Изменение строения и некоторых физических свойств ровного припайного льда в весенне-летний период 2014 г. в районе научно-исследовательского стационара «Ледовая база Мыс Баранова»
В.А. Бородкин, С.М. Ковалев*, А.И. Шушлебин
ГНЦРФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Санкт- Петербург, Россия
C 23 мая по 7 августа 2014 г. проводилось определение основных физических свойств припайного льда в районе научно-исследовательского стационара «Ледовая база Мыс Баранова». В начале наблюдений лед представлял собой систему, состоящую из трех основных слоев, отражающих условия формирования припайного льда. Во второй декаде июня началось нарастание льда сверху за счет процессов перекристаллизации на границе льда и снега. В третьей декаде июня оно сменилось поверхностным таянием и развитием слоя деструкции. Процессы разрушения межкристаллических связей затронули всю толщу льда. С конца третьей декады июня на нижней границе льда отмечалось образование пластинчатых кристаллов и нарастание нового льда в виде слоев различной толщины и плотности. В третьей декаде июля началось таяние этого льда. Процесс нарастания нового льда в первую очередь связан с наличием распресненного подледного слоя воды.
Ключевые слова: разрушенность, соленость, текстура, температура, термометаморфизм.
CHANGE OF STRUCTURE AND SOME PHYSICAL PROPERTIES OF LEVEL FAST ICE DURING THE SPRING AND SUMMER PERIOD OF 2014 IN THE VICINITY THE RESEARCH STATION “ICE BASE CAPE BARANOV”
V.A. BORODKIN, S.M. KOVALEV*, A.I. SHUSHLEBIN
State Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research Institute, St. Petersburg, Russia
The determination of the main physical properties of the fast ice around the research station “Ice base Cape of Baranov” was carried out from May 23 to August 7, 2014. At the beginning of the observations the ice was a system of three main layers reflecting the conditions of fast ice formation. The top 70 cm of the ice was formed under the conditions of dynamic variability. The ice formation to the level of 110 cm was more stable, and the lowerst layer below 110 cm grew without hummocking and thawing. In the second decade of June the ice accretion began on top due to recrystallization on snow and ice boundary. In the third decade of June the accretion process at the ice-snow interface was replaced by surface melting and destruction layer development. These changes are assumed to begin as maximum air temperatures keep above zero. By the second decade of July all the ice core had undergone serious internal changes. In the third decade of July the process of inter-crystalline-binding degradation affected the whole ice core.
From the end of the third decade of June the formation of plate-like crystals was registered at the lower ice border, as well as the accretion of new ice in the form of layesr of various thickness and density. The process had reached the maximum by mid July when new ice up to 30 cm thick was formed. In the third decade of July this ice begun to melt. New ice accretion is primarily due to the presence of a layer of desalinated water under the ice.
Keywords: ice destruction, salinity, temperature, thermal metamorphism, texture.
ВВЕДЕНИЕ
припай лед исследовательский
Возобновление интереса к промышленному развитию арктических районов стимулировало возрождение исследований в области физических свойств морского льда, прерванных в начале 90-х гг. прошлого века. Изменения климатических условий за последние 20 лет делают эти работы актуальными и своевременными. Возникла необходимость постоянного мониторинга и прогнозирования состояния ледяного покрова, строения льда и его физических свойств в арктических морях и особенно в местах хозяйственной деятельности. С этой целью представляется необходимым переход от измерений физических свойств льда в определенной точке к изучению процессов формирования, развития и разрушения льда, где полученные данные измерений отражают физические свойства льда на определенном этапе этих процессов. В этом ключевую роль играет предложенная Н.В. Черепановым классификация льдов природных водоемов [1], в основе которой лежат кристаллическое строение льда и условия ледообразования, приводящие к формированию льда определенного генетического типа. Последнее положение позволяет по структуре и текстуре льда восстановить историю условий ледообразования в различные временные периоды. При решении обратной задачи появляется возможность по прогнозу условий ледообразования, которые зависят от гидрометеорологических условий, динамики ледяного покрова и локальных особенностей региона, спрогнозировать процесс нарастания льда с учетом его строения. Поскольку большинство физических свойств льда зависят от его строения, то появляется возможность их прогнозирования. С 2014 г. на НИС «Ледовая база Мыс Баранова» возобновились работы, связанные с изучением пространственно-временной изменчивости строения и физических свойств ровного припайного морского льда в акватории пролива Шокальского. Данная работа освещает один из этапов этих исследований.
