Как быстро замерзает лед на озере

ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ЛЬДА

Ледовый режим водоема — это циклы покрытия акватории льдом, неизменный каждый год. На водоемах Ленинградской области ледовый режим состоит из трех фаз: замерзание, ледостав и вскрытия водоёмов.

Для возникновения льда в водоёмах необходимо:
— небольшое переохлаждение воды, температура должна быть чуть ниже 0 °С, начиная с сотых долей и ниже;
— наличие ядер кристаллизации, которыми могут являться снежинки, льдинки, минеральные и органические взвеси;
— турбулентное перемешивание для отвода выделяющегося при кристаллизации тепла. Если перемешивания нет, то процесс кристаллизации прекращается.

В водоёмах образуется лед поверхностный и глубинный (внутриводный), кристаллизующийся не только на взвеси, но и на микроорганизмах, частицах песка, гальке и т. д. Температура замерзания снижается с глубиной и с увеличением минерализации.

К факторам, определяющим возможность образования ледовых явлений, относят:
• интенсивность теплоотдачи поверхности водоёма с наступлением холодов;
• величину теплоемкости водоема. Чем больше объём водной массы в водоёме, и чем он глубже, тем длительнее процесс его охлаждения;
• интенсивность перемешивания, связанная с транзитными течениями. Чем более проточен водоем, тем интенсивнее вынос тепла из глубинных слоёв к поверхности, в атмосферу.

Очень важным фактором образования ледяного покрова на водоёмах и наступления ледостава служит ветер. Чем сильнее ветер, тем интенсивнее теплоотдача в атмосферу вследствие испарения и турбулентного теплообмена с морозным воздухом. Перемешивание слоев воды ветром и волнами усиливает теплообмен и вынос теплых глубинных вод к поверхности, что тормозит процесс льдообразования. Интенсивное перемешивание увеличивает толщину слоя воды, в котором возможно образование ледяных кристаллов, всплывающих к поверхности воды (лёд имеет плотность на 10 % меньшую по сравнению с плотностью воды). Ветровое волнение разрушает образовавшиеся ледяные корки, чем замедляет формирование ледяного покрова.

Замерзание водоёмов.

При интенсивном теплообмене и охлаждении вод водоема, но при отсутствии ветра и перемешивания верхних слоем воды образуются первичные кристаллики льда в виде мелких иголочек. Когда вода покрыта ими, кажется, что на её поверхности разлит растопленный жир. Такое состояние водно- кристаллизованной смеси называют «сало». При продолжающемся морозе и безветрии кристаллики смерзаются. Образуется однородный прозрачный кристаллический лед, толщина которого довольно быстро увеличивается. За ясную и морозную ночь толщина такого льда может достичь 2-3 см. При этом, как правило, весь небольшой водоём замерзает единовременно. На крупных озёрах в такую погоду обычно покрываются льдом только мелководные заливы.

Кристаллический лёд в начале зимы наиболее прочный и при толщине 5 см выдерживает вес человека, а при 10 см — снегохода. В озёрах, покрывшихся льдом в морозную, штилевую погоду, подо льдом сохраняется обратная стратификация с относительно тонким подлёдным слоем воды, охлажденной до 0 °С. Если замерзание водоёма происходило в ветреную погоду с перемешиванием и более интенсивной теплоотдачей с водной поверхности, средняя температуры воды в водоеме зимой меньше.

При даже слабом ветре замерзание водоёма начинается с береговых отмелей, выхолаживающейся быстрее из-за малой глубины. Первичные кристаллики сбиваются к урезу и смерзаются, образуя полосы кристаллического льда — забереги, примёрзшие к береговому склону. С усилением мороза забереги расширяются, а открытая поверхность воды сокращается. На крупных и глубоких озёрах и водохранилищах замерзание длительно и проходит разновременно в разных районах.

В формировании ледяного покрова принимают участие всплывающие комья внутриводного льда (шуга) обычно грязно-белого цвета, снежура, образующаяся из снега во взволнованной, ещё не замерзшей водной поверхности. Неровность такого покрова увеличивается, если сильный ветер и колебания поверхности водоёма взламывают ещё не окрепший лед. Он дробится, и трущиеся друг о друга его кусочки превращаются в блинчатый лёд — дискообразные льдинки с выпуклым белым краем смерзшихся ледяных крошек.

