Диссертация (1025572), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Савельев частично повторяетвыводы Ю.П. Доронина [21], но добавляет описание возможных типовмиграции рассола. Автор, в отличие от предыдущих работ, практически неприводитколичественногоописанияпроцессовмиграции,акцентируявнимание на качественной оценке явления.Обобщение экспериментальных и аналитических исследований морскогольда учеными разных лет представлено в современной работе Ю.Л. Назинцеваи В.В.
Панова [23]. Авторы отмечают, что для решения практических задач нестоль важно понимать природу физического процесса миграции рассола,сколько иметь представления о пространственно-временном распределении длякаждого типа льда, для разного возраста, для разной толщины и климатическихусловий. При этом отмечена общая недостаточность материалов по натурнымопределениям солености льда как в зарубежной, так и в отечественнойлитературе, не позволяющая выполнить статистические расчеты.
АвторыпредставляютэкспериментальныераспределениясоленостиданныеоднолетнегольдаизменениявертикальногоАрктическогобассейна(Рисунок 1.5). Они подтверждают, что максимальную соленость имеет молодойлед (до 9 0/00). При толщине льда 2 м соленость снижается до 6 0/00, а в летнийпериод происходит интенсивное опреснение до 3 0/00. Авторы предлагаютэкспериментальные данные по реальным ледникам аппроксимировать наборомлинейных функций и использовать для дальнейших прогностических расчетов.При составлении подобных зависимостей необходимо учитывать географию21ледового образования: ледники Антарктиды более соленые, чем ледникиСеверного Ледовитого океана.Авторыпредставляютследующиезакономерностивертикальногораспределения солености в Антарктических водах (Рисунок 1.6).
Возраст льдаувеличивается от «a» к «e».– с увеличением возраста льда его соленость падает (а и е);– у молодых льдов имеется максимум солености в верхних слоях иминимум в нижних (б);– в однолетних тонких льдах существует два максимума солености:больший в верхних слоях и меньший в нижних (в);–влетнийпериодвертикальноераспределениесоленостихарактеризуется возрастанием ее в направлении от верхних слоев к нижним (д);– соленость многолетнего льда уменьшается (е).Рисунок 1.5. Схема среднемесячных изменений вертикального распределениясолености однолетнего льда в Арктическом бассейне (по даннымФ.
Мальмгрена): 1 - октябрь, 2 - декабрь, 3 - март, 4 - июнь, 5 - август [23]22Рисунок 1.6. Идеализированные профили солености арктического льдаразличной толщины (Д.А. Мейката) [23]Вработеавторыпредставляютблизкоеописаниемеханизмов,способствующих вытеканию рассола изо льда, данное Унтерштейном [24].Градиентытемпературывольдуведуткформированиюградиентовконцентрации в ячейках рассола,«выталкивание» рассола происходит привозрастании давления в ячейке рассола, гравитационное стекание рассола,вымывание рассола весной и летом вследствие гидростатического напора,оказываемого талой водой на поверхности. Первые два механизма рассмотреныотносительно миграции ячеек рассола. При рассмотрении гравитационногостекания речь идет о соединенных между собой каналах с рассолом.
Впредставленных данных нет четкого разделения и описания типов миграциирассола во льду.Теория формирования солености морского льда и ее дальнейшегоизменения не разработана по сей день. Решение столь многофакторной задачиобразования и роста морского льда приблизительно.
И единственным подходомостается выделение основных внешних факторов, количественная оценкакоторых возможна. Например, соленость исходной воды, скорость нарастанияльда, толщина льда и время существования, температура воздуха у поверхности23льда. Данный подход предложен в статье 2007 г. О.М. Андреева иБ.А. Иванова [25]. Необходимо отметить, что данные исследования выполненыв ведущем институте по изучения природного льда – ГНЦ РФ Арктический иАнтарктическийнаучно-исследовательскийаппроксимировалиужераспределенияпозволяетсоленостипослеимеющиесястепеннымиопределенияинститут.Авторыэкспериментальныемногочленами.соленостиводномпрофилиДанныйгоризонтеподходледникапрогнозируемо определить распределение во всем моделируемом покрове.Предложеннаяавторамипараметризациявертикальногораспределениясолености работает следующим образом.
Исходя из скорости намораживанияльда и солености исходной воды, определяется соленость морского льда нанижней границе ледника по эмпирической зависимости В.Л. Цурикова [26]:(1.5)где dH/dt – скорость роста льда, м/ч;Sw –соленость подледного слоя воды, ‰.Это значение подставляется в расчетную зависимость, и вычисляетсявертикальныйпрофильсолености.Соленостьльдаразноговозрастааппроксимируется различными расчетными зависимостями (Таблица 1).Величина Smax определяется по формуле (1.5), h – безразмерная вертикальнаякоордината.Таблица 1.Параметризация вертикального распределения соленостиПериодПериод нарастанияНачало таяния льдаАктивное таяниеЗависимостьS=Smax∙(0,981-1,482∙h+3,741∙h2-5,682∙h3+3,462∙h4)S=Smax∙(0,685+5,742∙h-34,97∙h2+81,667∙h3-84,3∙h4++32,19∙ h5)S=Smax∙(0,018-0,125∙h-4,447∙h2+50,777∙h3-90,998∙h4++45,441∙ h5)24Данный подход позволяет прослеживать изменение профиля соленостивовсемгодовомциклесуществованияморскогольда.Корреляцияэкспериментальных данных (сплошная линия) и расчета по предложеннойпараметризации(прерывистаялиния)представленанаРисунке1.7.Предложенная параметризация иногда дает существенные отклонения отреальных значений солености, что особенно заметно для льда возрастом 24 дня.Подобное несоответствие может быть связано с выбором эмпирическойзависимости для расчета первоначальной точки, а также с методическимисложностями экспериментов по определению солености.
