Вертикальное распределение содержания рассола, температуры и солености в припайных льдах бухты Новик (о-в Русский) залива петра Великого

Вестник ДВО РАН. 2014. № 5

УДК 551.463

НА. МЕЛЬНИЧЕНКО, А.В. ТЮВЕЕВ, А.Ю. ЛАЗАРЮК,

В.Г. САВЧЕНКО, ПО. ХАРЛАМОВ, А.Ю. ЮРЦЕВ, Е.Н.МАРЬИНА

Вертикальное распределение содержания рассола, температуры и солености в припайных льдах бухты Новик (о-в Русский) залива Петра Великого

С использованием метода ЯМР изучено вертикальное распределение температуры, солености и содержания жидкой фазы (рассола) в порах морского льда на различных стадиях льдообразования в бухте Новик (о-в Русский) в зимний период 2013 г. Закономерности распределения характеристик во льду для различных периодов льдообразования анализируются с учетом предшествующих погодных условий. Профили температуры и солености сравниваются с аналогичными профилями для полярных районов. Отмечены существенные отличия от выявленных ранее закономерностей. Указаны основные причины различий. Данные о содержании рассола в порах натурального морского льда хорошо согласуются с результатами лабораторных определений содержания рассола в замороженной морской воде с использованием как метода ЯМР, так и других методов.

Ключевые слова: морской лед, температура, соленость, содержание рассола во льду.

Vertical distribution of brine content, temperature and salinity in land fast ice of the Novik Bay (Russky Island) of Peter the Great Bay. N.A. MEL'NICHENKO, A.V. TYUVEEV (Far Eastern Federal University, Vladivostok), A.Yu. LAZARYUK (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok), V.G. SAVCHENKO, P.O. KHARLAMOV, A.Yu. YURTSEV, E.N. MAR'YINA (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

Results of studying vertical distribution temperature, salinity and liquid faze (brine content) using NMR method in sea ice pores for different ice formations in natural conditions are given. Natural experiments were made on ice in the Novik Bay of the Russky Island in winter 2013. Regularities in displacements of layers with minimal values temperature, salinity and liquid faze for different ice formations are given. The results for temperature and salinity in its vertical distributions are compared with analogical distributions for Polar Regions. Main reasons of likeness and differences in its behavior are indicated. It was shown that results brine content of determinations in natural conditions are in good agreement with analogical results of laboratory experiments using both NMR method and other methods.

Key words: sea ice, temperature, salinity, brine content in sea ice.

Исследованию процессов формирования распределения температуры, солености и других характеристик в толще льда посвящено большое количество работ, перечисленных в известных монографиях, обзорных статьях [1-16] и тематических публикациях. Интерес исследователей к формированию основных теплофизических характеристик морского льда обусловлен тем, что от них зависят процессы теплообмена через ледяную

*МЕЛЬНИЧЕНКО Николай Александрович - кандидат физико-математических наук, доцент, ТЮВЕЕВ Антон Викторович - кандидат физико-математических наук, доцент, САВЧЕНКО Вячеслав Георгиевич - ведущий инженер-программист, ХАРЛАМОВ Павел Олегович - лаборант, ЮРЦЕВ Андрей Юрьевич - студент, МАРЬИНА Евгения Николаевна - студентка (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), ЛАЗАРЮК Александр Юрьевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток). *Е-таП: melnichenko.na@dvfu.ru

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и ДВФУ (грант 12-05-13005-28/03).

поверхность. К таким характеристикам относятся содержание рассола во льду и его пористость, тесно связанные с температурой и соленостью льда и условиями формирования ледяного покрова.

Большинство литературных сведений о закономерностях формирования основных те-плофизических характеристик относится к исследованиям в полярных районах. В то же время практически отсутствуют данные для умеренных широт, где толщина льда значительно меньше и, соответственно, динамика изменения его характеристик гораздо выше. Также нет сведений о закономерностях изменения вертикальных профилей содержания рассола во льду, полученных непосредственно в натурных экспериментах. И это касается не только акватории зал. Петра Великого, но и других районов Мирового океана, покрытых льдом.

