Судовождения и безопасности мореплавания

Севастопольская морская академия
Кафедра «Судовождения и безопасности мореплавания»
Методические указания
по выполнению практического занятия №15
Морские льды
по дисциплине «Гидрометеорологическое обеспечение
судовождения»
для студентов очной формы обучения
направления/специальности 26.05.05 «Судовождение»
Севастополь-2014 г.
Методические
указания
разработаны
на
основе
ФГОС
по
специальности 26.05.05 «Судовождение».
Методические указания по проведению практического занятия №15
«Морские льды» по учебной дисциплине
« Гидрометеорологическое
обеспечение судовождения» составил профессор, доктор географических
наук, профессор кафедры «Судовождения и безопасности мореплавания»
Холопцев Александр Вадимович.
Севастополь, Севастопольская морская академия, 2014г.,
10
страниц.
Методические
указания
по проведению практических занятий
рассмотрены и утверждены на заседании кафедры «Судовождения и
безопасности мореплавания «14» июля 2014 г., протокол № 1 .
Зав.кафедрой “ Судовождения и безопасности мореплавания”
доктор технических наук
Кулагин В.В.
Рекомендовано к использованию в учебном процессе. Протокол
заседания учебно-методического совета № __________ от «___»___________
2014 года
СОДЕРЖАНИЕ
1. Цель и основные задания практического занятия
2. Список вопросов для входного контроля знаний студентов
3. Правильные ответы на поставленные вопросы
4. Основные положения теории. Морские льды
5. Темы для докладов студентов
6. Порядок проведения занятия
Рекомендованная литература
4
4
4
5
9
10
10
1. Цель и основные задания практического занятия .
Целью данного практического занятия является закрепление и
углубление знаний, полученных студентами на лекции №15.
Для достижения указанной цели студент должен выполнить следующие
основные задания:
- повторить лекционный материал, посвященный особенностям
морских льдов;
- подготовить и доложить реферат по одной из рекомендованных тем.
2. Список вопросов для входного контроля знаний студентов.
2.1. Что такое лед?
2.2. До какой температуры можно переохладить океанскую воду без ее
замерзания.?
2.3. При какой температуре может замерзнуть океанская вода?
2.4. При какой температуре может замерзнуть вода Черного моря?
2.5. При какой температуре может замерзнуть вода Азовского моря?
2.6. Почему океаны у берегов Антарктиды никогда не замерзают?
2.7. Почему же в Севером Ледовитом океане много льда?
2.8. Где образуются айсберги?
2.9. Как с течением времени изменяется прочность морских льдов?
3. Правильные ответы на поставленные вопросы.
3.1. Лед – это твердая фаза воды.
3.2. До -33 град. С..
3.3. Океанская вода, солёность которой равна 35 ‰ , замерзает при
температуре минус 1,91°C.
3.4. Вода Черного моря, имеющая солёность 18 ‰ , замерзает при
температуре минус 1,07°C
3.5. Вода в Азовском море (солёность 10 ‰) замерзает при
температуре минус 0,53°C.
3.6. Вода у берегов Антарктиды непрерывно перемешивается
термической конвекцией и ее верхний слой за зиму неуспевает
остыть до нужной температуры.
3.7. Этот лед в начале зимы выносят реки.
3.8. Айсберги образуются на суше.
3.9. Она увеличивается.
4.Основные положения теории.
Морские льды
Классификация плавучих и неподвижных льдов.
Лёд – это твёрдая фаза воды. В отличие от пресной воды, морская вода,
очищенная в лабораторных условиях до максимально возможной степени и
находящаяся в спокойном состоянии, может быть охлаждена без образования
льда до температуры минус 33°C. Но мельчайший кусочек льда или иной
крошечный предмет, помещенный в такую переохлаждённую воду,
мгновенно вызовет бурное образование льда. Нормальная океанская вода,
солёность которой равна 35 ‰ , замерзает при температуре минус 1,91°C.
При солёности 25 ‰ (Белое море) вода замерзает при температуре
минус 1,42°C, при солёности 18 ‰ (Чёрное море) – при минус 1,07°C, в
Азовском море (солёность 10 ‰) поверхностная вода замерзает при
температуре минус 0,53°C.
Прочность морских льдов заметно ниже, чем пресноводных, но она
возрастает с понижением температуры и солёности льда. Наибольшую
прочность имеют многолетние льды.