Таким образом, сутьВысота, мВысота, мВысота, мданного подхода правильная, но он требует доработки.Рисунок 1.7. Параметризации вертикального распределения соленостиморского льда в заливе Eclipse Sound: а - 10 дней, б - 24 дня, в -80 дней [25]25Подводя общий итог обзора исследований процессов переноса во льду,можно сделать следующие выводы. В разные годы в разных работахисследователи предпринимали попытки дать описание процессов в природномльде. Однако ни один автор не смог дать точного количественного описания нидвижущим силам, ни типам миграции. Отсутствуют методические пути длячисленного моделирования и прогнозирования процессов переноса в ледовомтеле. Сложность изучения и прогнозирования кинетики миграционныхпроцессовзаключаетсявтом,чторассматриваетсянестационарный,неравновесный физический процесс, комплексно зависящий от большогоколичества внешних факторов системы.
Здесь важно учитывать особенностикак диффузанта (рассола), так и матричной среды (льда).Особенностипроцессовпереносавольду,осложняющиеегоаналитическое описание:– образование и рост льда происходит под действием большогоколичества внешних факторов, воздействие их носит стохастический характер,ионивзаимнонакладываются.Поэтомуможнолишькачественнопрогнозировать структуру и текстуру льда, его химический состав.–характермиграционныхпроцессовопределяетсянетолькохимическими свойствами диффузанта, но и формой нахождения его в ледовомтеле.Поэтому в рамках проводимого в работе исследования важно иметьпредставления по различным направлениям: об особенностях структуры льдапри различных условиях формирования, о закономерностях химическогосостава образующего льда при различных условиях формирования, оособенностях изучения кристаллизации и миграционных процессов в смежныхобластях.261.2.
Исследования по кристаллизации водных растворовКристаллизация водных растворов лежит в основе различных областейприменения искусственного и естественного холода. Например, работаустановок опреснения воды сопровождается льдообразованием, динамика ростакристаллов льда и формирующаясяструктура подробно изучаются вкриобиологии и гляциологии. Моделирование процесса намораживания льданеобходимо для решения различных инженерных задач: возведение буровыхледяныхплатформ,искусственноезамораживаниеслабыхгрунтов,инееобразование на охлаждаемой поверхности теплообменного оборудования.В рамках проводимого исследования были систематизированы данные изразличных областей по кристаллизации водных растворов и проведенкритический анализсцелью примененияизвестных качественных иколичественных зависимостей.1.2.1.
Образование льда в криобиологииПри криоконсервации структура образующегося в клетке льда определяетсостояние биологического объекта. Механическое давление льда являетсяодним из основных повреждающих факторов при низкотемпературномконсервировании клеточных суспензий. Введение в среду консервацииспециальных химических соединений – криопротекторов, позволяет управлятьпроцессом кристаллизации с позиции уменьшения характерного размеракристаллов. В качестве криопротекторов используются различные группыхимических соединений: спирты, амины, гликоли, полисахариды, белки,синтетические высокомолекулярные соединения. В статье [27] представленыэкспериментальные данные о влиянии криопротекторов на структуру льда.Методом низкотемпературной рентгенографии получено, что все растворыобразуютполикристаллическийледгексагональноймодификации.Взависимости от типа криопротектора и его концентрации меняются размеры27образующихсякристалловльда,четкостьихграниц.Полученныеэкспериментальные зависимости линейных размеров кристаллов льда от типа иконцентрации криопротектора приведены на графике (Рисунок 1.8).
Чем вышеконцентрация вводимых криопротекторов, тем выше дисперсность структурыльда (уменьшается характерный размер кристалла) вследствие увеличениячисла зародышей и уменьшения линейной скорости их роста. Увеличениеповерхностной активности вводимого соединения приводит к увеличениюлинейных размеров кристаллов льда.Размер кристалла, мкм3025201551015Концентрация криопротектора, %ПЭО-400СахарозаГлицеринРисунок 1.8. Зависимость средних линейных размеров кристаллов льда от видаи концентрации криопротектора [27]При криоконсервации вводимые криопротекторы вступают в слабоехимическое взаимодействие с солями, снижая риск чрезмерной дегидратации.Инымисловами,увеличениеприменениеконцентрациикриопротекторовсолейприпозволяетвымораживанииограничитьводызасчет«связывания» части криопротектором.
Это подтверждено исследованиямиЮ.И. ПичугинаиА.Н. Новикова[28].Кондуктометрическимметодомопределялась растворимость солей в 50 % водных растворах криопротекторовпри 0 ºС (Таблица 2).28Таблица 2.Растворимость солей NaCl, KCl в 50 % водных растворах криопротекторовРастворимость, моль/лКриопротекторNaClKCl1212Глицерин3,800,701,900,56Пропиленгликоль2,300,420,930,27ДМФА(демитилформамид)2,200,410,780,23ПЭО–4002,400,441,300,38ПЭО–30001,900,351,000,29Ацетамид2,200,411,000,29ДЭСО(диэтилсульфоксид)1,400,260,600,18Геометрическиесоотношениякристаллическойструктурыобразовавшегося льда меняются в процессе его «жизни» в результатеразличных внешних воздействии. Например, при отеплении наблюдаетсярекристаллизационный рост кристаллов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