Основными задачами исследования временной изменчивости некоторых физических свойств ровного припайного льда в районе НИС «Ледовая база Мыс Баранова» являлись: получение сведений о строении и физических свойствах льда, а также изучение процессов метаморфизма в однолетнем припайном льду в весенне-летний период с учетом влияния стоковых вод суши в проливе Шокальского архипелага Северная Земля.
В рамках поставленных задач выполнялись следующие виды работ: отбор кернов для определения температуры льда и его солености; измерения толщины снежного и ледяного покрова и превышения поверхности льда над поверхностью воды; отбор проб льда для текстурно-структурного анализа. В ледовой лаборатории проводилось разделывание кернов льда на фрагменты, по которым проводился текстурно-структурный анализ, фотографирование образцов льда, дешифровка полученных фотографий и полевых записей с последующим описанием основных характеристик текстурного рисунка и строения льда, определение солености отобранных образцов льда.
В конце восьмидесятых годов прошлого века попытка проведения подобных работ была предпринята в районе острова Средний архипелага Седова, но в начале девяностых годов работы были свернуты. Изучение процессов формирования ледяного покрова, строения и физических свойств морского припайного льда в акватории архипелага Северная Земля остается актуальной задачей мониторинга процессов становления, нарастания, внутреннего изменения и разрушения льда в арктических морях.
МЕТОДИКА РАБОТ
Работы выполнялись в характерной точке ровного припайного однолетнего льда. Для отбора образцов выбиралось место с неповрежденным снежным покровом, высота которого определялась снегомерной рейкой. Измерялась температура воздуха, температура на границах воздух - снег и снег - лед. Отбор образцов льда для измерения температуры и взятия проб на соленость производился кольцевым буром с диаметром внешнего кольца 220 мм. Сразу после взятия керна проводился внешний осмотр взятого образца, измерялась длина керна, выделялись видимые слои и другие характерные признаки. Через каждые 10 см датчиком GTH 175/Pt измерялась температура льда. Для защиты льда от воздействия солнечной радиации использовался светоотражающий тубус.
Пробы для определения солености отбирались из ледяных кернов с выбранных горизонтов. Для этого выпиливались кольца толщиной примерно 2 см, затем они очищались от внешнего слоя и упаковывались в двойные пластиковые пакеты. Взятые образцы доставлялись в теплую лабораторию для плавления. Соленость льда определялась по электропроводности талой воды кондуктометром HannaHI 8733.
Для исследования пространственной ориентации волокнистых кристаллов и для получения срезов льда по толщине в одной плоскости для различных кернов проводилось ориентирование керна по магнитному компасу. После извлечения керна на поверхность измерялась его длина и фиксировались видимые слои. Взятые образцы льда перевозились в холодную лабораторию с морозильной установкой.
В ледовой лаборатории привезенный керн льда распиливался на блоки с сохранением общей ориентации каждого блока. Из полученных блоков выпиливались вертикальные пластины шириной 15 см и толщиной 2 см, которые использовались для анализа. Стыковка полученных пластин между собой позволяла получить полный вертикальный срез керна на всю его толщину. На выбранных участках выпиливались горизонтальные срезы льда толщиной 2 см. Все полученные пластины льда исследовались на предмет наличия включений. Определялись их размеры и форма, наличие слоистости. Определялся общий текстурный рисунок льда в целом и на отдельных участках. Вертикальные и горизонтальные пластины фотографировались на черной поверхности в ледовой лаборатории или, если позволяла погода, вне помещения.
Для структурного анализа на выбранных заранее участках керна из образцов льда изготавливались тонкие пластины толщиной менее 1мм, которые помещались между двумя поляризационными стеклами и освещались снизу электрическими лампами. Полученное изображение кристаллов льда описывалось и фотографировалось.
Для получения изображения нижней поверхности льда в пробуренную скважину опускалась фотокамера COOLPIXAW110 фирмы Nikon, способная вести съемку под водой.
РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ
Исследование временной изменчивости строения ледяного покрова в 2014 г. проводилось в характерной точке припайного льда пролива Шокальского. Становление припая в районе исследований произошло в середине октября 2013 г. и сопровождалось динамически нестабильной гидрометеорологической обстановкой. Повсеместно происходило наслоение и торошение льда толщиной до 10-15 см. На расстоянии нескольких сотен метров от точки наблюдений со стороны пролива Шокальского до конца октября сохранялась полынья, являвшаяся источником образования внутриводного льда. Становление припая в проливе Шокальского в средней его части произошло в третьей декаде ноября. Условия формирования ледяного покрова нашли отражение в строении льда, его морфологических особенностях.
