16.3. Физические свойства льда

Во льду всегда имеются полости с рассолом и полости, заполненные воздухом или газами. Отношение объема пузырьков с газом или воздухом к общему объему образца льда, выраженное в процентах, называется пористостью льда. Пористость морских льдов может колебаться от 5 до 13%.

Пористость льда влияет на его плотность. Чем больше пористость, тем меньше плотность льда. Наиболее плотными являются средние части льдин и торосов, многократно подвергшихся сжатию.

Плотность пресного льда, лишенного пузырьков воздуха, при температуре 0⁰С равна 0.918 г·см^-3, а удельный объем при этом равен 1.090 см³·г^-1. Следовательно, при льдообразовании удельный объем увеличивается (плотность уменьшается) при­мерно на 9%.

Плотность морского льда зависит от температуры, солености и пористости.

При изменении температуры плотность морского льда изменяется аномально, что и определяет его отличие от пресного льда. Плотность пресного льда с понижением температуры увеличивается. Плотность соленого льда при понижении температуры от 0 до –23⁰С, наоборот, уменьшается за счет увеличения объема льда при образовании новых кристалликов льда из рассола. Аномалия объясняется тем, что в этом температурном интервале действуют одновременно два взаимно противоположных процесса: процесс нормального увеличения плотности льда за счет понижения его температуры и процесс уменьшения плотности за счет вымораживания из рассола дополнительных порций льда, плотность которых меньше плотности рассола. До температуры –23⁰С преобладает второй процесс, а затем, когда начинается выпадение хлоридов и количество рассола резко сокращается, преобладает первый процесс, приводящий к увеличению плотности льда и сокрашению его объема.

С возрастом плотность льда уменьшается, так как после вытекания рассола ячейки заполняются воздухом.

Плотность льда определяет осадку (погруженность) плавучих льдов, которая для пресных льдов составляет около 9/10, а для морских - до 5/6 их толщины.

Чистый пресный лед при 0⁰С обладает удельной теплоемкостью, равной 2.056 кДж/(кг·К) и зависит только от температуры. С понижением температуры теплоемкость пресного льда понижается.

Удельная теплоемкость морского льда включает в себя теплоту фазовых преобразований и, в отличие от принятой в физике теплоемкости, называется эффективной теплоемкостью морского льда. Эффективная удельная теплоемкость морского льда зависит как от температуры, так и от солености льда: с повышением солености значительно увеличивается, достигая при температуре –2⁰С и солености 15‰ 70.80 кДж/(кг·К), и резко уменьшается с понижением температуры. Это объясняется тем, что при изменении температуры меняется соотношение твердой и жидкой фаз рассола, которое сопровождается выделением или поглощением тепла. Причем с ростом солености, приводящим к возрастанию массы рассола, теплота фазовых преобразований играет все более заметную роль. С понижением температуры льда рассол постепенно вымерзает и теплоемкость морского льда приближается к теплоемкости пресного.

Образование (кристаллизация) морского льда происходит не при какой-то фиксированной температуре, как у пресного льда, а непрерывно от температуры замерзания морской воды до температуры, при которой весь рассол замерзнет. Так же непрерывно при повышении температуры происходит плавление (таяние) льда. Поэтому теплоту, затрачиваемую на плавление морского льда или выделяемую при замерзании морской воды, нельзя отождествлять с удельной теплотой кристаллизации воды.

Впервые на такой характер плавления морского льда обратил внимание шведский геофизик Ф.Мальмгрен участник океанографических и арктических экспедиций на судне "Мод" (1922-25), дирижаблях "Норвегия" (1926) и "Италия" (1928). Он известен своими трудами по физическим и химическим свойствам морского льда, в которых предложил вместо понятия теплоты плавления использовать некоторое эффективное тепло, затрачиваемое на плавление единицы массы морского льда, взятого при некоторой температуре. Это эффективное тепло зависит от собственной теплоты, расходуемой на плавление чистого льда, и от тепла, необходимого на повышение температуры льда и рассола до температуры полного плавления морского льда.

