Диссертация (1025572), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Исследования процессов переноса во льдуРазвитие науки, изучающей лед во всех его проявлениях и видах,изначально пошло по пути дифференциации, что определяется широкимкругом практически решаемых задач [20]. Например, формирование идвижение ледников изучается в гляциологии, данные по формированию льда вживых системах представлены в криобиологии, а данные по формированию ираспределению льда (снега) в атмосфере – в метеорологии. Везде лёд – этоглавный структурный элемент, но особенности различных параметровобразования определяют его строение и свойства.
Каждая научная школасоздает собственную теоретическую базу и выбирает свой специфичныйподход. Отсутствует целостное рассмотрение процессов, протекающих вледовых структурах.Природный лед представляет собой гетерогенную систему: кристаллыльда окружены прослойками жидкой фазы, в которых находятся примесиразличного происхождения. Даже их незначительное содержание способновлиять на физико-механические, оптические и теплофизические свойстваледяногопокрова.Особеннояркоэтазависимостьпроявляетсяпритемпературах, близких к температуре плавления. Поэтому изучение процессовпереноса во льду в первую очередь связано с необходимостью прогнозированияизменения этих свойств.
В частности, теплофизических характеристик льда:14теплоты плавления, температуры плавления, температуропроводности. Ихчисленные значения важны для климатологии (составления теплового балансапланеты и определения термических режимов гидросферы и литосферы) ильдотехники (использования льда в качестве строительного материала). Встроительной области важно прогнозировать изменение физико-механическихсвойств льда. В настоящий период аналогичные задачи ставит перед учеными испортивная индустрия, неотъемлемой часть которой стала эксплуатациямодифицированных ледовых покрытий.
Ниже представлен анализ наиболееподробных исследований процессов переноса во льду.Одним из первых описание процессов переноса во льду предложилЮ.П. Доронин [21]. Он рассматривал сезонное изменение солености морскогольда как основной фактор влияния на теплофизические характеристики ифизико-механические свойства. Согласно данной работе, характер и скоростьмиграционных процессов во льду, в первую очередь, определяются геометриейобъема, заполненного рассолом. В морском льду он содержится в сквозныхкапиллярах, в замкнутых ячейках, а также в межкристаллических прослойках.Ю.П.
Доронин обращает особое внимание, что нет статистической картиныраспределения рассола во льду, поэтому возможны лишь прогностическиерасчеты. Автор выделил следующие основные движущие силы миграциирассола:– температурный градиент во льду;– стекание рассола вниз под действием гравитационных сил;– действие гидростатического давления;– действие сил поверхностного натяжения (данному фактору отводитсянаименьшая роль).В работе приведены зависимости, которые характеризуют скорость стокарассола с течением времени под действием различных сил.
Если миграциярассола определяется только его плавучестью (данная величина связана сплотностью) и вязкостью, то можно записать уравнение движения. Из негоможно определить скорость стока рассола (wр):15(1.1)где g – ускорение свободного падения;kр – плавучесть рассола;γр – вязкость рассола;pj – плотность воздуха или морской воды (зависит от местоположенияэлементарного объема рассола);r – радиус капилляра.При анализе данной зависимости автор отмечает, что для наиболеераспространенныхразмеровсеченийкапиллярастокпринимаетсястационарным. По словам автора, данное выражение объясняет быстроеопреснение верхних слоев льда, где скорость стока на три порядка больше посравнению с подводной частью.
Постепенно плотность рассола уменьшается ивыравнивается с плотностью воды, что приводит к прекращению стока рассола.Необходимо отметить, что никаких численных значений в работе непредставлено, только общий вид зависимости. Согласно данным автора,изменение солености льда в результате действия гравитационных силпропорционально адвекции (конвекции) солей и описывается следующимуравнением:(1.2)где ∂S/∂t – изменение солености во времени;wр – скорость стока рассола;∂S/∂z – изменение солености по глубине.Ю.П. Доронин отмечает, что решение данного уравнения для выбранногосечения капилляра, значений вязкости и плотности рассола коррелирует сэкспериментальными данными (Рисунок 1.1).
По оси ординат отложенымесяцы, по оси абсцисс – интегральная соленость льда. Однако никакихконкретных расчетных зависимостей и численных значений автор не приводит.16ПрианализеизменениясоленостиЮ.П.Доронинотмечаетнеравномерность опреснения льда в течение года. При высокой температуре (влетний период) количество жидкой фазы во льду увеличивается, открываютсяпоры (капилляры), по которым интенсивно стекает рассол. Зимой при низкойтемпературе уменьшается площадь сечения капилляров, что приводит ксущественному снижению интенсивности миграции солей. Автор, ссылаясь наэкспериментальные данные, в качестве основной движущей силы выделяетименно гравитационную составляющую.Рисунок 1.1.
