Морская метеорология // Ледовое плавание
Номенклатура ВМО // ААНИИ

Морской лед: физико-химические свойства, классификация ВМО и динамика ледяного покрова

Фундаментальный океанологический обзор морского льда: термодинамика кристаллизации соленой воды, солевой дренаж, генетическая структура кристаллов, международная возрастная классификация ВМО (от ледяных игл до пака), динамика припая и заприпайных полыней, а также принципы спутниковой ледовой разведки.

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%.

Морской лед в полярных широтах
Рис. 1. Морской ледяной покров: природный барьер и динамическая среда полярного судоходства.

Несмотря на то, что общая масса снега и льда на планете оценивается примерно в (2,5–3,0)×10¹⁶ тонн (всего 0,0004% массы Земли), их климатическое, навигационное и экологическое значение огромно. Одним из важнейших элементов этой экосистемы является морской лед — уникальное природное образование, обладающее специфическими физико-химическими свойствами, понимание которых обязательно при составлении Master Standing Orders для северных широт.

1. Химический состав и процесс замерзания морской воды

Морская вода принципиально отличается от пресной наличием растворенных анионов и катионов солей. Ионный состав стандартной морской океанической воды характеризуется следующими ключевыми концентрациями:

  • Ионы хлора Сl⁻ = 18,98‰;
  • Ионы натрия Na⁺ = 10,56‰;
  • Сульфат-ионы SO₄²⁻ = 2,65‰.

Поскольку соотношение основных солей в Мировом океане практически неизменно (закон Дитмара), в океанологии морскую воду принято рассматривать как бинарную систему, состоящую исключительно из двух компонентов: чистой пресной воды и растворенной соли.

Кристаллизация морской воды и образование льда
Рис. 2. Начальные стадии кристаллизации соленой морской воды в условиях низких температур.

Влияние солености на гидродинамику замерзания

Соленость кардинально меняет термодинамические свойства воды. С ростом солености температура замерзания (τ) и температура наибольшей плотности (t_max) 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 (стандартная океаническая) -1.91 -3.52
40 -2.20 -4.54
Критическая океанологическая закономерность (Точка солености 24,7‰):
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 интенсивную вертикальную конвекцию. Чтобы началось устойчивое ледообразование, весь верхний перемешанный слой моря (вплоть до пикноклина) должен охладиться до температуры замерзания (около −1.8°C … −1.9°C).

Механизм самоочищения и захвата рассола

Если солевой раствор замораживать бесконечно медленно, ионы солей вытесняются в жидкую фазу, а формирующийся лед будет полностью пресным. При естественном образовании морского ледяного покрова также запускается процесс самоочищения — выталкивания солей.

Однако в реальных морских условиях замерзание протекает слишком стремительно. Кристаллы растущего льда механически захватывают и блокируют внутри себя микрокапли жидкого солевого раствора — рассола. Количество удерживаемого рассола напрямую зависит от скорости ледообразования (температуры воздуха):

Динамика солености морского льда:
  • Когда зимой в Арктике ледяной покров взламывается, открытая вода соприкасается с морозным воздухом от −30°C до −40°C;
  • 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‰ (около 80% первоначально захваченных солей покидает лед). Старый многолетний лед становится практически пресным, пригодным для получения питьевой воды при таянии.

2. Физические и оптические свойства морского льда

Морской лед представляет собой сложную многофазную кристаллическую систему, состоящую из кристаллов чистого пресного льда, жидких включений океанического рассола, пузырьков воздуха и твердых кристаллов солей (солевых гидратов), выпавших в осадок при сильном охлаждении.

Плотность морского льда

Плотность морского льда не является константой и колеблется в пределах от 0,85 до 0,94 г/см³. Она детерминирована тремя факторами:
1. Текущей температурой ледового монолита;
2. Объемом и распределением воздушных пор;
3. Количеством и соленостью жидкого рассола в межкристаллических ячейках.
У молодого льда плотность выше за счет насыщенности рассолом, тогда как многолетний паковый лед опреснен, более порист и обладает меньшей плотностью.

Оптические свойства: поглощение света и двойное лучепреломление

В монолитном кристаллическом виде 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 более чем в два раза интенсивнее).

