Статья: Изменение строения и некоторых физических свойств ровного припайного льда в весенне-летний период 2014 г. в районе научно-исследовательского стационара Ледовая база Мыс Баранова

Рис. 3. Влияние структурной слоистости льда на процессы термометаморфизма на горизонте 113 см, 23.05.2014:

1 -- конец стокового солевого канала и образование полости, 2 -- слой прерывания роста волокнистых кристаллов, 3 -- возникновение нового стокового канала, 4 -- помутнение льда

Fig. 3. Effect of structural ice stratification on thermal metamorphism on the 113 cm horizon, 23.05.2014:

1 -- the end of the plot salt channel and cavity formation, 2 -- the layer of the interruption of fibrous crystals growth , 3 -- emergence of a new plot channel, 4 -- ice turbidity

Для оценки изменений метрических характеристик (процессы нарастания и таяния) и глубины слоя разрушения льда использовался метод синхронизации слоев. В основе его лежит положение о том, что любые существенные изменения в окружающей среде находят отражение в строении льда при его нарастании. Так как керны отбирались из одного места, расположение слоев в толще льда у этих кернов будет примерно одинаковым. За линию синхронизации был взят слой прерывания роста волокнистых кристаллов на горизонте 126 см, от которого в дальнейшем проводились все вычисления. Этот прием позволил отследить процессы таяния и нарастания льда за время наблюдений (рис. 4).

Рис. 4. Сезонные изменения в припайном льду в 2014 году:

1 -- поверхность снега, 2 -- поверхность льда, 3 -- нижняя граница зимнего льда, 4 -- нижняя граница льда, 5 -- граница слоя деструкции (разрушение межкристаллических связей и частичная перекристаллизация), 6 -- граница частичного нарушения межкристаллических связей, 7 -- линия синхронизации

Fig. 4. Seasonal changes in fast ice in 2014:

1 -- snow surface, 2 -- ice surface, 3 -- lower boundary of the winter ice, 4 -- lower ice boundary , 5 -- destruction layer boundary (intercrystalline binding destruction and partial recrystallization), 6 -- the boundary of partial intercrystal binding destruction, 7 -- the line of synchronization.

В процессе сезонных изменений припайного льда на полигоне в весенне-летний период 2014 г. можно выделить несколько основных факторов:

- поверхностное нарастание и таяние льда;

- таяние и нарастание льда на нижней границе;

- внутренние изменения в строении льда под действием процессов термометаморфизма.

В последней декаде мая и начале июня существенных изменений в метрических характеристиках льда не происходило, только на границе снег - лед в тонком слое примерно 2 см под действием радиационного прогрева и ночного охлаждения наблюдались процессы перекристаллизации первичных кристаллов льда и снега. Поверхность льда стала влажной, состоящей из слоя небольших зерен диаметром 2-5 мм. Внутри льда продолжалось формирование вторичных включений. Увеличилось количество небольших стоковых канальцев. Внутренняя разрушенность льда оставалась между первой и второй стадиями состояния.

Во второй декаде июня, под действием солнечной радиации, несмотря на сохранение отрицательной температуры воздуха, усилились процессы разрушения на поверхности льда. Радиационный прогрев на границе лед - снег сопровождался разрушением межкристаллических прослоек, оплавлением кристаллов и таянием льда и снега. Отрицательные температуры воздуха и запас «холода» в нижележащих слоях льда приводил к частичной или полной режеляционной перекристаллизации в этом слое. Поверхность льда утратила четкие границы и превратилась в рыхлый слой, сложенный из зернистых ледяных образований округлой формы диаметром 2-5 мм.

Общая соленость льда в начале июня продолжала снижаться с 3,14 %о 3 июня до 2,82 %о 12 июня, а средняя температура льда повышалась с 23 мая примерно на 0,5 °С в декаду (см. таблицу).

Таблица

Некоторые характеристики припайного льда в весенне-летний период 2014 г.

Примечания: Нсн -- толщина снега, Нл -- толщина льда, АН -- превышение льда, Твозд -- температура воздуха, Тл -- температура льда, Л'л -- соленость льда.