В работе [4] были показаны преимущества метода ЯМР для определения содержания рассола во льду без его разрушения, как это делалось в экспериментах, представленных в [6, 12]. Здесь же приведены температурные зависимости относительного содержания рассола в замороженной морской воде при разных условиях замораживания. Однако в натурных условиях на процессы формирования фазового состава льда, как и другие его характеристики, оказывает влияние целый ряд факторов. Именно по этой причине и в продолжение ранее начатых исследований нами проведены эксперименты с целью изучения закономерностей вертикального распределения содержания рассола в порах морского льда на различных стадиях льдообразования в бухте Новик (о-в Русский), которую в определенной степени можно считать идеальной модельной системой, не подверженной влиянию многих факторов, характерных для открытой части Амурского залива. Результаты изучения закономерностей формирования жидкой фазы в пробах морского льда при разных условиях льдообразования сравнивались с данными лабораторных экспериментов. Так как содержание рассола во льду тесно связано с его температурой и соленостью, нами одновременно измерялись температура и соленость в различных слоях льда.

Сведения, приведенные в настоящем сообщении, могут быть полезны при изучении аналогичных процессов в других, более сложных районах, подверженных совокупному влиянию многих факторов.

Методика экспериментов

Для измерения температуры во льду использовались ртутные термометры (от стандартных психрометров). На первом этапе на поверхности льда высверливались лунки диаметром 10 мм различной глубины с интервалом 5 см, в которые одновременно помещались термометры, в показания которых вносились поправки из сертификатов. Отсчеты снимались примерно через 15 мин по мере установления равновесия показаний. На втором этапе, при появлении в лунках подледной воды на глубине, соответствующей примерно средней части толщины льда, измерения производились серией термометров в высверленных лунках начиная с нижней поверхности льда, чтобы уменьшить погрешность от охлаждения льда на воздухе.

Измерения профиля солености выполнялись в кернах льда, отобранных кольцевым буром диаметром 16 см. Распиленные сегменты льда толщиной 4-5 см объемом 0,7-0,9 л растапливались при комнатной температуре в полиэтиленовых банках и пропускались через проточную систему зонда SBE-19. Сравнение значений солености по электропроводности, определенных этим способом, с осреднением многократных единичных отсчетов электропроводности и данных, полученных с помощью стандартного калиброванного лабораторного солемера AutoSal австралийского производства, имеющего высокие метрологические характеристики, показало достаточно высокую сходимость результатов измерений (до 0,1 %).

Содержание рассола в пробах керна льда определялось с дискретностью 5 см. Отобранные пробы объемом примерно 50 см3 растапливались при комнатной температуре.

Затем пробыводыодинакового объемазамораяшвались парамижидкого азотанепосред-ственно датчика ЯМР-спектрометра и дьводились до температуры слоя льда, из которого была отобрана проба. Измерения провода лись примерно через 20 мин после установления термодинисическогоравновесия в пробе.

Относительноесодерж;шиежидкой фазы во льд^ {() ') рассчитывалось по формуле:

где^4/и^4о-интегральныеинтенсивности линийпоглощенияв спектре ЖИРна протонах в жидкойфазе льда при температуре / ив растопленных образцахльда притемпературе, близкой к температуре замерзания. Содержание жидкой фазы во льду определялось на ЯМР-спектрометре ЕУ-400 на резонансной частоте для протонов 400 МГц. Сигналы от протоновтвердой фазы нерегистрщэуютсяиз-за значительной разницы в ширине линий поглощения(на 5—(5 порядков).Изменениеинтенсивности сигналов за счет изменения добротности приемного контура с понижением температуры, как и ранее [5], производилось путем предварительно установленной поправки.

Результаты экспериментов и их обсуждение

Координаты точек наблюденийвбухте Новикпоказанынарис. 1. Дляанализа закономерностейизменениясодержашмрассола во льдупредварительно необходимо рассмотреть закономерности изменения температуры и солености.

На рис . 2 представлены результаты измерений вертикальныхпрофилей температуры во льду. Здесьжеприведены расчетные значения температурыльда,по!ученные из стан-дартногоуравнениятеплопроводности:

дГ дТ)

СлРл дг ~ дz Р дz ^ '

где с - теплоемкость льда, X - теплопроводность льда, р - плотность льда, Т - температура, t - время, г - глубина от поверхности льда. В качестве граничных условий приняты температура воды подо льдом на нижней кромке и температура воздуха на верхней кромке.

