Лед и его физические свойства

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА

Теплофизические свойства шуги (влагонасыщенной)

1. Общие сведения. В пресных водоемах льды делят на речные и озерные, а по условиям их образования – на водные, снежные, шуговые и наледные.

Водный (кристаллический) лед – образован замерзанием чистой воды (без примеси иных ранее образовавшихся видов льда) при понижении температуры поверхностного слоя до точки замерзания. Он преимущественно прозрачный, состоит из столбчатых кристаллов разной толщины, оси которых направлены перпендикулярно к замерзающей поверхности. С точки зрения структуры это кристаллический лед, с выраженной первичной структурой. Верхние слои водного льда под влиянием осеннего ледохода, ветра и течения воды могут иметь неправильное мелкокристаллическое строение.

Снежный (снеговой) лед - образуется промерзанием талого снега на поверхности воды при густом снегопаде или же талого снега на льду, пересыщенного водой. Пересыщение снега водой происходит или при его таянии, или при просачивании воды через трещины в ледяном покрове. Снежный лед имеет зернистую структуру, непрозрачен, содержит большое количество воздушных пузырей.

Шуговый лед - возникает при замерзании воды, содержащей шуговые образования. Он образуется или непосредственно на поверхности воды в период движения шуги, или же путем примерзания последней к нижней поверхности водного или снегового льда при наличии зажора. Шуговый лед содержит обычно много пузырьков воздуха, а также включения взвешенных наносов и грунта, поэтому он менее прозрачен, чем водный и имеет неправильную структуру.

Наледный лед – образуется за счет послойного намораживания воды, поступающей на поверхность ледяного покрова. Наледный лед имеет слоистую структуру с толщиной слоев до нескольких сантиметров, характерен для водотоков в районах с суровым климатом и по оптическим свойствам занимает промежуточное положение между снеговым и водным льдом.

В зарубежной литературе встречаются термины «черный лед» и «белый лед». Черный – это лед, образовавшийся при замерзании воды при небольшом количестве рассеивающих включений; такой лед имеет темный цвет. Белый лед образуется при смерзании шуги или снега с большим количеством включений воздуха, характеризуется мелкокристаллической структурой; вследствие рассеяния света такой лед имеет белый цвет.

В естественных условиях почти всегда встречается лед смешанного строения (слоистый лед). Верхние слои обычно формируются из снежного льда, нижние и средние – из водного льда с включением шугового льда. Соотношение водного и других видов льда меняется в ледяном покрове в зависимости от сочетания гидрометеорологических условий осенне-зимнего периода, термического режима водных масс и гидравлических свойств потока. Поэтому вторичные формы пресноводного льда могут быть водно-снеговыми, водно-шуговыми, снежно-шуговыми.

На реках в районах с суровым климатом, а также на крупных озерах и водохранилищах большая часть толщи ледяного покрова формируется из водного льда. На отдельных участках рек возможно образование наледного льда.

В пресноводных водоемах и водотоках наблюдаются также некоторые другие ледовые образования, например, битый лед – это льдины неправильной формы и различной крупности (таблица 2.2), образующиеся при разломе заберегов или ледяных полей. Скопление льдин, возникших в связи с разрушением ледяного покрова в период ледохода, и сопровождающееся уменьшением живого сечения водного потока представляет собой затор льда.

В защищенных от ветра местах у берегов водоемов и водотоков образуются забереги – полосы льда, окаймляющие берега рек, каналов, озер и водохранилищ при незамерзшей остальной части водного пространства. Различают первичные забереги, образующиеся у берегов; наносные забереги, возникающие в результате примерзания льда и шуги во время ледохода; остаточные забереги, остающиеся у берегов весной при таянии льда. На озерах и водохранилищах они могут нарастать также за счет льдин, пригнанных к берегу ветром. При сильных ветрах (на водоемах) или течениях (на водотоках) они взламываются и нагромождаются на берега в виде торосов ( льда торошения).

Таблица 2.2

Образование внутриводного льда возможно только при открытой водной поверхности; оно особенно активно происходит в условиях интенсивного перемешивания воды.

М.Матоушек предложил наиболее полное объяснение причин возникновения внутриводного льда и сала, в соответствии с которым при достижении переохлаждения воды около 0,15°С на поверхности водоема возникают зародышевые кристаллы (начальные формы ледяных образований) в виде игл или пластинок. Если течение способно увлекать эти кристаллы в водную толщу, образуется внутриводный лед, если оно не обладает такой способностью, зародышевые кристаллы остаются на поверхности воды, образуя пятна или тонкий сплошной слой серовато-свинцового цвета, внешне напоминающие вылитый на воду жир. Поэтому такой лед называют салом. Сало и забереги образуются, как правило, если при положительной температуре воды наступает резкое похолодание. При ветрах сало разрушается, при тихой погоде из него образуются небольшие льдины, которые, развиваясь, переходят на озерах и водохранилищах в формы блинчатого льда. Отдельные куски блинчатого льда достигают на водоемах 10-50см в диаметре. Такой лед с шугой образует более крупные ледяные поля, дрейфующие под воздействием ветра.