Прочность морских льдов тем выше, чем ниже температура воздуха
при которой они образовались. Лёд толщиной 60 см, образующийся на
пресноводных водоёмах в разгар зимы, может выдерживать нагрузку до 15-18
тонн, если, конечно, эта нагрузка приложена не сосредоточенно, а в виде,
скажем, грузовой платформы на гусеничном ходу, опорная поверхность
которой равна примерно 2,5 м2.
По степени своей подвижности морские льды подразделяются на
неподвижные и дрейфующие. Неподвижный лед — сплошной ледяной
покров, закрепленный сушей или банками (примерзший к ним). Основная
форма неподвижного льда — припай, ширина которого может достигать
нескольких километров. Кроме припая, к неподвижным льдам относятся
стамухи, береговые валы.
Дрейфующий, или плавучий, лед — лед, не связанный с берегом и
находящийся в движении под влиянием ветра и течений. Это преобладающая
форма льдов, встречающихся в Мировом океане. При сильном ветре,
совпадающем по направлению с течением, дрейфующие льды могут
проходить расстояние до 100 км в сутки.
По размерам плавучие льды делят на обширные, большие и малые
ледяные поля, крупнобитый и мелкобитый лед. Образованию льдов в
Арктике способствует существенное опреснение поверхностных вод
акваторий, прилегающих к устьевым областям рек Обь, Енисей, Лена, и др..
Их воды в начале зимы выносят в океан много льда речного происхождения,
на котором образование морского льда происходит гораздо интенсивнее.
Кроме льдов, образовавшихся непосредственно в океане, в нем
присутствуют также льды материкового происхождения. Это айсберги и
ледниковые острова. Они образуются при обламывании сползающих в океан
концов выводных ледников, или массивов шельфового льда.
Встречающиеся айсберги делятся на два типа. К первому относятся
т.н. "столовые" айсберги. Они имеют плоские верхнюю и нижнюю границы и
откалываются от шельфовых ледников. Крупнейшие шельфовые ледники
Антарктиды - ледники Росса и Ронне-Фильхнера. Протяженность ледника
Росса с севера на юг 850 км и с запада на восток- 1000 км. Размеры ледника
Ронне-Фильхнера с севера на юг 700км, с запада на восток 1100км. Скорость
движения шельфовых ледников не велика - несколько сотен метров в год.
В 1978 году столовый айсберг длиной более 50 км был обнаружен у
берегов южной Африки. В декабре 1854 года на 44 параллели южной широты
был встречен айсберг длиной 120 км, возвышавшийся над водой на 90м. В
1894 году к югу от Новой Зеландии был замечен айсберг длиной 130 км.
Крупный айсберг длиной 170 км и высотой 40м над водой был
обнаружен в 1927 году в 50 милях от
северо-востоку от Южных
Шетландских островов.
Наиболее грандиозный столовый айсберг был обнаружен в Тихом
океане в районе острова Скотта в ноябре 1956 года. Его длина составляла 385
км, а ширина - 111 км. Площадь этого гиганта составляла 40 тыс кв. км.
Ко второму типу относятся айсберги неправильной (куполообразной
или пирамидальной) формы, откалывающиеся от выводных ледников.
Выводные ледники Антарктиды отличаются от шельфовых гораздо
большей скоростью своего движения. Так выводной ледник Эймери имеет
скорость до 1600м/год. Вследствие быстрого движения тело таких ледников
изорвано трещинами и напоминает ледопад.
Размеры выводных ледников меньше чем шельфовых. Крупнейший
выводной ледник Ламберта имеет длину 500 км, а ширину 30 км. Поэтому и
размеры айсбергов откалывающихся от этих ледников меньше.
Надводное возвышение столовых айсбергов Антарктиды достигает
200м. Надводное возвышение айсбергов неправильной формы достигает
300м, но как правило не превышает 50-70м.
Подводная часть любых айсбергов в 6 - 8 раз превышает надводную.
Поэтому айсберги
строго
следуют
за
увлекающими
их
крупномасштабными океаническими течениями и нередко движутся
навстречу ветру и волнам.
Ежегодно от ледовых берегов Антарктиды в воды Антарктического
прибрежного течения поступают десятки тысяч айсбергов. В процессе таяния
айсберги заметно охлаждают
окружающую водную среду. Поскольку
слагающий их лед сформировался на суше, воды, образующиеся при таянии
айсбергов, являются пресными. Несмотря на более низкую температуру, чем
окружающая среда эти пресные воды могут иметь меньшую плотность.
В результате этого вблизи поверхности айсберга всегда существуют
интенсивные вертикальные движения водных струй.
