Морской лед: физико-химические свойства, классификация ВМО и динамика ледяного покрова
Введение
Водные ресурсы Земли колоссальны и составляют около 16 миллиардов км3, что эквивалентно 0,25% от общей массы нашей планеты. Гидросфера Земли (включающая океаны, моря, реки, озера, ледники и подземные воды) объединяет 1,386 миллиарда км3 воды, при этом подавляющая часть — 97,75% — приходится на соленые воды Мирового океана. Доля пресных вод составляет всего 2,25%.
Несмотря на то, что общая масса снега и льда на планете оценивается примерно в (2,5–3,0)x10^16 тонн (всего 0,0004% массы Земли), их климатическое, навигационное и экологическое значение огромно. Одним из важнейших элементов этой ледяной экосистемы является морской лед — уникальное природное образование, обладающее специфическими физико-химическими свойствами.
1. Химический состав и процесс замерзания морской воды
Морская вода принципиально отличается от пресной наличием растворенных анионов и катионов солей, а также различных примесей. Ионный состав стандартной морской океанической воды характеризуется следующими ключевыми концентрациями:
- Ионы хлора Сl− = 18,98‰;
- Ионы натрия Na+ = 10,56‰;
- Сульфат-ионы SO4 –2 = 2,65‰.
Поскольку соотношение основных солей в Мировом океане практически неизменно, в океанологии морскую воду принято рассматривать как бинарную систему, состоящую исключительно из двух компонентов: чистой пресной воды и растворенной соли.
Влияние солености на гидродинамику замерзания
Соленость кардинально меняет термодинамические свойства воды. С ростом солености температура замерзания и температура наибольшей плотности линейно понижаются:
| Соленость, %∘ | Температура замерзания, °C | Температура наибольшей плотности, °C |
| 0 (пресная вода) | 0.00 | +3.98 |
| 5 | -0.27 | +2.93 |
| 10 | -0.53 | +1.86 |
| 15 | -0.80 | +0.77 |
| 20 | -1.07 | -0.31 |
| 25 | -1.35 | -1.40 |
| 30 | -1.63 | -2.47 |
| 35 (океаническая) | -1.91 | -3.52 |
| 40 | -2.20 | -4.54 |
Важная закономерность: Для воды с соленостью выше 24,7‰ температура наибольшей плотности опускается ниже температуры замерзания. Это означает, что при охлаждении океаническая вода непрерывно уплотняется и опускается вниз, вызывая вертикальную конвекцию. Чтобы началось ледообразование, весь верхний перемешанный слой (до пикноклина) должен охладиться до температуры замерзания.
Механизм самоочищения и захвата рассола
Если солевой раствор замораживать бесконечно медленно, ионы солей будут успевать вытесняться в жидкую фазу (расплав), а формирующийся лед будет полностью пресным. При естественном образовании морского ледяного покрова также запускается процесс самоочищения — выпадения солей наружу.
Однако в реальных морских условиях замерзание протекает слишком стремительно. Кристаллы растущего льда физически захватывают и блокируют внутри себя микрокапли жидкого солевого раствора — рассола. Количество удерживаемого рассола напрямую зависит от скорости ледообразования (температуры воздуха):
- Когда зимой в Арктике ледяной покров взламывается, открытая вода соприкасается с морозным воздухом от -30C до -40C.
- В условиях такого экстремального охлаждения верхний свежий слой льда формируется мгновенно и может иметь аномально высокую соленость — до 20‰.
- Со временем, по мере роста льда, тяжелый соленый рассол под действием силы тяжести постепенно стекает вниз через микрокапилляры обратно в океан. В результате средняя соленость зрелого однолетнего льда падает до 4‰, то есть около 80% первоначально захваченных солей покидает лед.
2. Физические и оптические свойства морского льда
Морской лед представляет собой сложную многофазную кристаллическую систему, состоящую из кристаллов пресного льда, жидких включений океанического рассола, пузырьков воздуха и твердых кристаллов солей (солевых гидратов), выпавших в осадок при сильном охлаждении.
Плотность льда
Плотность морского льда не является постоянной величиной и колеблется в пределах от 0,85 до 0,94 г/см^3. Она жестко детерминирована тремя факторами:
- Текущей температурой льда.
- Объемом и пористостью воздушных пузырьков.
- Количеством и соленостью жидкого рассола в межкристаллических прослойках.
У молодого морской лед плотность выше за счет обилия соленого рассола, тогда как старый (многолетний) лед существенно опреснен, более порист и обладает меньшей плотностью.
