20 ноября 2018

Плавучий лёд: индикатор, препятствие, место жизни

001
001
Рисунок 1. Зависимость температуры замерзания (красная линия) и температуры наибольшей плотности (синий пунктир) воды от солёности. Температура (вертикальная ось) представлена в градусах Цельсия. Солёность (горизонтальная ось) представлена в так называемых единицах практической солёности – psu (количество твёрдых веществ в граммах, растворённых в 1 кг воды). Диапазон солёности верхних слоёв полярных океанов составляет 27 – 34 psu.
001
Рисунок 2. Фрагмент однолетнего льда, полученный в результате множественных бурений до воды вокруг этого фрагмента и вынутый на поверхность льда. На нижней границе фрагмента видны ледяные иглы и пластины, свидетельствующие о происходящем процессе ледообразования. Приполюсной район Арктики. Апрель 2009. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 3. Начальный вид льдов – ледяное сало. Пролив Фрама. Сентябрь 2007. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 4. Солевые цветы – редкая форма начальных видов морского льда. Приполюсной район Арктики. Апрель 2008. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 5. Зубчатые наслоения светлого ниласа. Снимок сделан с борта судна, с высоты 5 м, в направлении почти вертикально вниз. Акватория к северу от Шпицбергена. Сентябрь 2007. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 6. Айсберг, севший на мель, среди припайного льда. Архипелаг Земля Франца-Иосифа. Апрель 1985. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 7. Узкое разводье (ширина, согласно номенклатуре морских льдов, 1- 50 м) среди сплочённых однолетних льдов. На берегах разводья образовались небольшие торосы. Время образования торосов – несколько недель назад, поскольку они уже слегка сглажены и сильно заснежены. Приполюсной район Арктики. Апрель 2007. Фото Писарева С.В.
001
Айсберг, севший на мель вблизи одной из трасс Северного морского пути. Карское море. Август 2006. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 8. Снежницы на летнем однолетнем льду в Центральном Арктическом бассейне. Температура воздуха положительна. Август 2011. Фото Писарева С.В.
011
Рисунок 9. Снежницы на летнем однолетнем льду в Центральном Арктическом бассейне. Температура воздуха отрицательная. На молодой лёд толщиной не более 1 см, которым покрылись снежницы, выпал снег. Август 2011. Фото Писарева С.В.
012
001
Рисунки 10, 11. Подводная часть гряды торосов. Пластины и иглы льда на нижней части поверхности льда свидетельствуют о происходящем процессе ледообразования. Арктический бассейн. Дрейфующая станция "Cеверный Полюс 18". 1969. Фото Грищенко В.Д. (пионера исследований подводного рельефа льда).
001
Рисунок 12. Покрытый снегом обломок льда, выдавленный несколько недель назад на поверхность ледяного поля. Обломок находится в положении близком к горизонтальному. На разрезе хорошо видны каналы, в которых содержался теперь уже практически вытекший высокосолёный раствор. Приполюсной район Арктики. Апрель 2010. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 13. Варандейский стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал ОАО ЛУКОЙЛ.
001
Рисунок 14. Работа группы специалистов (по заказу ООО ВНИИГАЗ) на большом, в рамках региональных ледовых условий, ледяном образовании. Снимок сделан с борта экспедиционного судна. Восточный шельф острова Сахалин. Апрель 2016. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 15. Модифицированный, управляемый по кабелю подводный аппарат "Гном Стандарт". В результате модификации к базовой конструкции были добавлены два мощных фонаря SeaLife Sea Dragon вместе с камерой высокого разрешения GO PRO HERO 4 и дополнительной плавучестью. Восточный шельф острова Сахалин. Апрель 2016. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 16. Испытания образцов керна льда на одноосное сжатие и на изгиб с помощью пресса внутри каркасной неотапливаемой палатки. Восточный шельф острова Сахалин. Апрель 2016. Фото Писарева С.В.
001
Рисунок 17. Стадо моржей на явно малом для такого количества животных ледяном поле. Альтернативного поля, видимо, нет. Лёд летний,пропитан водой, так называемый "гнилой", как обычно в таких случаях разрушается относительными прогретыми морскими водами с боков.
001
Рисунок 18. Комплекс диатомовых водорослей на нижней границе морского льда. Арктический бассейн. Дрейфующая станция Северный Полюс 22. Июль 1980. Фото Грищенко В.Д.