Шельфовый лед образуется путем отложения фирна на многолетнем
припае или на выступающих в море глетчерных льдах. Размеры Айсбергов
зависят от фронтальных размеров и толщины ледников, от которых они
отделились.
В Антарктиде наибольший объём льда в виде айсбергов дают два
гигантских шельфовых ледника, надвигающихся на моря Росса и Уэдделла.
Шельфовый ледник Росса имеет площадь, превышающую 500 тысяч км 2, а
толщина льда здесь достигает 700 метров. В море Росса этот ледник подходит
в виде огромного ледяного барьера длиной почти в 900 км и высотой до 50
метров.
Вокруг Антарктиды постоянно плавает около 100 тысяч айсбергов. В
Северном полушарии основным поставщиком айсбергов в океан является
Гренландия. Ежегодно от ледников этого острова откалывается до 15 тысяч
айсбергов, которые выплывают на океанские пути в Северную Атлантику.
Айсберги откалываются также от ледников островов Северного Ледовитого
океана – Земли Франца-Иосифа, Новой Земли, Северной Земли,
Шпицбергена и Канадского арктического архипелага.
В 1987 году с помощью спутников Земли в районе моря Росса был
обнаружен айсберг длиною 153 и шириною 36 км.
От этого же ледника в 2000 году откололся айсберг, получивший
название B-15. Этот гигант имел площадь более 11000 км2. Если бы льдина
такой площади оказалась на Ладожском озере, то она закрыла бы 63%
поверхности этого большого (17,7 тыс.км2) озера.
Отколовшись от ледников, айсберги, подхваченные течениями и
подгоняемые ветрами, иногда уплывают далеко за пределы полярных
областей. Антарктические айсберги достигают южных берегов Австралии,
Южной Америки и даже Африки. Айсберги Гренландии проникают в
Северную Атлантику до сороковой параллели и южнее, достигая Азорских и
даже Бермудских островов.
Дальность плавания айсбергов и время их существования в океане
зависят не только от направления и скорости морских течений, но и от
физических свойств самих айсбергов. Очень большие и глубоко
промороженные антарктические айсберги существуют по нескольку лет, а в
отдельных случаях даже десятилетий. Гренландские айсберги тают
значительно быстрее, всего за 2-3 года, т.к. они не столь велики по размерам и
образовались при более высокой температуре.
Ледяные острова — обширные обломки шельфового льда длиной до 30
км и более, толщиной в несколько десятков метров. В, Арктике они
образуются в
северном районе Канадского архипелага (это обломки
шельфового льда острова Элсмира на севере Канады).
Ледовые острова возвышаются над уровнем моря до 12 м и достигают
размеров 30 X 35 км. Они имеют волнистую поверхность, с валами и
ложбинами.
Образование морских льдов.
В океанах лёд образуется в высоких и умеренных широтах. В
приполярных районах многолетние (паковые) льды сохраняются по
нескольку лет, достигая в центральных районах Северного Ледовитого
океана толщины до 5 метров.
Наибольших размеров ледовый покров в океанах достигает в конце
зимы: в Арктике к апрелю его площадь около 11 млн.км2, а к сентябрю в
Антарктике – около 20 млн.км2. Постоянный ледовый покров составляет 3-4
процента площади Мирового океана.
Среднегодовая интенсивность образования морского льда тем больше,
чем меньше среднегодовой поток суммарной солнечной радиации,
поглощаемый поверхность Арктических и Антарктических акваторий
Мирового океана.
В отличие от пресной воды, замерзание которой не изменяет её
состава, при замерзании морской воды из нее выделяется соль.
Замерзание морской воды начинается с образования тонких, вытянутых
ледяных кристалликов, в которых совершенно нет соли.
Соль, содержащаяся в воде, из которой образовались эти кристаллики,
переходит в водяные промежутки, разделяющие их. При этом соленость
подобной воды существенно увеличивается, что препятствует ее замерзанию.
Поэтому морской лед является пористым. Вода, заполняющая поры, с
течением времени постепенно вытекает под лед, что приводит к
постепенному уменьшению его плотности и прочности.
Температура замерзания и температура наибольшей плотности морской
воды зависит от её солёности.
