ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ЛЬДА
Ледовый режим водоема — это циклы покрытия акватории льдом, неизменный каждый год. На водоемах Ленинградской области ледовый режим состоит из трех фаз: замерзание, ледостав и вскрытия водоёмов.
Для возникновения льда в водоёмах необходимо:
— небольшое переохлаждение воды, температура должна быть чуть ниже 0 °С, начиная с сотых долей и ниже;
— наличие ядер кристаллизации, которыми могут являться снежинки, льдинки, минеральные и органические взвеси;
— турбулентное перемешивание для отвода выделяющегося при кристаллизации тепла. Если перемешивания нет, то процесс кристаллизации прекращается.
В водоёмах образуется лед поверхностный и глубинный (внутриводный), кристаллизующийся не только на взвеси, но и на микроорганизмах, частицах песка, гальке и т. д. Температура замерзания снижается с глубиной и с увеличением минерализации.
К факторам, определяющим возможность образования ледовых явлений, относят:
• интенсивность теплоотдачи поверхности водоёма с наступлением холодов;
• величину теплоемкости водоема. Чем больше объём водной массы в водоёме, и чем он глубже, тем длительнее процесс его охлаждения;
• интенсивность перемешивания, связанная с транзитными течениями. Чем более проточен водоем, тем интенсивнее вынос тепла из глубинных слоёв к поверхности, в атмосферу.
Очень важным фактором образования ледяного покрова на водоёмах и наступления ледостава служит ветер. Чем сильнее ветер, тем интенсивнее теплоотдача в атмосферу вследствие испарения и турбулентного теплообмена с морозным воздухом. Перемешивание слоев воды ветром и волнами усиливает теплообмен и вынос теплых глубинных вод к поверхности, что тормозит процесс льдообразования. Интенсивное перемешивание увеличивает толщину слоя воды, в котором возможно образование ледяных кристаллов, всплывающих к поверхности воды (лёд имеет плотность на 10 % меньшую по сравнению с плотностью воды). Ветровое волнение разрушает образовавшиеся ледяные корки, чем замедляет формирование ледяного покрова.
Замерзание водоёмов.
При интенсивном теплообмене и охлаждении вод водоема, но при отсутствии ветра и перемешивания верхних слоем воды образуются первичные кристаллики льда в виде мелких иголочек. Когда вода покрыта ими, кажется, что на её поверхности разлит растопленный жир. Такое состояние водно- кристаллизованной смеси называют «сало». При продолжающемся морозе и безветрии кристаллики смерзаются. Образуется однородный прозрачный кристаллический лед, толщина которого довольно быстро увеличивается. За ясную и морозную ночь толщина такого льда может достичь 2-3 см. При этом, как правило, весь небольшой водоём замерзает единовременно. На крупных озёрах в такую погоду обычно покрываются льдом только мелководные заливы.
Кристаллический лёд в начале зимы наиболее прочный и при толщине 5 см выдерживает вес человека, а при 10 см — снегохода. В озёрах, покрывшихся льдом в морозную, штилевую погоду, подо льдом сохраняется обратная стратификация с относительно тонким подлёдным слоем воды, охлажденной до 0 °С. Если замерзание водоёма происходило в ветреную погоду с перемешиванием и более интенсивной теплоотдачей с водной поверхности, средняя температуры воды в водоеме зимой меньше.
При даже слабом ветре замерзание водоёма начинается с береговых отмелей, выхолаживающейся быстрее из-за малой глубины. Первичные кристаллики сбиваются к урезу и смерзаются, образуя полосы кристаллического льда — забереги, примёрзшие к береговому склону. С усилением мороза забереги расширяются, а открытая поверхность воды сокращается. На крупных и глубоких озёрах и водохранилищах замерзание длительно и проходит разновременно в разных районах.
