книги из ГПНТБ / Егоров Н.И. Физическая океанография

в формуле Гука. Это наиболее важная величина, характеризую­ щая упругие свойства льда.

Е — модуль упругости в кг/см2 или т/м2.

Эксперименты по определению величины Е, проведенные с по­ мощью акустического метода, показали, что при не очень низких температурах модуль упругости пресного льда лежит в пределах

90—100- 103 кг/см2.

Зависимость модуля упругости от температуры почти не изу­ чена. Известно только, что с понижением температуры модуль уп­ ругости льда возрастает. Для морских льдов в температурном интервале от 5 до —15° С значение Е лежит в пределах 30—45х X Ю3 кг/'см2.

Временное сопротивление льда на изгиб — ат (разрушающее напряжение) характеризует прочность льда. На величину от ока­ зывают влияние температура льда, неравномерность распределе­ ния температуры и солености в его толще, величина импульса силы, структура и характер льда. Значения для пресного и слабо соле­ ного зимнего льда лежат в пределах от 20 до 25 кг/см2. При уме­ ренно низких температурах (—5, —10° С) прочность соленого льда в два-три раза меньше, чем пресного. Среднее значение ат при отрицательных температурах и солености льда 2—5%о, как показывают данные различных исследователей, лежит в пределах

8—10 кг/см2.

При температурах, близких к 0°С, морской лед по своей проч­ ности в три-четыре раза уступает льду пресному. У морского льда чаще всего определяют прочность на растяжение. Максимальное напряжение изгиба можно считать равным предельной прочности льда на растяжение.

К о э ф ф и ц и е н т П у а с с о н а р определяется при сжатии или растяжении ледяного цилиндра как отношение деформаций вдоль осей X и Y, т. е. гх и гу (ось Y перпендикулярна оси А'). Это отноше­ ние представляет собой постоянную величину. Величина р для мор­ ского льда практически не зависит ни от солености, ни от темпе­ ратуры. Обычно считают, что коэффициент Пуассона равен 0,3. Для удобства расчетов часто пользуются величиной т, обратной коэффициенту Пуассона.

Твердость льда определяется по шкале твердости минералов Мооса, т. е. по сопротивлению, оказываемому при царапании эта­ лонными минералами (табл. 14).

С понижением температуры воздуха твердость льда возрастает. Твердость пресного льда при 0°С близка к твердости каменной соли, при —30° С равна твердости плавикового шпата, а при —50° С — полевого шпата, который, как известно, является состав­ ной частью гранита. Поэтому применение кирок, лопат, пил для разрушения льда, находящегося под действием низких температур, не дает большого эффекта.

Одновременно с твердостью при понижении температуры уве­ личивается и хрупкость льда. Во время сильных морозов лед легко раскалывается с сильным треском на большие глыбы даже при сравнительно слабых ударах. При ударах и взрывах лед характе­ ризуется большой осколочностыо.

Со звуком, напоминающим пушечный выстрел, могут мгновенно разрушаться, превращаясь в ледяную крошку, обломки антаркти­ ческих айсбергов. Такой лед, как показали исследования, насыщен запрессованными в него пузырьками сжатого воздуха, проявляю­ щими взрывчатую силу под воздействием ударов или тепла. «Осто­ рожно, возможен взрыв!» — предупреждают теперь лоции моряков, плавающих вблизи айсбергов в антарктических водах.

Механизм работы льда под нагрузкой. Несущая способность ледяного покрова (грузоподъемность) является не постоянной, а меняющейся величиной. Она зависит не только от толщины, со­ стояния льда и его физико-механических характеристик, но и от радиуса распределения нагрузки и условий гидрометеорологиче­ ской обстановки.

М. М. Казанский, Г1. П. Кобеко, А. Р. Шульман показали, что нельзя подходить к проблеме определения несущей способности ледяного покрова без учета времени действия и величины силы, приложенной ко льду. Лед под нагрузкой деформируется. В зави­ симости от скорости деформации его свойства изменяются, и он может вести себя как упругое, пластическое и хрупкое тело. На практике различают следующие основные случаи:

1)неподвижная нагрузка;

2)медленно движущаяся нагрузка;

3)быстро движущаяся нагрузка;

4)удар.

