Лёд и Снег • 2013 • № 2 (122)
УДК 551.326:551.521(268)
Влияние вертикальной неоднородности заполнения киля тороса на скорость его промерзания
© 2013 г. О.М. Андреев
Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт, Санкт-Петербург
andoleg@aari.ru
Статья принята к печати 20 декабря 2012 г.
Арктика, математическая модель, потоки тепла, термодинамика, торосы.
Arctic, hammock, heat flux, mathematical model, thermodynamic.
По материалам экспедиционных исследований торосов в юго-восточной и восточной частях Баренцева моря, проведённых специалистами Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) в 2003-2007 гг., сделана попытка выявить характер неоднородности заполнения килевой части тороса по вертикали. Анализировались свежеобразованные торосы, сложенные однолетним морским льдом, в котором консолидированный слой либо ещё отсутствовал, либо его толщина не превышала 5-10 см. Обработка данных первичных наблюдений и применение ряда условий позволили установить вертикальное распределение коэффициента заполнения киля тороса. С помощью его аппроксимации оно было использовано в одномерной термодинамической модели торосов, разработанной в ААНИИ для воспроизведения эволюции торосистых образований в Центральной Арктике и арктических морях. Результаты моделирования скоростей промерзания торосов для разных географических объектов показали, что в начальный период киль тороса промерзает интенсивнее, чем это воспроизводила модель ранее. Такое положение согласуется с материалами экспедиционных наблюдений за толщиной консолидированного слоя в торосах. Если проводить расчёты для более продолжительного периода, то разница между данными с использованием предложенной аппроксимации или без неё будет невелика.
Введение
Морской ледяной покров Арктического бассейна в природных условиях представляет собой совокупность льдин разного возраста, толщины, размера и формы. Морфометрически это - не однородный объект. К характерной особенности природного морского ледяного покрова относятся торосы, представляющие собой нагромождения обломков льдин, которые образуются в результате бокового давления ледяных полей друг на друга, а также на берега и мелководные участки дна. Чаще всего они встречаются в Восточно-Сибирском и Чукотском морях, а также в открытой части Северного Ледовитого океана, где их высота над ровным ледяным покровом может превышать 8-10 м. В основном образование торосов характерно для льдов небольшой толщины, т.е. для молодых или однолетних морских льдов. В морях высоких широт именно торосы ограничивают хозяйственную деятельность человека и несут угрозу как для судоходства, так и для эксплуатации нефтегазодобывающих платформ и трубопроводов. Кроме того, в научной литературе последних лет показано, что торосы - один из важнейших факторов, регулирующих теплообмен между океаном и атмосферой в Арктике и влияющих на климат [3, 6, 7].
Торосы имеют пористую структуру, сформированную изо льда, воды и воздуха. Та часть тороса, которая находится выше ватерлинии, называется парусом и состоит из блоков льда и воздушных пор, количество которых характеризуется коэффициентом заполнения паруса тороса -отношением объёма, заполненного льдом, к общему объёму паруса. При аэрофотографических или стандартных ледовых наблюдениях именно парус тороса служит объектом исследований. Часть тороса ниже ватерлинии называется килем, который делится на две части: консолидированную, состоящую только изо льда, и неуплотнённую, состоящую из блоков льда и поровых пространств, заполненных морской водой или шугой. Количество поровых пространств принято характеризовать коэффициентом заполнения киля тороса, т.е. отношением объёма льда в киле тороса к общему объёму киля. В течение холодного сезона консолидированная часть растёт за счёт действия термодинамических факторов, а неуплотнённая часть эволюционирует под разрушающим термическим и динамическим влиянием окружающей водной среды.
Определение толщины консолидированной части относится к одной из важнейших задач, стоящих перед исследователями. Именно эта часть
киля тороса оказывает основное разрушающее действие на гидротехнические сооружения и препятствует судоходству. Есть основания полагать, что толщина консолидированного слоя также может быть хорошим индикатором короткопе-риодных климатических изменений.
Постановка проблемы
Создание термодинамической модели торосистого образования связано с рядом проблем, которые пока препятствуют решению этого вопроса в полном объёме. С одной стороны, применение одномерного подхода к такому трёхмерному объекту, как торос, априори вносит множество упрощений и погрешностей; с другой — трёхмерное моделирование невозможно применять в совместных динамико-термодинамических климатических моделях морского ледяного покрова, более того — оно требует гораздо большей точности в описании самого объекта (это касается и морфоме-трии, и теплофизики). Данные обстоятельства лишают такую модель универсальности, что в настоящее время считается серьёзным упущением. Исходя из сказанного, в последние годы появился ряд оригинальных работ по термодинамическому моделированию эволюции торосистых образований [7, 8, 12—15], в которых, в основном, используется одномерное приближение, так как оно наиболее легко реализуемо и в то же время отвечает условиям поставленных перед исследователями задач.
