1.3.2 Характеристики ледяного покрова, существенно влияющие на судоходство

1.3.2.1 Исходные данные для оценки влияния ледяного покрова на судоходства

На всех этапах формирования и развития Арктической морской транспортной системы (АМТС) заметное место отводится системе научно-оперативного обеспечения судоходства. В результате целенаправленных многолетних исследований были разработаны основные принципы выбора наиболее благоприятных маршрутов плавания во льдах, сформулированы критерии для оценки сроков начала и окончания безледокольного плавания, расчета показателей трудности плавания при ледокольном обеспечении.

В наиболее общем виде концепцию исследования можно сформулировать следующим образом:

В качестве исходных данных о природных условиях плавания и их влиянии на судоходство по СМП использовать материалы, накопленные в ААНИИ за период с 1960 по 1990 гг.

По результатам доступных наблюдений, в частности - данным измерений толщины льда на полярных станциях, систематизированным результатам дистанционного зондирования льда, выявить, какие изменения произошли за последнее 10-летие, оценить устойчивость выявленных раннее типов условий плавания, сроков проведения основных видов плаваний.

На основе анализа существующих климатических моделей морского льда изучить и выявить возможность оценки наиболее важных для судоходства характеристик ледяного покрова на ближайшие годы и на отдаленную перспективу.

В качестве выходной продукции должны быть экспертные оценки возможных изменений сроков различных видов плаваний, трудности плавания на традиционных и новых трассах в различные сезоны года.

В настоящее время в ААНИИ систематизированы данные о ледовых условиях плавания судов в замерзающих морях северного полушария для использования их при долгосрочном планировании и осуществлении морских операций. Систематизированные данные представлены как среднемноголетними значениями основных характеристик ледяного покрова на трассах плавания, так и сгруппированными по трем типам: легкому, среднему и тяжелому.

1.3.2.2 Оценка влияния характеристик ледяного покрова на основные виды плавания

Состояние дрейфующих и припайных льдов как среды судоходства описывается совокупностью характеристик, определяющих сопротивление льда движению судна. Следует особо подчеркнуть, что скорость судна является интегральным показателем трудности плавания во льдах, отражающим совокупность влияния всех параметров ледяного покрова. Влияние отдельного параметра на скорость судна зависит от совокупности распределения других характеристик ледяного покрова [5].

Для описания параметров ледяного покрова, наиболее существенно влияющих на эффективность и безопасность судоходства во льдах, целесообразно разделить их на два блока: а) параметры дрейфующего льда; б) параметры припайного льда.

Параметры дрейфующего льда:

Сплоченность льда. Среди многообразия характеристик ледовых условий плавания в летний период решающее значение имеет сплоченность льда. В этот период распределение сплоченности льда имеет решающее значение при выборе оптимального варианта плавания в условиях реального судоходства. Конкретные значения сплоченности ледяного покрова часто используются в качестве критерия условий ледокольного обеспечения.

На основе данных специальных судовых наблюдений сделаны оценки влияния сплоченности на скорость движения судна во льдах [6], суть которых заключается в следующем: скорость судна уменьшается по мере увеличения сплоченности; величина падения скорости зависит от толщины льда - чем толще лед, тем больше величина падения скорости при увеличении сплоченности.

Толщина льда. В зимний период, когда преобладающая сплоченность льда в арктических морях составляет 9-10 и 10 баллов, решающее значение для успеха морской операции имеет распределение толщины льда (количества льда различного возраста) на пути движения судна. Естественно, чем больше толщина льда, тем ниже скорость движения судна.

При изучении ледяного покрова как среды судоходства, существуют объективные основания для того, чтобы учитывать неравномерность распределения толщины льда. Использование средних значений толщины льда без учета особенностей ее пространственного распределения принципиально неверно, когда речь идет о расчетах скорости движения судна во льдах [7].