Установлено, что для приближения профиля температуры к линейному при толщине льда 50 см и солености 3-6 %о требуется, чтобы температура поверхности льда оставалась постоянной в течение 30 ч и более. В зимних условиях во Владивостоке этого практически никогда не достигается. Кроме того, присутствует поток тепла сверху в виде проникающего под лед солнечного света. Поток тепла от воды через лед в атмосферу в количестве от 20 до 30 Вт/м2 в феврале-марте 2013 г. полностью компенсировался притоком солнечного тепла и адвективным потоком тепла подо льдом, о чем свидетельствует практически постоянная толщина льда в период с 6 февраля по 19 марта.

Учитывая возможность методических и систематических погрешностей в определении температуры, мы анализировали только общие закономерности

с.ш.

Рис. 1. Схема расположения точек наблюдений (1 и 2) в бухте Новик (о-в Русский) зимой 2013 г.

относительных изменений температуры для одинаковых условий проведения экспериментов. Видно, что графики вертикальных профилей температуры во льду имеют заметное отклонение от линейного закона. Наибольшие изменения в период наблюдений отмечались в верхнем слое льда в соответствии с погодными условиями и температурой воздуха накануне наблюдений. Влияние температуры воздуха на температуру поверхности льда отчетливо прослеживается в данных за 6 февраля в точках наблюдений 1 и 2, определение температур в которых было разделено временным промежутком примерно в 3 ч. За это время температура воздуха повысилась с -11,5 до -9 оС. Наибольшие температурные градиенты приходятся на верхний слой льда. Это согласуется с данными, полученными для Карского моря [7]. Естественно, что с увеличением температуры воздуха температурные градиенты во льду существенно уменьшаются.

На рис. 3 приведены графики изменения температуры воздуха за 2 сут, предшествующих моменту наблюдений. Из представленных данных видно, что температура льда, в особенности в его верхних слоях, достаточно быстро отражает изменения температуры воздуха. Эффекты «запоминания» предшествующей температуры воздуха не превышали 3 ч. За исключением малонадежных данных о температуре в поверхностном слое льда, закономерности вертикального распределения теоретических и экспериментальных значений температуры во льду качественно согласуются. Расхождение может быть связано с неточным заданием термодинамических характеристик во льду, а также с тем, что в расчетах не учитывались снежный покров на льду и влияние солнечной радиации. Кроме того, существует достаточно известное объяснение более высокой температуры поверхности льда по сравнению с температурой воздуха теплообменом с подледной водой. В то же время в экспериментах, выполненных 19.03.2013 г. после обильного снегопада, наблюдалось практически однородное вертикальное распределение температуры с небольшим максимумом в слое примерно на глубине 30 см. Это усреднение термодинамических характеристик льда объясняется просачиванием тающего снега в толщу льда.

На рис. 4 приведены графики вертикального рапределения солености в кернах льда, полученных по указанной выше методике в бухте Новик в тех же точках наблюдений и в те же календарные сроки, т.е. с 6 февраля по 19 марта 2013 г. Отчетливо прослеживается волнообразный характер изменения солености в толще льда. Максимум солености приходится на поверхностный слой и примерно среднюю часть толщи льда. Приблизительно на третьей части профиля наблюдалось снижение солености с после-дущим ее возрастанием в нижнем, приводном, слое. Примечательно,

ю

20

30

40

50

О

0 . -2 -4 -6 -8 10 12 14

— —х— 1

[} л-— х- -' _ -У- - -X-

н  „ --В - --

Х- -

м----- ¡ГГ

Н, см

♦ 1-08.02.13 2-05.03.13 »3-11.03.13 Х4-1Э03 13 Х 5-11.2) 06.02.13

Рис. 2. Вертикальное распределение температуры во льду в бухте Новик (о-в Русский) зимой 2013 г. График, обозначенный пунктиром, - результаты измерений в точке 2, остальные графики - результаты измерений в точке 1. Штрихпунктирные кривые показывают расчетные значения температуры льда, полученные из уравнений теплопроводности

-ео -50 :> -го -ю о

вреня,ч

- к- 06.02.2013 —о- 19.01.201Э.....11.03.2011 -05.03.2013

Рис. 3. Изменение температуры воздуха за 2 сут до момента наблюдений в районе бухты Новик

Рис. 4. Вертикальное распределение солености во льду в бухте Новик (о-в Русский) зимой 2013 г.

