2.4. Ледовый режим

Классификация природных льдов. Наиболее общей является классификация, предложенная И. С. Песчанским, которая выде­ляет восемь классов льдов: атмосферные льды (снег, иней, град, гололед), поверхностные льды акваторий, покрывающие в зим­нее время океаны, моря, озера, реки и небольшие водоемы, внутри-водные льды — скопление первичных ледяных кристаллов, обра­зующихся в толще воды и на дне водоема (донный лед), сюда же относится шуга — всплывший на поверхность или занесенный внутрь потока внутриводный лед в виде комьев различных форм и размеров; материковые льды — различного типа ледники; льды многолетней мерзлоты; погребенные льды; льды особых образо­ваний например наледи, жильные льды, льды из пены и брызг; •льды, искусственно созданные человеком. С точки зрения гидро­техники наибольший интерес представляют льды второго класса, куда относятся кроме речных и озерных льды морские. Класси­фицировать льды можно по различным признакам.

По своему происхождению льды делятся на морские и прес­новодные (речные, озерные и глетчерные).

Морские льды, в свою очередь, делятся на неподвижные и плавучие льды. Основной формой неподвижных льдов является припай — сплошной ледяной покров, связанный с берегом, иногда шириной до нескольких десятков километров. Начальной формой

53

припая является ледяной заберег, если припай не образован при­несенным льдом.

По классификации, учитывающей условия образования и крис­таллическое строение льдов, они разделяются на четыре группы: группа А — льды в сильно распресненных водоемах (5<2%о); группа Б — льды в солоноватых водоемах (S<24,7%₀); группа В—льды морских водоемов (5>24,7°/оо); группа Г — льды, образу­ющиеся в результате метаморфического преобразования. По усло­виям образования выделяются: конжеляционныи лед, образующий­ся при кристаллизации воды без включения элементов внутривод-ного льда; конжеляционно-внутриводный лед, образовавшийся при смерзании внутриводного льда; водноснежный лед, шуговой лед, инфильтрационный водно-снеговой лед, образующийся при излия­нии воды через трещины в ледяном покрове, и др.

По кристаллическому строению выделяются три типа льдов: призматический, волокнистый и зернистый. Первые два типа ха­рактерны только для конжеляционных льдов, третий тип может наблюдаться как у конжеляционных льдов, так и у других видов льдов. Обычно ледяной покров не состоит целиком из льда ка­кой-то определенной структуры. В зависимости от условий льдо­образования в толще льда происходит либо плавный, либо скач­кообразный переход от одной структуры к другой.

Призматический тип наиболее распространен в распресненных водоемах с изотермическим режимом, волокнистый — в морских водоемах при гомотермическом режиме.

При призматической структуре льда развитие кристаллов про­исходит главным образом в направлении оптических осей. Крис­таллы имеют вид призм, усеченных пирамид, шестиков, игл и т. д. Кристаллы располагаются вертикально. Размеры кристаллов круп­ные. Форма кристаллов в распресненных водоемах правильная. В более соленых водоемах с менее устойчивой стратификацией форма кристаллов неправильная.

Для льда волокнистой структуры характерен рост кристаллов по вертикали, в направлении одной из побочных осей, совпадаю­щей с направлением температурного градиента. Оптические оси кристаллов горизонтальны. Кристаллы волокнистого типа состоят из большого числа ледяных пластинок (волокон) толщиной 0,6...1,2 мм.

Размеры кристаллов меняются от 3...10 до 90...100 мм в попе­речном разрезе и достигают иногда 1...2 м по вертикали.

По размеру различают микрозернистые кристаллы (0,05...0,1 см), мелкозернистые (0,1...0,5 см), среднезернистые (0,5...1,0 см) и крупнозернистые (>1,0 см).

Направление роста кристаллов и их форма, а следовательно, и структура льда зависят от условий льдообразования, т. е. от внешних условий.

При отсутствии волнения и течений и постоянной разнице тем-

54

псратур воды и воздуха образуется лед с кристаллами, развиты­ми в вертикальном направлении. При интенсивном перемешива­нии и быстром понижении температуры воздуха образуется лед с кристаллами изометрической неправильной формы.

В природе чаще имеет место лед смешанного строения, так как условия образования льда весьма различны, а кроме того, во льдах непрерывно происходят механические, термические и иные процессы.

Образование и разрушение льда. Образование льда как в пресной, так и в морской воде может начаться при условии силь­ной потери тепла водой, некоторого небольшого (в природных условиях от сотых долей до нескольких градусов) предваритель­ного переохлаждения воды относительно точки замерзания и на­личия в воде зародышей (ядер кристаллизации) в виде комплек­сов молекул, частиц пыли, снежинок, кристаллов льда и т. п.