Высота снежного покрова. В холодный период года важной навигационной характеристикой является высота снежного покрова. Влияние снежного покрова на движение судна проявляется тем сильнее, чем больше толщина льда и меньше скорость движения судна. Существует несколько способов оценки этого влияния, суть которых заключается в том, что это влияние аналогично дополнительному слою льда, пропорционального высоте снежного покрова.

Торосистость льда. Наличие торосистых образований - характерная особенность морских льдов. Торосистые образования оказывают существенное влияние на движение судна во льдах, являясь серьезным препятствием для судоходства. В целом, влияние торосистости аналогично увеличению толщины льда.

Влияние торосистости ледяного покрова, как фактора, снижающего скорость движения судов, проявляется следующим образом: повышается средняя толщина льдов, преодолеваемых судном и тем больше, чем больше степень торосистости. По материалам судовых наблюдений за движением ледоколов [6, 8] установлено, что скорость движения в ровных льдах заданной толщины практически не отличается от скорости в торосистых льдах той же "мощности" (эквивалентной толщины) льда. Следует отметить, что даже при движении по участкам относительно ровного льда (между торосистыми образованиями) судну приходится преодолевать более толстый лед, чем на тех участках, на которых торосы отсутствуют или торосистость невелика.

Разрушенность льда. Разрушенность льда - характеристика изменений состояния ледяного покрова, связанных с процессами таяния. В результате таяния на поверхности льда образуются снежницы, проталины и промоины, нарушающие сплошность ледяного покрова, существенно уменьшая сопротивление льда движению судна. Процесс ломки льда ледоколом (судном) с повышением степени разрушенности ледяного покрова приобретает все более избирательный характер: ломке подвергаются участки более разрушенных и тонких льдов, а толстый лед раздвигается корпусом судна [9].

Раздробленность ледяного покрова. В осенне-зимний и весенний периоды важной навигационной характеристикой является раздробленность льда, которая характеризует интенсивность динамических процессов, происходящих в ледяном покрове. Горизонтальные размеры льдин оказывают существенное влияние на скорость движения судов. При прочих равных условиях минимальные значения скорости отмечаются в гигантских и обширных ледяных полях, а максимальные - при движении в мелкобитых и тертых льдах.

Нарушения сплошности ледяного покрова (НСЛ). Как правило, в зимне-весенний период навигации в замерзающих морях, когда ледяной покров достигает своего максимального развития, оптимальные пути плавания чаще всего проходят по заприпайным полыньям, а при движении по ледяному массиву - по зонам нарушений сплошности ледяного покрова (НСЛ). Одной из важнейших ледовых характеристик условий плавания (особенно в зимний период) является тип ориентации нарушений сплошности ледяного покрова относительно генерального курса движения ледокола.

Выделено пять основных типов [10]:

Тип А - зона "ориентированных" НСЛ: преобладающая ориентация системы НСЛ и генеральный курс движения ледокола совпадают или различаются не более чем на 30;

Тип В - зона "неориентированных" НСЛ: степень ориентированности НСЛ невелика или преобладающая ориентация НСЛ отличается от генерального курса движения ледокола более чем на 30;

Тип С - зона повышенной раздробленности ледяного покрова: плавание носит устойчивый характер и осуществляется по зоне, как правило, ориентированной, с преобладанием битых форм ледяного покрова;

Тип D - зона отсутствия НСЛ: движение ледокола осуществляется в сплошном льду сплоченностью 10 баллов, преобладающие формы которого - ледяные поля;

Тип Е - зона пониженной сплоченности ледяного покрова: четко выраженные НСЛ отсутствуют, движение ледокола происходит в равномерно распределенном по акватории льду сплоченностью 8 баллов и менее. Зоны этого типа характерны для летнего периода и для прикромочных районов в весенний период.