Автором настоящей статьи в исследовании [1] также дана характеристика одномерной термодинамической модели тороса с указанием ряда параметров, нуждающихся в уточнении. В первую очередь это связано с неоднородностью вертикального распределения коэффициента заполнения киля тороса. Именно от этой величины в большей степени и зависит скорость роста консолидированного слоя тороса [1, 8]. Однако о самом коэффициенте известно лишь, что обычно его определяют при экспедиционных исследованиях как интегральную величину для всего киля тороса [3, 5, 6]. Это упрощение не всегда соответствует действительности, так как заполнение киля сильно меняется как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. С горизонтальными колебаниями заполнения связано, например, возникновение так называемых «ядер консолидации». Данный природный феномен отмечается при быстром росте консолидированного слоя на
участках киля тороса с повышенным заполнением, что приводит к выраженной горизонтальной неоднородности фронта консолидации. Особенно это заметно на начальных этапах консолидации при небольшой толщине консолидированного слоя и иногда приводит к ложным выводам об отсутствии консолидированного слоя в торосах как такового. Но поскольку одномерный подход к моделированию позволяет избежать указанных моментов, то на первый план выходит вопрос о неоднородности заполнения киля тороса по вертикали. Решению данной проблемы и посвящено настоящее исследование.
Исходные материалы и методика исследований
Исходными материалами служили данные экспедиционных исследований торосистых образований, полученные в 2003—2007 гг. специалистами ААНИИ (лаборатория «Арктик-шельф») в юго- и северо-восточной частях Баренцева моря. Объектами работ были однолетние торосистые образования, на которых проводился комплекс морфометрических, физико-механических и теплофизических наблюдений. Внутреннюю структуру торосов исследовали с помощью сквозного вертикального шнекового бурения в точках, находящихся в специальных створах на определённом расстоянии друг от друга. Створы располагались с учётом максимального охвата всей изменчивости морфометрических параметров исследуемого торосистого образования. В процессе бурения оператор фиксировал три состояния толщи торосистого образования: лёд, провал (воздух, вода), шугу. Обязательно фиксировались глубина бурения и вертикальные координаты провалов. Точность измерений определялась характеристиками используемого оборудования и обычно составляла ±0,05 м.
Одним из критериев отбора данных для дальнейшего анализа выбрано десятикратное превышение глубины киля над средней толщиной блока, из которого слагались наблюдаемые торосы (0,45 м). Другой критерий отбора — отсутствие консолидированного слоя (или его толщина не более 5—10 см). Из всего массива наблюдений (1014 точек с записями) указанным критериям отбора соответствовали только точки в ярко выраженных свежеобразованных торосистых образованиях с килем, толщиной более 4,5 м. Следующий шаг — исключение точек наблюдений на стамухах. Это связано с тем, что киль стамух при взаимодействии с грунтом уплотняется и вертикальная
структура его заполнения изменяется. В рамках настоящего исследования это обстоятельство также было критерием отбраковки данных, которые в дальнейшем будут обязательно проанализированы. В результате отбора сформирован массив из 112 записей точек наблюдений. Поскольку при дальнейшем анализе парус тороса в рассмотрении не участвовал, записи рассматривались с учётом двух состояний среды: лёд или провал (жидкая фаза, шуга). Процедура обезразмеривания и разбиения киля тороса на десять равных слоёв по вертикали позволила получить процентное содержание провалов (пор) в каждом полученном слое для каждой записи. При суммировании записей выведено среднее вертикальное послойное распределение поровых пространств в киле тороса.
В качестве тестовой модели для дальнейших исследований принята одномерная термодинамическая модель эволюции тороса, рассмотренная в работе [1]. Возможность её использования при моделировании торосов анализируется в исследованиях [4, 7, 13, 14]. В нашей модели делается предположение, что в парусе тороса поровые воздушные пространства изолированы и не связаны с атмосферой. В киле же тороса поры обязательно свободно связаны с нижележащими слоями воды. Это упрощение позволяет не учитывать в термодинамической модели тороса уравнение диффузии соли и избыточное давление, возникающее при замерзании воды в замкнутом пространстве. Отметим также, что блоки льда, слагающие киль тороса, имеют температуру, равную температуре замерзания воды [6, 7, 12]. Консолидированный слой формируется в результате замерзания морской воды, заполняющ
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.