Методика исследования составляющих радиационно-теплового баланса поверхности и глубины сезонного оттаивания в районе оазиса Ширмахера (Антарктида)

УДК 551.34 О.Н. Абраменко

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ РАДИАЦИОННО-ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПОВЕРХНОСТИ И ГЛУБИНЫ СЕЗОННОГО ОТТАИВАНИЯ В РАЙОНЕ ОАЗИСА ШИРМАХЕРА

Статья написана по результатам сезонных работ 2007—2008 гг. на территории оазиса Шир-махера, а также гор Аэродромной, Палец, Нунатаки и Базисной вблизи станции Новолазаревской в Антарктиде. Рассматриваются методики исследований составляющих радиационно-теплового баланса поверхности, теплопроводности пород и глубины сезонного оттаивания.

Ключевые слова: оазис Ширмахера, теплопроводность, радиационно-тепловой баланс, CALM, сезонно-талый слой, международный полярный год.

This paper is written after field works in 2007—2008 years in Schirmacher Oasis and Aerodromnaya, Palets, Nunataki and Basisnaya mountains located in Antarctic. Research methods of radiative-heat balance parameters, thermal conductivity and depth of active layer are shown.

Keywords: Shirmacher oasis, thermal conductivity, radiative-heat balance, CALM, active layer, international polar year.

Ведение. Интенсивное исследование геокриологических условий Антарктиды проводилось с 1960-х по 1990-е гг. [Бардин, 1964; Гляциологические..., 1966]. Исследования включали и определение составляющих радиационно-теплового баланса. К сожалению, за последние 15 лет многие исследования были приостановлены, а имеющееся оборудование частично потеряло работоспособность. Статья написана по результатам сезонных работ 2007—2008 гг. на станции Новолазаревской (Антарктида) в рамках Международного полярного года. Работы стали возможны благодаря сотрудничеству с Институтом Арктики и Антарктики (начальник Российской антарктической экспедиции В.В. Лукин).

Характеристика района работ. Оазис был открыт немецкой экспедицией под руководством А. Ритшера в 1938—1939 гг. и назван в честь летчика экспедиции, впервые обнаружившего оазис с самолета [Симонов, 1971]. Первые наземные исследования проведены отечественными геологами П.С. Вороновым и М.Г. Ра-вичем в 1959 г. в 4-й советской антарктической экспедиции (САЭ). Во время 6-й САЭ, в 1960—1961 гг., здесь работал специальный геолого-географический отряд (Е.С. Короткевич, В.И. Бардин, Г.В. Коновалов и др.). В 1961 г. была основана постоянная ст. Новолазаревская, в составе которой периодически работали гляциологи, геоморфологи, географы, попутно проводившие и некоторые геокриологические наблюдения [Втюрин, 1982, 1986; Симонов, 1967].

Оазис Ширмахера расположен в центральной части Земли Королевы Мод: 70°44'—70046'30'' с.ш., 11°2Г—11°54'30" в.д. [Геологическая карта Антарктиды..., 1976], представляет цепь скалистых холмов и мелких гор, вытянутых в субширотном направлении на 18 км при ширине от 0,5 до 4 км. Площадь оазиса около 30 км2. С юга он граничит с материковым ледниковым покровом, а с севера — с шельфовым ледником Лазарева. Средняя высота гор 130—150 м и

лишь отметки двух вершин — гор Ребристой и Приметной в центральной части оазиса — превышают 200 м. Относительная высота колеблется от 10 до 150 м. Наибольший контраст высот наблюдается в центральной части оазиса [Бардин, 1966; Макеев, 1979].

В ходе маршрутных исследований обнаружены следующие геокриологические процессы и явления: криогенное выветривание, морозобойное растрескивание и полигонально-жильные образования, наледе-образование, ледники, снежники, плоскостной смыв мелкозема, курумообразование, ветровой (эоловый) перенос мелкозема, обвалы, осыпи.

