Лёд и климат

20 Сентября, 2018, 11:31
Лёд и климат

Айсберг, севший на мель вблизи одной из трасс Северного морского пути. Карское море. Август 2006. Фото Писарева С.В.


Продолжение Части I


Лёд - индикатор климатических изменений


В период своего максимального развития (в зимний период) морской лёд занимает более 5% площади северного полушария Земли и 8% южного, что вместе составляет примерно две трети общей площади льда на нашей планете. В то же время морской лёд, даже в период максимального развития, составляет менее 1% объёма льда на поверхности Земли. Материковые ледники до трёх порядков толще морского льда и содержат значительно большие объёмы.

В силу своей относительно небольшой толщины, морской лёд (точнее, его площадь и объём) быстро, по сравнению с ледниками и многолетней мерзлотой, реагирует на изменения температуры атмосферы и океана, а также на распределение по вертикали плотных слоёв воды в океане. Таким образом он представляет собой весьма чувствительный и наглядный индикатор климатических изменений.

В масштабах нашей планеты наиболее известна климатическая роль плавучего льда в изменениях отражающей способности поверхности Земли (альбедо). Лёд, имеющий высокое альбедо, отражает приходящую солнечную радиацию, а открытая вода её поглощает и в результате нагревается. Помимо собственной отражающей способности, лёд создаёт в океанах поверхность, на которой может лежать снег, имеющий ещё большее альбедо. Например, толстый (2-3 м) многолетний лёд Арктики имеет альбедо, в зависимости от длины волны приходящей радиации, от 0.60 до 0.85. Сухой снег, лежащий на таком льду, имеет альбедо 0.90 – 0.97. А вот лужи на поверхности льда, называемые снежницами, которые образуются летом при таянии снега в случае положительных температур воздуха, имеют альбедо практически равное открытой воде – 0.05 – 0.25 (рис. 1). Напомним, что среднее альбедо планеты Земля 0.35.

Снежницы

Рисунок 1. Снежницы на летнем однолетнем льду в Центральном Арктическом бассейне. Температура воздуха положительна. Август 2011. Фото Писарева С.В.


Сезонные изменения альбедо льда, выраженные в том числе в наличии талой воды на его поверхности летом, приводят к тому, что датчики большинства спутников позволяют идентифицировать летний покрытый водой лёд только как открытую воду. В результате на спутниковых ледовых картах льда нет, а препятствия для судоходства, по факту, есть (рис.2).

Снежницы на льду.png

Рисунок 2. Снежницы на летнем однолетнем льду в Центральном Арктическом бассейне. Температура воздуха отрицательная. На молодой лёд толщиной не более 1 см, которым покрылись снежницы, выпал снег. Август 2011. Фото Писарева С.В.

 

Ледяная “крышка” на водной поверхности не только отражает приходящую от солнца коротковолновую радиацию, но и существенно меняет величины длинноволновой радиации, которую излучает в атмосферу поверхность Земли. Поскольку температура поверхности льда толщиной всего несколько дециметров практически равна температуре воздуха, то в случае значения такой температуры -200С поток длинноволновой радиации с каждого квадратного метра льда на 25% меньше, чем если бы этот метр занимала морская вода с температурой близкой к температуре замерзания: -1.80С.

Отчётливое “разделение” воздуха и воды плавучим льдом приводит и к изменениям потоков так называемого явного тепла. В зимних условиях Арктики, например, потоки тепла от океана в атмосферу из разводий составляют порядка 400 Вт/м2 , в то время как надо льдом трёхметровой толщины не превышают 15 Вт/м2. Всё дело в том, что потоки из открытой воды определяются процессами турбулентности, а через лёд – теплопроводностью (как через твёрдое кристаллическое тело).

Влияние льда на климат (и наоборот) проявляется также в том, что в зависимости от частоты освобождения ото льда определённых районов океана, подверженных ледообразованию (ведь при образовании морского льда дополнительные объёмы соли “выжимаются” из вновь образованного льда в окружающую воду), в этих районах образуется большее или меньшее количество солёных и поэтому плотных вод. Эти воды распространяются в подповерхностных или придонных слоях на расстояния, сравнимые с размерами океанов. При своём распространении эти воды перемешиваются с окружающими водными массами, и таким образом объёмы и характеристики вод, образованных во время процессов ледообразования, становятся одним из важных климатообразующих факторов.