Оптические свойства: поглощение света и двойное лучепреломление
В чистом («монолитном») виде морской лед прозрачен для видимого света. Коэффициент оптического поглощения (k) имеет избирательный спектральный характер:
- Для голубого света k = 6·10–3 ·см−1;
- Для красного света k = 14·10–3 ·см −1 (поглощается в два раза интенсивнее).
Принимая среднее значение коэффициента поглощения для всего видимого спектра за k = 10 · 10 -3 см-1 , можно рассчитать, что ровный метровый слой чистого льда поглощает около 63% падающей солнечной энергии. Однако реальный морской лед из-за хаотичного рассеивания лучей на газовых пузырьках, каплях рассола и кристалликах солей пропускает свет в разы хуже, приобретая матово-белый или сероватый оттенок.
С кристаллографической точки зрения морской лед ведет себя как одноосный кристалл с главной оптической осью (так называемой c-осью). Это обуславливает эффект двойного лучепреломления:
- Если световой луч падает строго параллельно c-оси, он проходит сквозь лед без изменений.
- Если же луч ориентирован под углом к ней, он расщепляется на два независимых луча — обыкновенный и необыкновенный, которые движутся в ледовом монолите с разной скоростью и преломляются под разными углами.
Теплопроводность
Удельная теплопроводность морского льда составляет в среднем около 2,1 Вт/м·градус. Она примерно в 5 раз превосходит теплопроводность жидкой воды и в 8 раз — теплопроводность рыхлого снежного покрова. Ближе к границам раздела (на нижней кромке с водой и на верхней с воздухом) теплопроводность льда заметно падает из-за повышенной пористости и локальной концентрации солей.
Специфические явления молодого льда
- Влажная поверхность: На поверхности свежего ровного льда практически всегда наблюдается слой жидкого рассола. Так как концентрированная соль резко снижает точку замерзания, этот рассол остается жидким даже при сильных отрицательных температурах, из-за чего лед визуально кажется мокрым.
- Ледяные цветы: При стремительном похолодании поверхностный рассол замерзает, превращаясь в криогидрат (смесь микрокристаллов солей и льда). Из этой смеси на ледяном поле вырастают изящные белоснежные хрупкие кустики — ледяные цветы, внешне напоминающие густой кристаллический иней.
3. Генетическая классификация морского льда по структуре
В зависимости от кристаллического строения и пространственного расположения оптических осей кристаллов, морской лед классифицируют по трем типам:
- Игольчатый лед: Состоит из строго ориентированных шестигранных ледяных призмочек/пирамид, оси которых направлены перпендикулярно плоскости моря. Внешне такой лед монолитен и прозрачен, как стекло.
- Губчатый лед: Базируется на неориентированных кристаллах. Это хаотично переплетенная масса из ледяных игл, мелких пластинок и чешуек.
- Зернистый лед: Сложен из округлых обособленных зерен-кристаллов с непараллельными осями. Он активно формируется при механическом трении, сжатии и крошении ледяных полей друг о друга, а также при замерзании обильного снега в воде. При сильном сдавливании зерен также может визуально напоминать стекло.
По глубине зарождения первоначальных ледяных зародышей выделяют:
- Поверхностный лед: Зарождается на самой границе с атмосферой. В штиль имеет игольчатую структуру, при волнении — губчатую.
- Глубинный лед: Формируется в толще переохлажденной водной массы, имеет выраженное губчатое строение.
- Донный лед: Разновидность глубинного льда, нарастающая на придонных объектах, скалах и грунте (имеет губчатую структуру).
4. Международная номенклатура ВМО: Возрастные стадии морского льда
Для унификации ледовой отчетности Всемирная метеорологическая организация (ВМО) в 1968 году утвердила единую Международную номенклатуру, которая легла в основу советских и российских стандартов картографирования и ледовой навигации (ААНИИ, 1974, 1984 гг.).
Стадия I: Начальные виды льда ( слабо смерзшиеся кристаллы на плаву)
- Ледяные иглы (Frazil ice): Самые первые продолговатые дисковидные микрокристаллы пресного льда, взвешенные в поверхностном слое моря.
- Ледяное сало (Grease ice): Густеющие скопления ледяных игл, матовые бесформенные пятна или полосы на воде. Сало гасит мелкую ветровую рябь и почти не отражает свет. При сильном шторме перемешивается с теплыми нижними слоями и может временно растаять.
- Снежура (Snow slush): Вязкая кашеобразная масса, образующаяся при обильном снегопаде на переохлажденную морскую поверхность.
- Шуга (Shuga): Рыхлые, пористые комья льда белесоватого цвета, сбитые волнами из ледяного сала, внутриводного льда и снежуры.