В формировании ледяного покрова принимают участие всплывающие комья внутриводного льда (шуга) обычно грязно-белого цвета, снежура, образующаяся из снега во взволнованной, ещё не замерзшей водной поверхности. Неровность такого покрова увеличивается, если сильный ветер и колебания поверхности водоёма взламывают ещё не окрепший лед. Он дробится, и трущиеся друг о друга его кусочки превращаются в блинчатый лёд — дискообразные льдинки с выпуклым белым краем смерзшихся ледяных крошек.
Штормовым ветром взламывается и уже достаточно прочный лёд, льдины надвигаются одна на другую и смерзаются в торосы с наступлением менее ветреной, но морозной погоды. На нагонных участках пологого берега из битого льда, шуги и частиц донного грунта в шторм образуются береговые ледяные валы.
Структура и деформации ледяною покрова.
Ледостав — период неподвижного ледяного покрова. В Ладожском озёре в теплую зиму с малой суммой отрицательных температур воздуха площадь ледяного покрова не превышает 50% площади акватории. В такие зимы теплозапас его водной массы наименьший вследствие особенно интенсивной теплоотдачи с большой открытой водной поверхности. В умеренно холодные зимы почти 100 %-ная покрытость льдом продолжается всего 2 месяца, а в суровые зимы она длится почти 3 месяца.
Скорость нарастания кристаллического слоя льда (вследствие кристаллизации воды на его нижней поверхности) зависит от его теплопроводности и того, насколько интенсивны теплопотери с ледяного покрова в атмосферу при морозе. Чем ниже температура воздуха и продолжительнее морозная погода, тем больше намерзает льда снизу, тем всё более толстым становится кристаллический лед на водоёме, увеличивается теплоизоляция воды под ним.
Как правило, ледяной покров неоднороден и имеет двух- или трёхслойную структуру и покрыт слоем снега неравномерной толщины и плотности. Под весом снега лёд прогибается, трескается, из трещин, рыбацких лунок и майн на лёд вытекает вода, смачивает нижний слой снега и в мороз замерзает. Так образуется водно-снеговой лёд, менее плотный и малопрозрачный белёсого цвета из-за включения пузырьков воздуха и пыли.
В оттепели талая вода с подтаивающего снежного покрова в последующие морозы превращается в снеговой лёд. Он по физическим свойствам сходен с водно-снеговым льдом, но отличается по химическому составу, подобному составу атмосферных осадков. Лёд этих двух видов имеет меньшую теплопроводность и отражающую способность, чем кристаллический лёд, что замедляет утолщение ледяного покрова.
Деформации ледового покрова.
Зимой лёд как любое твёрдое тело при охлаждении сжимается. Сжатие больше у верхней поверхности льда, где зарождаются морозные трещины. Нижняя поверхность льда крепко примерзает на мелководьях к грунтам вблизи уреза, поэтому с усилением мороза в трещинах происходит разрыв ледяного покрова, и в расширяющихся до 1-2 м трещинах образуется на воде корка молодого льда. При потеплении лед расширяется, трещины сдвигаются, вызывая торошение молодого льда. Торосы порой достигают высоты 0,5-1,5 м.
Кроме термических деформаций ледяного покрова на озёрах происходят и динамические деформации, вызванные сейшами (стоячими волнами, возникающими в замкнутых или частично замкнутых водоёмах) на открытой воде. На Ладожском озере неоднократно возникало по три трещины вдоль продольной оси и поперёк под действием многоузловой сейши, когда наибольшие изгибы ледяного покрова происходят в прибрежной зоне. При сильном морозе достаточно небольшого изгиба ледяного поля над пучностью сейши, чтобы он треснул.
Таяние льда в водоёмах.
Разрушение ледяного покрова, т. е. вскрытие замерзашего водоема, включает три стадии:
I стадия — таяние снежного покрова. Талая вода пропитывает снег, он темнеет, снижается величина отражающей способности поверхности водоёма, увеличивается поглощение суммарной солнечной радиации, что ускоряет таяние. Вода накапливается на льду, протаивают вдольбереговые трещины, заполняющиеся талой водой. Увеличение расхода воды в притоках приводит к подъему уровня воды в водоёме. Ледяной покров, освободившийся от снега, всплывает. Талая вода с него уходит под лёд. Вдоль берегов образуются закраины у скалистых крутых берегов и более широкие — на мелководьях.