Лёд - препятствие

Наличие плавучего льда, с очевидностью, создаёт препятствия для судоходства. Серьёзность препятствия для одного и того же судна меняется в зависимости от солёности воды, превратившейся в лёд, преобладающих процессов ледообразования конкретного ледяного поля (не употребляем слово льдина, поскольку такого термина нет в номенклатуре морских льдов), толщины и возраста льда этого поля, наличия и количества торосов (торос – это холмообразное нагромождение взломанного льда, образовавшегося в результате сжатия. Может быть свежим или сглаженным. Подводная часть тороса называется подторос. Рис. 3, 4), наличия и количества разводий, других факторов.

Подторосы         Подторосы

Рисунки 3, 4. Подводная часть гряды торосов. Пластины и иглы льда на нижней части поверхности льда свидетельствуют о происходящем процессе ледообразования. Арктический бассейн. Дрейфующая станция “Cеверный Полюс 18”. 1969. Фото Грищенко В.Д. (пионера исследований подводного рельефа льда).


Морской лёд, в отличие от пресноводного, образующегося на поверхности озёр (водохранилищ, прудов и т.д.) и рек, не представляет собой однородное тело. Морской лёд, скорее, можно сравнить со смесью, состоящей из твёрдого пресного льда и прорезающих этот лёд каналов (в общем случае вертикальных) с жидким высокосолёным рассолом (рис. 5). В зависимости от объёма рассола сильно меняются термодинамические, оптические, электрические, механические и некоторые другие свойства морского льда. В самом общем случае, в сравнении с морским льдом пресный лёд более твёрдый, но легче колется.

Обломок льда.jpg

Рисунок 5. Покрытый снегом обломок льда, выдавленный несколько недель назад на поверхность ледяного поля. Обломок находится в положении близком к горизонтальному. На разрезе хорошо видны каналы, в которых содержался теперь уже практически вытекший высокосолёный раствор. Приполюсной район Арктики. Апрель 2010. Фото Писарева С.В.


Морской лёд Арктики и Антарктики отличается и с точки зрения “склонности” к механическому разрушению. Так, для Арктики считается, что основной объём морского льда образуется здесь в результате ледообразования на нижней границе начальных или молодых видов льдов. В морском же льду Антарктиды отмечается гораздо большее количество льда, изначально образованного из ледяных игл на открытой воде. Разница в преобладающих механизмах ледообразования объясняется тем, что в Антарктиде более сильные ветра, которые генерируют, во время замерзания, сильное турбулентное перемешивание. Упрощая, можно сказать, что арктический морской лёд образуется в результате процессов, характерных для сравнительно небольшого океана, окружённого сушей, а антарктический морской лед – процессов, характерных для гигантского океана, омывающего со всех сторон холодный материк. Преобладающие процессы таяния льда в Арктике и Антарктике также различаются, обусловливая разницу в механических свойствах морского льда этих двух высокоширотных районов Земли.

Автору настоящей статьи довелось в 1998 году участвовать в первом, на тот момент, зимнем рейсе научно-экспедиционного судна “Академик Фёдоров”, имеющего максимальный ледовый класс для неледоколов. Судно было построено в 1987 году, более десяти лет много и плодотворно работало во льдах Антарктиды, но преодолевать плавучие льды Арктики ему тогда пришлось впервые. Так вот, все вахтенные помощники капитана, имеющие опыт работ в Антарктиде, отмечали разницу в поведении судна при преодолении льдов примерно той же толщины  и сплочённости (отношение, выраженное в десятых долях и описывающее общую площадь морской поверхности, покрытую льдом, как часть всей рассматриваемой площади. Суммарная сплочённость включает вcе существующие стадии развития, но может относиться к объёму конкретной стадии или формы льда и представляет только часть суммарной сплочённости) в Северном Ледовитом и Южном океанах. Не то чтобы лёд в Арктике было преодолевать заметно труднее, но привычные для Антарктиды манёвры корпусом судна не всегда приводили к успеху и требовалась другая тактика продвижения во льдах.

