо.
Многие отечественные авторы [1—4, 7, 10, 12, 19] справедливо рассматривают разрушенность морского льда как основную характеристику, обусловливающую временную изменчивость альбедо его поверхности. В то же время эту характеристику очень трудно выразить через основные рассчитываемые переменные любой модели морского льда (например, толщину снега и льда или его сплоченность). Хотя можно привести эмпирические формулы, связывающие альбедо с толщиной снега, льда, его сплоченностью или площадью снежниц, но все они были получены при разной разрушенности ледяного покрова. Наиболее детально этот вопрос рассмотрен авторами [3, 10], которые вывели простое линейное соотношение, определяющее площадь, занятую снежницами (в процентах от общей площади), через разрушенность льда в баллах. Наконец, имеется оригинальная номограмма [3], позволяющая определить интегральное альбедо поверхности моря при разной сплоченности льда, находящегося в различных стадиях разрушенности. Как было отмечено выше, сплоченность —
Интегральное альбедо поверхности ледяного покрова, %
Таблица 2
Возраст льда
Разрушенность, баллы
Загрязненность, баллы
0 1 2 3
0 77 73 67 60
1 67 63 57 54
2 53 50 37 33
3 45 34 26 23
4 34 27 22 17
5 26 22 18 16
0 69 66 62 60
1 60 56 54 54
2 50 47 37 33
3 44 34 26 23
4 34 27 22 17
5 26 22 18 16
0 65 63 61 60
1 57 55 54 54
2 49 46 37 33
3 44 34 26 23
4 34 27 22 17
5 26 22 18 16
Многолетний
Двухлетний
Однолетний (речной)
122
Б.В. Иванов Таблица 3
Оценки альбедо морского льда разной степени загрязненности его поверхности in situ (в долях от единицы)
Район исследований Годы Чистый лед (обсохший, без снега) слабое Загрязнение среднее сильное
Центральная часть 1995* 0,67±0,04 0,59±0,05 0,28±0,05 0,10±0,05
моря Лаптевых
1995** 0,67±0,06 0,58±0,05 0,36±0,06 0,13±0,05
К западу от Земли 1993** 0,64±0,03 0,55±0,06 0,34±0,09 0,14±0,06
Франца-Иосифа
Спектральные измерения в диапазоне 400—1100 нм. **Стандартные измерения в диапазоне 300—3000 нм.
одна из основных рассчитываемых переменных большинства моделей ледяного покрова. Таким образом, объединив перечисленные эмпирические данные с основными уравнениями модели морского льда (уравнения теплового баланса верхней и нижней поверхностей снежно-ледяного покрова, баланса массы и т.д.), можно рассчитывать альбедо (рассматривая его как «официальную» переменную модели) в его взаимосвязи с основными характеристиками этого покрова и параметрами приледного слоя атмосферы.
Снежницы (основной визуальный параметр оценки разрушенности) интенсивно развиваются на поверхности морского льда летом. Поскольку они служат основными очагами его таяния и разрушения, интересно проанализировать результаты, связанные с измерениями их альбедо более детально. Очевидно, что снежницы при прочих равных условиях (наклон поверхности и т.д.) в первую очередь будут развиваться на загрязненных участках поверхности морского льда. При этом, как показали результаты наших измерений, альбедо поверхности таких снежниц равно 0,14+0,06 [23]. Известно [23, 28], что альбедо поверхности снежниц тесно связано с их глубиной, причем в определенном интервале глубин (5—35 см)
альбедо «чистых» снежниц остается практически неизменным и монотонно уменьшается, если они имеют загрязнения на дне (табл. 4).
Такой характер распределения альбедо обусловлен, как это показано в [28, 29], многократным отражением солнечной радиации от нижней и верхней границ снежницы и преобладающим влиянием оптических характеристик ее дна по сравнению с глубиной. Поскольку снежницы образуются на естественных неровностях поверхности снежно-ледяного покрова, они служат аккумуляторами не только солнечн
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.