Структура и связанные с нею свойства морского льда. Продолжение

Описанная схема структуры льда позволяет не только вычислять теоретическим путем свойства морского льда в зависимости от количества рассола в нем. Д. Л. Андерсон (1960) применил ее для расчетов теплопроводности и электропроводности морского льда. Однако такая схематизация строения льда чаще всего применяется для расчетов его механических свойств, особенно сопротивления на растяжение. Этот вид испытаний льда широко распространен в США и Канаде как наиболее простой и массовый (Цуриков и Церерина, 1964). Зависимость этого вида сопротивления льда ^σр от относительного объема жидкой фазы в нем выражается формулой

где ^σо — сопротивление льда, лишенного включений рассола, k — коэффициент концентрации напряжений, V — объем рассола в единице объема морского льда, Z_о— вертикальное рас стояние от центра одной ячейки рассола до другого, z — высота ячейки.

Считалось, что коэффициент концентрации напряжений близок к 3, но позднее финский ученый И. Сала (1961) на основании наблюдений заключил, что k = 1. Позднее к такому же выводу пришли У. Ф. Уикс (1962) в США и П. Грейстон и М. П. Ланглебен (1963) в Канаде. При этом условии получается вполне удовлетворительное совпадение вычисленных значений ^σр с наблюденными. Только при большом объеме рассола во льду ^σр не зависит от V. Ячейки с рассолом имеют форму цилиндров эллиптического сечения с постоянной большой полуосью. При иной форме ячеек σ должно находиться в линейной зависимости от других степеней V. Для остальных видов сопротивления морского льда (сжатие, изгиб, сдвиг, кручение) зависимости а от У получаются не столь тесными,, но все же по большей части вполне четкими.

Заслуживает внимания то обстоятельство, что нет явного влияния температуры льда на его прочность; при одних и тех же значениях величины измеренные при различных температурах, одинаково близки к вычисленным. Отсюда можно заключить, что температура льда сказывается на его сопротивлении только через изменение объема жидкой фазы. Если это так, то существо влияния температуры на прочность морского льда иное, чем для пресноводного. Для последнего хорошо известна связь временного сопротивления с температурой (Б. П. Вейнберг, 1940). Вследствие малой минерализации льда трудно предположить, чтобы изменения жидкой фазы в нем были бы столь значительны, чтобы вызвать заметное увеличение его прочности при понижении температуры.

На прочности морского льда не сказываются включения твердых солей. Поскольку эвтектическая точка сернокислого натрия равна —8,2°, то при более низкой температуре эта соль должна находиться в твердом состоянии, а при более высокой— в растворе. Тогда значения ^σр для температур выше и ниже —8,2° должны были бы различаться. Фактически же этого не наблюдается, что ставит под сомнение гипотезу Ассура (1958) об упрочнении льда твердыми солями. Имеются факты, как говорящие в пользу этой гипотезы, так и противоречащие ей. Среди последних, пожалуй, наиболее интересны данные экспериментов П. Хокстра, Т. Остеркампа и У. Ф. Уикса (1965), показавшие, что твердые соли мигрируют в ледяном покрове в сторону более высоких температур с той же скоростью, что и ячейки рассола. Следовательно, кристаллы солей и льда не могут быть прочно связаны и твердые солевые включения не должны повышать прочность льда.

Для других механических свойств морского льда делались попытки найти эмпирические связи их с количеством рассола. Теоретический подход применил только Дж. X. Браун (1966) для анализа скорости упругих колебаний во льду. Он рассматривал морской лед как перфорированную пластинку, т. е. по существу применил самую примитивную из моделей Андерсона и Уикса (1958). Можно полагать, что применение более совершенной модели позволит получить количественные связи со скоростями упругих колебаний во льду и другими, связанными с ними характеристиками: модулями упругости и сдвига, коэффициентом Пуассона и т. д.