Лёд Земли
В хрестоматийном толковом словаре живого великорусского языка Даля лёд определяется как «мёрзлая вода; застывшая и отверделая от стужи жидкость». Во всех толковых словарях и энциклопедиях, изданных позднее словаря Даля (после середины 60-х годов XIX века), теми или иными словами повторяется это определение. Современная наука, однако, знает, что лёд образуется не только из воды. Кроме водяного льда бывает аммиачный и метановый. Недавно люди научились производить, при замораживании углекислоты, и сухой лёд, названный так, поскольку при таянии он не оставляет луж и сразу испаряется. Любой лёд интересен по-своему, но далее мы остановимся только на самом распространённом на планете Земля виде льда – из воды.
При ледообразовании вода приобретает твёрдую кристаллическую форму, обладающую четырнадцатью структурными модификациями (причём последние две модификации открыты только в 2006 году). Модификации различаются взаимным расположением и физическими свойствами молекул воды, соединённых водородными связями, формирующими кристаллическую решетку льда. В естественных природных условиях Земли устойчива лишь одна модификация: когда вода кристаллизуется в гексагональной решётке, напоминающей структуру драгоценных камней и минералов – алмаза, турмалина, кварца, корунда, берилла. В этом “природном” льду каждая молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё, равных 2.76 ангстрем и размещённых в вершинах правильного тетраэдра. В общем, не вдаваясь в дальнейшие подробности, важно понимать, что природный лёд, о котором пойдёт речь далее, имеет кристаллическую структуру.
На Земле традиционно выделяют четыре основные оболочки: воздушную оболочку (атмосфера), толщу твёрдых и рыхлых пород на поверхности (литосфера), сферу обитания живых организмов (биосфера) и водную оболочку (гидросфера). Лёд существует во всех оболочках (поэтому иногда выделяют ещё одну оболочку – криосферу, простирающуюся от верхних слоёв атмосферы до глубин литосферы) кроме, пожалуй, биосферы. Конечно, сами организмы живут среди льдов, но внутри них льда нет, так как кристаллы разрушают ткани.
Несмотря на одну и ту же кристаллическую структуру, лёд, в зависимости от условий и места (оболочки) своего образования, может принимать различные формы. Это иней, градины, хлопья снега, которые образуются в атмосфере. Это замёрзшая грунтовая вода в толще пород, называемая многолетней мерзлотой, в толще литосферы. Это ледники, образующиеся на поверхности суши в районах со среднегодовой температурой воздуха ниже нуля (высокие горы, острова Арктики, Антарктида) из твёрдых атмосферных осадков. Осадки, при отрицательной среднегодовой температуре, не успевают полностью таять, поэтому накапливаются, уплотняются, перекристаллизуются и, в результате, образуют ледник. Это, наконец, лёд на поверхности пресных и солёных водоёмов. Лёд солёных водоёмов называется морским.
Плавучий лёд, о котором пойдёт речь далее, плавает на поверхности океанов и морей и на 98-99% по площади состоит изо льда, образованного из морской солёной воды. Какую-то часть площади занимают сползшие в воду и находящиеся на плаву фрагменты ледников – айсберги. Другая небольшая часть – это пресный лёд, выносимый реками в моря во время половодья начала арктического лета.
Рисунок 1. Зависимость температуры замерзания (красная линия) и температуры наибольшей плотности (синий пунктир) воды от солёности. Температура (вертикальная ось) представлена в градусах Цельсия. Солёность (горизонтальная ось) представлена в так называемых единицах практической солёности – psu (количество твёрдых веществ в граммах, растворённых в 1 кг воды). Диапазон солёности верхних слоёв полярных океанов составляет 27 – 34 psu.
В силу известных свойств воды (см. рис.1), образование льда в море и в пресноводных водоёмах существенно отличается. Общим условием является только необходимость наличия воздуха с отрицательной температурой, который, осуществляя теплообмен с верхним слоем воды, охладил бы этот слой до температуры замерзания. В случае пресной воды с солёностью 0 psu, до достижения водой температуры максимальной плотности при данной солёности в 3.980 С, каждая охлаждённая частица воды становится плотнее (тяжелее) нижележащих вод. Такая более холодная частица опускается вниз, создавая, тем самым, процесс конвекции. Нижележащие частицы воды поднимаются “для взаимодействия” с атмосферой, тоже охлаждаются, тоже становятся плотнее и тоже опускаются. В конце концов температура воды на поверхности пресного водоёма достигает температуры максимальной плотности, частицы воды, теперь уже более лёгкие, чем нижележащие, перестают опускаться и заменяться, верхний слой продолжает охлаждаться и, при достижении температуры воды 00 С, образуется пресный лёд. Лежащий подо льдом слой воды пресных водоёмов остаётся с температурой на примерно 40 С выше температуры замерзания.