II стадия — активное таяние ледяного покрова. Оно происходит на его верхней поверхности вследствие поглощения льдом солнечной радиации (большая величина радиационного баланса) и турбулентного теплообмена с более тёплым воздухом.
Подтаивает и нижняя поверхность льда вследствие конвективного перемешивания подлёдной воды с нижележащим слоем, нагретым днем проникающей сквозь лед солнечным излучением. Локально оно интенсифицируется динамическим перемешиванием в приустьевых зонах, куда поступают воды притоков. Плотностные течения, несущие теплоту и распространяющиеся из этих зон в подледном слое из-за малой минерализации и плотности вод речного половодья, усиливают подтаивание снизу ледяного покрова. Стаивание льда сверху и снизу уменьшает толщину ледяного покрова примерно на 30 %.
Одновременно таяние происходит внутри пористого водноснегового и прозрачного кристаллического слоев. Оно начинается вокруг содержащихся во льду частиц ионного состава. Образующиеся капли внутрилёдной солоноватой талой воды, поглощающие солнечное излучение, вызывают протаивание вертикальных канальцев диаметром 0,1-1,0 мм между ледяными кристаллами. Это увеличивает рассеяние и поглощение солнечного света в толще льда и ускоряет таяние. Канальца расширяются до 5 мм и более в диаметре, и внутрилёдная вода стекает под лёд, происходит его обессоливание.
Прочность ледяного поля уменьшается настолько, что любая даже небольшая на него нагрузка — ветровое пульсирующее давление сверху или сейшевые колебания воды снизу — разрывает ослабевшие связи между кристаллами льда. Лед рассыпается на отдельные кристаллы диаметром до 5-7 см и длиной 20-30 см и более. В эту стадию выход на лёд крайне опасен.
III стадия — таяние возникающих полей ледяных иглообразных кристаллов и еще не раздробленных льдин. Оно происходит обычно быстро благодаря резкому снижению альбедо смеси воды и ледяных кристаллов, их механическому дроблению волнением и трением друг о друга. Из-за поглощения льдом солнечного излучения весной для его таяния и разрушения в водоёме достаточна в 5 раз меньшая сумма положительных температур воздуха, чем сумма её отрицательных значений зимой для формирования толщи ледяного покрова.
Вскрытие малых озёр, прудов и водохранилищ происходит практически одновременно на всей их акватории. В целом сроки начала ледостава и очищения ото льда озёр и водохранилищ — более поздние, чем на реках. Их запаздывание тем значительнее, чем больше размеры водоёма и меньше его проточность.
Источник
«Надоело ждать!» — на сколько сантиметров в сутки растёт толщина льда в начале зимы
«Межсезонье» — страшнее «глухозимья». Что для рыбака может быть хуже чем ненавистная «ледяная корочка»? Одна морозная и безветренная ночь, способна принести много проблем и лишить нас рыбалки на недели вперёд. Лёд, как стекло толщиной, не позволяет на него выйти, а температура воздуха не даёт ему окрепнуть или растаять. Спиннинг стоит в углу, а мормышки томятся в ожидании «дела». В этой статье я расскажу, как увеличивается толщина льда, в зависимости от мороза и других природных факторов.
Проблема знакома мне не «по-наслышке» и частое явление в нашей климатической полосе. «Мариноваться» в ожидании льда приходится несколько недель.
«Стал лёд и можно ли на него зайти?» — более популярного вопроса в «межсезонье» услышать невозможно. Слой чистого кристаллического льда 5-8 см, является обязательным для уверенного выхода на его поверхность. На его формирование влияет несколько факторов.