Автор:
Сергей Викторович Писарев, руководитель группы полярной океанологии Института океанологии РАН, почётный полярник РФ, к.ф.-м.н.

Источник:
GoArctic.ru

Лёд Земли

В хрестоматийном толковом словаре живого великорусского языка Даля лёд определяется как «мёрзлая вода; застывшая и отверделая от стужи жидкость». Во всех толковых словарях и энциклопедиях, изданных позднее словаря Даля (после середины 60-х годов XIX века), теми или иными словами повторяется это определение. Современная наука, однако, знает, что лёд образуется не только из воды. Кроме водяного льда бывает аммиачный и метановый. Недавно люди научились производить, при замораживании углекислоты, и сухой лёд, названный так, поскольку при таянии он не оставляет луж и сразу испаряется. Любой лёд интересен по-своему, но далее мы остановимся только на самом распространённом на планете Земля виде льда – из воды.

При ледообразовании вода приобретает твёрдую кристаллическую форму, обладающую четырнадцатью структурными модификациями (причём последние две модификации открыты только в 2006 году). Модификации различаются взаимным расположением и физическими свойствами молекул воды, соединённых водородными связями, формирующими кристаллическую решетку льда. В естественных природных условиях Земли устойчива лишь одна модификация: когда вода кристаллизуется в гексагональной решётке, напоминающей структуру драгоценных камней и минералов – алмаза, турмалина, кварца, корунда, берилла. В этом “природном” льду каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2.76 ангстрем и размещённых в вершинах правильного тетраэдра. В общем, не вдаваясь в дальнейшие подробности, важно понимать, что природный лёд, о котором пойдёт речь далее, имеет кристаллическую структуру.

На Земле традиционно выделяют четыре основные оболочки: воздушную оболочку (атмосфера), толщу твёрдых и рыхлых пород на поверхности (литосфера), сферу обитания живых организмов (биосфера) и водную оболочку (гидросфера). Лёд существует во всех оболочках (поэтому иногда выделяют ещё одну оболочку – криосферу, простирающуюся от верхних слоёв атмосферы до глубин литосферы) кроме, пожалуй, биосферы. Конечно, сами организмы живут среди льдов, но внутри них льда нет, так как кристаллы разрушают ткани.

Несмотря на одну и ту же кристаллическую структуру, лёд, в зависимости от условий и места (оболочки) своего образования, может принимать различные формы. Это иней, градины, хлопья снега, которые образуются в атмосфере. Это замёрзшая грунтовая вода в толще пород, называемая многолетней мерзлотой, в толще литосферы. Это ледники, образующиеся на поверхности суши в районах со среднегодовой температурой воздуха ниже нуля (высокие горы, острова Арктики, Антарктида) из твёрдых атмосферных осадков. Осадки, при отрицательной среднегодовой температуре, не успевают полностью таять, поэтому накапливаются, уплотняются, перекристаллизуются и, в результате, образуют ледник. Это, наконец, лёд на поверхности пресных и солёных водоёмов. Лёд солёных водоёмов называется морским.

Плавучий лёд, о котором пойдёт речь далее, плавает на поверхности океанов и морей и на 98-99% по площади состоит изо льда, образованного из морской солёной воды. Какую-то часть площади занимают сползшие в воду и находящиеся на плаву фрагменты ледников – айсберги. Другая небольшая часть – это пресный лёд, выносимый реками в моря во время половодья начала арктического лета.

В силу известных свойств воды (см. рис.1), образование льда в море и в пресноводных водоёмах существенно отличается. Общим условием является только необходимость наличия воздуха с отрицательной температурой, который, осуществляя теплообмен с верхним слоем воды, охладил бы этот слой до температуры замерзания. В случае пресной воды с солёностью 0 psu, до достижения водой температуры максимальной плотности при данной солёности в 3.980 С, каждая охлаждённая частица воды становится плотнее (тяжелее) нижележащих вод. Такая более холодная частица опускается вниз, создавая, тем самым, процесс конвекции. Нижележащие частицы воды поднимаются “для взаимодействия” с атмосферой, тоже охлаждаются, тоже становятся плотнее и тоже опускаются. В конце концов температура воды на поверхности пресного водоёма достигает температуры максимальной плотности, частицы воды, теперь уже более лёгкие, чем нижележащие, перестают опускаться и заменяться, верхний слой продолжает охлаждаться и, при достижении температуры воды 00 С, образуется пресный лёд. Лежащий подо льдом слой воды пресных водоёмов остаётся с температурой на примерно 40 С выше температуры замерзания.