Распределение ширины НСЛ для каждой из типов зон имеет существенные различия. Зимой, в Карском море, в зонах, где НСЛ имеют ориентацию, совпадающую с генеральным курсом движения судна (тип А), повторяемость НСЛ с шириной, превышающей, в среднем, ширину судна (ледокола) - 25 метров, составляет 90%. В зонах типа В и С повторяемость таких НСЛ составляет 47% и 23%, соответственно (рисунок 1.2). В летний период во льдах Арктического бассейна повторяемость НСЛ с шириной более 25 м более высока и составляет для: зон типа А - 98%, зон типа В - 89%, зон типа С - 50%. Кроме того значительно увеличивается повторяемость крупных НСЛ, шириной более 100 м - 75% в зонах типа А, 31% в зонах типа В, 18% в зонах типа С.

Анализ данных о распределении скорости движения ледоколов, показывает, что наиболее благоприятными зонами для плавания являются зоны с благоприятной ориентацией НСЛ (тип А), наименее благоприятными - зоны с повышенной раздробленностью ледяного покрова (тип С). Неблагоприятные условия плавания в зонах типа С в зимне-весенний период обусловлены тем, что, как правило, эти зоны находятся в районах дрейфоразделов ледяного покрова, которые характеризуются повышенным фоном торосистости и высокой вероятностью сжатий [10].

Рисунок 1.2 -- Распределение ширины НСЛ в зонах с различным типом их ориентации в зимний период 1998 г., Карское море[9]

Рисунок 1.3 -- Распределение ширины НСЛ в зонах с различным типом их ориентации в летний период 2000 г.[9]

Благоприятными для плавания в летний период в Арктическом бассейне на рисунке 1.3 являются зоны типа А и С, менее благоприятными - зоны типа В, неблагоприятными - зоны с отсутствием НСЛ (тип D). Относительно высокие скорости движения судна в зонах повышенной раздробленности ледяного покрова обусловлены незначительной повторяемостью сжатий в Арктическом бассейне, уменьшением общей сплоченности за счет процессов таяния в летний период.

Заприпайные зоны молодых льдов. В период устойчивого формирования припая до его разрушения (взлома) выбор наиболее благоприятных вариантов плавания в арктических морях тесно связан с максимальным использованием заприпайных зон чистой воды или молодых (толщиной до 30 см) льдов.

Параметры припайных льдов. В настоящее время припай стал активной средой судоходства. Плавание в припае отличает ряд особенностей: Оно связано с прокладкой ледоколами канала в припае, его обновлением и проводкой судов по нему. Установлено, что успешность плавания судов при выполнении этих операций зависит от толщины невзломанного припая на фарватере, степени его торосистости, высоты снега, разрушенности, количества включений остаточных льдов (в арктических морях). При проводке судов по каналу большое значение приобретает "возраст" канала (время между двумя последовательными проходами судов по каналу), а также деформации припая, приводящие к сжатию канала.[10]

Существенная особенность ледяного покрова - неравномерность распределения его толщины присуща и для припайных районов. Даже на коротких участках среднеквадратическое отклонение толщины припая может достигать 20 см, в основном за счет неравномерного распределения высоты снега и физико-географических особенностей. Кроме того, припай не является монолитной пластиной льда. Для него характерно наличие стационарных трещин и разломов. Их использование при прокладке канала существенно увеличивает эффективность работы ледокола. Кроме того, в процессе "жизни" припая трещины и разломы могут расходиться до ширины, соизмеримой с шириной корпуса ледокола, что в последствие приводит к формированию ориентированных вставок с пониженным фоном толщины льда в припае. [10]

Сжатия льда. Сжатие льда является одной из основных характеристик, определяющих условия плавания в замерзающих морях, особенно в зимний период. Наиболее существенно они проявляются при плавании во льдах сплоченностью 9-10, 10 баллов и толщиной более 70 см. Сжатия приводят к резкому ухудшению условий плавания, часто оказываются причиной вынужденного дрейфа судов, ледовых повреждений. Хотя в арктических морях преобладают ветровые сжатия льдов, однако, при определенных условиях существенное влияние на судоходство оказывают приливные сжатия.[11]

Виды сжатий льдов: