научная статья по теме РОЛЬ УГОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТАЯНИЯ ПРИПАЙНОГО ЛЬДА В БУХТЕ СВЕАБУКТА (ЗАЛИВ ВАН-МАЙЕН-ФЬОРД, О. ЗАПАДНЫЙ ШПИЦБЕРГЕН) Геофизика

Текст научной статьи на тему «РОЛЬ УГОЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТАЯНИЯ ПРИПАЙНОГО ЛЬДА В БУХТЕ СВЕАБУКТА (ЗАЛИВ ВАН-МАЙЕН-ФЬОРД, О. ЗАПАДНЫЙ ШПИЦБЕРГЕН)»

Лёд и Снег • 2014 • № 1 (725)

УДК 551.465

Роль угольного загрязнения в интенсификации таяния припайного льда в бухте Свеабукта (залив Ван-Майен-фьорд, о. Западный Шпицберген)

© 2014 г. П.В. Богородский1, А.П. Макштас1, А.В. Марченко2,3, В.Ю. Кустов1

Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург; 2Университетский центр на Свальбарде, Лонгийербюен, Норвегия; Государственный океанографический институт имени Н.Н. Зубова, Москва

bogorodski@aari.ru

Статья принята к печати 2 декабря 2013 г.

Загрязнение, припайный лёд, таяние, частицы угля, энерго- и массоперенос. Coal particles, contamination, heat- and mass transfer, land fast-ice, melting.

Анализируются результаты исследований таяния загрязнённого углём припая бухты Свеабукта залива Ван-Майен-фьорд (о. Западный Шпицберген), выполненных весной 2010 г. Приведены радиационные и термодинамические характеристики припайного льда, обусловленные осаждением частиц угля на его поверхность. Установлено, что интегральная величина поглощённой солнечной радиации (коротковолновый радиационный баланс) практически не зависит от особенностей спектра приходящей солнечной радиации. С помощью концептуальной термодинамической модели рассчитаны характеристики эволюции чистого и загрязнённого ледяного покрова. Показано, что при наблюдавшихся атмосферных условиях в зависимости от степени загрязнения льда сроки начала таяния верхних слоёв ледяного покрова могут отличаться между собой почти на три недели.

Введение

Площадь развития, толщина и время существования морского ледяного покрова в значительной степени зависят от состояния его снежного покрова, который имеет существенно более значительные, чем у бесснежного льда, теплоизолирующие и отражательные характеристики [11, 18]. Как показали численные эксперименты с термодинамической моделью морского ледяного покрова [3], время начала таяния модельного льда в летний период при стандартных для Центральной Арктики метеорологических условиях весьма чувствительно даже к небольшим (0,03—0,04) вариациям интегрального альбедо снежного покрова. Неоднородности снежного покрова и обусловленная ими изменчивость альбедо во многом определяют развитие снежниц, существенно влияющих на баланс массы морских и особенно припайных льдов [6, 8]. Поглощая основную долю приходящей солнечной радиации, эти небольшие водоёмы быстро углубляются и даже превращаются в сквозные проталины, способствуя ускоренному разрушению припая за счёт бокового таяния [8, 17, 18].

Своеобразие гидрологического режима вод Западного Шпицбергена, обусловленное взаимодействием ледникового стока с тёплыми атлантическими водами [8], делает его фьорды уникальными природными полигонами для изучения процессов эволюции припайных льдов. К одному из них, бесспорно,

относится зал. Ван-Майен-фьорд (рис. 1), ледовые условия которого, благодаря о. Акселея в устье фьорда, в отличие от других фьордов архипелага достаточно стабильны уже продолжительный период [9, 12, 18]. Остров не только закрывает вход во фьорд, чем защищает припай от волн зыби и препятствует его выносу при взломе, но и ограничивает адвекцию тёплых атлантических вод, в значительной степени определяющих толщину припайных льдов архипелага.

Гидрофизические исследования [3, 14, 15] позволили достаточно детально изучить гидрологический режим зал. Ван-Майен-фьорда, особенно его мелководную кутовую часть — бухту Свеабукта. Опубликован ряд работ [9, 12], посвящённых исследованию льдообразования и структуры морского льда этой бухты. Однако особенности его таяния изучены недостаточно, хотя это очень важно, так как на северном берегу бухты находится крупнейшая в Европе угольная шахта со среднегодовой добычей около 4 млн т. Уголь, круглогодично добываемый в этой шахте, перевозится по территории открытыми самосвалами и складируется в открытых хранилищах на мысе Капп Амстердам, вблизи причальной стенки, на расстоянии 9 км от места добычи. Вывозится уголь морем в летний период. Отметим, что значительная часть угольной пыли, образованной при погрузке, транспортировке и перевалке угля, а также её производной — сажи оседа-

Рис. 1. Карта Ван-Майен-фьорда с районами исследований чистого (1) и загрязнённого льда (2) Fig. 1. Maps of Van Mijenfjjorden with study areas of clean (1) and contaminated ice (2)

ет на поверхность снежно-ледяного покрова. Как ни странно, но их влияние на эволюцию ледяного покрова фьордов Западного Шпицбергена до сих пор не изучалось, хотя исследованию антропогенного загрязнения снежного покрова на островах, в том числе за счёт осаждения сажевого аэрозоля, и его влиянию на альбедо подстилающей поверхности посвящён ряд работ [5, 7, 13, 16].