Совсем по-другому происходит ледообразование из морской воды. Добавление соли в воду, как видно на рис.1, понижает и температуру наибольшей плотности, и температуру замерзания. При солёности больше 24.7 psu плотность воды при охлаждении всегда увеличивается, создавая неустойчивую стратификацию воды. Частицы с большей плотностью опускаются, более тёплые и менее плотные частицы из глубины поднимаются к поверхности им на замену, происходит вертикальное конвективное перемешивание. Такое перемешивание в некоторых районах океана (море Лабрадор и Гренландское, например) достигает глубин первых тысяч метров. Однако чаще в океане, на горизонтах в несколько десятков метров от поверхности, по комплексу причин, связанных с взаимодействием вод внутри самого океана, присутствуют воды ещё большей плотности, чем те, которые опускаются вниз при охлаждении в результате взаимодействия с атмосферой. Такой слой ещё более плотных вод, часто называемый галоклином, ограничивает глубину термального конвективного перемешивания, и когда весь слой выше галоклина перемешается и охладится до температуры замерзания при данной солёности, на поверхности начинается ледообразование. Горизонт залегания галоклина в существенной мере определяет начало ледообразования, поскольку на вертикальное перемешивание слоя от поверхности до галоклина требуется время. При одинаковых характеристиках холодной атмосферы, заглубление верхней границы галоклина (и, соответственно, увеличение толщины слоя конвективного перемешивания) от 10 м до, скажем, 50 м, влечёт за собой “запаздывание” образования льда на поверхности на два месяца.

Когда температура всего перемешанного слоя морской воды достигает температуры замерзания при данной солёности, в верхнем слое воды толщиной несколько мм начинают образовываться ледяные кристаллы. Их плотность, как и плотность любого природного льда, меньше плотности воды, и поэтому они остаются на поверхности. Как правило, в природе хоть какие-то возмущения верхнего слоя морской воды существуют (волны, перемешивание ветром и др.). Процессы перемешивания перераспределяют кристаллы в нескольких дециметрах поверхностного слоя. В случае продолжения охлаждения, кристаллов становится всё больше, они смерзаются, и образующийся слой льда модифицирует процессы взаимодействия океана, как и любой другой воды, и атмосферы. Даже начальные формы льда демпфируют процессы перемешивания и гасят волны.

Пока температура воздуха надо льдом остаётся ниже точки замерзания при данной солёности, тепло как бы “высасывается” из воды в атмосферу через лед. Когда и если этот поток тепла больше, чем то тепло, которое поступает к поверхности льда от океана, происходит дисбаланс потоков тепла. Дисбаланс компенсируется тепловыделением из-за образования нового льда на нижней поверхности уже существующего. В результате толщина льда увеличивается (рис.2).

Номенклатура морских льдов

Для того чтобы специалистам, да и просто образованным в области природы Земли людям понимать друг друга при обсуждении свойств льда, международной группой экспертов Всемирной Метеорологической организации уже более полувека назад выработана так называемая номенклатура морских льдов. В последней редакции номенклатуры от 2014 года присутствуют около 210 терминов – слов и словосочетаний на английском, французском, русском и испанском языках, обозначающих те или иные наблюдаемые визульно формы льда. Слова и словосочетания сопровождаются краткими пояснительными текстами, напоминающими по форме статьи из толковых словарей.

Так, например, упомянутые двумя абзацами выше ледяные кристаллы имеют в номенклатуре номер 2.1.1, называются ледяными иглами, представляют собой “тонкие иглы или пластинки льда, взвешенные в воде”, представлены в разделе 2 – “возрастные характеристики льда” и подразделе 2.1 – “Начальные виды льдов: Общий термин для недавно образовавшегося льда, который включает в себя ледяные иглы, ледяное сало (рис.3), снежуру и шугу. Эти виды льда состоят из слабо смёрзшихся кристаллов (если они вообще смёрзлись), имеющих определённую форму, только когда они на плаву”.