Принимая среднее значение коэффициента поглощения для видимого спектра за k = 10×10⁻³ см⁻¹, получаем, что ровный метровый слой чистого льда поглощает около 63% падающей солнечной энергии. Однако реальный морской лед из-за рассеивания на пузырьках воздуха и рассольных полостях кажется матово-белым или молочно-серым.

С кристаллографической точки зрения лед гексагональной сингонии ведет себя как оптически одноосный кристалл с главной оптической осью (c-осью). Это обуславливает явление двойного лучепреломления: луч, входящий под углом к оси c, расщепляется на обыкновенный и необыкновенный лучи, распространяющиеся с разной скоростью.

Структура и текстура морского льда
Рис. 3. Текстура ледяного поля: пористость, включения рассола и кристаллическая ориентация.

Теплопроводность и феномены молодого льда

Удельная теплопроводность морского льда составляет в среднем около 2,1 Вт/(м·К), что в 5 раз превышает теплопроводность жидкой воды и в 8 раз — рыхлого снежного покрова. В ледовой практике выделяют характерные феномены:

  • Влажная поверхность: на поверхности свежего ровного льда практически всегда присутствует пленка концентрированного рассола, остающаяся жидкой даже при −15°C…−20°C;
  • Ледяные цветы: при резком похолодании поверхностный рассол кристаллизуется в криогидраты, образуя причудливые белые кустики минерализованного инея высотой в несколько сантиметров.

3. Генетическая классификация морского льда по структуре

По пространственной ориентации кристаллов и условиям гидродинамики выделяют три текстурных типа льда:

Кристаллические разновидности:
  1. Игольчатый лед: сложен из вертикально ориентированных шестигранных призм. Образуется в штилевую погоду, отличается высокой прочностью и стекловидной прозрачностью;
  2. Губчатый лед: хаотичная масса переплетенных игл, пластинок и чешуек, захватывающая колоссальные объемы рассола и воздуха. Формируется при ветровом волнении;
  3. Зернистый лед: состоит из округлых кристаллов-зерен. Образуется при сжатии и трении полей, а также при обильном выпадении снега в переохлажденную воду.

По горизонту зарождения различают поверхностный, глубинный (внутриводный) и донный лед, нарастающий на подводных скалах и якорных цепях.

4. Международная номенклатура ВМО: Возрастные стадии морского льда

Единая Международная номенклатура Всемирной метеорологической организации (ВМО / WMO) служит общепринятым стандартом ледовой разведки, картографирования и отражения в судовых журналах (см. инструкцию записи в судовом журнале).

Возрастные стадии морского льда по классификации ВМО
Рис. 4. Возрастные градации ледяного покрова: переход от начальных форм к сплошным ледяным полям.
Стадия I: Начальные виды льда (плавающие микрокристаллы)
  • Ледяные иглы (Frazil ice): тонкие дисковидные кристаллы пресного льда, взвешенные в толще воды;
  • Ледяное сало (Grease ice): сгустившийся слой кристаллов на воде, гасящий мелкую рябь и придающий морю матовый маслянистый оттенок;
  • Снежура (Snow slush): кашеобразная масса, образующаяся при снегопаде на холодную морскую поверхность;
  • Шуга (Shuga): рыхлые пористые комья белесого цвета, возникающие при волнении из сала и снежуры.
Стадия II: Нилас и склянка (корки толщиной до 10 см)
  • Нилас (Nilas): эластичная матовая корка толщиной до 10 см, легко изгибающаяся на волне. Делится на темный нилас (до 5 см) и светлый нилас (5–10 см);
  • Склянка (Ice rind / поморский «резун»): хрупкая блестящая корка толщиной до 5 см на опресненной воде заливов. Легко ломается ветром на острые пластины;
  • Блинчатый лед (Pancake ice): круглые ледяные блины диаметром от 30 см до 3 м с приподнятыми валиками по краям, образующиеся от трения на волнении.
Стадия по ВМО Возрастная категория льда Диапазон толщины Судоходные особенности
III. Молодой лед Серый лед (Grey ice) 10 – 15 см Ломается корпусом обычного судна без снижения скорости.
Серо-белый лед (Grey-white ice) 15 – 30 см Образует наслоения и первые торосы, требует осторожности.
IV. Однолетний лед (First-year ice) Тонкий однолетний 30 – 70 см Делится на 1-й этап (30–50 см) и 2-й этап (50–70 см).
Средний однолетний 70 – 120 см Преодолевается судами ледового класса Arc4–Arc5.
Толстый однолетний Более 120 см Тяжелое препятствие, часто требует ледокольной проводки.
V. Старый лед (Old ice) Остаточный / Двухлетний (Second-year) 1.6 – 2.5 м Пережил летнее таяние, торосы сглажены (ропаки).
Многолетний лед (Multi-year ice) От 3.0 м и более Мощнейший паковый лед синеватого цвета, твердостью приближающийся к бетону.