Главный враг «первого» льда — это ветер. Он поднимает волну и не даёт кристаллам «схватиться» даже в существенно отрицательные температуры. Результатом становится «сало» — ледяная крошка около берега. Ключевой момент в образовании льда – формирование «корочки». Это значит вода остыла, после чего процесс идёт значительно быстрее.
Вторая проблема — снег. Толстый слой образует «шубу» и сильно замедляет образование льда, а тая в оттепели и пропитываясь водой, формирует замёрзшую «кашу». Она сильно уступает в прочности чистому кристаллическому слою и её толщина не надёжный показатель, хоть часто и бывает больше нормы.
Но как же влияет мороз и можно ли приблизительно рассчитать время, за которое лёд достигнет нужного показателя? Эти данные указаны в имеющейся у меня таблице, которая была опубликована ещё 40 лет назад. Хоть всё «течёт и изменяется» — законы физики остаются постоянными.
Из неё следует, что достаточно суток небольшого мороза, для того, чтобы прозрачная ледяная плёнка, стала надёжной опорой для ваших ног и целей. Но никогда не проверяйте этого в одиночку и соблюдайте меры безопасности.
Источник
Свойства льда и безопасность
Идеальную картину намерзания льда сильно меняет толщина имеющегося на нем снежного покрова
Для рыболовов-зимников, выходящих на лед разных по типу водоемов, просто необходимо знать и понимать, какие условия эволюции ледового покрова определяют безопасность или невозможность нахождения на нем. При этом главной характеристикой льда будет его прочность, которая является величиной непостоянной, сильно зависящей от вида и структуры льда, его температуры и толщины.
Бывает, начало зимы сопровождается частыми оттепелями с осадками в виде дождя или мокрого снега. Тогда ледовый покров намерзает поэтапно в морозные промежутки между циклонами. При этом его толщина прирастает как снизу – за счет кристаллизации поверхностной воды водоема, так и сверху – из-за смерзания снежно-водяной «каши», возникшей поверх льда во время очередного ненастья. Такой лед получается мутным, многослойным. Следует иметь в виду, что он примерно в два раза слабее (выдерживает в два раза меньшую статическую нагрузку) льда, прозрачного как стекло. Поэтому выходить на белесый, непрозрачный ледовый покров безопасно, когда он достигнет толщины более 10 сантиметров, да еще при условии отрицательной температуры воздуха. Это важно знать по той причине, что рыболовы, как правило, стремятся на участки с подобным льдом, так как здесь в условиях пониженной освещенности обычно скапливается рыба и клюет она в таких местах гораздо лучше.
Как уже сказано, наиболее прочен чистый, прозрачный лед. Это кристаллический монолит, образовавшийся от замерзания переохлажденного верхнего слоя воды. Однако ловить рыбу с такого льда имеет смысл лишь над большой глубиной, куда доходит мало света и рыба не пуглива. Поэтому безопасным он будет при достижении толщины не менее 5 сантиметров – лишь в этом случае лед надежно выдерживает одного человека, а вот группами на нем собираться нельзя.
Прочность ледового покрова линейно увеличивается с ростом его толщины и с понижением температуры. Но тут надо представлять, что температура льда по толщине различна: вверху она равна атмосферной, а внизу – соответствует точке замерзания воды, то есть около ноля градусов. А поскольку температурный коэффициент линейного расширения льда огромен (например, в пять раз больше, чем у железа) и многие, наверное, видели, как разрываются прочные сосуды с замерзшей водой, то становится понятно, что аналогичные процессы неизбежны и со льдом на водоеме: по мере роста его толщины имеющие разную температуру слои испытывают расширяющую нагрузку как поперечного, так и продольного направления. Именно поэтому при резких потеплениях или похолоданиях лед на водоемах лопается с оглушительным грохотом и по нему разбегаются длинные трещины. Кроме того, на огромных акваториях озер и водохранилищ эти трещины, с одной стороны, вызывают образование ледовых торосов, а с другой (для компенсации) – широкие разводья, в которые можно запросто угодить, особенно после укрывающих открытую воду снегопадов.
