1.3 Условия нарастания и уменьшения ледового покрова

Условие начала ледообразования на свободной поверхности воды можно получить из уравнения теплового баланса водной поверхности:

, (3)

где α - коэффициент подачи тепла из водного объекта к поверхности раздела вода-воздух; t - средняя температура водотока или водоема; t_п - температура свободной поверхности; В - результирующая на водной поверхности тепловых потоков лучистого теплообмена, испарения (или конденсации) и обмена теплом с воздухом.

При изменении величины В изменяется t_п и градиент температуры в тонком поверхностном слое, и уравнение (3) остается в силе. Когда температура поверхности t_п понижается до температуры замерзания, дальнейшее увеличение В не может компенсироваться понижением t_п и увеличением температурного градиента в тонком поверхностном слое воды, что ведет к ледообразованию на поверхности. То есть, ледообразование на поверхности водоема или водотока начинается тогда, когда температура поверхности воды понижается до температуры замерзания и теплоотдача водной поверхностью становится больше притока тепла к ней из водной толщи.

Для образования из жидкой воды твердого льда необходимо, чтобы выполнялись следующие три физических условия: 1) переохлаждение воды (хотя бы незначительное); 2) наличие в переохлажденной воде зародышей или центров кристаллизации; 3) отвод скрытой теплоты кристаллизации.

Процесс образования льда на водоемах и водотоках су­ши, как и на морях, может протекать на поверхности воды, в ее толще и на дне. Лед, образовавшийся на поверхности во­ды, называется поверхностным, в толще воды - глу­бинным, на дне - донным. Последние два вида обычно объединяют под общим названием - внутриводный лед.

Основными действующими, факторами в процессе форми­рования ледяного покрова на прудах, озерах и водохранили­щах являются интенсивность теплоотдачи с поверхности во­ды в атмосферу, ветровая деятельность и запас тепла в водоеме, а на реках - еще и скорость течения, обусловливающая интенсивность турбулентного перемешивания воды. Кроме того, большую роль играют размеры и морфологические особенности котловины водоема или русла реки. Размеры и форма водоема сказываются на ледообразовании через вет­ровую деятельность. Глубина водоема в основном определяет его теплозапасы.

На реках процесс замерзания происходит по-особому. В силу турбулентности потока охлаждаются не только поверхностные слои, но и вся масса текущей воды. Весь процесс замерзания рек можно разделить на три последовательные фазы.

Начальная фаза. Еще до момента, когда температу­ра воды в живом сечении достигнет 0 ^оС, у берегов и на мелководьях, где охлаждение вследствие слабого поперечного водообмена идет более интенсивно, образуются забереги. В прилегающей к заберегам зоне при дальнейшем пони­жении температуры воды появляется сало. Образуется оно не на всех реках. Малые реки юга и запада нашей стра­ны обычно замерзают путем роста и сближения заберегов. Одновременно с образованием сала на дне и в толще потока появляются кристаллы внут­ри водного льда, из которого затем формируется шуга.

Вторая фаза. Всплывшие массы льда и сало от со­прикосновения с холодным воздухом смерзаются. Вода в промежутках между льдинками замерзает, и льдины увели­чиваются в размерах. Так начинается осенний ледоход. Вначале идет редкий ледоход, а затем более густой.

Третья фаза. Густота ледохода настолько увеличи­вается, что в сужениях русла, излучинах, на мелководных участках и т. п. образуются ледяные пробки - заторы. Важ­ное свойство осенних заторов состоит в том, что они являют­ся очагами формирования ледостава. В момент образования ледяного покрова на реках чередуются участки с ледоставом, ледоходом, шугой и свободные ото льда пространства.

Через свободные участки идет интенсивная отдача тепла рекой более холодному воздуху. Вода продолжает охлаж­даться, образуются новые массы шуги, скопление которой в местах расположения излучин, сужений русла и перекатов при определенных условиях приводит к возникновению зажо­ров.