Однако процессы льдообразования в пресной и морской воде происходят неодинаково из-за различия их химических и физи­ческих свойств. Так как пресная вода имеет наибольшую плот­ность при 4°С, то в пресноводном бассейне, после того как вода охладилась до 4°С, дальнейшее охлаждение идет очень быстро. Вода в поверхностном слое становится легче нижележащих вод, что затрудняет перемешивание, а следовательно, и поднятие на поверхность более теплых масс воды с глубины.

Рис. 2.8. Зависимость темпера­туры наибольшей плотности во­ды (/_р) и температуры замер­зания (^_г) морской воды от солености

Температура наибольшей плотности /_р и температура замерза­ния морской воды tjr с увеличением солености понижаются, из­меняясь практически линейно (рис. 2.8). При солености 24,7%₀ обе тем­пературы становятся одинаковыми и равными —1,33°С. Воды, соленость которых меньше 24,7%₀, называют солоноватыми, и их замерзание про­исходит примерно также, как прес­ной воды. Температура наибольшей плотности морской воды, соленость которой больше 24,7⁰/₀₀, остается всегда ниже температуры замерза­ния. Поэтому до самого момента за­мерзания плотность морской воды с понижением температуры увеличи­вается и верхние охлажденные слои воды опускаются вниз; на поверх­ность поднимаются менее плотные и

более теплые воды, что затрудняет льдообразование в морской во-Де. Этому же способствует и более низкая по сравнению с пресной водой температура замерзания морской воды. После того как про­цесс льдообразования уже начался, происходит осолонение поверх­ностного слоя воды, так как лишь относительно небольшая часть солей, растворенных в морской воде, вмерзает в лед в виде твердо-

55

го осадка или рассола, большая же их часть стекает с рассолом в воду. В результате плотность поверхностных слоев увеличивается и они опускаются вниз, а к поверхности поднимаются опять более теп­лые воды, замедляя тем самым процесс льдообразования. Нали­чие течений и волнений, способствующих перемешиванию вод, затрудняет процесс льдообразования. Таким образом, лед пред­ставляет собой своеобразный конгломерат, состоящий из смерз­шихся кристаллов пресного льда, рассола, заключенного в ячейках между кристаллами, и включений из газовых пузырьков. После того как образовался сплошной ледяной покров, потеря тепла водой сильно затрудняется и определяется теплопроводностью льда. Увеличение толщины льда происходит относительно мед­ленно, и поэтому нарастающий снизу лед имеет почти правиль­ную вертикальную ориентацию кристаллов и более прозрачен, чем в вышележащих слоях, так как образующийся рассол успевает стечь между кристаллами в воду.

Таяние льда начинается при переходе температуры через 0°С, прежде всего там, где снег или лед несколько загрязнены, так как это способствует большему поглощению тепла. Лед с белой поверхностью отражает до 50% лучистой энергии, свежевыпавший снег на льду — до 88%.

С началом таяния верхний слой снега пропитывается водой, на его поверхности образуются лужи-снежницы. Если наступает похолодание, то на снегу и на снежницах образуется ледяная корка, которая препятствует выделению тепла в атмосферу и, подобно стеклам в парнике, обусловливает накопление тепла во­дой. При новом повышении температуры развивающиеся снеж­ницы ускоряют таяние льда, так как вода является хорошим аккумулятором тепла. Под водой лед протаивает, образуются сквозные отверстия (проталины), через которые вода стекает вниз и лед обсыхает.

При дальнейшем повышении температуры происходит интен­сивное поглощение льдом тепла, появляется все большее число проталин, образуются трещины, которые, расширяясь, превра­щаются в пространства открытой воды, появляется возможность образования волнения. При волнении вода заплескивается на лед, размывает и крошит его; лед превращается в ледяную кашу, затем в отдельные кристаллы и, наконец, исчезает.

В озерах и водохранилищах ледостав и очищение от льда наблюдается обычно несколько позже, чем в реках. На малых озерах и водохранилищах этот разрыв может составлять 10... 15 дней, на крупных — значительно больше. Иногда период ледо­става, особенно крупных озер, затягивается на 2... 3 месяца.

На водохранилищах лед образуется на мелководье и в зоне выклинивания подпора раньше, а в приплотинной части позже, чем на реках этой климатической зоны. По мере сработки водо­хранилищ лед оседает на дно у берегов и на мелководье. При

56

этом лед деформируется и трескается, через трещины выступает поверх льда вода и замерзает. Весной этот осевший лед частично всплывает с повышением уровня, частично тает на берегу.