Плавучий лёд создаёт препятствие не только для судоходства, но и для неподвижных объектов инфраструктуры по добыче, скажем, полезных ископаемых или мостов в районах, сезонно покрытых льдом (рис.6). Хорошо известен канадский опыт изменения траектории дрейфа айсбергов с целью предотвращения их столкновения с буровыми платформами. Этот опыт использовался – пока, правда, без собственно платформ – в серии успешных отечественных натурных морских экспериментов, проведённых в последнее десятилетие в Баренцевом и Карском морях по заказу компании Роснефть. Вес самого крупного айсберга, на который было выполнено эффективное воздействие в рамках экспериментов Роснефти, составлял 1 млн. тонн. 

Во всех случаях воздействия на айсберги речь шла не о том, что их надо куда-то оттащить подальше – а о том, что необходимо вначале спрогнозировать траекторию дрейфа в течение следующих 12-36 часов, а затем слегка изменить эту траекторию, чтобы айсберг не столкнулся с неподвижным морским сооружением. Для определения будущей траектории необходимо оценить размеры надводной и подводной частей айсберга, а также выполнить прогнозы скорости и направления ветра и поверхностного течения, в результате совместных действий которых происходит дрейф. В случае если айсберг движется не по открытой воде, а среди морских льдов, характеристики последних также учитываются при прогнозировании будущей траектории дрейфа. Затем одно или несколько судов, осуществляющих дежурство вблизи “защищаемого” неподвижного морского сооружения, обвязывают айсберг системой буксировочных линий (специальных канатов) и перемещают его в заданные координаты, вычисленные в результате комплекса прогнозов. Из этих координат айсберг продолжает свой дрейф практически параллельно (ведь ветер, течения, характеристики окружающих морских льдов, форму айсберга изменить за десяток часов невозможно) той траектории, которая, по прогнозу, приводила к его столкновению с сооружением. Однако теперь та же траектория, но проложенная из новых начальных координат, уже не приводит к столкновению.

Причал Лукойла.jpg

Рисунок 6. Варандейский стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал ОАО ЛУКОЙЛ.


Другое техническое решение, отличное от буксировки, планировалось (планы, по комплексу причин, пока не реализованы) осуществить в рамках работ на Штокмановском газоконденсатном месторождении в Баренцевом море. Поскольку предварительные исследования показали, что в районе добычи с невысокой вероятностью, но возможен приход айсберга более тяжёлого, чем возможности буксировки, было предусмотрено в этом случае в течение порядка шести часов опускать на дно заглушенные добычные трубы и шланги и временно удалять плавающую платформу с траектории дрейфа аномально большого айсберга.

Надо сказать, что и в отсутствие айсбергов характеристики гигантских (характерные размеры 10 км и более), обширных (2 – 10 км) и больших (500 м – 2000 м) ледяных полей однолетнего или многолетнего льда, также как и больших торосов, представляют собой специальный интерес для проектирования неподвижных объектов в море и (или) для оценки возможностей разрушения опасных для объекта ледяных образований в рамках мероприятий, получивших название “управление ледовой обстановкой” (рис. 7).

Работа на ледяном образовании.jpg

Рисунок 7. Работа группы специалистов (по заказу ООО ВНИИГАЗ) на большом, в рамках региональных ледовых условий, ледяном образовании. Снимок сделан с борта экспедиционного судна. Восточный шельф острова Сахалин. Апрель 2016. Фото Писарева С.В.


В число характеристик льда, которые интересны с точки зрения воздействия ледяных образований на неподвижные морские сооружения, входят объём крупных ледяных образований, плотность и прочностные характеристики ровного льда и льда в торосах, объёмы пустот среди блоков льда, слагающих торосы, максимальные и характерные скорости дрейфа. Такие характеристики определяются в рамках целенаправленных экспедиционных работ, проводимых, в основном, в соответствии с уже утверждёнными методиками и даже ГОСТами.