Для изучения особенностей тепломассоперено-са через лёд с угольным загрязнением весной 2010 г. в рамках проектов по исследованию физико-механических свойств морского ледяного покрова сотрудники Арктического и Антарктического научно-исследовательского института и Университетского центра на Свальбарде (UNIS) провели измерения радиационных и термодинамических свойств

припая бухты Свеабукта. Эти результаты и представлены в настоящей статье.

Аппаратура и методы исследований

Полевые работы вели в два этапа: 10—11 марта и 13—17 мая. На первом этапе отбирался керн льда для измерения профилей температуры и солёности. На втором этапе аналогичные измерения были дополнены маршрутными съёмками интегрального и спектрального альбедо поверхности ледяного покрова, которые выполнялись с дискретностью 5 м на маршрутах, протяжённостью 100 м на чистом льду бухты Свеабукта (на удалении 1 км от угольного терминала) и протяжённостью 120 м на загрязнённом льду, перпендикулярно причалу угольного терминала на мысе

Капп Амстердам. Спектральная плотность потока приходящей и отражённой солнечной радиации измерялась мультиспектральным радиометром «RAMSES TriOS GMBH» (Германия), который обеспечивал измерения в спектральном диапазоне 319—951 нм с разрешением 4 нм. Суммарная солнечная радиация регистрировалась стандартным пиранометром М80 (Россия). Он позволяет измерить интегральный радиационный поток в спектральном диапазоне 350—4500 нм.

На втором этапе подо льдом измерялись пульсации скоростей течения и температуры, а также вертикальное распределение температуры и солёности воды. Для измерений использовались температурный зонд SBE-39 (США) и доплеровский измеритель течений SonTek ADV Ocean Probe (США), которые закреплялись на вертикальной штанге на глубине около 1м от ледяной поверхности. С помощью зонда SBE-39 можно измерить температуру с разрешением 0,0001 °С и давление с разрешением 0,002% от шкалы давления 20 дбар, что соответствует разрешению по давлению 0,0004 дбар с частотой 1 Гц. Применение прибора ADV позволяет измерить три компоненты скорости течения с разрешением 0,01 см/с. Измерения скоростей течений, продолжительностью 2 мин, проводились с частотой 10 Гц каждые 20 мин. Турбулентные потоки тепла рассчитывали по пульсациям скорости и температуры с использованием стандартных формул.

Керн льда на обоих этапах отбирали буром фирмы Kovacs (США). Толщину льда ht определяли путём измерения длины выбуренного керна металлической рулеткой. Погрешность определения толщины, с учётом неоднородности нижней поверхности льда, оценена в 3—5 мм. На первом этапе полевых работ сразу после извлечения керна контактным термометром Conrad Electronics (Германия) через каждые 10 см измеряли температуру льда, после чего керны делили на сегменты для последующего расплавления и анализа на солёность. На втором этапе исследований было отобрано три керна — на расстоянии 10 (керн № 1), 40 (керн № 2) и 70 м (керн № 3) от стенки причала. Эти керны также делили на сегменты по 15—20 см. Полученные образцы льда упаковывали в пластиковые контейнеры, а затем расплавляли при комнатной температуре для последующего анализа в химической лаборатории UNIS, проведённого в октябре 2011 г. Солёность определяли измерителем SevenMulti производства фирмы Mettler Toledo (Швейцария). Взвешенный на аналитических весах расплав фильтровали через поликарбонатные

фильтры Nuclepore, диаметром 47 мм, с диаметром пор 0,4 мкм. После прохождения расплава фильтры промывали дистиллированной водой для исключения кристаллизации солей, искажающих концентрацию примесей. Далее фильтры высушивали в течение часа при температуре 40 °С, после чего массу нерастворимых частиц определяли взвешиванием.

Для расчёта интенсивности таяния припайного льда использована модель, подробно описанная в работе [1]. Основу её составляют уравнения теплового баланса фазовых границ, движение которых определяется из условия Стефана. При этом поток тепла через снежно-ледяную толщу предполагается постоянным [2]. Методика решения задачи состоит в последовательном расчёте характеристик ледяного покрова на различных этапах его таяния (таяние без образования расплавленной зоны; сход снега; расплавление верхних слоёв льда). Общие для них — граничные условия на внешних границах: верхней (z = 0) —

FDI= FSW+ FLW+ FSH + FLH (1)

и нижней (z = h¡(t)) —

bL^r = kilT-F0N, T=Q, (2)

di dz

где FDI — диффузионный поток тепла через снежно-ледяной покров; FSW, FLW, FSH и FLH— соответственно турбулентные потоки явного и скрытого тепла, длинно- и коротковолновый баланс поверхности; FON — поток тепла к нижней поверхности льда; р — плотность; L — скрытая теплота фазового перехода; h — положение границы раздела; t — время; k — коэффициент теплопроводности, индексы i при параметрах обозначают лёд; T — температура; z — направленная вниз вертикальная координата; 0 — температура замерзания морской воды.

Таяние льда без образования расплавленной зоны происходит в течение времени t0 < t < t1 при 0 < Tb < 0 °C , где Tb — температура верхней поверхности. В этом случае на поверхности «снег—лёд» величина z = 0 и выполняются условия непрерывности распределения температуры и теплового потока:

7)Т+ ?т~

T-=T+=T„ ;ki—-K—=0, (3)

где знаки «-» и «+» обозначают соответственно верхнюю и нижнюю стороны границы раздела; индекс s — снег.

Начальная толщина слоёв льда и снега считается заданной, т

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»