S,%o 6,04

5,78

4 , 52 &

6 февраля

23 февраля

11 марта

19 марта

что в арктических районах максимум солености в средней части толщи льда фиксируется только для многолетних льдов [7]. Это главное отличие закономерностей изменений солености в тонких льдах зал. Петра Пеликого от аналогичных закономерностей в толстых льдах арктических районов. Наличие максимума в повехност-ном слое во время интенсивного льдообразования можно объяснить не только методическими погрешностями экспериментов, но и выдавливанием концентрированного рассола через каналы льда на его поверхность, сопровождающимся известным эффектом появления солевых цветов на поверхности льда. Повышение солености льда в нижнем слое толщи обусловлено обменом с приледной водой, имеющей соленость порядка 33-34 %о. В период, предшествующий началу таяния льда, этот максимум исчезает.

С повышением температуры воздуха наблюдается закономерное уменьшение солености льда (рис. 5).

На рис. 6 представлены графики вертикального распределения содержания жидкой фазы в пробах из различных слоев льда бухты Новик. С учетом погрешностей измерений и погрешности полиномиальной аппроксимации кривых в отсуствие обильного снега на льду содержание рассола во льду, как и следовало ожидать, увеличивается по мере приближения к нижней, приводной, части льда в период его роста. В целом закономерности измения содержания рассола во льду при различных его температурах и соленостях соответствуют результатам лабораторных экспериментов [4, 10, 11]. Максимальные градиенты изменений Ql приходятся примерно на среднюю часть льда.

Графики вертикального распределения содержания жидкой фазы во льду не повторяют аналогичные закономерности, выявленные для температуры и солености. Содержание рассола является интегральной характеристикой, зависящей не только от температуры и солености в разных слоях льда, обусловленных прешествующими погодными условиями, но и от процессов влагообмена через ледяную поверхность. Это отчетливо видно в экспериментах, выполненных 19 марта, когда предшествующий измерениям обильный

Рис. 5. Гистограммы средних значений солености во льду в бухте Новик (о-в Русский). Вторая гистограмма (справа) относится к наблюдениям 06.02 2013 и 19.03.2013 г. в точке 2

Рис. 6. Вертикальное распределение жидкой фазы во льду в бухте Новик (о-в Русский) зимой 2013 г.

о.от

ВС 34903

Se: 24903/5 lm: 1/11 Ax: F30 8

ЕТ:0 V;

TR: 340 0 ТЕ: 16 0

5.0l»lKf-4.0sp

ld:DCM 1 Un:DGMMdJD I I W:2867 L1309

а

children hospital  O.OT

LED HEX: 24907 2010 Mar IS M 4572И

Acc:1  Se: 24907/5 2013 Mar 19 Him: 1/15 Acq Tm: 17:28,18  Cor A358

2з6\ 2=5  Mag 2 9l

ET:0

TR: 3905.0 ТЕ: 29 0

б

children hospital

L —, LEO

M>j20i|Merife У 4572

Й013 Mar 19 17:45l09

' ty

.-Iff

4.0l»lKI-3.0sp ld:OCM/Lin:DCM/jld:ID

DFOV: 22.0 X 22 .Ocm  W: 1731 L:936

DFOV: 19.2 x 19 2cm

Рис. 7. Томограмма нижней части керна льда. а - горизонтальный, б - вертикальный срез

оот

Еж: 24912

Se: 24912(5 lm: 1/5 Ах: F 15.5

У

, , -г

children hospital LED N

2010 Маг 19 М 4574 Acc: 1

' 2013 Mar 19

HBjB) Acq Tm: 18:25:05

. ' 256x256

i, \  ' и

'*».. J

• < *r ' / t S

к; г <-> - к Я »

снегопад привел к просачиванию талой воды в толщу льда. Содержание жидкой фазы во льду примерно в среднем его слое достигало почти 10 %. При этом в нижних слоях льда содержание жидкой фазы уменьшилось. Просачивание пресных вод тающего снега во льду не превысило половины его толщины. Этому мог способствовать «запирающий эффект» влияния более холодной подледной воды. Закономерности содержания жидкой фазы в профилях льда подтвеждаются результатами снимков керна льда, полученных на медицинском МР-томографе в магнитном поле 0,4 Т (рис. 7, 8).

В таблице приведены данные натурных определений среднего содержания рассола в кернах льда по всей его толще.