Интереснейшее и редко наблюдаемое явление при образовании морских льдов представляют так называемые солевые цветы. Условием их образования является наличие невзволнованной открытой солёной воды в свежей трещине между льдов, например, в сильный мороз (от, примерно, -250С) и отсутствие ветра. В таких условиях лёд образуется так быстро, что соль “выдавливается” не только вниз, как обычно, но и на поверхность образующегося льда. Возникают своеобразные цветы, целиком состоящие из соли. Иногда размеры цветков достигают размеров кисти человека. Ветра или вашего дуновения с расстояния нескольких сантиметров (в случае, если вам посчастливилось оказаться в том месте) достаточно, чтобы цветки развеялись (рис.4).

Другой термин, вынесенный в заголовок настоящей статьи, ”плавучий лёд”, представляет собой “любую форму льда, плавающего в воде. Основными видами плавучего льда являются: озёрный лёд, речной лёд, морской лёд, которые образуются вследствие замерзания воды у поверхности, и глетчерный лёд (лёд материкового происхождения), образующийся на суше или на ледяном шельфе. Это понятие включает и лёд, севший на мель”.

Ледовые термины отражают многовековой опыт моряков (а в последнее столетие – и учёных) по выделению существенных, главным образом, для мореплавания отличий в свойствах льда. За каждым ледовым термином для знающего человека стоят наборы природных процессов, которые привели к образованию той или иной формы плавучего льда, горизонтальные размеры ледяного образования, его возраст и толщина, способность к дрейфу.

Как известно, морской флот России относительно молод, по сравнению с флотами других стран (Скандинавские страны, Великобритания, Голландия), столетиями посещавших высокие широты Мирового Океана. Видимо, в силу этого в номенклатуре морских льдов много терминов, которые не переводятся на русский язык, а используются так же, как и в языке оригинала. Например, нилас (“тонкая, эластичная корка льда, легко прогибающаяся на волне и зыби и при сжатии образующая зубчатые наслоения. Имеет матовую поверхность и толщину до 10 см. Может подразделяться на тёмный нилас и светлый нилас.”) (рис.5) или айсберг (массивный отколовшийся от ледника кусок льда различной формы, выступающий над уровнем моря более чем на 5 м, который может быть на плаву или сидящим на мели. В дополнение к разделению по размерам, айсберги по своему внешнему виду могут подразделяться на столообразные, куполообразные, наклонные, докообразные, блокообразные, с остроконечными вершинами, окатанные или пирамидальные) (рис.6).

Есть только три термина номенклатуры, которые не имеют переводов и на всех языках используются так же, как и звучат по-русски. Это – 1) шуга (скопление пористых кусков льда белого цвета, достигающих несколько сантиметров в поперечнике; образуется из ледяного сала или снежуры, а иногда из донного льда, поднимающегося на поверхность); 2) заструги (острые, неправильной формы гряды, образованные на снежной поверхности в результате выдувания и переноса снега ветром. На дрейфующем льду гряды расположены параллельно господствующему ветру во время их образования) и 3) полынья (устойчивое пространство чистой воды среди или на границе неподвижных льдов. Полыньи могут быть заполнены ледяной кашей или покрыты начальными видами льда, ниласом или молодым льдом).

Имея в виду популярность темы Арктики в средствах массовой информации в последние 10-15 лет, нельзя не заметить, что исконно-русский термин полынья - просто чемпион по неправильному употреблению в речи или текстах не только в среде отечественных журналистов или, скажем, путешественников-туристов, но и, что действительно прискорбно, в среде моряков-подводников и руководителей различного уровня. Полынья, как следует из её определения, располагается сравнительно недалеко от берега, потому что только здесь и существуют неподвижные льды, называемые припаем. В глубоководном Арктическом бассейне невозможно, таким образом, искать полынью для всплытия подводного аппарата или преодолевать полынью в героическом походе на лыжах или автомобилях-амфибиях. Все действия с использованием пространств открытой воды среди дрейфующих льдов вдали от побережья производятся в разводьях (любой разлом или разрыв очень сплочённого, сжатого льда, смёрзшегося сплошного льда или припая, или отдельной льдины в результате подвижек и процессов деформации. Разводья могут быть заполнены ледяной кашей, покрыты ниласом или молодым льдом. Протяжённость их может колебаться от метров до нескольких километров.) (рис.7) Разделяют четыре вида разводьев, причем каждый имеет свой характерный диапазон ширины, от 1 м до 500 м.

Лёд - индикатор климатических изменений

В период своего максимального развития (в зимний период) морской лёд занимает более 5% площади северного полушария Земли и 8% южного, что вместе составляет примерно две трети общей площади льда на нашей планете. В то же время морской лёд, даже в период максимального развития, составляет менее 1% объёма льда на поверхности Земли. Материковые ледники до трёх порядков толще морского льда и содержат значительно большие объёмы.