В таблице представлены метрические характеристики льда в точке наблюдений, измеренные во время взятия проб для текстурно-структурного анализа, и данные о температуре и солености льда. Температура воздуха фиксировалась во время отбора проб. В строке «Н зимнего» даны толщины льда осенне-зимнего образования от поверхности льда до нижней границы, без учета льда, наросшего в летний период. В строках «Н стаявшего», «Нл, наросшего» показаны значения изменений верхней и нижней границ льда относительно керна от 23 мая. В строке «Слой деструкции» даны толщины от поверхности льда, в которых наблюдалось повсеместное разрушение межкристаллических связей и частичное изменение кристаллического строения льда. В строке «Стадия состояния льда» (внутренняя разрушенность) дана оценка внутренних изменений, происходящих во льду под действием термометаморфизма в баллах [3]. В строке «Разрушенность льда» дана оценка разрушенности льда по внешним признакам [2].

Во второй декаде июня среднесуточная температура воздуха стала переходить через ноль градусов, а максимальная температура за сутки сделалась устойчиво положительной. 19 июня прошел сильный дождь, пропитавший снег дождевой водой. Во многих местах снежный покров потемнел. Избыток влаги после дождя спровоцировал образование в толще снежного покрова слоя пресного льда над поверхностью льда осенне-зимнего образования. Толщина вновь наросшего сверху льда составила 10 см, из которых 4 см -- слой пресного прочного льда и 6 см -- слой пористого непрозрачного льда, легко разрушающегося при бурении. В верхних слоях льда осенне-зимнего образования продолжались процессы разрушения и перекристаллизации, делая его поверхность бугристой. Температура верхних 10 см повысилась до 0 °С, что спровоцировало стекание рассола вниз и образование каверн. Скопление каверн наблюдалось и на других горизонтах, особенно в местах разделения слоев с различной кристаллической структурой. В нижней части льда увеличилась соленость, ажурный слой (5-10 см) волокнистых структур стал непрочным и легко разрушался при механическом воздействии.

Третья декада июня была отмечена значительными изменениями в строении льда. Практически исчез снежный покров, уступив место ледяным шарикам размером до 5 мм -- продуктам перекристаллизации нижних слоев снега и верхних слоев льда. На поверхности стали образовываться снежницы. Наблюдалось резкое опреснение поверхностного слоя и стекание рассола в нижние слои. Средняя соленость льда понизилась до 2,05 %о, а средняя температура повысилась до -0,8 °С. В верхних 60 см наблюдалось развитие деструктивного слоя с разрушением межкристаллических связей и частичной перекристаллизацией. Разрушение льда протекало не однородно по всей глубине слоя, а носило выборочный характер. Наибольшей деструкции подверглись верхние 20 см льда. В слоях льда, сложенных волокнистыми кристаллическими структурами, продолжалась трансформация трубчатых и вторичных извилистых включений, особенно в местах прерывания роста волокнистых кристаллов. Отмечалось общее помутнение льда. Внутренние изменения во льду достигли третьей стадии состояния.

Существенные изменения произошли на нижней поверхности льда. Нижний ажурный слой льда волокнистой структуры частично стал разрушаться и частично заполняться талой водой, образовав прослойку более пресного льда толщиной 1-3 см. В конце третьей декады началось интенсивное нарастание льда летнего образования.

Основными факторами, влияющими на образование нового льда в летний период при наличии отрицательной температуры основной толщи льда, являются сток талой воды с его поверхности и сток пресных вод с суши. Сток пресных вод с суши является доминирующим в этом процессе для района, где проводились наблюдения. Схематично нарастание на нижней поверхности льда летнего образования можно описать следующим образом.

1 июля произошел прорыв снежной дамбы на реке Амбе и начался бурный сток пресных вод в бухту Амба и пролив Шокальского. Температура воды в реке Мушкетова (приток реки Амбы) в районе основного гидрологического створа, расположенного выше устья реки Амбана на 2 км, в этот период составляла 0,5-0,8 °С.

Пресная вода, распространяясь под поверхностью льда, вытесняла более холодную и плотную морскую воду, прежде всего заполняя неровности на нижней поверхности льда. На границе раздела пресной и морской воды возникали благоприятные условия для зарождения кристаллов внутриводного льда которые, всплывая к нижней поверхности льда под разными углами, становились основой для развития скелетных пластинчатых кристаллов с хаотическим направлением главной оптической оси (С-оси). В результате подо льдом, главным образом в углублениях и нишах, возникла прослойка из слабо скрепленных между собой кристаллов льда различной плотности (рис. 5).