Совсем по-другому происходит ледообразование из морской воды. Добавление соли в воду, как видно на рис.1, понижает и температуру наибольшей плотности, и температуру замерзания. При солёности больше 24.7 psu плотность воды при охлаждении всегда увеличивается, создавая неустойчивую стратификацию воды. Частицы с большей плотностью опускаются, более тёплые и менее плотные частицы из глубины поднимаются к поверхности им на замену, происходит вертикальное конвективное перемешивание. Такое перемешивание в некоторых районах океана (море Лабрадор и Гренландское, например) достигает глубин первых тысяч метров. Однако чаще в океане, на горизонтах в несколько десятков метров от поверхности, по комплексу причин, связанных с взаимодействием вод внутри самого океана, присутствуют воды ещё большей плотности, чем те, которые опускаются вниз при охлаждении в результате взаимодействия с атмосферой. Такой слой ещё более плотных вод, часто называемый галоклином, ограничивает глубину термального конвективного перемешивания, и когда весь слой выше галоклина перемешается и охладится до температуры замерзания при данной солёности, на поверхности начинается ледообразование. Горизонт залегания галоклина в существенной мере определяет начало ледообразования, поскольку на вертикальное перемешивание слоя от поверхности до галоклина требуется время. При одинаковых характеристиках холодной атмосферы, заглубление верхней границы галоклина (и, соответственно, увеличение толщины слоя конвективного перемешивания) от 10 м до, скажем, 50 м, влечёт за собой “запаздывание” образования льда на поверхности на два месяца.
Когда температура всего перемешанного слоя морской воды достигает температуры замерзания при данной солёности, в верхнем слое воды толщиной несколько мм начинают образовываться ледяные кристаллы. Их плотность, как и плотность любого природного льда, меньше плотности воды, и поэтому они остаются на поверхности. Как правило, в природе хоть какие-то возмущения верхнего слоя морской воды существуют (волны, перемешивание ветром и др.). Процессы перемешивания перераспределяют кристаллы в нескольких дециметрах поверхностного слоя. В случае продолжения охлаждения, кристаллов становится всё больше, они смерзаются, и образующийся слой льда модифицирует процессы взаимодействия океана, как и любой другой воды, и атмосферы. Даже начальные формы льда демпфируют процессы перемешивания и гасят волны.
Пока температура воздуха надо льдом остаётся ниже точки замерзания при данной солёности, тепло как бы “высасывается” из воды в атмосферу через лед. Когда и если этот поток тепла больше, чем то тепло, которое поступает к поверхности льда от океана, происходит дисбаланс потоков тепла. Дисбаланс компенсируется тепловыделением из-за образования нового льда на нижней поверхности уже существующего. В результате толщина льда увеличивается (рис.2).
Рисунок 2. Фрагмент однолетнего льда, полученный в результате множественных бурений до воды вокруг этого фрагмента и вынутый на поверхность льда. На нижней границе фрагмента видны ледяные иглы и пластины, свидетельствующие о происходящем процессе ледообразования. Приполюсной район Арктики. Апрель 2009. Фото Писарева С.В.
Номенклатура морских льдов
Для того чтобы специалистам, да и просто образованным в области природы Земли людям понимать друг друга при обсуждении свойств льда, международной группой экспертов Всемирной Метеорологической организации уже более полувека назад выработана так называемая номенклатура морских льдов. В последней редакции номенклатуры от 2014 года присутствуют около 210 терминов – слов и словосочетаний на английском, французском, русском и испанском языках, обозначающих те или иные наблюдаемые визульно формы льда. Слова и словосочетания сопровождаются краткими пояснительными текстами, напоминающими по форме статьи из толковых словарей.
Так, например, упомянутые двумя абзацами выше ледяные кристаллы имеют в номенклатуре номер 2.1.1, называются ледяными иглами, представляют собой “тонкие иглы или пластинки льда, взвешенные в воде”, представлены в разделе 2 – “возрастные характеристики льда” и подразделе 2.1 – “Начальные виды льдов: Общий термин для недавно образовавшегося льда, который включает в себя ледяные иглы, ледяное сало (рис.3), снежуру и шугу. Эти виды льда состоят из слабо смёрзшихся кристаллов (если они вообще смёрзлись), имеющих определённую форму, только когда они на плаву”.
Рисунок 3. Начальный вид льдов – ледяное сало. Пролив Фрама. Сентябрь 2007. Фото Писарева С.В.
Интереснейшее и редко наблюдаемое явление при образовании морских льдов представляют так называемые солевые цветы. Условием их образования является наличие невзволнованной открытой солёной воды в свежей трещине между льдов, например, в сильный мороз (от, примерно, -250С) и отсутствие ветра. В таких условиях лёд образуется так быстро, что соль “выдавливается” не только вниз, как обычно, но и на поверхность образующегося льда. Возникают своеобразные цветы, целиком состоящие из соли. Иногда размеры цветков достигают размеров кисти человека. Ветра или вашего дуновения с расстояния нескольких сантиметров (в случае, если вам посчастливилось оказаться в том месте) достаточно, чтобы цветки развеялись (рис.4).