В силу своей относительно небольшой толщины, морской лёд (точнее, его площадь и объём) быстро, по сравнению с ледниками и многолетней мерзлотой, реагирует на изменения температуры атмосферы и океана, а также на распределение по вертикали плотных слоёв воды в океане. Таким образом он представляет собой весьма чувствительный и наглядный индикатор климатических изменений.

В масштабах нашей планеты наиболее известна климатическая роль плавучего льда в изменениях отражающей способности поверхности Земли (альбедо). Лёд, имеющий высокое альбедо, отражает приходящую солнечную радиацию, а открытая вода её поглощает и в результате нагревается. Помимо собственной отражающей способности, лёд создаёт в океанах поверхность, на которой может лежать снег, имеющий ещё большее альбедо. Например, толстый (2-3 м) многолетний лёд Арктики имеет альбедо, в зависимости от длины волны приходящей радиации, от 0.60 до 0.85. Сухой снег, лежащий на таком льду, имеет альбедо 0.90 – 0.97. А вот лужи на поверхности льда, называемые снежницами, которые образуются летом при таянии снега в случае положительных температур воздуха, имеют альбедо практически равное открытой воде – 0.05 – 0.25 (рис. 8). Напомним, что среднее альбедо планеты Земля 0.35.

Сезонные изменения альбедо льда, выраженные в том числе в наличии талой воды на его поверхности летом, приводят к тому, что датчики большинства спутников позволяют идентифицировать летний покрытый водой лёд только как открытую воду. В результате на спутниковых ледовых картах льда нет, а препятствия для судоходства, по факту, есть (рис.9).

Ледяная “крышка” на водной поверхности не только отражает приходящую от солнца коротковолновую радиацию, но и существенно меняет величины длинноволновой радиации, которую излучает в атмосферу поверхность Земли. Поскольку температура поверхности льда толщиной всего несколько дециметров практически равна температуре воздуха, то в случае значения такой температуры -200С поток длинноволновой радиации с каждого квадратного метра льда на 25% меньше, чем если бы этот метр занимала морская вода с температурой близкой к температуре замерзания: -1.80С.

Отчётливое “разделение” воздуха и воды плавучим льдом приводит и к изменениям потоков так называемого явного тепла. В зимних условиях Арктики, например, потоки тепла от океана в атмосферу из разводий составляют порядка 400 Вт/м2 , в то время как надо льдом трёхметровой толщины не превышают 15 Вт/м2. Всё дело в том, что потоки из открытой воды определяются процессами турбулентности, а через лёд – теплопроводностью (как через твёрдое кристаллическое тело).

Влияние льда на климат (и наоборот) проявляется также в том, что в зависимости от частоты освобождения ото льда определённых районов океана, подверженных ледообразованию (ведь при образовании морского льда дополнительные объёмы соли “выжимаются” из вновь образованного льда в окружающую воду), в этих районах образуется большее или меньшее количество солёных и поэтому плотных вод. Эти воды распространяются в подповерхностных или придонных слоях на расстояния, сравнимые с размерами океанов. При своём распространении эти воды перемешиваются с окружающими водными массами, и таким образом объёмы и характеристики вод, образованных во время процессов ледообразования, становятся одним из важных климатообразующих факторов.

Лёд - препятствие

Наличие плавучего льда, с очевидностью, создаёт препятствия для судоходства. Серьёзность препятствия для одного и того же судна меняется в зависимости от солёности воды, превратившейся в лёд, преобладающих процессов ледообразования конкретного ледяного поля (не употребляем слово льдина, поскольку такого термина нет в номенклатуре морских льдов), толщины и возраста льда этого поля, наличия и количества торосов (торос – это холмообразное нагромождение взломанного льда, образовавшегося в результате сжатия. Может быть свежим или сглаженным. Подводная часть тороса называется подторос. Рис. 10, 11), наличия и количества разводий, других факторов.

Морской лёд, в отличие от пресноводного, образующегося на поверхности озёр (водохранилищ, прудов и т.д.) и рек, не представляет собой однородное тело. Морской лёд, скорее, можно сравнить со смесью, состоящей из твёрдого пресного льда и прорезающих этот лёд каналов (в общем случае вертикальных) с жидким высокосолёным рассолом (рис. 12). В зависимости от объёма рассола сильно меняются термодинамические, оптические, электрические, механические и некоторые другие свойства морского льда. В самом общем случае, в сравнении с морским льдом пресный лёд более твёрдый, но легче колется.

