Свойства и особенности морских, озерных и речных льдов

Морско́й лёд — лёд, образовавшийся в море (океане) при замерзании воды. Так как морская вода солёная, замерзание воды с солёностью, равной средней солёности Мирового океана происходит при температуре около −1,8 °C.

Важнейшие свойства морского льда — пористость и солёность, определяющие его плотность (от 0,85 до 0,94 г/см³). Из-за малой плотности льда льдинывозвышаются над поверхностью воды на ¹/₇—¹/₁₀ их толщины. Таяние морского льда начинается при температуре выше −2,3 °C. По сравнению с пресноводным он труднее поддаётся раздроблению на части и более эластичен.

Главная особенность морского льда — его соленость, под которой понимают соленость воды, образующейся при его таянии.

Солёность. Солёность морского льда зависит от солёности воды, скорости льдообразования, интенсивности перемешивания воды и его возраста^[1]. В среднем солёность льда в 4 раза ниже солёности образовавшей его воды, колеблясь от 0 до 15 промилле (в среднем 3—8 ‰).

Плотность Морской лёд является сложным физическим телом, состоящим из кристаллов пресного льда, рассола, пузырьков воздуха и различных примесей. Соотношение составляющих зависит от условий льдообразования и последующих ледовых процессов и влияет на среднюю плотность льда. Так, наличие пузырьков воздуха (пористость[3]) значительно уменьшает плотность льда. Солёность льда оказывает на плотность меньшее воздействие, чем пористость. При солёности льда 2 промилле и нулевой пористости плотность льда составляет 922 килограмма на кубический метр, а при пористости 6 процентов понижается до 867. В то же время при нулевой пористости увеличение солёности с 2 до 6 промилле приводит к увеличению плотности льда только с 922 до 928 килограммов на кубический метр[4].

Под механическими свойствами льда понимают его способность противостоять деформациям. Типичные виды деформации льда: растяжение, сжатие, сдвиг, изгиб. Выделяют три стадии деформации льда: упругая, упруго-пластическая, стадия разрушения. Учёт механических свойств льда важен при определении оптимального курса ледоколов, а также при размещении на льдинах грузов,полярных станций, при расчёте прочности корпуса судна.

Озёрный лёд. В среднем замерзание Байкала начинается в конце декабря, а кончается в середине января. При ранних морозах толщина льда бывает большей, поэтому вскрытие происходит позднее (в мае). Озеро покрывается льдом целиком, кроме небольшого участка в истоке Ангары. В бесснежные зимы при замерзании свободной поверхности воды образуется прозрачный лед толщиной до 1 метра. Чем больше снега, тем тоньше ледяной покров, нагромождение обломков льда (торосы) бывают от 1 до 12 м высотой. При колебаниях температуры воздуха лед расширяется или сжимается, образуя становые щели (трещины от 0,5 до 4 м шириной) или воздвигая торосы. Весной возникает надвиг - нагромождение движущейся массы льда огромной силы, лед может выжиматься на берег на расстояние до 20 - 30 м. Зимой, после замерзания всей акватории водоема, при значительном понижении температуры, происходит растрескивание льда, сопровождаемое шумом и грохотом. Кроме того, на Байкале часто происходят зимние взломы ледяного покрова, под влиянием жестоких штормов даже монолитный лед, не имеющий сквозных трещин, разламывается. Осенью в переохлажденной воде возникают кристаллы льда(внутриводный лед), которые постепенно всплывая образуют шугу. При замерзании озера во время шторма образуются сокуи, или ледяные наплески на промерзших скалах и камнях. Росту сокуев способствует выбрасываемый волнами лед-шорох. Это внутриводный крупитчатый лед, имеющий игловидную, чечевицеобразную, гороховидную формы размером от 1 до 20 мм в поперечнике. Сало - плоские тонкие кристаллы льда на спокойной поверхности воды, являются первым признаком ее охлаждения ниже 0 градусов по Цельсию. При замерзании озера и разрушении его ледяной кромки волнами формируется окатанная форма блинчатого льда мутного цвета - колобовник.

Особенность речного льда заключается в том, что ледообразование происходит при движении воды. Озерные льды образуются как при спокойном состоянии воды, так и при ветровом волнении. Льды небольших водоемов большей частью образуются при спокойном состоянии воды и устойчивом распределении температуры в водоеме.

По мере понижения температуры воздуха усиливается перемешивание воды. Поверхностный слой охлаждается, плотность воды увеличивается. Охлажденная вода опускается ко дну, а на ее место поднимается более теплая вода из нижних слоев. Такой процесс может продолжаться до тех пор, пока вся толща воды не охладится до температуры +4°С, при которой плотность воды достигает максимального значения. После этого дальнейшее охлаждение происходит лишь в приповерхностном слое. Температура водной поверхности опускается ниже нуля, и начинается процесс ледообразования. Зародившиеся на поверхности воды кристаллы льда растут вниз, часть из них выклинивается, а оставшиеся утолщаются. Ледяной покров приобретает столбчатую структуру.