Характер и величина деформации ледяного покрова и условия прочности существенно различны в указанных случаях. Поэтому невозможно какой-либо одной формулой охватить все случаи на­ ложения нагрузки на лед.

При стоянке грузов основную роль играют пластические свой­ ства ледяного покрова, т. е. явление текучести льда. С течением времени в ледяном покрове в месте приложения нагрузки возни­ кают прогибы, интенсивность возрастания которых существенно

132

зависит не только от времени, но и от веса и формы груза, тол­ щины и строения льда, температуры воздуха и снежного покрова. Самая выгодная форма нагрузки — прямоугольная, а затем уже квадратная. Наихудшей формой считается круглая.

Чем толще лед и чем легче нагрузка, тем меньше он прогиба­ ется. Если ледяной покров недостаточно толст для груза данного веса, стрелка прогиба быстро увеличивается п при величине про­ гиба, примерно равной половине толщины льда, груз проламывает под собой лед. Расчет допустимого времени стоянки грузов на льду производится по известной формуле М. М. Казанского.1

При медленном движении груза лед под ним также прогиба­ ется. Возникший прогиб передвигается по ледяному покрову стой же скоростью, что и сама нагрузка. Позади движущейся нагрузки прогиб льда сразу исчезает. Лишь при прохождении очень тяже­ лых грузов наряду с упругими деформациями развиваются и ос­ таточные, обусловленные текучестью льда. В этом случае проч­ ность ледяного покрова понижается за счет явления усталости льда.

Быстрое движение нагрузок сопровождается волнообразными колебаниями ледяного покрова, возникающими вследствие образо­ вания подо льдом свободной водяной волны. Скорость ее распро­ странения (с) при условии, что глубина водоема значительно

кие волны, имеющие характер свободной волны, появляются при движении грузов со скоростью порядка 25—30 км/ч и распрост­ раняются с некоторой постоянной для данного льда и водоема ско­ ростью, зависящей в основном только от глубины и размеров во­ доема, толщины и свойств льда. Если скорость движения нагрузки меньше скорости вызванной ею волны, то волна опережает на­ грузку. В том случае, когда скорость нагрузки совпадает со ско­ ростью волны, имеют место резонансные явления, которые могут привести к пролому льда. При езде по льду со скоростью, большей, чем скорость распространения волны, нагрузка перегоняет вы­ званную волну. Интересно отметить, что одиночные грузы, пере­ двигающиеся с очень большой скоростью, могут форсировать ле­ дяной покров и за пределами его прочности, дробя лед и остав­ ляя за собой как бы кильватерную струю из обломков льда и во­ дяных брызг. В этом случае ледяной покров ведет себя как кон­ струкция, предназначенная для одноразового использования. Для того чтобы ответить на вопрос, при какой толщине льда допустима переправа данного груза, надо знать, в каких условиях этот груз будет переправляться и на какой риск следует идти при органи­ зации этой переправы, иначе говоря, вопрос сводится к выбору коэффициента запаса прочности, который зависит от рода и на­ значения переправы.

1 «Правила по технике безопасности при производстве гидрометеорологиче­ ских работ». Гидрометеоиздат, 1970.

133

Важным фактором при эксплуатации ледяного покрова явля­ ется образование в нем трещин, которые, снижая его грузоподъ­ емность, могут стать причиной провалов грузов под лед.

Ветер и колебания уровня подледной воды также влияют на состояние и прочность ледяного покрова. Они приводят в колеба­ тельное движение обширные пространства льда, вызывая по­ движки ледяного покрова. Резкое падение уровня воды значи­ тельно уменьшает несущую способность ледяного покрова. Транс­ портировка грузов в момент спада воды обычно сопровождается характерным пугающим треском оседающего льда.

Расчет грузоподъемности морских ледовых переправ произво­ дится по формулам М. М. Казанского и А. Р. Шульмана,1 в основу которых положено решение задачи об изгибе упругой пластины, находящейся на упругом основании. В зависимости от выбранной величины коэффициента запаса прочности переправы по надежно­ сти разделяются на переправы на пределе прочности, переправы с пониженным запасом и нормальные переправы.