Изменение солености льда S во времени: в Карском море (а), вАнтарктике (б) [21]В работе Ю.П. Доронин приводит экспериментальные данные не толькопо интегральному изменению солености во времени, но и по послойномуизменению солености ледников в зимнее время в Антарктике и в Арктике(Рисунки 1.2). По ним автор делает вывод, что максимум солености за месяцсмещается вниз примерно на 20 см за месяц. Эту динамику подтверждаютвыделенные на графике точки. Но необходимо отметить, что данная оценкаскорости миграции рассола вызывает сомнения, так как лишь некоторыеэкспериментальные точки ей соответствуют. Столь существенный разбросэкспериментальных данных осложняет проведение каких-либо количественныхоценок миграции. Ю.П. Доронин отмечает, что миграцию рассола сложнорассмотреть со всех сторон: профиль солености меняется в пространстве и вовремени с разной скоростью, под действием нескольких движущих сил.17Поэтому автор ограничивается описанием процесса внутри ледового тела лишьв зимний период, когда миграция осуществляется посредством смещенияячейки рассола в вертикальном направлении (Рисунок 1.3).10о.
УединенияСоленость, S ‰98765430декабрь2040февраль60март80100120140160Глубина, смапрельРисунок 1.2. Послойное изменение солености морского льда [21]Рисунок 1.3. Миграция ячейки с рассолом [21]Для оценочного расчета перемещения ячейки с рассолом авториспользует уравнение теплового баланса. Концентрация соли по всему объемуячейки рассола принимается одинаковой благодаря большой скоростидиффузии. Поэтому скорость таяния и замерзания по границам ячейкиопределяется лишь теплообменом с окружающим льдом, т.е. теплота фазовогоперехода компенсируется теплопроводностью льда.(1.3),где L – теплота фазового перехода, кДж/кг;18ρ – плотность, кг/м3;ξ – перемещения ячейки вниз, м;λ – теплопроводность льда, Вт/(м∙К);T – температура, К.Как отмечает автор, расчеты по этой зависимости при вертикальномперепаде температуры 10 ºС дают перемещение вниз ячейки рассола за месяцпримернона18 см,чтосоответствуетпредставленнымвышеэкспериментальным данным (Рисунок 1.2). Никаких расчетных зависимостей ичисленных значений в работе не представлено.
Суммируя все вышесказанное,необходимо отметить, что соленость льда определяется большим количествомвнешних факторов, меняется во времени и пространстве. При описаниимиграционных процессов проблематично однозначно выделить движущие силыи оценить их индивидуальный вклад. Критическая оценка исследований,представленных в работе Ю.П. Доронина, показала, что предлагаемые законысложно соотнести с реальными экспериментальными данными в силу ихбольшого разброса.
Более того, вызывает вопрос степень корреляцииэкспериментальныхитеоретическихданныхвсилулишьобщегопредставления информации. Поэтому представленное в работе описаниепроцесса переносов во льду следует рассматривать скорее как качественное, ане количественное.В более поздней работе Б.А. Савельев [22] также дает описаниемиграционных процессов в морском льду. Автор предоставляет новыеэкспериментальные данные по химическому составу природного льда, а такжеегопространственно-временномуизменению.Согласнонаблюдениям,проведенным на станции СП-4, соленость однолетнего льда увеличивается придвижении от верхних слоев к нижним. Для многолетнего же льда характерноналичие двух пиков солености: в нижних слоях и в средних (Рисунок 1.4).19Рисунок 1.4.
Соленость S льда на разной глубине ледника: 1- однолетний лед,2- многолетний лед [22]Б.А. Савельев при составлении описания процесса переноса выделяетаналогичные движущие силы. Автор акцентирует внимание на том, что поддействием этих сил во льду может наблюдаться три различных типа миграции.Связано это с тем, что рассол во льду может находится в разном виде:замкнутые ячейки, капилляры (поры) и межкристаллические прослойки.Определенный тип миграции рассола определяется возрастом льда и временемгода.
Дать строго количественное описание процесса невозможно в силумногокритериальности задачи, отсутствия методик изучения и малого объемаэкспериментальных данных. Согласно наблюдениям, наиболее интенсивнаямиграция происходит по капиллярам и характерна для молодого льда, а такжедля периода повышения температуры ледяного покрова (с апреля).
Другиевидымиграциипротекаютмедленнее.Дляописаниямиграциипомежкристаллическому пространству автор предлагает использовать уравнение,которое учитывает толщину жидкостной прослойки, а также толщинуадсорбированной пленки:(1.4),где W/F – поток жидкости в прослойках, отнесенный к единице площадигоризонтального сечения льда;20x – толщина прослойки воды;x1 – толщина адсорбированной пленки;∂С/∂l – градиент концентрации;V – скорость потока, вызванного градиентом поверхностного натяжения.Необходимо отметить, что автор не приводит никаких ссылок наисточник данной формулы или сведений о ее выводе. Более того, нет никакихданных о корреляции экспериментальных данных и подобной расчетнойзависимости. Таким образом, в работе Б.А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
