Дерзкие мысли о климате

На реках вне криолитозоны, например, европейской части СССР, в силу увеличенного грунтового питания чаще наблюдается обратная зависимость толщины льда от динамики потоков. Вероятно, это обстоятельство и обусловило тот факт, что о термомеханическом намерзании долгое время мало что знали. Часто считается, что отсутствие льда на водоёме зимой всегда приводит к резкому увеличению им потерь тепла и с учетом этого рассчитывают общие потери тепла водоёмом. Следует, однако, знать, что водоём может терять тепло только тогда, когда имеет его, то есть когда температура воды ещё не снизилась до температуры замерзания. Когда же это произошло, то все потери тепла могут выражаться только в намерзании льда, если даже он и не сплачивается в стабильный ледяной покров. Не учитывая этого обстоятельства, можно допустить ошибку в оценке зимних потоков тепла от воды, что, вероятно, и имеет место.

На быстрых сибирских реках замечено, что чем ниже температура воздуха, тем меньше собирается ледяного материала в зажоре. Вероятно, это обусловлено более ранним смерзанием ледяных образований при понижении температуры воздуха. Эта интересная особенность термомеханического утолщения льда, которую можно охарактеризовать афоризмом «чем больше мороз – тем меньше образуется льда» по свидетельству полярников наблюдается и в Арктическом бассейне и объясняется тем, что при сильном морозе бывает меньше причин для подвижек льда, приводящих к его торошению и образованию разводий.

Термомеханическое льдообразование имеет свое отражение в ходе теплообмена океана с атмосферой: торошение всегда заканчивается утолщением льда, ослаблением и временным прекращением этого теплообмена, а вскрытие разводий – увеличением его преимущественно за счет интенсификации льдообразования на открывшейся воде. Процессы термомеханического намерзания льда могут вносить существенные коррективы в привычное представление о якобы плотной связи интенсивности намерзания льда (изменений ледовитости) с температурой воздуха. Уже и потому термомеханические процессы заслуживают большего внимания, чем ему уделялось до сих пор. Поскольку основой термомеханического увеличения масс является смерзание, то изучение этих явлений правильнее будет начать с исследования теплофизических критериев процесса смерзания. Теоретические оценки и специально поставленные опыты показали, что различие коэффициентов теплопроводности и иных теплофизических характеристик воды и льда благоприятствуют тому, что охлажденные до небольшой отрицательной температуры льдины могут смерзаться не только в предельно охлажденной, но даже и в горячей воде (Бондарев, Файко, 1974). При контакте льдин в воде их смерзание может быть обеспечено настолько незначительным охлаждением, что измерять его зачастую оказывается невозможным. Смерзание льдин в реальных условиях водоёма может стимулироваться как охлаждением тех из них, которые контактируют с морозным воздухом, так и собственным «запасом холода» в льдинах, или хотя бы в одной из них. Поскольку удельная теплоёмкость льда на два порядка меньше удельной потери тепла, вызывающей кристаллизацию воды, то смерзание даже предельно прогретого льда до определенного, регламентируемого теплопроводностью периода, может происходить на два порядка интенсивнее, чем намерзание нового льда на воде. Оценка показывает, что готовый ледяной материал пресного водоёма под воздействием цикла зимнего охлаждения может смерзнуться на глубину до 15–20 м. Хорошо прогретый морской лёд в этих же условиях смерзнется на глубину 5…7 м.

Смерзание льда, имеющего собственный «запас холода», вовсе не зависит от температуры воздуха, а масса смерзающегося льда может быть сколько угодно большой. Обнаруживаемые в Арктическом бассейне спаянные нагромождения льда мощностью до 50 м свидетельствуют о том, что их смерзание стимулировалось собственными «запасами холода».

Несложно, например, рассчитать, что кусок льда охлажденный до минус 40 °C, будучи погруженным в предельно охлажденную воду вызовет вокруг себя обмерзание ещё 250 г воды, то есть обеспечит примораживание к другой льдине. Загрузка льда под нижнюю поверхность ледяного покрова вызовет ускорение наращивания его толщины сообразно плотности упаковки льда и его собственной температуры (табл. 2).

Таблица 2 Ускорение намерзания (число раз) пресного ледяного покрова при загружении под него ледяной крошки

* Крошка полностью смерзается за несколько часов