5. Ледяной покров полярных областей и арктическое судоходство

Совокупная акватория морей Сибирского шельфа (Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское) составляет порядка 2 500 000 км², а протяженность трассы Севморпути от Карских Ворот до Берингова пролива превышает 5550 км. В ледовом покрове выделяют две динамические структуры:

Морфология ледяных морей:

• Припай (Fast ice): неподвижный массив льда, спаянный с побережьем и островами до изобат 20–25 м. Площадь припая в марте достигает 650 000 км² (до 26–35% площади сибирских морей);
• Заприпайные полыньи (Flaw polynyas): полосы чистой воды и ниласа за кромкой припая, формируемые отжимными материковыми ветрами. Полыньи выступают гигантскими «фабриками льда»: в Карском море их площадь достигает 47 тыс. км², а в море Лаптевых — 34 тыс. км².

Спутниковое дешифрирование и ледовая проводка

Спутниковый мониторинг морского льда по Севморпути
Рис. 5. Радиолокационное спутниковое зондирование ледяных полей для прокладки безопасного маршрута.

Безопасная проводка караванов по Северному морскому пути невозможна без оперативного спутникового мониторинга (ИСЗ Terra/MODIS, Sentinel, NOAA):

  • Радиолокационные снимки (РЛ / SAR): пробивают сплошную облачность и полярную ночь, четко разделяя припай, зоны торошения, многолетний лед и чистую воду;
  • Оптические и ИК-каналы: определяют возрастные стадии льда по коэффициенту яркости (альбедо) и температуре поверхности;
  • Поиск ледовых просветов (Skylights): спутниковое зондирование выявляет окна тонкого льда среди тяжелого пака, критически важные для экстренного всплытия подводных лодок и маневрирования ледоколов. Перед плаванием в ледовых бассейнах судоводители обязаны проверять готовность по чек-листу Master Standing Orders.

Часто задаваемые вопросы о морском льде (FAQ)

1. Почему морской лед со временем становится пресным?
Внутри молодого льда запечатан жидкий концентрированный рассол. Плотность этого рассола выше окружающей воды, поэтому под действием гравитации он медленно стекает вниз через межкристаллические капилляры. Многолетний лед, переживший лето, теряет практически всю соль и становится пригодным для питья.
2. При какой температуре замерзает океаническая вода?
При стандартной океанической солености 35‰ температура замерзания составляет −1.91°C. Для сравнения, слабосоленые воды Балтийского моря замерзают при −0.2°C … −0.5°C.
3. Чем опасен многолетний лед для судов арктического класса?
Многолетний лед полностью опреснен, лишен рассольных пор и подвергся многократной перекристаллизации. Его прочность на сжатие в 2–3 раза выше однолетнего льда и сопоставима с прочностью бетона. Удар о торосистый ропак многолетнего льда ведет к тяжелым пробоинам корпуса.
4. Что такое «ледяное сало» и как оно влияет на управляемость судна?
Ледяное сало — это начальная стадия замерзания моря, представляющая собой плотный ковер взвешенных ледяных кристаллов. Оно гасит волнение, но резко увеличивает вязкое сопротивление воды, снижая скорость судна и забивая фильтры кингстонных ящиков охлаждения главных двигателей.
Морской портал NavLib.net © 2026
Материал подготовлен по данным исследований ААНИИ, РГГМУ и Всемирной метеорологической организации (ВМО)

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.