Рисунок 4. Солевые цветы – редкая форма начальных видов морского льда. Приполюсной район Арктики. Апрель 2008. Фото Писарева С.В.
Другой термин, вынесенный в заголовок настоящей статьи, ”плавучий лёд”, представляет собой “любую форму льда, плавающего в воде. Основными видами плавучего льда являются: озёрный лёд, речной лёд, морской лёд, которые образуются вследствие замерзания воды у поверхности, и глетчерный лёд (лёд материкового происхождения), образующийся на суше или на ледяном шельфе. Это понятие включает и лёд, севший на мель”.
Ледовые термины отражают многовековой опыт моряков (а в последнее столетие – и учёных) по выделению существенных, главным образом, для мореплавания отличий в свойствах льда. За каждым ледовым термином для знающего человека стоят наборы природных процессов, которые привели к образованию той или иной формы плавучего льда, горизонтальные размеры ледяного образования, его возраст и толщина, способность к дрейфу.
Как известно, морской флот России относительно молод, по сравнению с флотами других стран (Скандинавские страны, Великобритания, Голландия), столетиями посещавших высокие широты Мирового Океана. Видимо, в силу этого в номенклатуре морских льдов много терминов, которые не переводятся на русский язык, а используются так же, как и в языке оригинала. Например, нилас (“тонкая, эластичная корка льда, легко прогибающаяся на волне и зыби и при сжатии образующая зубчатые наслоения. Имеет матовую поверхность и толщину до 10 см. Может подразделяться на тёмный нилас и светлый нилас.”) (рис.5) или айсберг (массивный отколовшийся от ледника кусок льда различной формы, выступающий над уровнем моря более чем на 5 м, который может быть на плаву или сидящим на мели. В дополнение к разделению по размерам, айсберги по своему внешнему виду могут подразделяться на столообразные, куполообразные, наклонные, докообразные, блокообразные, с остроконечными вершинами, окатанные или пирамидальные) (рис.6).
Рисунок 5. Зубчатые наслоения светлого ниласа. Снимок сделан с борта судна, с высоты 5 м, в направлении почти вертикально вниз. Акватория к северу от Шпицбергена. Сентябрь 2007. Фото Писарева С.В.
Рисунок 6. Айсберг, севший на мель, среди припайного льда. Архипелаг Земля Франца-Иосифа. Апрель 1985. Фото Писарева С.В.
Есть только три термина номенклатуры, которые не имеют переводов и на всех языках используются так же, как и звучат по-русски. Это – 1) шуга (скопление пористых кусков льда белого цвета, достигающих несколько сантиметров в поперечнике; образуется из ледяного сала или снежуры, а иногда из донного льда, поднимающегося на поверхность); 2) заструги (острые, неправильной формы гряды, образованные на снежной поверхности в результате выдувания и переноса снега ветром. На дрейфующем льду гряды расположены параллельно господствующему ветру во время их образования) и 3) полынья (устойчивое пространство чистой воды среди или на границе неподвижных льдов. Полыньи могут быть заполнены ледяной кашей или покрыты начальными видами льда, ниласом или молодым льдом).
Имея в виду популярность темы Арктики в средствах массовой информации в последние 10-15 лет, нельзя не заметить, что исконно-русский термин полынья - просто чемпион по неправильному употреблению в речи или текстах не только в среде отечественных журналистов или, скажем, путешественников-туристов, но и, что действительно прискорбно, в среде моряков-подводников и руководителей различного уровня. Полынья, как следует из её определения, располагается сравнительно недалеко от берега, потому что только здесь и существуют неподвижные льды, называемые припаем. В глубоководном Арктическом бассейне невозможно, таким образом, искать полынью для всплытия подводного аппарата или преодолевать полынью в героическом походе на лыжах или автомобилях-амфибиях. Все действия с использованием пространств открытой воды среди дрейфующих льдов вдали от побережья производятся в разводьях (любой разлом или разрыв очень сплочённого, сжатого льда, смёрзшегося сплошного льда или припая, или отдельной льдины в результате подвижек и процессов деформации. Разводья могут быть заполнены ледяной кашей, покрыты ниласом или молодым льдом. Протяжённость их может колебаться от метров до нескольких километров.) (рис.7) Разделяют четыре вида разводьев, причем каждый имеет свой характерный диапазон ширины, от 1 м до 500 м.
Рисунок 7. Узкое разводье (ширина, согласно номенклатуре морских льдов, 1- 50 м) среди сплочённых однолетних льдов. На берегах разводья образовались небольшие торосы. Время образования торосов – несколько недель назад, поскольку они уже слегка сглажены и сильно заснежены. Приполюсной район Арктики. Апрель 2007. Фото Писарева С.В.
Автор: Писарев Сергей Викторович, руководитель группы полярной океанологии Института океанологии РАН, почётный полярник РФ, к.ф.-м.н.