Весеннее разрушение льда - сложный и довольно дли­тельный процесс, происходящий под действием тепловых и механических факторов. Тепловые факторы - это ад­вективное тепло воздушных масс, солнечная радиация, по­ступление тепла с талыми и дождевыми водами, механи­ческие - воздействие текущей воды и ветра. Весь процесс разрушения ледяного покрова можно расчленить на следую­щие стадии: 1) первоначальные изменения внутренней струк­туры льда и снега на льду; 2) таяние снега на льду; 3) тая­ние льда; 4) подвижка льда; 5) вскрытие и ледоход.

Тепло, преимущественно адвективного происхождения, повышает на сотые доли градуса температуру льда, вызыва­ет оплывание граней кристаллов, нагревает пузырьки возду­ха и другие посторонние включения во льду. Эти первона­чальные, почти невидимые изменения внутренней структуры льда еще не вызывают существенного изменения его механи­ческих свойств, а лишь как бы подготавливают лед к даль­нейшему разрушению.

Таяние снега на льду производит двойную разрушитель­ную работу. Во-первых, превращаясь в воду, снег перестает быть теплоизоляционной прослойкой, открывает лед дейст­вию солнечной радиации и делает непосредственным тепло­обмен его с атмосферой. Во-вторых, вода просачивается че­рез толщу льда, механически воздействует на его структуру, увеличивая размеры и количество полостей, разрабатывает пузырьки воздуха в нем, превращая их в сплошные верти­кальные капилляры. Под влиянием этого процесса лед ста­новится рыхлым, малопрочным и даже сравнительно толстый лед в это время опасен для передвижения. Одновременно под действием тепла- берегов и стекающей с них относительно теплой воды образуются участки чистой воды - закраины.

Таяние льда на больших и малых реках, на озерах и водохранилищах вследствие местных факторов идет с неко­торыми различиями. К местным факторам относятся тепло-приход к нижней поверхности льда за счет грунтовых вод, скорость течения и морфологические характеристики.

Подвижка льда начинается в тот период, когда влеку­щее усилие движущейся воды или тангенциальная состав­ляющая силы ветра преодолеет силы сцепления разрушаю­щихся кристаллов льда настолько, что поперечные трещины станут сквозными. Процесс разрушения ледяного покрова рек завершается быстрее на перекатах, так как здесь скорость больше и лед тоньше, чем на плесах. Разру­шение льда на перекатах создает условия для перемещения ледяных полей с вышележащих плесов.

На малых и даже на больших реках, а также на озерах и водохранилищах вскрытие может происходить без весен­него ледохода. Такой характер вскрытия возможен при ус­ловии, если разрушение льда идет целиком за счет тепла воз­духа и солнечной радиации при отсутствии весеннего подъ­ема уровня воды и сильного ветра.

Еще до начала движения льда на отдельных участках, где толщина его была небольшой, образуются полыньи или лед превращается в рыхлую кашеобразную массу. Это про­исходит потому, что под действием теплой воды лед тает сни­зу, особенно в местах поступления родниковых и сточных вод.

Анализ процесса таяния и разрушения льда показал, что уменьшение толщины льда определяется не только общим количеством тепла, расходуемого на таяние, но и характером действия на лед отдельных составляющих теплообмена.

Под действием солнечной радиации таяние ледяного покрова происходит как на поверхности, так и в толще льда. В результате внутреннего таяния во льду образуются полос­ти, заполненные водой, уменьшения толщины льда при этом может и не происходить.

Тепловой баланс на верхней поверхности ледяного по­крова может быть как положительным, так и отрицатель­ным. При положительном теплообмене таяние льда происходит с поверхности. При отрицательном теплообмене талая вода в порах льда вновь замерзает. При длительном похолодании этот процесс может распространяться на значительную глубину — вплоть до нижней поверхности ледяного покрова (Мишон, 1979).