На строение и прочность морских льдов большое влияние ока­ зывают микроорганизмы. Например, антарктические припайные льды заселены одноклеточными диатомовыми водорослями, кото­ рые способны к активным движениям в толще ледяного покрова. Опыты В. X. Буйницкого (1968) и М. М. Казанского (1971) по­ казали, что диатомеи могут уменьшать грузоподъемность льда

на 40%.

При ударе нагрузки о лед он ведет себя как хрупкое тело, спо­ собное мгновенно разрушаться под действием приложенной силы. Чтобы понять, каким образом текучее тело превращается в хруп­ кое при увеличении скорости деформации, достаточно сослаться на известный школьный опыт с куском вара, который может течь даже под влиянием собственного веса и ломается, как хрупкое тело, при ударе молотком.

§ 19. Классификация морских льдов

Современная классификация морских льдов позволяет доста­ точно удовлетворительно охарактеризовать их по генетическому (происхождение льда и пути его формирования), морфологиче­ скому (форма и размеры льда, вид его поверхности, торосистость), возрастному (стадии развития и разрушения различных видов льдов), навигационному (проходимость льдов судами) и динами­ ческому (подвижность льда, его дрейф) признакам.

Льды, встречающиеся в море, по происхождению делятся на м о р с к и е , р е ч н ы е и г л е т ч е р н ы е (лед материкового про­ исхождения) .

В зависимости от возраста различают следующие стадии разви­ тия и виды2 морского льда.

1 «Правила по технике безопасности при производстве гидрометеорологиче­ ских работ». Гидрометеоиздат, 1970.

2 «Номенклатура ВМО по морскому льду» 1970.

134

Начальные виды льдов. Ледяные иглы: тонкие иглы или пла­ стинки льда, взвешенные в воде.

Ледяное сало: следующая после ледяных игл стадия замер­ зания, когда кристаллы льда сгустились и образуют почти сплош­ ной слой на поверхности. Ледяное сало отражает мало света и придает поверхности воды матовый оттенок.

Снежура: выпавший на поверхность моря, свободную ото льда, снег, пропитанный водой и представляющий собой вязкую массу.

Шуга: скопление пористых кусков льда белого цвета, дости­ гающих нескольких сантиметров в поперечнике; образуется из ле­ дяного сала или снежуры, а иногда из донного льда, поднимаю­ щегося на поверхность.

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 подразде­

Склянка: легко ломающаяся блестящая корка льда, образую­ щаяся на спокойной поверхности воды в результате непосредст­ венного замерзания или из ледяного сала, обычно в воде малой солености. Толщина ее до 5 см. Легко ломается при ветре или волне, причем обычно разламывается на прямоугольные куски.

Блинчатый лед: пластины льда преимущественно круглой формы от 30 см до 3 м в диаметре и приблизительно до 10 см толщиной, с приподнятыми краями вследствие удара льдин одна о другую. Он может образовываться на легкой волне из ледяного сала, шуги или снежуры, а также в результате разлома склянки, ниласа и серого льда в условиях большой зыби. Блинчатый лед может также образовываться на некоторой глубине на поверхно­ сти раздела между водными массами с различными физическими характеристиками.

на серый лед и серо-белый лед.

Серый лед: молодой лед 10—15 см. Менее эластичен, чем ни­ лас, и ломается на волне. При сжатии обычно наслаивается.

Серо-белый лед: молодой лед толщиной 15—30 см. При сжатии чаще торосится, чем наслаивается.

Однолетний лед: морской лед, просуществовавший не более од­

лый лед), однолетний лед средней толщины и толстый однолетний лед.

Тонкий однолетний — белый лед: однолетний лед толщиной от

30 до 70 см.

Однолетний лед средней толщины: однолетний лед толщиной от

10 до 120 см.

135

Толстый однолетний лед: однолетний лед толщиной более

120 см.

Старый лед. Морской лед, который подвергся таянию по край­ ней мере в течение одного лета. Рельеф многолетнего льда в боль­ шинстве случаев более сглажен, чем у однолетних льдов. Подраз­ деляется на двухлетние и многолетние льды.

