10.10. Лід в океанах і морях

Площа, яка зайнята кригою в Арктиці досягає майже 11 млн км²(квітень), в Антарктиці – майже 20 млн км²(вересень).

Особливості замерзання морської води.Морська вода, на відмінну від прісної, не має визначеної точки замерзання, але вона завжди нижча 0 °С. Температура замерзання морської води залежить від її солоності: чим більша солоність, тим нижча температура замерзання. Так, наприклад, при солоності 35 ‰ вода замерзає при –1.9 °С, а при солоності 40 ‰ – при –2.2 °С.

Коли морська вода охолоджується до температури замерзання відносно своєї солоності, починається утворення кристаликів льоду. Під час замерзання солі, що містяться в морській воді, не входять до складу кристаликів льоду, тому що температура замерзання сольового розчину значно нижча (наприклад, температура замерзання кухонної солі –21 °С). Тому більша частка солі випадає в незамерзаючу підлідну воду, а деяка кількість вмерзає в лід у вигляді дрібних краплин міцного розчину солей, які істотно впливають на фізико-хімічні і механічні властивості морського льоду. Чим нижча температура, за якої відбувається замерзання води, тим більше краплинок розсолу залишається в морському льоді і тим більша його солоність. Солі, що випадають у процесі замерзання морської води у поверхневий шар, збільшують його солоність, що приводить до зниження температури замерзання.

Температура найбільшої відносної щільності і температури замерзання морської води зі збільшенням солоності знижуються.Так, при солоності 24.7 ‰ обидві температури стають однаковими: –1.33 °С. Води, солоність яких менша за 24.7 ‰, називаються солонуватими, температура їх найбільшої густини вища за температуру замерзання. Тому процес замерзання води солоністю менше 24.7 ‰ відбувається так, як у прісній воді: спочатку вода досягає температури найбільшої густини за даної солоності, а потім досягає точки замерзання.

У воді солоністю більше 24.7 ‰ температура самої високої густини завжди нижча за температуру замерзання. Тому до самого моменту замерзання густина морської води зі зниженням температури збільшується, і верхні охолоджені шари води (як більш важкі) занурюються вниз, а на поверхню піднімаються менш щільні і більш теплі води, що ускладнює льодоутворення. У зв’язку з цим у морях і океанах вода замерзає тільки після тривалих осінніх холодів, коли уся товща води, що охоплена вертикальною циркуляцією (конвекцією) охолоджується до температури замерзання.

Замерзання морського льоду триває до температури – 55 °С. Саме при цій температурі замерзають усі згустки розсолу, які можуть знаходитись між кристаликами льоду, і утворюється суміш кристалів льоду і солей – кріогідрат. Але деякі солі кристалізуються і при вищій температурі: при – 8.2°С із розсолу випадають згустки сульфату натрію; при температурі – 23 °С – хлориди; при –55 °С – хлористий кальцій. Ці температури називаютьсяевтектичними.З підвищенням температури від – 55 °С морський лід починає танути.

Фізико-хімічні властивості морського льоду.Морський лід є складним фізичним тілом, яке складається із кристаликів прісного льоду, розсолу, пухирців повітря і різних побічних домішок. Співвідношення цих компонентів залежить від умов утворення льоду і подальших процесів, що відбуваються в ньому, в той же час впливають на фізико-хімічні і механічні властивості морського льоду.

Однією з найважливіших фізико–хімічних властивостей морського льоду є його солоність. Солоність– це кількість солей у грамах в 1 кг води, отриманої при розтоплені льоду. Солоність морського льоду залежить перш за все від солоності морської води (чим більша солоність води, тим більша солоність льоду), але завжди менше солоності води з якої він утворився. У водах Арктики і Антарктики солоність льоду від 22 до 23 ‰; в інших басейнах у середньому від 3 до 8 ‰ і не перевищує 15 ‰.

Солоність льоду залежить від температури повітря, швидкості вітру в період його формування тощо. При низькій температурі швидкість росту кристалів більша, а розміри менші. Вітер і хвилювання сприяють хаотичному перемішуванню кристалів, при цьому швидкість витікання розсолу менша, ніж при впорядкованій орієнтації. Солоність буває підвищеною тоді, коли лід утворюється зі снігу, який випав на поверхню моря і утримує велику кількість води. Зі збільшенням товщини льоду розміщення кристалів стає більш впорядкованим, розміри більшими, що сприяє витіканню розсолу через капіляри, дрібні тріщини й пустоти, тому морський лід поступово опрісніється, і чим він старіший, тим більш прісний.

Тому багаторічний лід частіш за все прісний; особливо сильно опріснюється лід під час танення внаслідок того, що розсіл стікає по капілярах униз. У помірних широтах до кінця весни, а в полярних областях наприкінці літа вода, що одержана з розтопленого льоду, може бути використаною для питних і технічних потреб. Середня солоність багаторічного льоду становить 1–2‰.