Морской лёд Арктики и Антарктики отличается и с точки зрения “склонности” к механическому разрушению. Так, для Арктики считается, что основной объём морского льда образуется здесь в результате ледообразования на нижней границе начальных или молодых видов льдов. В морском же льду Антарктиды отмечается гораздо большее количество льда, изначально образованного из ледяных игл на открытой воде. Разница в преобладающих механизмах ледообразования объясняется тем, что в Антарктиде более сильные ветра, которые генерируют, во время замерзания, сильное турбулентное перемешивание. Упрощая, можно сказать, что арктический морской лёд образуется в результате процессов, характерных для сравнительно небольшого океана, окружённого сушей, а антарктический морской лед – процессов, характерных для гигантского океана, омывающего со всех сторон холодный материк. Преобладающие процессы таяния льда в Арктике и Антарктике также различаются, обусловливая разницу в механических свойствах морского льда этих двух высокоширотных районов Земли.

Автору настоящей статьи довелось в 1998 году участвовать в первом, на тот момент, зимнем рейсе научно-экспедиционного судна “Академик Фёдоров”, имеющего максимальный ледовый класс для неледоколов. Судно было построено в 1987 году, более десяти лет много и плодотворно работало во льдах Антарктиды, но преодолевать плавучие льды Арктики ему тогда пришлось впервые. Так вот, все вахтенные помощники капитана, имеющие опыт работ в Антарктиде, отмечали разницу в поведении судна при преодолении льдов примерно той же толщины и сплочённости (отношение, выраженное в десятых долях и описывающее общую площадь морской поверхности, покрытую льдом, как часть всей рассматриваемой площади. Суммарная сплочённость включает вcе существующие стадии развития, но может относиться к объёму конкретной стадии или формы льда и представляет только часть суммарной сплочённости) в Северном Ледовитом и Южном океанах. Не то чтобы лёд в Арктике было преодолевать заметно труднее, но привычные для Антарктиды манёвры корпусом судна не всегда приводили к успеху и требовалась другая тактика продвижения во льдах.

Плавучий лёд создаёт препятствие не только для судоходства, но и для неподвижных объектов инфраструктуры по добыче, скажем, полезных ископаемых или мостов в районах, сезонно покрытых льдом (рис.13). Хорошо известен канадский опыт изменения траектории дрейфа айсбергов с целью предотвращения их столкновения с буровыми платформами. Этот опыт использовался – пока, правда, без собственно платформ – в серии успешных отечественных натурных морских экспериментов, проведённых в последнее десятилетие в Баренцевом и Карском морях по заказу компании Роснефть. Вес самого крупного айсберга, на который было выполнено эффективное воздействие в рамках экспериментов Роснефти, составлял 1 млн. тонн.

Во всех случаях воздействия на айсберги речь шла не о том, что их надо куда-то оттащить подальше – а о том, что необходимо вначале спрогнозировать траекторию дрейфа в течение следующих 12-36 часов, а затем слегка изменить эту траекторию, чтобы айсберг не столкнулся с неподвижным морским сооружением. Для определения будущей траектории необходимо оценить размеры надводной и подводной частей айсберга, а также выполнить прогнозы скорости и направления ветра и поверхностного течения, в результате совместных действий которых происходит дрейф. В случае если айсберг движется не по открытой воде, а среди морских льдов, характеристики последних также учитываются при прогнозировании будущей траектории дрейфа. Затем одно или несколько судов, осуществляющих дежурство вблизи “защищаемого” неподвижного морского сооружения, обвязывают айсберг системой буксировочных линий (специальных канатов) и перемещают его в заданные координаты, вычисленные в результате комплекса прогнозов. Из этих координат айсберг продолжает свой дрейф практически параллельно (ведь ветер, течения, характеристики окружающих морских льдов, форму айсберга изменить за десяток часов невозможно) той траектории, которая, по прогнозу, приводила к его столкновению с сооружением. Однако теперь та же траектория, но проложенная из новых начальных координат, уже не приводит к столкновению.