Двухлетний лед: старый лед, подвергшийся таянию в течение только одного лета. Так как он толще и менее плотный, чем одно­ летний лед, он больше выступает над поверхностью воды. В отли­ чие от многолетнего льда летнее таяние образует на его поверх­ ности узор из многочисленных небольших снежниц. Пятна голого льда и снежницы обычно зеленовато-голубого цвета.

Многолетний лед: старый лед толщиной до 3 м и более, пере­ живший таяние по крайней мере в течение двух лет. Торосы еще более сглажены, чем у двухлетнего льда, и лед почти полностью опреснен. Цвет его в местах, где он не заснежен, обычно голубой. В результате таяния на его поверхности появляются большие снежницы и образуется хорошо развитая система дренажа. По степени подвижности льды разделяются на неподвижные и пла­ вучие (дрейфующие).

Формы неподвижного льда. Припай: морской лед, который образуется и остается неподвижным вдоль побережья, где он при­ креплен к берегу, к ледяной стене, к ледяному барьеру, между от­ мелями или севшими на отмели айсбергами. Во время изменения уровня моря можно наблюдать вертикальные колебания. Непод­ вижный лед может образоваться естественным образом из соле­ ной воды в результате примерзания к берегу или припаю дрей­ фующего льда любой возрастной категории. Он может прости­ раться на расстояние всего в несколько метров или на несколько сотен километров от берега. Неподвижный лед может быть более одного года по возрасту, и в этом случае он может быть определен соответствующей возрастной категорией, например двухлетний или многолетний. Если его толщина более 2 м над уровнем моря, он называется шельфовым льдом.

Ледяной заберег: начальная стадия образования неподвиж­ ного льда, состоящего из ниласа или из молодого льда, ширина которого колеблется от нескольких метров до 100—200 м от бере­ говой линии.

Подошва припая: узкая кайма льда, скрепленная с берегом, неподвижная при приливах и остающаяся после того, как непод­ вижный лед оторвался.

Донный лед: лед, скрепленный с дном (погруженный в воду), вне зависимости от его происхождения.

Лед, севший на мель: плавающий лед, севший на мель на мел­ ководье (см. лед на берегу).

Лед на берегу: плавающий лед, оказавшийся на берегу при понижении уровня.

Стамуха: торосистое, севшее на мель, ледяное образование. Встречаются отдельные стамухи и барьеры (или цепочки) стамух.

136

Они могут быть использованы кораблями как укрытие при штор­ мах и ледовых сжатиях. Барьер из стамух задерживает очищение ото льда прибрежных районов моря.

Формы плавучего льда. Ледяное поле: любой относительно плоский кусок морского льда 20 м или более в поперечнике. Ле­ дяные поля подразделяются по их горизонтальным размерам сле­ дующим образом:

Гигантские ледяные поля: более 10 км в поперечнике. Обширные ледяные поля: от 2 до 10 км в поперечнике. Большие ледяные поля: 500—2000 м в поперечнике.

Обломки ледяных полей: 100—500 м в поперечнике. Крупнобитый лед: 20—100 м в поперечнике.

Мелкобитый лед: любой относительно плоский кусок морского льда менее 20 м в поперечнике.

Тертый лед: битый лед менее 2 м в поперечнике.

Несяк: большой торос или группа торосов, смерзшихся вместе, представляющих собой отдельную льдину. Она может выступать над уровнем моря на высоту до 5 м.

Сморозь: смерзшиеся в ледяном поле куски льда различного возраста.

Ледяная каша: скопления плавучего льда, состоящие из об­ ломков не более 2 м в поперечнике, образовавшихся в результате разрушения других форм льда.

К плавучим льдам материкового происхождения относятся: Айсберги: массивный отколовшийся от ледника кусок льда раз­

личной формы, выступающий над уровнем моря более чем на 5 м, который может быть на плаву или сидящим на мели. Айсберги по своему внешнему виду могут подразделяться на: столообраз­ ные, куполообразные, наклонные, с остроконечными вершинами, окатанные или пирамидальные.

Ледяной остров: большой кусок плавучего льда выше уровня моря на 5 и более метров, который отломился от арктического шельфового льда; имеет толщину более 15—30 м и площадь от нескольких тысяч квадратных метров до 500 км2 пли менее; обы­ чно характеризуется правильной волнистой поверхностью, благо­ даря которой он выглядит с воздуха ребристым.