В качестве места для проведения исследований автор выбрал мерзлотную площадку размером 100x100 м с рыхлыми отложениями для изучения мощности слоя сезонного оттаивания, определения значения коэффициента теплопроводности, измерения составляющих радиационно-теплового баланса. Координаты площадки (GPS): 70°46'20'' ю.ш., 11°48'95'' в.д. Относительная высота площадки составляет 110 м над уровнем моря.

Методика исследований. В камеральный период было выбрано оборудование для определения основных параметров радиационно-теплового баланса, те-плофизических свойств пород и т.д. Оборудование любезно предоставлено кафедрой геокриологии Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Кроме того, определены площадки для проведения исследований и отработана методика работы.

Методика измерения глубины сезонного оттаивания.

В рамках Международного полярного года автором заложена площадка для определения глубины сезонного оттаивания по методике CALM [Brown et al., 2000]. Эта площадка занесена в единую мировую базу данных, в дальнейшем на ней с определенной периодичностью будут проводиться аналогичные измерения. Затем на ней были установлены логгеры, предо-

ставленные Университетом Аляски (США). Углы площадки маркируются вехами и заносятся в GPS (рис. 1). Измерение глубины протаивания проводится по сетке через 10 м, всего 121 точка замеров. На каждой точке проводятся 3 замера глубины сезонно-та-лого слоя (СТС). Замеры проводились в конце сезона

рактеристикой которого является радиационно-тепловой баланс земной поверхности. Знание структуры радиационно-теплового баланса, изменений его составляющих позволяет оценить динамику верхних граничных условий, изучить закономерности формирования и изменения температурного режима земной

Рис. 1. Схема расположения площадки для измерения слоя сезонного оттаивания по методике CALM

протаивания. В качестве зондирующего устройства использован щуп, сделанный из металлического прутка длиной 150 см и размеченный через каждые 10 см. Осредненные значения слоя сезонного оттаивания на площадке составляют 60—80 см.

Методика исследования составляющих радиационного баланса земной поверхности. Основная задача геокриологической съемки — изучение взаимосвязи процессов формирования и развития сезонно-мерз-лых и многолетнемерзлых пород, их температурного режима с процессом теплообмена между атмосферой и верхними слоями литосферы, количественной ха-

поверхности, определить характер развития криогенных процессов. В ходе подготовки к полевым исследованиям автор изготовил измерительную установку (рис. 2). Данные, полученные в ходе измерений, приведены в таблице.

Значения параметров радиационного баланса на 29.01.2008, полученные в ходе измерений

Параметр Значение

Прямая радиация, Вт/м2 Q 690

Рассеянная радиация, Вт/м2 q 105

Суммарная радиация, Вт/м2 Q ^сум 795

Отраженная радиация, Вт/м2 S 160

Радиационный баланс, Вт/м2 R 795

Альбедо, % A 20

Скорость приземистого ветра, м/с v 6,5

Влажность, % W 40

Давление, Па P 970

Рис. 2. Измерительная установка, изготовленная автором, для полевых исследований составляющих радиационно-теплового баланса

Изучение теплопроводности пород зондовым методом. Принцип действия метода состоит в том, что в массив внедряется искусственный тепловой источник (зонд), «возмущающий» естественное температурное поле около себя со скоростью, коррелирующей с те-плопроводящей способностью пород. Фиксируя при опробовании скорость релаксации температурного поля, можно определить опытные значения теплофизи-ческих параметров (одного или нескольких), характеризующих конкретную разновидность (тип) породы [Комаров, 2003]. Для этого использован цилиндриче-

ский зонд. При теоретическом обосновании метода цилиндрического зонда постоянной мощности используется математическое решение задачи о распространении тепла от бесконечно тонкого и длинного источника, внедренного в однородную изотропную среду и выделяющего осесимметричный поток тепла постоянной мощности. В общем случае решается система уравнений на ЭВМ. Однако в случаях, когда теплоемкость можно считать постоянной, что реализуется при применении зонда в талых и «низкотемпературных» мерзлых породах, система имеет аналитическое решение.