Условия возникновения внутриводного льда определяются М.Матоушеком следующим образом:

• температура воды t_в < 0°С,
• температура поверхности воды t_пов. < -0,15°С,
• скорость течения u > 0,066[(0,7×С+6)С]^0,305×R^0,5, где С – коэффициент Шези, R – гидравлический радиус.

Таким образом, для образования внутриводного льда вода должна непременно иметь температуру ниже температуры замерзания (кристаллизации), то есть быть переохлажденной, а температура льда должна быть равна температуре кристаллизации (А.И.Пехович).

Внутриводный лед обычно представляет собой скопление мелких, тонких пластинчатых ледяных кристаллов дисковой или дендритной формы, несколько схожих со снежинками и находящихся в толще воды (взвешенный внутриводный лед) или на дне водоемов (рек, озер, водохранилищ, морей) в виде донного льда, который обычно образуется ночью в безоблачную погоду. В результате сцепления взвешенных кристаллов льда возникают различные ледовые образования (начальные формы шуги), имеющие вид губчатых тел с хаотичным взаимным расположением кристаллов и с порами, наполненными водой. На переохлажденных предметах и конструкциях в водной толще водоемов и водотоков ледовые кристаллики могут образовывать непрозрачный прикрепленный лед губчатой структуры. При сильном снегопаде на акватории водоема (водотока) может образовываться снежная каша (снежура), которая после промерзания образует также один из слоев ледяного покрова.

Сформировавшийся на реках внутриводный лед либо образует ледяной покров за счет смерзания, либо уносится под ледяной покров, где он имеет возможность продолжить свой рост до шуговых форм или отложиться под ледяным покровом в виде зажоров шуги.

Строение ледяного покрова (по толщине) рекомендуется определять по данным кристаллографического исследования, а при их отсутствии допускается принимать ледяной покров открытых озер, водохранилищ и крупных рек состоящим из зернистого (снежного или шугового) и призматического (водного, столбчатого) льдов.

2. Структурно-функциональная схема процесса формирования пресноводного льда.Выполненный выше обзор процессов кристаллизации и образования льда в пресноводных водоемах и водотоках, а также сравнительный анализ наиболее известных классификаций льда показывает, что лед в природе принимает разнообразные формы, для которых почти каждый исследователь, а тем более наблюдатель, имеет собственные названия. В последние десятилетия специалистами-гидрологами, гляциологами и ледотехниками неоднократно делались попытки типизировать все возможные формы льда и стандартизировать терминологию форм льда, включая координацию многоязычной терминологии.

Если рассматривать пресноводный лед как объект, то есть как функциональную категорию моделирования, то для его представления в базе знаний, можно использовать структурно-функциональный метод. Принципиальное отличие данного метода от уже известных (например, классификаций) заключается в том, что структуры строятся не под конкретные задачи (океанические, морфологические, ледотехнические), в которых должны исчерпываться все знания об объекте, а под динамику функционального развития рассматриваемого объекта (лед в водоеме или водотоке), то есть воссоздание объекта должно производиться таким образом, чтобы в подобной реконструкции обнаружились правила функционирования (функции) этого объекта.

Анализ значительного числа (более 50 научно-технических и регламентирующих) источников информации в области гидрофизики, гидрологии, ледоведения, ледовой гидравлики и гидротехники, позволяет представить пресноводный лед водных объектов суши как динамическую структуру, включающую в себя 18 взаимосвязанных форм (состояний) и отражающих практи-

Таблица 2.3

Формы и состояние объекта «пресноводный лед».

чески полную картину функционального развития льда, как объекта (таблица 2.3), являющегося элементом конкретной природной или природно-технической системы (водоема или водотока).

На рис. 2.1а. представлена открытая схема процесса формирования и развития пресноводного льда в водных объектах суши, обобщившая в себе попытки типизации практически всех возможных форм пресноводного льда. Ввиду такого разнообразия форм пресноводного льда, задача их прогноза становится трудно разрешимой. Построенная структурно-функциональная схема может применяться как логическая диаграмма для предсказания типа формирующегося льда в зависимости от метеоусловий (скорости ветра, температуры воздуха и осадков) и скорости течения в водном объекте.