Стадия II: Нилас и склянка (эластичные корки толщиной до 10 см)
- Нилас (Nilas): Эластичная матовая корка льда толщиной до 10 см, плавно изгибающаяся на волнах и образующая при сжатии характерные надвиги в виде «зубьев». Делится на темный нилас (до 5 см, очень темный визуально) и светлый нилас (5–10 см, более светлого серого тона).
- Склянка (Ice rind / поморское «резун»): Хрупкая, блестящая стеклянистая корка толщиной до 5 см, образующаяся в тихую погоду на сильно опресненной воде (в заливах, устьях рек). Легко ломается ветром на острые прямоугольные куски.
- Блинчатый лед (Pancake ice): Круглые пластины льда диаметром от 30 см до 3 метров и толщиной до 10 см с характерными приподнятыми пухлыми краями. Формируется при покачивании ледяного сала/шуги на мелкой зыби или при дроблении ниласа.
Стадия III: Молодой лед (от 10 до 30 см)
Переходная стадия, теряющая эластичность. Делится на:
- Серый морской лед: Толщина 10–15 см.
- Серо-белый морской лед: Толщина 15–30 см. Активно ломается, образует первые наслоения и торосы.
Стадия IV: Однолетний лед (развивается в течение одной зимы, толщина от 30 см до 2 метров)
Основной тип льда, создающий препятствия для судоходства. Подразделяется на:
- Тонкий однолетний: 30 – 70 см.
- Средний однолетний: 70 – 120 см.
- Толстый однолетний: более 120 см.
Стадия V: Старый лед (переживший минимум одно летнее таяние)
Обладает сглаженным рельефом из-за летнего подтаивания торосов (гряды превращаются в округлые холмы — ропаки).
- Остаточный лед: Однолетний лед, не успевший растаять за лето. С осени нарастает вновь, а после 1 января в Северном полушарии официально переходит в категорию двухлетнего (имеет толщину 1,6–1,8 м и характерный грязно-серый или зеленовато-голубой цвет).
- Многолетний лед (Multi-year ice): Мощный арктический пак толщиной от 3 метров и более, полностью опресненный и обладающий максимальной прочностью.
5. Ледяной покров полярных областей и арктическое судоходство
Ледовые условия в полярных областях планеты имеют ярко выраженную сезонную цикличность. Совокупная площадь морей Сибирского шельфа (Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское) составляет порядка 2 500 000 км2, а протяженность ключевой трассы от пролива Карские Ворота до Берингова пролива равна 5550 км.
Морфология ледяного покрова: припай и полыньи
Ледяной покров шельфа состоит из двух основных динамических зон:
- Припай: Неподвижный лед, жестко скрепленный с береговой линией, островами или мелями. Средняя многолетняя площадь сибирского припая в период максимального развития составляет 650 000 км2 (26% всей площади морей), а в экстремальные годы может разрастаться до 878 000 км2 (35%).
- Заприпайные полыньи: Зоны устойчивой открытой воды или молодого тонкого льда (ниласа), формирующиеся у внешней кромки неподвижного припая под действием отжимных ветров с материка. Они играют роль «фабрик льда». Средняя мартовская площадь таких полыней распределяется следующим образом:
- В Карском море — 47 тыс. км2;
- В море Лаптевых — 34 тыс. км2;
- В Восточно-Сибирском море — 7 тыс. км2;
- В юго-западной части Чукотского моря — 6 тыс. км2.
Современные методы ледовой разведки
Безопасная проводка караванов судов по Северному морскому пути невозможна без оперативного спутникового мониторинга. Современные искусственные спутники Земли (ИСЗ, такие как Envisat, NOAA, Terra/MODIS) используют различные типы съемки для дешифрирования ледовых карт:
- Радиолокационные снимки (РЛ): Позволяют видеть лед сквозь облачность и полярную ночь. Отлично дифференцируют припай, старый лед, зоны торошения и зоны чистой воды.
- Инфракрасные (ИК) и видимые каналы: Позволяют по температурным и тоновым характеристикам (альбедо) безошибочно различать стадии замерзания — от ледяного сала до серо-белого и толстого однолетнего льда.
- Поиск просветов для подлодок: Спутниковое зондирование позволяет оперативно определять географические координаты так называемых «окон во льду» (Skylights) — участков открытой воды или тонкого ниласа среди тяжелых паковых льдов, критически важных для безопасного всплытия подводных лодок в Арктическом бассейне.
(с) Статья подготовлена специально для навигационно-библиотечного портала www.navlib.net по материалам исследований ААНИИ / РГГМУ.