научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ КИЛЯ ТОРОСА НА СКОРОСТЬ ЕГО ПРОМЕРЗАНИЯ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ КИЛЯ ТОРОСА НА СКОРОСТЬ ЕГО ПРОМЕРЗАНИЯ»

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.

Показать целиком