Упрощая, можно заметить, что крупные (они же опасные для сооружений) ледяные образования обнаруживаются с помощью спутниковых снимков высокого разрешения с борта летательных аппаратов, включая беспилотные. Затем следует высадка специалистов на выбранное образование. Верхний рельеф льда измеряется геодезическими методами, нижний – с помощью локаторов кругового обзора, установленных на телеуправляемых подводных аппаратах (рис. 8). Выполняется определение толщины льда, а также наличие пустот между блоками льда, путём бурения льда с определённым шагом по горизонтали. Бурение дублируется измерениями толщины льда с помощью специальных “радаров”. В результате рассчитывается объём интересующего ледяного образования.

Подводный аппарат.jpg

Рисунок 8. Модифицированный, управляемый по кабелю подводный аппарат “Гном Стандарт”. В результате модификации к базовой конструкции были добавлены два мощных фонаря SeaLife Sea Dragon вместе с камерой высокого разрешения GO PRO HERO 4 и дополнительной плавучестью. Восточный шельф острова Сахалин. Апрель 2016. Фото Писарева С.В.


В характерных местах ледяного образования берутся керны льда. Часть кернов делится на части определённой формы, которые потом подвергаются разнообразным контролируемым приборами испытаниям на прочность (рис. 9). Другая часть кернов превращается в расплав, в котором измеряется солёность. По солёности вычисляется плотность льда, а в результате испытаний на прочность определяется его “твёрдость”. Последняя характеристика определяется ещё и в результате других механических воздействий на специальным образом выпиленные фрагменты ледяного образования или внутри пробуренных скважин.

Испытание образцов льда.jpg

Рисунок 9. Испытания образцов керна льда на одноосное сжатие и на изгиб с помощью пресса внутри каркасной неотапливаемой палатки. Восточный шельф острова Сахалин. Апрель 2016. Фото Писарева С.В.


Для оценок скорости дрейфа опасных ледяных образований производятся продолжительные измерения непосредственно на льду с помощью автономных буев – дрифтеров, облёты акваторий летательными аппаратами, анализ спутниковых изображений. Ветер, который, как правило, и определяет дрейф льда, также измеряется и анализируется вместе с данными о дрейфе.

 

Место для жизни

Значение льда в поддержании жизни на нашей планете трудно переоценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных. Например, покрывая воду пресных водоёмов, лёд препятствует их дальнейшему промерзанию и тем самым сохраняет жизнь подводным обитателям. Кроме того, большие и микроскопические живые организмы живут, питаются, размножаются и гибнут на поверхностях и в толще плавучих льдов.

Сегодня общеизвестно, что животное-символ Арктики, белый медведь, в условиях нынешнего (начиная с середины 1990-х) потепления вынужден приспосабливаться к новым условиям жизни. Некоторые исследователи полагают, что при отсутствии охоты человека на медведя успешное приспособление вполне возможно, поскольку история существования этого вида насчитывает 600 тыс. лет. Большинство учёных и широкие слои общественности считают, однако, что наблюдаемое уменьшение площади морских льдов Арктики может привести или даже уже приводит к уменьшению популяции белых медведей вплоть до их исчезновения в будущем. Так или иначе, очевидно, что, скажем, быстрое разрушение припая уже в самом начале календарного лета в местах обитания большого количества белых медведей (архипелаг Земля Франца-Иосифа, остров Врангеля) лишает медведей традиционных ареалов охоты на моржей и тюленей. Кроме того, большие пространства открытой воды в Центральной Арктике, характерные для современного потепления, позволяют развиваться энергичному ветровому волнению. Белые медведи очень хорошие пловцы, но не имеют привычки плавать в волнах, а более приспособлены к передвижениям по спокойной воде среди льдов.

Вынужденные изменения ареалов питания вместе с изменениями распространения припая и дрейфующих льдов наблюдаются и для моржей. Это животное питается, в основном, донными организмами, за которыми ныряет вплоть до глубин 100 м. Между циклами питания моржи отдыхают на льду или берегу (рис. 10). До начала современного потепления выбор дрейфующих ледяных полей над глубинами до 100 м был для моржей велик. При уменьшении  площади льдов – остаётся только использовать лежбища на берегу.