Текстурно-структурный анализ показал, что верхний слой, толщина которого изменялась от 5 до 15 см, состоял из начальных форм ледообразования. Это или водно-снежный лед, или лед, образованный от сбивания мелких кристаллов начальных стадий ледообразования и внутриводного льда под действием волнения. Прослеживаются следы торошения и наслоения молодого льда. Нижележащий лед, примерно до горизонта 70 см, представляет собой набивной слой, сформированный зернистыми кристаллами внутриводного и шугового льда, мелкими обломками от торошения и продуктами разрушения кромок льда на границе припая, чередующимися с вновь нарастающими кристаллами шестоватой формы. Текстурный рисунок слоистый, с расположением слоев под разными углами к поверхности льда. Текстура льда указывает на близкое расположение кромки припая и наличие открытой воды. После достижения льдом толщины 70 см граница припая отодвинулась от места исследований на значительное расстояние (15-50 км). С этого момента формируется лед волокнистой структуры с включением кристаллов внутриводного льда, по количеству не превышающих 25 % от общего количества кристаллов, относящегося ко льду генетического типа В4 (слой льда 70-110 см).
В текстуре льда появились капиллярные включения, характерные для волокнистой структуры льда, но следы слоистости в виде полос с различным количеством воздушных и солевых включений сохранились. Слоистость льда часто проявляется в проливах с наличием сильных течений. Присутствие течений подтверждается пространственной упорядоченностью кристаллов волокнистой структуры, главная оптическая ось которых (С-ось) имеет два преобладающих направления: ССВ - ЮЮЗ (51 % кристаллов) и ЗСЗ - ВЮВ (33 % кристаллов). На рис. 1 представлен пример кристаллического строения льда типа В4 в горизонтальном срезе на глубине 75 см. С толщины льда 110-120 см развилась кристаллическая структура типа В2 с хорошо сформированными волокнистыми кристаллами без включений кристаллов внутриводного льда, имеющая четко выраженный ажурный слой на последних нескольких сантиметрах льда. Это указывает на ослабление влияния заприпайной полыньи на формирование льда в точке наблюдений.
Рис. 1. Пространственная упорядоченность кристаллов льда волокнистой структуры на горизонте 75 см (горизонтальный срез)
Fig. 1. Spatial orderliness of ice crystals with fibrous structure on the 75 cm horizon (horizontal thin section)
Определение основных физических свойств припайного льда в 2014 г. было начато 23 мая. К этому времени из-за повышения температуры воздуха и воздействия солнечной радиации во льду произошли существенные изменения. Практически по всей толще льда наблюдались процессы термометаморфизма, выразившиеся в помутнении льда на отдельных участках вследствие частичного разрушения межкристаллических соединений и оплавления стенок кристаллов, видоизменении и укрупнении солевых включений, образовании солевых канальцев и стоковых русел. Внутренняя разрушенность льда в этот период оценивается как промежуточная между первой и второй стадиями состояния льда [2]. Наибольшие изменения произошли в поверхностном слое на границе снег - лед и особенно в верхних 2-5 см, где наблюдались процессы разрушения кристаллов льда и их перекристаллизации. Зафиксировано стекание рассола с верхних горизонтов и выравнивание солености льда по толщине (рис. 2).
Существенное влияние на формирование стоковых канальцев и русел оказывает структурная слоистость льда. Границы слоев с разным кристаллическим строением служат своеобразным препятствием для свободного стока рассола, провоцируя накопление солей на определенных участках, формирование каверн и полостей (рис. 3).
Рис. 2. Процессы термометаморфизма в верхнем слое льда, 23.05.2014:
1 -- стекание рассола с поверхностных слоев, 2 -- слияние солевых включений и накопление рассола, 3 -- соединение мелкопузыристых включений в цепочку и начало формирования стокового канальца
Fig. 2. Thermal metamorphism in the top ice layer, 23.05.2014:
1 -- brine runoff from the surface layers, 2 -- saline inclusions merging and brine accumulation, 3 -- arrangement of small-bubble inclusions in a chain and the beginning of plot tubule formation
В слоях льда с волокнистой структурой на участках прерывания роста кристаллов, особенно при включении в волокнистую структуру кристаллов внутриводного льда, происходит особенно сильное разрушение межкристаллических соединений. Стенки капиллярных включений оплавляются, сами включения увеличиваются в размерах, создавая сложные переплетения вторичных извилистых включений. В результате на этих участках формируются четко выраженные слои повышенной внутренней разрушенности, которые в виде белесых полос с вертикальными прожилками пересекают толщу льда. В дальнейшем в таких участках образуются каверны и полости, что значительно ослабляет лед.