Можно подумать, что трещины на ледовой поверхности образуются бессистемно, хаотично. Однако не все так просто, если вспомнить механизм льдообразования: в начале зимы, когда лед еще не везде одинаков по толщине, напряжения локализуются в узких зонах стыковки толстого и тонкого ледового покрова, то есть там, где мелководье резко переходит на глубину. Опытные рыболовы знают, что донные свалы, где часто держится рыба, следует искать по старым и широким, идущим обычно параллельно основному руслу трещинам. При этом глубокая сторона водоема будет определяться по близко располагающейся к обычно крутому берегу трещине, и наоборот.
Чтобы представлять, какой лед может ожидать на водоеме в начале зимы, следует знать, что его прирост в течение суток сильно зависит от температуры воздуха и уже имеющейся толщины. Это выглядит примерно так: если лед был уже около 10 сантиметров, то за следующие сутки он прибавит 4 см при морозе минус 5; 6 см – при морозе 10; 8 см – при минус 15; 9 см – при минус 20. Но если исходная толщина льда составляет, допустим, 20-30 см, то суточный прирост при тех же температурах уменьшится примерно в 3-4 раза – точнее сказать нельзя, поскольку на это влияет и качество воды.
Конечно, идеальную картину намерзания льда сильно меняет толщина имеющегося на нем снежного покрова, который выполняет как бы роль шубы. Известно, что теплопроводность (холодопроводность) снега до 30 раз меньше, чем у льда (многое зависит еще от плотности снега), поэтому при снегопадах в зависимости от их интенсивности надо вносить в расчеты соответствующую поправку.
Важно понимать по виду первого, непрочного льда, как он реагирует на нагрузку. Рыболовы с опытом говорят, что молодой лед не обманет, не подведет, а вовремя сообщит об опасности громким треском и видом трещин. Приложенная к тонкому льду нагрузка (рыболов на льду) вызывает его прогиб (деформацию) в виде чаши. При малом грузе деформация носит упругий характер, а чаша расширяется симметрично по периметру. Если нагрузка будет выше предела упругости, то начнется пластическая деформация льда и чаша прогиба станет быстрее увеличиваться в глубину, чем в ширину – это начало разрушения льда. В количественном выражении это будет выглядеть так. Для наиболее прочного прозрачного льда центральный прогиб его на глубину в 5 см трещин не вызовет; прогиб в 9 см ведет к усиленному образованию трещин; прогиб в 12 см вызывает сквозное растрескивание; при 15 см лед проваливается.
Под действием нагрузки трещины во льду возникают как радиальные – исходящие от точки приложения, так и концентрические – вокруг этой точки. Радиальные трещины лишь предупреждают о недостаточной прочности льда, что требует предельной осторожности на нем. Но если к радиальным трещинам добавляется концентрическое растрескивание, сопровождаемое характерным скрипящим звуком, нужно скользящим шагом немедленно покинуть опасный участок, в особо критической ситуации лучше лечь на лед, чтобы увеличить площадь распределения веса по поверхности, и отползти в обратном направлении. Нужно знать и другие правила поведения на тонком льду:
– ни в коем случае не ходить по нему гуськом, иначе радиальные трещины на тропе быстро прирастут концентрическими;
– не отправляться на рыбалку в одиночку;
– проверять каждый шаг на льду остроконечной пешней, но не бить ею лед перед собой – лучше сбоку;
– не подходить к другим рыболовам ближе чем на 3 метра;
– не приближаться к местам, где в лед вмерзли коряги, водоросли, воздушные пузыри;
– не ходить рядом со свежей трещиной или по участку льда, отделенному от основного массива несколькими трещинами;
– быстро покинуть опасное место, если из проделанной лунки начинает бить фонтаном вода;
– обязательно иметь средства страховки и спасения (шнур с грузом на конце, длинную жердь, широкую доску);
– не совмещать рыбалку с потреблением спиртного.
Источник