Другою важливою властивістю морського льоду є щільність. Щільність і плавучістьморського льоду залежить від температури, солоності, умов льодоутворення і пористості, а також від кількості пухирців повітря, що включені в лід.

Щільність морського льоду коливається від 0.85 до 0.94 г/см³. Чим старіший лід, тим щільність менша. Щільність чистого прісного льоду дорівнює 0.9176 г/ см³при температурі 0 °С і 0.9377 при – 25 °С. Чим більший вік льоду, тим менша щільність.

У зв’язку з різною щільністю і структурою підвищення льоду над поверхнею води (плавучість)може коливатись в межах від 1/6 до 1/15 його загальної товщини. Плавучість льоду тим більша, чим більша його товщина , і щільність води і чим менша щільність льоду.

Теплове розширення морського і прісного льоду різні. Прісний лід при підвищенні температури розширюється, а морський, навпаки, збільшується в об’ємі при зниженні температури від 0 до –23 °С.Пояснити це можна так, в межах вказаного температурного інтервалу одночасно діють два взаємно протилежних процеси: а саме процес нормального зменшення об’єму за рахунок зниження температури і процес збільшення об’єму за рахунок виморожування із сольового розсолу додаткових порцій льоду, що утримуються в кризі.

З заступанням тепла відбувається термічне розширення льодового покриву. Тиск, що виникає внаслідок термічного розширення, поширюється в горизонтальному напрямі, супроводжується сильним зміщенням льоду і може викликати великі пошкодження причалів, пірсів та інших портових гідротехнічних споруд, а також суден, що стоять у порту або дрейфують у кризі.

Механічні властивості морського льоду визначаються ступенем її солоності, температурою, густиною тощо. Морський лід порівняно з прісноводним, відрізняється більшою пружністю й пластичністю. Під дією хвиль лід вільно вигинається, повторюючи їх обрис. Морський лід менш міцний, ніж річковий. Міцність льоду, величина допустимого навантаження на лід, залежать від його товщі, температури, солоності та ін. (табл. 10.6).

Таблиця 10.6

Допустимі навантаження рівного морського льоду

Найменша розрахункова товща льоду, см	Загальна маса, т
5	0,1
10	0,5
15	3,5
20	6,5
25	10,1
30	15,0
35	18,0
40	22,0
50	25,0

Зі зниженням температури повітря твердість значно збільшується. Так, твердість прісного льоду при 0 °С близька до твердості кам’яної солі, при –30°С – твердості плавикового шпату, а при –50 °С – граніту. Одночасно зі збільшенням твердості та зі зниженням температури збільшується ламкість льоду. Під час сильних морозів лід легко розколюється на великі глиби навіть при порівняно слабких ударах. Вважається, що міцність морського льоду становить 75 % міцності річкового льоду.

Різновиди льодів.Для утворення льоду необхідно не тільки охолодження води до точки замерзання, але й наявність ядер кристалізації. Коло ядер кристалізації утворюються частки льоду, які мають форму дрібних дисків, які зростаючись, перетворюються нальодові голки– кристали чистого льоду довжиною від 0,5–2 см до 10 см.

Змерзання льодових голок між собою приводить до утворення на поверхні моря сало, яке має вигляд плям сірувато-свинцевого кольору.

Сніг, що випадає на поверхню моря, ущільнюється і перетворюється на кашоподібну масу – сніжницю.

Внутрішньоводна крига– накопичення льодових кристалів у товщі води або на дні океану.

При спокійному стані моря з сала утворюється суцільний тонкий льодовий покрив товщиною до 5 см. У солоних водах він еластичний, має матову поверхню і називається ніласом. У розпріснених водах цей покрив має вигляд прозорої блискучої кірки і називаєтьсясклянкою.

Під час невеликого хвилювання утворюються невеликі крижини у вигляді дисків діаметром 30–50 см і такий лід дістав назву млинчастого.

Шуга– під час сильного хвилювання шар сала разом із внутрішньоводною кригою утворюють не моноліт, а кашоподібну кригу.

При подальшому наростанні склянки і ніласу, а також при замерзанні сніжниці і млинчастого льоду утворюється порівняно рівний лід сірого кольору, який називається молодим льодом.

Пак– багаторічна крига у високих широтах Арктики. Для нього характерний блакитний колір.

У зв’язку з різною щільністю і структурою підвищення льоду над поверхнею води (плавучість) може коливатись в межах від 1/6 до 1/15 його загальної товщини. Плавучість льоду тим більша, чим більша його товщина і щільність води та чим менша щільність льоду.