Другое техническое решение, отличное от буксировки, планировалось (планы, по комплексу причин, пока не реализованы) осуществить в рамках работ на Штокмановском газоконденсатном месторождении в Баренцевом море. Поскольку предварительные исследования показали, что в районе добычи с невысокой вероятностью, но возможен приход айсберга более тяжёлого, чем возможности буксировки, было предусмотрено в этом случае в течение порядка шести часов опускать на дно заглушенные добычные трубы и шланги и временно удалять плавающую платформу с траектории дрейфа аномально большого айсберга.

Надо сказать, что и в отсутствие айсбергов характеристики гигантских (характерные размеры 10 км и более), обширных (2 – 10 км) и больших (500 м – 2000 м) ледяных полей однолетнего или многолетнего льда, также как и больших торосов, представляют собой специальный интерес для проектирования неподвижных объектов в море и (или) для оценки возможностей разрушения опасных для объекта ледяных образований в рамках мероприятий, получивших название “управление ледовой обстановкой” (рис. 14).

В число характеристик льда, которые интересны с точки зрения воздействия ледяных образований на неподвижные морские сооружения, входят объём крупных ледяных образований, плотность и прочностные характеристики ровного льда и льда в торосах, объёмы пустот среди блоков льда, слагающих торосы, максимальные и характерные скорости дрейфа. Такие характеристики определяются в рамках целенаправленных экспедиционных работ, проводимых, в основном, в соответствии с уже утверждёнными методиками и даже ГОСТами.

Упрощая, можно заметить, что крупные (они же опасные для сооружений) ледяные образования обнаруживаются с помощью спутниковых снимков высокого разрешения с борта летательных аппаратов, включая беспилотные. Затем следует высадка специалистов на выбранное образование. Верхний рельеф льда измеряется геодезическими методами, нижний – с помощью локаторов кругового обзора, установленных на телеуправляемых подводных аппаратах (рис. 15). Выполняется определение толщины льда, а также наличие пустот между блоками льда, путём бурения льда с определённым шагом по горизонтали. Бурение дублируется измерениями толщины льда с помощью специальных “радаров”. В результате рассчитывается объём интересующего ледяного образования.

В характерных местах ледяного образования берутся керны льда. Часть кернов делится на части определённой формы, которые потом подвергаются разнообразным контролируемым приборами испытаниям на прочность (рис. 16). Другая часть кернов превращается в расплав, в котором измеряется солёность. По солёности вычисляется плотность льда, а в результате испытаний на прочность определяется его “твёрдость”. Последняя характеристика определяется ещё и в результате других механических воздействий на специальным образом выпиленные фрагменты ледяного образования или внутри пробуренных скважин.

Для оценок скорости дрейфа опасных ледяных образований производятся продолжительные измерения непосредственно на льду с помощью автономных буев – дрифтеров, облёты акваторий летательными аппаратами, анализ спутниковых изображений. Ветер, который, как правило, и определяет дрейф льда, также измеряется и анализируется вместе с данными о дрейфе.

Место для жизни

Значение льда в поддержании жизни на нашей планете трудно переоценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных. Например, покрывая воду пресных водоёмов, лёд препятствует их дальнейшему промерзанию и тем самым сохраняет жизнь подводным обитателям. Кроме того, большие и микроскопические живые организмы живут, питаются, размножаются и гибнут на поверхностях и в толще плавучих льдов.

Сегодня общеизвестно, что животное-символ Арктики, белый медведь, в условиях нынешнего (начиная с середины 1990-х) потепления вынужден приспосабливаться к новым условиям жизни. Некоторые исследователи полагают, что при отсутствии охоты человека на медведя успешное приспособление вполне возможно, поскольку история существования этого вида насчитывает 600 тыс. лет. Большинство учёных и широкие слои общественности считают, однако, что наблюдаемое уменьшение площади морских льдов Арктики может привести или даже уже приводит к уменьшению популяции белых медведей вплоть до их исчезновения в будущем. Так или иначе, очевидно, что, скажем, быстрое разрушение припая уже в самом начале календарного лета в местах обитания большого количества белых медведей (архипелаг Земля Франца-Иосифа, остров Врангеля) лишает медведей традиционных ареалов охоты на моржей и тюленей. Кроме того, большие пространства открытой воды в Центральной Арктике, характерные для современного потепления, позволяют развиваться энергичному ветровому волнению. Белые медведи очень хорошие пловцы, но не имеют привычки плавать в волнах, а более приспособлены к передвижениям по спокойной воде среди льдов.