1 июля в точке наблюдений раздел пресной и морской воды находился на глубине 155 см. Достигая этой границы и не имея возможности развиваться дальше продолжалось смерзание уже находящихся там пластинчатых кристаллов и замерзание заключенной между ними воды. В результате формировался слой пористого непрозрачного льда с большим количеством воздушных включений. Ниже вновь образованного слоя льда происходило частичное перемешивание пресной и соленой воды, ее охлаждение и выравнивание температуры. Соленость воды на поверхности скважины во льду, измеренная 1 июля, составила 5,45 %о. В условиях возникавшей гомотермии подледного слоя воды преимущественное развитие получали кристаллы с горизонтальной ориентацией С-оси и вертикальным ростом по базисным плоскостям (рис. 6).

Рис. 5. Рост пластинчатых кристаллов на нижней границе льда осенне-зимнего образования, подводная фотография на глубине 150 см, 01.07.2014

Fig. 5. Tabular ice crystals growth on the lower boundary of ice formed in autumn and winter formation layer, an underwater photo at a depth of 150 cm, 01.07.2014

Преимущество получили кристаллы с вертикальной ориентацией С-оси и с горизонтальным ростом по базисной плоскости. В результате их смерзания формировался горизонтальный слой пресного или

Рис. 6. Рост пластинчатых кристаллов вертикального развития на нижней границе льда, подводная фотография, 01.07.2014

Fig. 6. Tabular vertical-development ice crystals growth on the lower ice boundary , an underwater photo, 01.07.2014 распресненного льда. Выше этого слоя в образовавшемся пространстве

Рост этих кристаллов продолжался до тех пор, пока они не доходили до уровня раздела плотностей воды, и процесс повторялся. В результате лед летнего образования представлял собой набор слоев различной толщины и различной пористости.

В первой декаде июля среднесуточные температуры устойчиво перешли через ноль градусов и стали положительными. Средняя температура льда повысилась до -0,2 °С. Произошло стремительное опреснение льда, средняя соленость которого составила 0,77 %. По степени внутренних изменений лед этого периода относится к промежуточной между третьей и четвертой стадиями состояния. На поверхности льда повсеместно образовались снежницы глубиной до 30 см. Продолжился процесс таяния льда сверху. Величина стаивания составила 10 см. Во льду, сложенном кристаллами волокнистой структуры, еще сохранялся первоначальный текстурный рисунок, но практически не осталось ^трансформированных первичных включений. Почти весь лед приобрел мутный оттенок.

Толщина льда летнего образования увеличилась на 17 см. Вновь образованный лед состоял из набора слоев различной прочности и пористости. Видеосъемка нижней поверхности льда показала, что признаков интенсивного роста льда снизу не наблюдалось, но отдельные пластинчатые кристаллы выступали за линию наросшего ранее льда. Слой распресненной воды подо льдом увеличился. Соленость воды на поверхности в скважине составила 0,11 %, на глубине 1,2 м -- 0,17 %, на глубине 2,5 м -- 21,08 %, на глубине 6 м -- 26,38 %. Температура воды в реке Мушкетова, дававшей основной приток пресной воды, составляла 0,5 °С. Несмотря на явное замедление, процесс нарастания льда снизу продолжался.

Во второй декаде июля минимальные температуры воздуха устойчиво перешли через ноль градусов, став положительными. Процессы разрушения льда приобрели более интенсивный характер. Основная вода со льда ушла, но участки с водой еще остались. Глубина снежниц достигала 40 см. Поверхность льда стала неровной, бугристой. Лед на всю свою глубину претерпел частичное разрушение. Особенно сильно этот процесс проявился в верхних 70 см. На участках прерывания роста волокнистых кристаллов образовались полости размером в несколько сантиметров. Средняя температура льда поднялась до -0,1 °С, средняя соленость составила 0,45 % с максимальным значением 1,58 % на горизонте 100 см. По степени внутренней разрушенности лед в конце второй декады соответствовал четвертой стадии состояния. Фильтрация талой воды проходила беспрепятственно во всей толще льда.