10.7.2. Физические свойства морского льда
Главная особенность морского льда — его соленость, под которой понимается соленость воды, образующейся при его таянии. Ее величина прямо зависит от солености воды, из которой лед кристаллизовался, и от скорости его нарастания. Соленость льда в среднем близка 10% солености воды. С течением времени соленость его уменьшается, и многолетний лед бывает почти совсем пресным.
Кристаллический лед всегда пресный, соленость привносится включениями ячеек с жидкой водой (рассолом) между кристаллами льда. Размер ячеек обычно невелик — десятки граммов на килограмм льда. Соленость рассола в них может значительно превышать соленость воды в море. Она зависит от температуры рассола, а следовательно, и льда. Так, при температуре -2 °С соленость равна 37‰, при -10 °С — 144‰, а при -20 °С — 237‰. При изменении температуры льда изменяется и соленость рассола: при понижении температуры соленость в ячейке растет вследствие вымерзания воды из рассола, при повышении — уменьшается вытаиванием льда из оболочки ячейки. Такие изменения температуры и солености рассола не влияют на среднюю соленость льда. Количество ячеек с рассолом хоть и невелико, но их существование сказывается на многих физических свойствах льда — тепловых, механических и т. п.
От количества ячеек с рассолом зависит теплоемкость льда. Чистый лед имеет теплоемкость вдвое меньшую, чем вода, а у морского льда она зависит от его средней солености и температуры. При низкой температуре теплоемкость морского льда приближается к 2,2 кДж/(кг • °С), а вблизи температуры замерзания сильно возрастает: при температуре -2 °С и солености 4‰ она равна 19,4, а при солености 10‰ — 44,5 кДж/(кг • °С). Такие большие значения теплоемкости имеют весьма существенное значение при расчетах теплового баланса.
Плотность чистого морского льда меньше плотности воды и равна приблизительно 900 кг/м3. Плотность морского льда несколько больше плотности пресного из-за находящегося в нем рассола. На плотность льда влияют также включения пузырьков воздуха, минеральных частиц, различная в толще льда температура, поэтому плотность льда в его отдельных частях различна. Но среднюю плотность льда легко определить, используя закон Архимеда: если льдину представить в виде цилиндра или призмы, то среднюю ее плотность л дает формула
л =
, (10.8)
где hл — общая толщина льдины, м; z — ее осадка (толщина подводной части), м; в — плотность воды, кг/м3. Эта формула позволяет рассчитать отношение осадки льдины к ее возвышению над поверхностью воды (z/(hл - z)); при средней плотности льда 900 и воды 1030 кг/м3 это отношение равно 7,0.
Механические свойства морского льда также зависят от его структуры и температуры. Так, его твердость по шкале для минералов определяют при температуре 0°С в 1,5 балла (твердость льда находится между твердостью талька и каменной соли), а при -40 °С — около 4 баллов (как у плавикового шпата).
10.7.3. Движение льдов
Почти все льды в море находятся в постоянном движении и называются плавучими, лишь небольшая часть льдов неподвижна. Находясь в непосредственной близости от береговой линии, они примерзают к берегу, поэтому и называются береговым припаем или просто припаем. Обычно припай имеет небольшую ширину — сотни метров, километры, но на некоторых участках ширина его достигает сотни километров, например в море Лаптевых.
Движение льда вызывается двумя причинами: течениями и ветром. Как правило, обе причины действуют одновременно, создавая сложную систему движения льдов. Более отчетливо сказывается роль приливных течений. Они, изменяясь и повторяясь дважды в сутки, вызывают явление сжатий и разрежений льда также дважды в сутки. Велика роль течений и в формировании системы движения льда, переноса его в течение длительных промежутков времени. Ветер определяет движение льда только в период своего действия. Закономерности движения льдов под действием ветра — дрейф льда — установил Ф. Нансен в результате обработки наблюдений во время экспедиции на «Фраме» в Северном Ледовитом океане (1893—1896). Оказалось, что скорость льда меньше скорости ветра, его возбудившего, приблизительно в пятьдесят раз, т. е. Vл = 0,02 W, где Vл и W — скорости льда и ветра соответственно. При этом лед движется не по направлению ветра, а отклоняется от него на 30° вправо в Северном полушарии в связи с действием отклоняющей силы вращения Земли (Кориолиса). Н.Н. Зубов дополнил эти «правила Нансена» еще двумя «правилами Зубова»: лед дрейфует вдоль изобары (линии равного атмосферного давления) так, что высокое давление лежит справа по движению льда (в Северном полушарии), а скорость дрейфа пропорциональна горизонтальному градиенту атмосферного давления. Эти «правила Зубова» очень удобны в практическом применении и широко используются. Они же позволяют вычислить дрейф льдов на больших пространствах для выяснения его генеральной схемы.
Ветер, перемещая разреженные льды, создает на поверхности моря скопления льда, полосы и пространства чистой воды, полыньи. Он же вызывает торошение, разрушение льдов и т.д.