УДК 551.326:551.521(268)
Влияние торосистых образований на радиационные характеристики
морского ледяного покрова
© 2011 г. С.П. Поляков, О.М. Андреев, Б.В. Иванов, А.М. Безгрешнов
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
poliakov@aari.ru
Статья принята к печати 11 марта 2011 г.
Альбедо, Арктика, ослабление солнечной радиации, тепловой баланс поверхности, торос. Albedo, Arctic, heat balance of surface, hummock, pénétration of solar radiation.
Задача количественного описания эволюции торосистого образования включает в себя решение вопроса об усвоении тепла солнечной радиации толщей паруса тороса. Рассмотрены методика экспериментальных исследований и средства измерения. Анализируются результаты наблюдений на дрейфующих станциях СП-35 и СП-36 в экспедиции «Арктика-2008» на борту НЭС «Академик Федоров» и в приполюсном районе Арктического бассейна на ледовой базе «Барнео». Установлено, что толща паруса тороса усваивает солнечной радиации на 20-60% больше, чем ровный морской лёд. Дано теоретическое обоснование влияния торосистых образований на изменение альбедо морского ледяного покрова.
В последние годы исследования торосов становятся всё более актуальными, что связано с ростом объёмов инженерных изысканий при поисках и добыче углеводородного сырья на Арктическом шельфе. Торосы — характерный элемент морского ледяного покрова, они представляют собой беспорядочное нагромождение кусков битого льда под водой и на поверхности ровного льда. Как правило, торосы формируются в области границы припая или при сжатии льдов в полыньях и разводьях. Различают отдельно стоящие торосы и гряды торосов [2, 5]. Мы рассматриваем гряды торосов, форма парусов которых имеет треугольную призму, расположенную горизонтально. Поперечное сечение такой призмы в вертикальной плоскости имеет вид треугольника. Важная характеристика паруса тороса — угол наклона его поверхности. Большинство исследователей отмечают, что с увеличением возраста тороса углы ската его паруса уменьшаются [5].
Постановка задачи
Среди важнейших характеристик поверхности морского ледяного покрова — его альбедо [1], т.е. отношение интенсивности (плотности потока) радиации, отражённой данным элементом, к интенсивности (плотности потока) радиации, падающей на него [6]; при этом имеется в виду диффузное отражение — отражение радиации по многим направлениям. Величина альбедо морских льдов чрезвычайно важна при определении радиационного баланса их поверхности и интенсивности таяния. Поэтому основной объём предшествующих науч-
ных исследований [1, 5] был посвящён определению отражательных характеристик как отдельных типов снежно-ледяной поверхности, так и средних значений по различным площадям. Для определения альбедо ровных участков поверхности морского льда применяется утверждённая Росгидрометом методика [7], однако для нахождения альбедо участков поверхности, занятых торосами, подобной методики не существует.
Альбедо естественной поверхности — это характеристика отражательной способности поверхности почвы, снега, воды и т.д. по отношению как к прямой, так и к рассеянной солнечной радиации [6]. Если такая поверхность расположена под углом к горизонту, то мы можем говорить об альбедо наклонной поверхности, среди примеров которой — склоны ледников, гор, торосов, стамух, айсбергов и т.д. Исследования альбедо наклонной поверхности для торосистых образований в условиях Арктического бассейна особенно актуальны при наблюдаемых здесь низких высотах Солнца.
Материалов научных исследований о проникающей в толщу среды коротковолновой солнечной радиации мало даже для ровного льда и снега, а для торосистых образований таких наблюдений вообще нет. Это не позволяло определить радиационный баланс поверхности морских льдов в Арктике. Эксперименты на дрейфующих станциях СП-35 и СП-36 (апрель, сентябрь 2008 г.) и ледовой базе «Барнео» (апрель 2009 г.) позволили одновременно исследовать оптические свойства как самих торосов (ослабление проникающей в глубь тороса солнечной радиации, отражательные
характеристики его склонов и т.п.), так и окружающих торосы участков ровного льда. Полученные результаты способствовали формулировке задач, решение которых, с нашей точки зрения, расширит понимание вклада торосистых образований в формирование радиационного баланса морского ледяного покрова в Арктике.
Методика исследований
Измерение альбедо торосистого образования — сложная проблема. Как уже отмечалось, до сих пор нет специально разработанной методики или методических указаний для выполнения подобных измерений. Поэтому исследователи могут воспользоваться или приёмами измерения альбедо для горизонтальных поверхностей [7], или предложить какой-либо альтернативный способ измерения. Мы проводили измерения альбедо торосистых образований двумя разными способами.
Первый способ — измерение альбедо поверхности торосов с помощью стандартной методики [7]. В этом случае использовался классический походный альбе-дометр (головка пиранометра, закреплённая в карданном подвесе). Средством измерения служила головка полупроводникового пиранометра ПП-1, чувствительность которого (50—60 мВ/(кВт/м2) в 5—6 раз выше, чем у стандартного пиранометра М-80. В выбранных точках фиксировались значения суммарной и отражённой солнечной радиации непосредственно над торосом; при этом приёмная пластина пиранометра располагалась горизонтально. Выполнялось не менее десяти измерений в каждой точке. Второй способ заключался в установке альбе-дометра таким образом, чтобы приёмная пластина пиранометра в момент измерения приходящей и отражённой радиации располагалась параллельно склону тороса.
Для измерений проникающей в глубь тороса и ровного льда коротковолновой солнечной радиации использовался комплект датчиков фирмы ЬЩЕЯ (пиранометры П-1928Л), позволяющих измерять солнечную радиацию в диапазоне длин волн 400—700 нм, т.е. в так называемом диапазоне фотосинтетической активной солнечной радиации (ФАР). Измерения проводились по следующей методике. В толще ровного льда и торосов проходили вертикальные скважины диаметром 40 мм. После помещения пиранометра на заданном горизонте отверстие скважины закрывали снежно-ледяной пробкой для восстановления естественных условий освещённости. Приходящую на поверхность радиацию регистрировали с помощью второго пиранометра, который устанавливался на специальном штативе на высоте 1—1,5 м над поверхностью льда или гребня тороса. На каждом горизонте
Таблица 1. Альбедо склонов торосистого образования, измеренное различными способами, %
Способ измерения и склон тороса Номер точки на гребне тороса
1 2 3 4 5 6
Параллельно горизонту: освещенный склон теневой склон 105-115 120 110 113 117 125
76-79 75 80 77 73 78
Параллельно склону тороса: освещённый склон теневой склон 71-76 75 60 68 72 65
82 85 83 80 76 80
выполняли серию из десяти синхронных измерений. Параллельно проводили измерения альбедо ровного льда, наблюдения за облачностью, атмосферными явлениями, определяли морфометриче-ские характеристики торосов.
Результаты исследований
В табл. 1 представлены результаты измерений альбедо одной из исследованных нами гряд торосов согласно методикам, описанным ранее. Измерения выполнялись в ясный безоблачный день. Анализ данных табл. 1 показывает, что применение стандартной методики [7] занижает оценки, получаемые для затенённого склона, и эту методику нельзя использовать для освещённого склона.
Экспериментально установлено существование зависимости между альбедо поверхности торосистого образования и углом падения солнечных лучей на эту поверхность. Такие исследования проведены в приполюсном районе в апреле 2009 г. с использованием так называемой методики измерения альбедо наклонных поверхностей (приёмная пластина пиранометра фиксируется параллельно склону). Осреднённые результаты этих измерений показывают, что альбедо склона тороса уменьшается с ростом угла падения солнечных лучей на эту поверхность.
Угол падения, градусы Альбедо, %
10 88 30 72
45 65
90 60
В табл. 2 приведены характерные результаты измерений проникающей солнечной радиации в глубь паруса тороса и в толщу ровного льда. В парусе тороса на каждом из рассмотренных горизонтов относительная доля проникающей радиации на 25—60% больше аналогичных величин для толщи ровного льда. Следовательно, в парус тороса, при прочих равных условиях, практически может проникать в полтора раза больше солнечной радиации, чем в ровный лёд.
6 Лёд и снег, № 4
- 81 -
Таблица 2. Характеристики ослабления коротковолновой солнечной радиации в парусе тороса и в ровном льду (измерения велись на различных горизонтах пробуренных скважин; внешние условия - одинаковые)
Горизонт, м Количество солнечной радиации в толще по отношению к измеренной на поверхности, %
парус тороса ровный лёд
скв. 1 скв. 2 скв. 3 скв. 1 скв. 2
0,2 21,7 22,9 26,7 14,9 15,7
0,4 17,8 15,8 17,9 9,8 9,4
0,6 13,6 11,0 12,2 7,7 7,8
0,8 10,1 8,7 9,4 6,1 5,9
1,0 7,1 6,4 6,4 - -
1,2 5,3 5,5 5,0 - -
Обсуждение результатов
Перейдём к теоретическому исследованию вопроса о влиянии торосистого образования на радиационный баланс снежно-ледовой поверхности. Рассчитаем поглощение прямой солнечной радиации снежно-ледовой поверхностью на склоне тороса и для сравнения — на участке ровного льда. При этом учтём приведённую ранее экспериментальную зависимость альбедо поверхности от угла падения солнечных лучей на эту поверхность. Альбедо поверхности будет рассматриваться как функция угла падения солнечного излучения на эту поверхность. Рассмотрим склон тороса, обращён-ный к Солнцу. Представим его в виде плоской пластины единичной шириной и длиной расположенной под углом в к горизонту. Случай совпадения азимутального угла наклонной поверхности и азимута Солнца показан на рис. 1. Из него следует, что угол падения прямого солнечного излучения на
Рис. 1. Геометрическая схема наклонной поверхности торосистого образования.
S - склон паруса тороса; в — угол наклона паруса, F0 - плотность потока прямого солнечного излучения; L - длина теневого пятна от
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.