Теплота плавления морского льда изменяется в значительных пределах - от 150 до 397 кДж/кг­ и зависит от температуры и солености. С понижением температуры и солености теплота плавления льда повышается.

Плавление морского льда происходит постепенно, и к началу лета он за счет внутреннего таяния представляет собой разъеденную изнутри массу, легко разрушающуюся под действием тепловых или механических факторов.

Теплопроводность морского льда примерно в пять раз выше, чем воды, в восемь раз больше, чем снега, и почти в сто раз больше, чем воздуха. Характерная теплопроводность кристаллов пресного льда составляет 2.22 Вт/ (м·К), а морского льда около 2.10 Вт/(м·К), так как теплопроводность рассола при­мерно в четыре раза меньше, чем пресного льда.

Температура верхней поверхности льда близка к температуре воздуха и в течение года может меняться в значительных пределах. При ясном безоблачном небе температура льда вследствие интенсивной радиации может быть даже ниже температуры воздуха. В то же время температура нижней поверхности льда, соприкасающейся с водой, близка к температуре замерзания, т. е. почти постоянна.

Перепад температуры двухметрового льда по его толщине может достигать 20⁰С и более, что создает во льду большие напряжения.

Минимальные температуры в осенне-зимний период наблюдаются в верхнем слое льда, а в весенне-летний период­ в средней части льда, т. е. наблюдается запаздывание наступления минимальных температур по вертикали, аналогичное запаздыванию температурного максимума в верхнем слое моря.

Снежный покров, имея малую теплопроводность, существенно влияет на температуру льда. Температура льда, покрытого снегом, значительно выше, чем без него.

Чистый лед прозрачен для лучей видимого света. Пузырьки воздуха, рассола или другие включения, рассеивая световые лучи, значительно ухудшают их прохождение через толщу льда, поэтому прозрачность морского льда сравнительно невелика.

Цвет льда, как и воды, объясняется избирательным поглощением и рассеянием световых лучей и зависит от размеров и количества посторонних примесей в нем. Совершенно чистый, пресный, лишенный пузырьков воздуха лед при рассматривании его в большом куске представляется нежно-голубым.

Лед, встречающийся в море, по цвету или оттенкам, заметным в больших массивах льда, можно грубо подразделить на коричневый, белый, зеленый и голубой или синий.

Коричневый, иногда желтый лед - это лед речного или прибрежного происхождения с включениями глинистых веществ или гуминовых кислот­. Белый лед образуется из снега, в нем много крупных пузырьков воздуха или ячеек с рассолом. Зеленый цвет характерен для сравнительно молодого морского льда зернистой структуры с большим количеством воздуха и рассола. Голубой или синий лед характерен для многолетних торосистых морских льдов, в которых не осталось посторонних примесей. В голубом льду ярко выражена его игольчатая структура с ори­ентированными кристаллами. Голубой цвет характерен также для глетчерного льда и айсбергов.

Начальные виды льдов - ледяное сало, шуга, тонкий смоченный молодой лед - имеют темно-серый со стальным оттенком цвет. По мере увеличения толщины цвет льда переходит в светло-серый, а затем в белый. При таянии смоченные водой тонкие льдинки вновь принимают темно-серую окраску.

Встречается лед зеленого, красного, розового, желтого и даже черного цветов, которые объясняются присутствием во льду в больших количествах различных минеральных и органических взвесей (бактерий, планктона, эоловых частиц и др.).

Так как лед задерживает длинноволновую радиацию, то по­добно стеклу он создает парниковый эффект. Благодаря этому лед не только предохраняет находящиеся под ним слои воды от охлаждения, но и способствует их нагреванию.

Прочность морского льда из-за сложной картины распределения солевых ячеек и его частично двухфазного состава в три раза уступает прочности пресноводного льда той же толщины. Однако старый морской лед с очень низкой соленостью не уступает по прочности пресноводным льдам.