Методика проведения опыта. Для опробования на выбранных при съемке площадках отрывают шурф или расчищают обнажение для вскрытия пород, подлежащих исследованию. Шурфовка сопровождается описанием вскрытого разреза, отбором образцов для определения состава и водно-физических свойств.

В боковой стенке шурфа или расчистки на выбранной глубине опробования высверливают отверстия для зонда или вводят его непосредственно в породу. Для улучшения качества теплового контакта между стенкой зонда и породой на поверхность датчика наносят слой смазочного материала. Расстояние между зондами должно быть не менее 0,2 м, поскольку радиус теплового влияния используемых зондов составляет не более 0,1 м. Опыт начинают через 0,5 ч после установки зонда.

Опробование с помощью цилиндрического зонда происходит в две стадии: 1) нагревание, 2) остывание.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Бардин В.И. Географические наблюдения в оазисе Шир-махера // Антарктика: Доклады комиссии, 1963 г. М.: Наука, 1964. С. 136—156.

Бардин В.И. Горы центральной части Земли Королевы Мод. М.: Наука, 1966.

Втюрин Б.И. Геокриологический очерк оазиса Ширма-хера // Антарктика: Доклады комиссии. Вып. 25. М.: Наука, 1986. С. 78—87.

Втюрин Б.И. Гляциологические и геокриологические исследования летом 1981—1982 гг. в оазисе Ширмахера // Материалы гляциологических исследований: Хроника, обсуждения. 1982. Вып. 45. С. 108.

Геологическая карта Антарктиды масштаба 1:5000 000 / Под ред. М.Г. Равича, Г.Э. Грикурова. Л.: МГ СССР, 1976.

Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра геокриологии, аспирант, e-mail: oleg_abramenko@inbox.ru

В процессе эксперимента в специальный бланк наблюдений записывают следующие показателя: изменение сопротивления термистора во времени, определяемое по показаниям измерительного моста; сила тока, протекающего через нагревательную нить зонда, по амперметру (для стадии нагрева). В начале каждой стадии, которая продолжается 15 мин, величину сопротивления зонда фиксируют чаще. Первые 5 минут интервал между замерами составляет 30 с, с 5-й по 15-ю минуту интервал составляет 1 мин. Данные каждого замера теплопроводности усредняются в цикле нагревание—охлаждение.

Заключение. В ходе сезонных работ 2007—2008 гг. в районе оазиса Ширмахер в Антарктиде был проведен ряд наблюдений за геокриологическими процессами и явлениями, а также отработана методика определения составляющих радиационно-теплового баланса, сделаны измерения мощности сезонно-та-лого слоя и теплопроводности талых пород зондовым методом. Данные, полученные во время экспедиции, пока находятся на стадии обработки, по результатам расчетов будет сделано специальное сообщение.

Автор благодарит С.Р. Веркулича (ГУ ААНИИ — Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, Россия), А. Татура (Департамент антарктической биологии, Польша), с которыми работал в экспедиции, а также И.А. Комарова и В.С. Исаева (МГУ им. М.В. Ломоносова), оказавших помощь в камеральный период при подборе измерительной аппаратуры и разработке методики исследований.

Гляциологические исследования в районе станции Новолазаревской: Методика и материалы наблюдений. Л., 1966.

Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах. М.: Научный мир, 2003.

Макеев В.М. Новые данные о рельефе оазиса Ширмахера и история его развития // Тр. САЭ. 1979. Т. 60. С. 48—64.

Симонов И.М. Структурные грунты оазиса Ширмахера // Инф. бюл. САЭ. 1967. № 61. С. 19—25.

Симонов И.М. Оазисы Восточной Антарктиды:. Л.: Гидро-метеоиздат, 1971.

Brown J., Hinkel K.M., Nelson E.F. The Circumpolar Active Layer Monitoring (CALM) program: research designs and initial results // Polar Geography. 2000. Vol. 24, N 3. P. 165—258.

Поступила в редакцию 16.02.2009