Видно, что содержание рассола во льду с увеличением его толщины убывает. Но в период таяния льда при значительном повышении температуры воздуха (до -1 оС) и предшествующем обильном снегопаде содержание рассола заметно возрастает.

ЕТ: 0 TR: 173.0 ТЕ: 160

4

5.0lhkf-3.0sp  ld:DGM V L п.OCM / Id:ID W:1350 L:719

DFOV: 19.2 x 19.2cm

Рис. 8. Томограмма верхней части керна льда. Горизонтальный срез

Среднее содержание рассола в кернах льда бухты Новик в различные календарные сроки

Дата измерения Температура воздуха, оС Толщина льда, см Содержание рассола, отн. ед.

06.02.2013 г. -11,2 52 0,0549

05.03.2013 г. -2,0 52 0,0469

11.03.2013 г. -5,0 55 0,0332

19.03.2013 г. -1,0 57 0,0692

Выводы

Содержание жидкой фазы во льду бухты Новик, его температура и соленость в разных слоях льда зависят от погодных условий, предшествующих изменению

показателей. Наибольшие изменения содержания жидкой фазы наблюдаются в среднем слое льда, ниже содержание жидкой фазы монотонно увеличивается по мере приближения к приводному слою. Просачивание талой воды от снега через ледяную поверхность не превышает половины толщи льда. Снежный покров является основным фактором, влияющим на содержание жидкой фазы во льду в натурных условиях.

Вертикальное распределение солености во льду имеет максимум примерно в среднем слое льда, что соответствует аналогичным закономерностям в толстых льдах арктических районов.

Распределение температуры во льду заметно отличается от линейного профиля. Наибольший градиент вертикального изменения температуры в припайном льду бухты Новик приходится примерно на среднюю часть его толщи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Богородский В.В., Гаврило В.П. Лед. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 788 с.

2. Богородский П.В., Пнюшков А.В. Простая модель кристаллизации морской воды в спектре температур // Океанология. 2007. Т. 47, № 4. С. 539-545.

3. Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. Морской лед. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. 318 с.

4. Мельниченко Н.А., Михайлов В.И., Чижик В.И. Изучение температурной зависимости относительного содержания жидкой фазы в замороженной морской воде импульсным методом ЯМР // Океанология. 1979. Т. 19, № 5. С. 811-814.

5. Нагурный А.П. О роли льда Северного Ледовитого океана в сезонной изменчивости концентрации двуокиси углерода в северных широтах // Метеорол. и гидрология. 1998. № 1. С. 65-71.

6. Назинцев Ю.Л. Количественные соотношения в фазовом составе морского льда // Пробл. Арктики и Антарктики. 1974. Вып. 45. С. 62-67.

7. Назинцев Ю.Л., Панов В.В. Фазовый состав и теплофизические характеристики морского льда. С.-Пб.: Гидрометеоиздат, 2000. 83 с.

8. Паундер Э. Физика льда. М.: Мир, 1967. 189 с.

9. Савельев Б.А. Строение и состав природных вод: М.: МГУ, 1980. 280 с.

10. Цуриков В.Л. Жидкая фаза в морских льдах. М.: Наука, 1976. 210 с.

11. Цуриков В.Л., Цурикова А.П. О содержании рассола в морском льду (Состояние вопроса) // Океанология. 1972. Т. 12, № 5. С. 792-802.

12. Assur A.V. Composition of sea ice and its strength // Arctic Sea Ice. Nat. Acad. Sci., Nat. Res. Council USA Publ. 1958. N 598. P. 106-138.

13. Maus S. On brine entrapment in sea ice: Мorfological stability. Microstructure and convection. Berlin: Logos, 2007. 538 p.

14. Mensel M.I., Han S.-I., Stapf S. et al. NMR characterization of pore structure and anisotropic self-diffusion in salt water ice // Magnetic Resonance Imaging. 2008. Vol. 26, N 2. P. 254-260.

15. Mercier O.R., Hunter M.W., Callaghan P.T. Brine diffusion in first-year sea ice measured by earth's field PGSE-NMR // Cold Reg. Sci. Techn. 2005. Vol. 42. P. 96-105.

16. Nelson K.H., Tomson T.G. Deposition of salt from sea water by fried concentration // J. Mar. Res. 1954. Vol. 13. Р. 166-182.