Кусок айсберга: кусок льда материкового происхождения мень­ шего размера, чем обломок айсберга, или крупный несяк, часто прозрачный, но по цвету кажущийся зеленым или почти черным, выступающий менее чем на 1 м над поверхностью моря и зани­ мающий площадь приблизительно в 20 м2.

Сплоченность льда. Отношение площади морской поверхности, фактически покрытой льдом, к общей площади поверхности района моря, на которой располагается ледяной покров, выраженное в де­ сятых долях.

137

Сплоченность льда является одной из основных характеристик его проходимости, но не единственной и в отдельных случаях иг­ рает второстепенную роль.

Проходимость льда. Под проходимостью понимается возмож­ ность самостоятельного плавания во льдах судов различных типов. При определении проходимости нужно учитывать тип судна, спло­ ченность льдов, состояние их поверхности, толщину и характер льдов, время суток, гидрометеорологические условия, а также опыт личного состава в плавании в ледовых условиях.

Главным препятствием плаванию во льдах служат торосы, т. е. нагромождения льда, образовавшиеся в результате сжатий. Самые мощные ледоколы принуждены бывают иногда бить такие нагро­ мождения льда «с разбега». Наличие большого количества торосов заставляет лавировать во льдах, что намного увеличивает путь. Кроме того, при разбивании торосов образуется много обломков, в которых застревают идущие за ледоколом суда. Ледокол, фор­ сируя торос, нередко получает боковые удары н сбивается ими с курса. Канал оказывается искривленным, и это еще больше осложняет проводку.

Особенно сильные затруднения для ледовой навигации созда­ ются в узкостях и проливах, а также у входов в гавань и бухты. При устойчивых ветрах с меря здесь возникают крупные торосы и гряды торосов, трудно проходимые даже ледоколами.

Наиболее благоприятным в отношении проходимости является неподвижный ледяной покров. При плавании в таком льду отсут­ ствуют дрейф и качка, легко выдерживается заданный курс. Фар­ ватер в неподвижном ледяном покрове легче всего пробивать в часы образования приливных разводий.

Отсутствие ветра благоприятствует следованию судов по ледо­ вым фарватерам.

Ветер и волнение оказывают существенное влияние на толщину льда. Под их действием образуются «подсовы» льда, утолщающие ледяной покров на отдельных участках.

Такой набивной лед очень компактен. По внешнему виду он кажется легким, тогда как на деле может оказаться труднопрохо­ димым даже для ледоколов.

Сгонно-нагонные и приливные колебания уровня воды, так же как и ветер, существенно влияют на условия плавания во льдах. Подъемы воды способствуют разрежению льдов и сохранению ле­ довых фарватеров.

Спады же воды вызывают сильные подвижки, при которых уве­ личивается густота плавучих льдов и быстро зажимаются и исче­ зают пробитые фарватеры.

Особенно ярко приливные сжатия и разрежения проявляются на границе плавучих льдов у берегов или у припая, а также в уз­ ких проливах с изрезанными берегами, сложным рельефом дна и с большими скоростями приливных течений.

138

§ 20. Географическое распределение льдов

Общее распределение льдов в Мировом океане определяется положением и годовыми смещениями изотерм температуры замер­ зания морской воды, зависящим от прихода и расхода тепла, со­ лености морской воды, характера течений и конфигурации берего­ вой черты. В приложении 12 показаны границы распределения льдов в северном и южном полушариях (по Бюделю и Муссеру).

Распределение льдов в северном полушарии. В северном полу­ шарии ледяной покров образуется в Северном Ледовитом океане и его морях, в северной части Атлантического океана, в Балтий­ ском, Белом, Азовском, Каспийском и Аральском морях, некото­ рых районах Северного моря и северо-западной части Черного моря. Из морей, относящихся к бассейну Тихого океана, льдами покрываются Охотское, северные части Берингова и Японского морей.

Мощность ледовых образований на морях, характер и распро­ странение ледяного покрова, а также его продолжительность за­ висят от температурного и ветрового режима зимы и запаса тепла, накопленного водой в течение весенних и летних месяцев. Сроки появления льда и замерзания, время вскрытия и очищения ото

Кэтому времени льды занимают площадь около 16,4 млн. км2.