При замерзании воды в условиях сильного перемешивания, быстрого охлаждения и наличия большого количества центров кристаллизации растут изометричные кристаллы неправильной формы с отсутствием четко выраженных граней и беспорядочной ориентировкой их осей. Лед такой структуры образуется на реках с быстрым течением и озерах в условиях сильного волнения в период ледостава.

27.. Подземные льды и многолетняя мерзлота, их распространение, строение и значение для социально-экономической сферы.

Подземный лед – лед, содержащий в мерзлых почвах, горных породах, грунтах; входит в состав земной коры, как в качестве мономинеральной горной породы, так и в качестве составной части полиминеральных горных пород.
В случае, когда лед выступает в роли породообразующего минерала полиминеральных горных пород, он не образует крупных скоплений, а рассеян среди других составных частей пород в виде цементирующей составляющей (лед-цемент) или образует прослойки, прожилки-шлиры (сегрегационный или текстурный лед).
Подземные льды, образующиеся крупные массивные залежи, могут активно внедряться в горные породы в виде ледяных клиньев и жил, линзовидных и пластовых тел, формирование которых связано в первом случае с морозобойным трещинообразованием, а во втором – с инъекциями водных масс в промерзающие толщи или с длительным послойным, сегрегационным льдовыделением. Крупные ледяные залежи могут образовываться вне связи с процессом промерзания горных пород, в наземных условиях, а затем быть погребены осадками, быстро переходящими в мерзлое состояние, т.е. являться по отношению к ним инородными (аллотигенными) образованиями. Это погребенные речные, озерные, морские льды, снежники, ледники. Наконец, особую разновидность составляют пещерные льды, возникающие в карстовых и термокарстовых пустотах.

Зимой в северных странах образуется почвенный лёд, заполняющий поры грунта. Глубина промерзания тем больше, чем ниже зимние температуры и чем тоньше снежный покров, защищающий почву. В большей части умеренного пояса промерзание имеет сезонный характер (сезонная мерзлота). В областях с отрицательной температурой ниже зоны сезонной мерзлоты в зоне постоянной температуры горные породы остаются мёрзлыми круглый год. Вода в порах горных пород находится всё время в твёрдом состоянии (грунтовый или подземный лёд). В таких случаях говорят о многолетней, постоянной или вечной мерзлоте. Она широко распространена в субполярном и холодно-умеренном климате (Канада, Аляска, Восточная Сибирь) и занимает 14% площади суши. Почва здесь имеет следующие особенности в разрезе: вверху (1,5-2 м) находится деятельный слой - слой сезонной мерзлоты. Он насыщен водой или частично содержит воду в нижней части над водоупорными слоями (надмерзлотные воды). Ниже лежит постоянно мёрзлый слой. Далее сказывается влияние внутреннего тепла Земли, циркулируют жидкие подземные воды, обычно имеющие гидростатический напор (подмерзлотные воды). Есть также межмерзлотные воды, появление которых связано с неравномерным распределением температур. Участки талого грунта, к которым они приурочены, называются талики. Эти воды приобретают напор, если они сжимаются замерзающими породами. Поднимаясь по трещинам под действием напора, воды могут замерзать в почве в виде крупных линз, поднимающих поверхностный слой (гидролакколиты). Образующиеся над ними бугры с ледяным ядром (булгунняхи) имеют высоту до 10 м и более.

«Вечная мерзлота» (многолетняя криолитозона, многолетняя мерзлота) — часть криолитозоны, характеризующаяся отсутствием периодическогопротаивания. Общая площадь вечной мерзлоты на Земле — 35 млн км². Распространение — север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана, Антарктида. Районы многолетней мерзлоты — верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2—3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C. В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, её глубина иногда превышает 1 000 метров.

Вечная мерзлота — явление глобального масштаба, она занимает не менее 25% площади всей сушиземного шара. Материк, где вечная мерзлота отсутствует полностью, — это Австралия, в Африкевозможно её наличие только в высокогорных районах. Значительная часть современной многолетней мерзлоты унаследована от последней ледниковой эпохи, и сейчас она медленно тает. Содержание льда в промерзлых породах варьируется от нескольких процентов до 90%. В многолетней мерзлоте могут образоваться залежи газовых гидратов, в частности — гидрата метана.

От 60%^[1][2] до 65%^[3][4] территории России — районы многолетней мерзлоты. Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.

Самый глубокий предел многолетней мерзлоты отмечается в верховьях реки Вилюй в Якутии. Рекордная глубина залегания многолетней мерзлоты — 1 370 метров — зафиксирована в феврале 1982 года.

Учёт многолетней мерзлоты необходим при проведении строительных, геологоразведочных и других работ на Севере.

Многолетняя мерзлота создаёт множество проблем, но от неё есть и польза. Известно, что в ней можно очень долго хранить продукты. При разработке северных месторождений мерзлота, с одной стороны, сильно мешает, так как промёрзшие породы обладают высокой прочностью, что затрудняет добычу. С другой стороны, именно благодаря мерзлоте, цементирующей породы, удалось вести разработку кимберлитовых трубок в Якутии в карьерах — например, карьер трубки Удачная — с почти отвесными стенками.