Моржи

Рисунок 10. Стадо моржей на явно малом для такого количества животных ледяном поле. Альтернативного поля, видимо, нет. Лёд летний,пропитан
водой, так называемый "гнилой", как обычно в таких случаях разрушается относительными прогретыми морскими водами с боков.


Около двухсот лет назад во льду было открыто существование водорослей. Наиболее распространёнными видами, обнаруженными в морском льду, являются одноклеточные фотосинтетические диатомовые микроводоросли. Их концентрация в антарктическом морском льду, например, в 200 раз больше, чем в воде Южного океана. Наиболее вероятным источником водорослей во льду считается их захват во время процессов ледообразования.

Как и все другие виды, существующие в морском льду, диатомовые водоросли живут в жидком рассоле между твёрдыми кристаллами пресноводного льда. Условия жизни водорослей в большой степени зависят от свойств этого рассола. Избегая чрезвычайно высокой солёности очень холодного рассола, типичного для верхних слоёв морского льда, водоросли в основном сосредоточены в нижних частях льда, где температура и, следовательно, солёность рассола близки к температуре морской воды. Кроме того, благодаря высокой проницаемости этой нижней части льда, вещества, содержащиеся в морской воде, регулярно могут поступать для питания водорослей.

Несмотря на сравнительно небольшую общую биомассу, диатомовые водоросли играют важную роль в высокоширотной пищевой цепи, особенно в Антарктике. Существуют исследования, показывающие, что антарктический криль в течение холодных и тёмных зимних месяцев питается водорослями, живущими во льду.

На нижней поверхности ледяных полей Арктики очень редко, но наблюдались диатомовые водоросли, соединённые между собой в виде ковров или прядей в несколько метров длиной (рис. 11).

Комплекс диатомовых водорослей.jpg

Рисунок 11. Комплекс диатомовых водорослей на нижней границе морского льда. Арктический бассейн. Дрейфующая станция Северный Полюс 22. Июль 1980. Фото Грищенко В.Д.


В 1930 году в морском льду были обнаружены бактерии. Несмотря на то, что до сих пор не совсем ясно, в результате какого процесса бактерии попадают в лёд, их изучению посвящено много современных публикаций. Основная причина интереса – это факт, что бактерии производят ферменты, адаптированные к функционированию при очень низких температурах, а также то, что они образуют полиненасыщенные жирные кислоты, которые могут иметь диетическое значение для человека.


Заключение

Итак, плавучий лёд в морях и океанах, состоящий из собственно морского льда, а также пресного и ледникового, формируется в результате множества природных процессов, определяющим условием которых является отрицательная температура воздуха. После того, как лёд образовался в морской воде или попал в неё тем или иным образом, он эволюционирует под действием другого комплекса природных процессов. Толщина и площадь льда увеличивается или уменьшается, вплоть до полного таяния. Ледяные образования смерзаются и разрываются, образуя между собой пространства открытой воды, деформируются при столкновениях, дрейфуют или остаются неподвижными – в общем, “живут своей жизнью”. Разнообразие процессов формирования, разрушения и трансформации плавучего льда приводит к разнообразию наблюдаемых форм льда, описанных в так называемой номенклатуре морских льдов, насчитывающей более 200 ледовых терминов.

Изменения характеристик плавучего льда как “итогового продукта” взаимодействия океана и атмосферы являются наглядным, относительно легко наблюдаемым, глобальным индикатором планетарных климатических изменений. Плавучий морской лёд представляет собой препятствие, затрудняющее любую морскую хозяйственную деятельность в высоких широтах. В этом смысле современное относительное “облегчение” ледовой обстановки в Арктике рассматривается как положительное явление. Одновременно плавучий лед - это среда обитания многих современных растений и животных, от бактерий и водорослей до белых медведей и моржей. Сумеют ли эти организмы сохраниться при существенных изменениях характеристик плавучего льда? На этот вопрос нет хорошо обоснованного ответа. В любом случае, для такой страны, как наша, все моря которой при современном климате хотя бы не каждый год и не на всю акваторию, но покрываются льдом, изучение плавучего льда остаётся вечно актуальной задачей.

Автор: Сергей Викторович Писарев, руководитель группы полярной океанологии Института океанологии РАН, почётный полярник РФ, к.ф.-м.н.



далее в рубрике