Морская вода, солёность которой ниже 24,695 промилле, при
охлаждении сначала достигает наибольшей плотности, как и пресная вода, а
при дальнейшем охлаждении и отсутствии перемешивания быстро достигает
температуры замерзания. Если солёность воды выше 24,695 промилле, она
охлаждается до температуры замерзания при постоянном увеличении
плотности с непрерывным перемешиванием (обменом между верхними
холодными и нижними более тёплыми слоями воды), что не создаёт условий
для быстрого выхолаживания и замерзания воды, то есть при одинаковых
погодных условиях солёная океаническая вода замерзает позже солоноватой.
Солёность морского льда, т.е. солёность воды, образующейся при его
таянии, составляет в среднем около 10% солености океанской воды.
При замерзании морской воды образуется лед, соленость которого
гораздо меньше. С течением времени она еще более снижается.
Объём морского льда на 9 процентов больше объёма воды, из которой
он образовался. Плотность морского льда меньше плотности морской воды и
колеблется в пределах 0,85-0,94 г/см3. Вот почему плавучие льды
возвышаются над поверхностью воды на 1/7 – 1/10 своей толщины.
Па́ковый лёд — многолетний морской лёд толщиной не менее 3 метров,
просуществовавший более 2 годовых циклов нарастания и таяния. В виде
обширных ледяных полей наблюдается преимущественно в Арктическом
бассейне.
Паковый лед образует свободно плавающие ледяные массивы,
сползшие в воду и оторвавшиеся от ледников на суше, а также дрейфовавшие
льдины, захваченные впоследствии прибрежным льдом.
Паковый лед отличается меньшей солёностью, чем морская вода. По
мере увеличения возраста он всё более опресняется и становится прочнее.
Образование припая начинается в начале зимы, после того как
среднесуточные температуры снижаются ниже 0оС. Поэтому срок начала
образования припая является информативной характеристикой ледового
режима акватории.
Другой важной характеристикой являются сроки
первого и
окончательного замерзаний
моря. Основные механизмы образования
материкового льда: - инфильтрация, фирнизация.
Исходный материал для образования льда – снег, который выпадает в
форме красивых тонких, обычно гексагональных легких кристаллов.
Фирнизация
Свежий снег обладает высокой пористостью и большой поверхностью
соприкосновения с воздухом, что способствует испарению и сухой возгонке,
т.н. сублимации, при которой выделяется тепло. Снежинки начинают
уплотняться и, подтаивая, за счет высвобождающегося тепла, начинают
изменять свою форму, превращаясь в округлые зерна и уплотняясь. Подобное
состояние снега называется фирном.
Дальнейшее уплотнение фирновых зерен ведет к их трансформации в
фирновый лед, еще содержащий поры, а еще позднее уже в глетчерный лед,
не имеющий пор, обладающий голубоватым цветом и менее плотный, чем
речной лед. Чтобы образовался 1 м3 льда необходимо 10-11 м3 снега.
Фирнизация – основной механизм образования айсбергов Антарктиды и
Гренландии, где в период полярного дня среднесуточные температуры
остаются ниже нуля.
Инфильтрация
Днем под лучами солнца снег частично тает, превращаясь в воду. Эта
вода просачивается в снежную толщу и там замерзает, превращаясь в лед.
Лед, образующийся путем инфильтрации, плотнее и прочнее
фирнового. Он образуется в регионах, где среднесуточные температуры в
период полярного дня превышают температуру плавления воды. Это острова
Канадского архипелага, а также других островов Арктики.
Таяние морских льдов начинается при повышении их температуры
выше минус 2,3°C. В Арктике летом толщина льда за счёт таяния его верхних
слоёв может уменьшиться на 0,5-1,0 метр, но за зиму снизу может намёрзнуть
до 3-х метров льда.
Многолетние льды из Арктики постепенно выносятся течениями в
умеренные широты, где относительно быстро тают. Они живут от 2 до 9 лет.
Антарктические льды существуют ещё дольше.
5. Темы для докладов студентов.
1. Образование льда на реках и озерах.
2. Образование морских льдов.
3. Айсберги.
4. Гибель «Титаника».
5. Потепление климата и льды Арктики.
6. Методика выбора безопасной скорости и пути при плавании во
льдах.
7. Морские льды и живая природа Арктики.
6. Порядок проведения занятия.
1. Вводная часть. Проверка наличия студентов и их готовности к
занятию. Оглашение темы занятия, его цели и заданий.
2. Доклады студентов
3. Обсуждение докладов.
4. Заключительная часть. Подведение итогов занятия.
Рекомендованная литература
1. Шулейкин В.В. Физика моря / В.В.Шулейкин. – М. : Наука, 1968. –
1083 с.