Вынужденные изменения ареалов питания вместе с изменениями распространения припая и дрейфующих льдов наблюдаются и для моржей. Это животное питается, в основном, донными организмами, за которыми ныряет вплоть до глубин 100 м. Между циклами питания моржи отдыхают на льду или берегу (рис. 17). До начала современного потепления выбор дрейфующих ледяных полей над глубинами до 100 м был для моржей велик. При уменьшении площади льдов – остаётся только использовать лежбища на берегу.

Около двухсот лет назад во льду было открыто существование водорослей. Наиболее распространёнными видами, обнаруженными в морском льду, являются одноклеточные фотосинтетические диатомовые микроводоросли. Их концентрация в антарктическом морском льду, например, в 200 раз больше, чем в воде Южного океана. Наиболее вероятным источником водорослей во льду считается их захват во время процессов ледообразования.

Как и все другие виды, существующие в морском льду, диатомовые водоросли живут в жидком рассоле между твёрдыми кристаллами пресноводного льда. Условия жизни водорослей в большой степени зависят от свойств этого рассола. Избегая чрезвычайно высокой солёности очень холодного рассола, типичного для верхних слоёв морского льда, водоросли в основном сосредоточены в нижних частях льда, где температура и, следовательно, солёность рассола близки к температуре морской воды. Кроме того, благодаря высокой проницаемости этой нижней части льда, вещества, содержащиеся в морской воде, регулярно могут поступать для питания водорослей.

Несмотря на сравнительно небольшую общую биомассу, диатомовые водоросли играют важную роль в высокоширотной пищевой цепи, особенно в Антарктике. Существуют исследования, показывающие, что антарктический криль в течение холодных и тёмных зимних месяцев питается водорослями, живущими во льду.

На нижней поверхности ледяных полей Арктики очень редко, но наблюдались диатомовые водоросли, соединённые между собой в виде ковров или прядей в несколько метров длиной (рис. 18).

В 1930 году в морском льду были обнаружены бактерии. Несмотря на то, что до сих пор не совсем ясно, в результате какого процесса бактерии попадают в лёд, их изучению посвящено много современных публикаций. Основная причина интереса – это факт, что бактерии производят ферменты, адаптированные к функционированию при очень низких температурах, а также то, что они образуют полиненасыщенные жирные кислоты, которые могут иметь диетическое значение для человека.

Заключение

Итак, плавучий лёд в морях и океанах, состоящий из собственно морского льда, а также пресного и ледникового, формируется в результате множества природных процессов, определяющим условием которых является отрицательная температура воздуха. После того, как лёд образовался в морской воде или попал в неё тем или иным образом, он эволюционирует под действием другого комплекса природных процессов. Толщина и площадь льда увеличивается или уменьшается, вплоть до полного таяния. Ледяные образования смерзаются и разрываются, образуя между собой пространства открытой воды, деформируются при столкновениях, дрейфуют или остаются неподвижными – в общем, “живут своей жизнью”. Разнообразие процессов формирования, разрушения и трансформации плавучего льда приводит к разнообразию наблюдаемых форм льда, описанных в так называемой номенклатуре морских льдов, насчитывающей более 200 ледовых терминов.

Изменения характеристик плавучего льда как “итогового продукта” взаимодействия океана и атмосферы являются наглядным, относительно легко наблюдаемым, глобальным индикатором планетарных климатических изменений. Плавучий морской лёд представляет собой препятствие, затрудняющее любую морскую хозяйственную деятельность в высоких широтах. В этом смысле современное относительное “облегчение” ледовой обстановки в Арктике рассматривается как положительное явление. Одновременно плавучий лед - это среда обитания многих современных растений и животных, от бактерий и водорослей до белых медведей и моржей. Сумеют ли эти организмы сохраниться при существенных изменениях характеристик плавучего льда? На этот вопрос нет хорошо обоснованного ответа. В любом случае, для такой страны, как наша, все моря которой при современном климате хотя бы не каждый год и не на всю акваторию, но покрываются льдом, изучение плавучего льда остаётся вечно актуальной задачей.

Автор:
Сергей Викторович Писарев, руководитель группы полярной океанологии Института океанологии РАН, почётный полярник РФ, к.ф.-м.н.

Источник:
GoArctic.ru

 

Вы находитесь здесь:Главная/СМИ о нас/Плавучий лёд: индикатор, препятствие, место жизни

 

TPL_A4JOOMLA-WINTERLAKE-FREE_FOOTER_LINK_TEXT