Структура и связанные с нею свойства морского льда

Выше рассматривались только исследования по физике и химии вод Мирового океана. Но иностранные океанологи занимаются не только водой океанов, но и морскими льдами. Морские ледовые исследования проводятся в Польше, ГДР, ФРГ, скандинавских странах, Финляндии, Англии, Исландии, Аргентине и особенно в Японии, Канаде и США. Там разработаны свои методы наблюдений и прогнозов. При этом много внимания отводится физическим свойствам льда, как с точки зрения плавания во льдах, создания аэродромов и переправ на льду, так и для повышения качества прогнозов взлома припая, торошения, нарастания льда и многих других ледовых явлений.

Практика потребовала обстоятельного изучения льда. Понадобились исследования структуры и химии льда как факторов, определяющих его физические свойства. В США уже разработана схема строения морского льда, достаточно хорошо отражающая его свойства. Известно, что лед, образовавшийся из морской воды, состоит из ледяных образований, в пределах каждого из которых лед практически с одинаковой интенсивностью светится при применении системы скрещенных поляроидов. Однако свечение различных образований неодинаково.

Большинство ученых называют такие образования кристаллами, другие не согласны с этим, так как они обладают сложной микроструктурой — состоят из множества параллельных друг другу пластинок, границы которых можно увидеть в поляризованном свете. Такие пластинки считают кристаллами льда, а ледяные образования с одинаковыми оптическими свойствами называют термином «зерна», обычно употребляемым в другом смысле. Существует мнение (Б. А. Савельев, личное сообщение), что пластинки на самом деле части монокристаллов, а молекулярная (решетка в самих пластинках более плотная, чем на их границах. Для ширины и длины пластинок математических выражений этой связи не найдено, но для толщины пластинок (w) получена формула

(Уикс и Гамильтон, 1962). Показатель степени k сам зависит от скорости нарастания льда dh/dt и при малых значениях ее k близко к 0, а при больших — к 1. Принимается, что в среднем k = 0,5.

В толще ледяного покрова оптические оси горизонтальны, т. е. ледяные пластинки вытянуты по вертикали и только в самой верхней части ледяного покрова пластинки располагаются горизонтально, а их оптические оси — вертикально. Переход от одной ориентации к другой происходит постепенно, в так называемом переходном слое. Глубина этого слоя невелика.

Андерсон и Уикс (1958) указывают, что она зависит от условий ледообразования, а в среднем около 1,5 см. М. П. Ланглебен (1959) наблюдал в заливе Св. Лаврентия в Шиппигэна переходный слой на глубине от 2,5 до 5 см от поверхности льда, если не считать находящегося на ней инфиль- трационного льда (состоящего из снега, пропитанного морской водой и смерзшегося). Но Паундер и Литтл (1959) отметили положение переходного слоя и на глубине от 25 до 74 см.

Приблизительно на тех же горизонтах находился переходный слой и во льду Берингова моря, где его определял Литтл (Паундер и Литтл, 1959). Паундер и Литтл указывают на резкие колебания положения переходного слоя, но Ланглебен видит причину этого в том, что они не учитывали слоя инфильтрационного льда. Этим же Ланглебен объясняет и большую глубину переходного слоя, полученную Паундером и Литтлом. Такая критика заставила Перся и Паундера (Э. Паундер, 1967) произвести специальные опыты по замораживанию морской воды в условиях, близких к естественным. В результате было установлено, что на горизонте 13 см еще менее половины оптических осей кристаллов отклоняются от вертикали на углы 80—90° и только с горизонта 20 см практически оптические оси всех кристаллов становятся горизонтальными.

Эти исследования микроструктуры дали возможность А. Ассуру (1958), Д. Л. Андерсону и У. Ф. Уиксу (Андерсон и Уикс, 1958; Андерсон, 1958, 1960) разработать схему строения морского льда, позволившею количественно оценить его свойства. По этой схеме вследствие неравномерного переохлаждения верхних слоев морской воды нижняя поверхность льда имеет сложную структуру. Здесь образуются ледяные пластинки, разделенные промежутками воды. Эти пластинки растут вниз быстрее, чем по горизонтали, вследствие чего промежутки воды между ними превращаются в тонкие пленки.

По мере дальнейшего нарастания льда температура в каждом образовавшемся ранее слое ледяного покрова понижается, часть воды замерзает, объем жидких пленок уменьшается, а концентрация солей в них растет. Под действием поверхностного натяжения пленки рассола стремятся разорваться на вертикальные цилиндры. На определенной стадии развития пленки рассола становятся неравномерными по толщине, а затем разрываются на вертикальные цилиндры с круговым или эллиптическим сечением (рис. 1 в, г).

Рис. 1. Схема структуры морского льда (по Д. Л. Андерсону и У. Ф. Уиксу, 1958)

Дальнейшее понижение температуры льда вызывает замерзание части рассола в цилиндрах, отчего уменьшается их сечение и они могут разорваться на ряд полостей, вытянутых по вертикали. При последующих повышениях температуры за счет таяния части льда ячейки могут вновь расти по горизонтали и вертикали и соединяться в сквозные канальцы.

Средняя толщина неразорвавшейся пленки рассола = 0,77 мм. После разрыва диаметр цилиндров (d) несколько возрастает и в среднем становится равным 0,136 мм, а расстояние между центрами соседних цилиндров l₀ = 0,23 мм. Отсюда Андерсон и Уикс получили средние отношения d₀/l₀ = 0,30 и d/d₀ = 1,94. Близкие результаты нашел и У. Накая (1956):

Весною рассол замещается воздухом или водой. Газы, включившиеся в лед во время его образования, располагаются по границам пластинок. Здесь же кристаллизуются твердые соли, выпадающие при частичном замерзании рассола.

По рядам цилиндрических ячеек с рассолом и полостей с газами проходят линии разрыва льда. Исследования Андерсона и Уикса имеют большое значение для расчетов временного сопротивления льда, его несущей способности и других величин, связанных с прочностью ледяного покрова. При различных направлениях разрушающей силы относительно ориентации ячеек во льду должны получиться разные по типу зависимости сопротивления льда от количества включенного в него рассола.