Кконцу лета она уменьшается вдвое.

Вцентральных частях Арктического бассейна льды сохраня­ ются в течение всего года и находятся в постоянном движении. Средняя скорость дрейфа от 1 до 4 миль в сутки. Основное на­ правление дрейфа — с востока на запад вдоль берегов Сибири. От Чукотки до Гренландского моря лед проходит примерно за 3 года.

Уберегов Северной Америки характер движения льда совершенно иной; в районе между Аляской, Канадой и Северным полюсом воз­ никает круговая (по часовой стрелке) циркуляция (спираль Бо­ форта). Лед, движущийся по внешней стороне спирали, совершает

полный оборот за 10 лет, а поблизости от центра — за 3— 4 года.

Дрейфующие льды выносятся в Северную Атлантику главным образом через Датский пролив между Исландией и Гренландией, а также через проливы Канадского архипелага. Айсберги в Север­ ном Ледовитом океане практически не встречаются.

Для северных вод типичный крупный айсберг может иметь 200 м в поперечнике и возвышаться над уровнем моря примерно на 25 м. Глубина подводной части (около 90% общего объема льда) достигает 225 м, а общая масса 5 • 109 кг.

Места зарождения айсбергов: побережье Гренландии (особенно западное побережье между 69 и 73° с. ш.), берега Шпицбергена, Земли Франца-Иосифа, Новой Земли, Северной Земли и отдель­ ные острова Канадского архипелага.

139

Айсберги выносятся в Атлантический океан преимущественно Лабрадорским течением и плывут на юго-восток, в район, где про­ ходят оживленные судоходные линии, к северо-восточному побере­ жью Ньюфаундленда. Наиболее опасное время года — с марта по июль. В эти месяцы ежегодно к южной оконечности Ньюфаунд­ ленда выносится до 300 крупных айсбергов. Отдельные айсберги постигают 35° с. ш. и в виде исключения даже до 27° с. ш.

Средняя граница льдов в северной части Атлантического океана проходит несколько южнее 72° с. ш.

Граница максимального распространения льдов занимает самое южное положение в марте. Минимальное распространение льдов относится к сентябрю.

Во время наибольшего замерзания и очищения ото льда в от­ дельных районах складывается следующая ледовая обстановка.

Район пролива Дейвиса. Все пространство моря Баффина и пролива Дейвиса до параллели 60° с. ш. занято арктическими

оконечность Гренландии). В период май—июль ледовая кромка начинает отступать. Наибольшего распространения достигают айс­ берги.

Всентябре граница льдов занимает крайнее северное положение.

Вэто время язык льда из моря Баффина доходит только до се­ верной оконечности Лабрадора. В море Баффина льды обычно со­

храняются в его западной части (вероятность наличия льдов

20-50% ).

Район восточного побережья Канады и Ньюфаундлендской банки. К марту язык арктических льдов, выносимых Лабрадор­ ским течением, заходит за параллель южной оконечности Нью­ фаундлендской банки и распространяется на восток до 47° з. д. Вероятность наличия льдов с севера и северо-востока от Ньюфа­ ундлендской банки и в районе Лабрадора составляет 100%. У юж­ ной оконечности банки могут образовываться льды местного про­ исхождения (вероятность 0—20%). В летние месяцы количество арктических льдов у Ньюфаундлендской банки значительно сокра­ щается. К сентябрю в этом районе встречаются преимущественно айсберги.

Район Датского пролива и восточного побережья Гренландии. В марте у восточного берега Гренландии и в западной половине Датского пролива постоянно держатся плавучие льды. Ледовая кромка проходит по линии Конгс-фьорд (о. Шпицберген) — о. Ян-Майен — мыс Фарвель. Восточнее этой границы вероятность наличия льда составляет 20—50%. Практически весь Датский про­ лив заполнен льдами, которые распространяются вдоль западного и северного берегов Исландии. В летнее время за счет увеличи­ вающегося выноса арктических льдов увеличивается пояс льда у мыса Фарвель.

Наиболее благоприятные ледовые условия здесь создаются в сеп-

140