Штормовым ветром взламывается и уже достаточно прочный лёд, льдины надвигаются одна на другую и смерзаются в торосы с наступлением менее ветреной, но морозной погоды. На нагонных участках пологого берега из битого льда, шуги и частиц донного грунта в шторм образуются береговые ледяные валы.

Структура и деформации ледяною покрова.

Ледостав — период неподвижного ледяного покрова. В Ладожском озёре в теплую зиму с малой суммой отрицательных температур воздуха площадь ледяного покрова не превышает 50% площади акватории. В такие зимы теплозапас его водной массы наименьший вследствие особенно интенсивной теплоотдачи с большой открытой водной поверхности. В умеренно холодные зимы почти 100 %-ная покрытость льдом продолжается всего 2 месяца, а в суровые зимы она длится почти 3 месяца.

Скорость нарастания кристаллического слоя льда (вследствие кристаллизации воды на его нижней поверхности) зависит от его теплопроводности и того, насколько интенсивны теплопотери с ледяного покрова в атмосферу при морозе. Чем ниже температура воздуха и продолжительнее морозная погода, тем больше намерзает льда снизу, тем всё более толстым становится кристаллический лед на водоёме, увеличивается теплоизоляция воды под ним.

Как правило, ледяной покров неоднороден и имеет двух- или трёхслойную структуру и покрыт слоем снега неравномерной толщины и плотности. Под весом снега лёд прогибается, трескается, из трещин, рыбацких лунок и майн на лёд вытекает вода, смачивает нижний слой снега и в мороз замерзает. Так образуется водно-снеговой лёд, менее плотный и малопрозрачный белёсого цвета из-за включения пузырьков воздуха и пыли.

В оттепели талая вода с подтаивающего снежного покрова в последующие морозы превращается в снеговой лёд. Он по физическим свойствам сходен с водно-снеговым льдом, но отличается по химическому составу, подобному составу атмосферных осадков. Лёд этих двух видов имеет меньшую теплопроводность и отражающую способность, чем кристаллический лёд, что замедляет утолщение ледяного покрова.

Читайте также:  Авиакатастрофа над боденским озером причины

Деформации ледового покрова.

Зимой лёд как любое твёрдое тело при охлаждении сжимается. Сжатие больше у верхней поверхности льда, где зарождаются морозные трещины. Нижняя поверхность льда крепко примерзает на мелководьях к грунтам вблизи уреза, поэтому с усилением мороза в трещинах происходит разрыв ледяного покрова, и в расширяющихся до 1-2 м трещинах образуется на воде корка молодого льда. При потеплении лед расширяется, трещины сдвигаются, вызывая торошение молодого льда. Торосы порой достигают высоты 0,5-1,5 м.

Кроме термических деформаций ледяного покрова на озёрах происходят и динамические деформации, вызванные сейшами (стоячими волнами, возникающими в замкнутых или частично замкнутых водоёмах) на открытой воде. На Ладожском озере неоднократно возникало по три трещины вдоль продольной оси и поперёк под действием многоузловой сейши, когда наибольшие изгибы ледяного покрова происходят в прибрежной зоне. При сильном морозе достаточно небольшого изгиба ледяного поля над пучностью сейши, чтобы он треснул.

Таяние льда в водоёмах.

Разрушение ледяного покрова, т. е. вскрытие замерзашего водоема, включает три стадии:

I стадия — таяние снежного покрова. Талая вода пропитывает снег, он темнеет, снижается величина отражающей способности поверхности водоёма, увеличивается поглощение суммарной солнечной радиации, что ускоряет таяние. Вода накапливается на льду, протаивают вдольбереговые трещины, заполняющиеся талой водой. Увеличение расхода воды в притоках приводит к подъему уровня воды в водоёме. Ледяной покров, освободившийся от снега, всплывает. Талая вода с него уходит под лёд. Вдоль берегов образуются закраины у скалистых крутых берегов и более широкие — на мелководьях.

II стадия — активное таяние ледяного покрова. Оно происходит на его верхней поверхности вследствие поглощения льдом солнечной радиации (большая величина радиационного баланса) и турбулентного теплообмена с более тёплым воздухом.

Подтаивает и нижняя поверхность льда вследствие конвективного перемешивания подлёдной воды с нижележащим слоем, нагретым днем проникающей сквозь лед солнечным излучением. Локально оно интенсифицируется динамическим перемешиванием в приустьевых зонах, куда поступают воды притоков. Плотностные течения, несущие теплоту и распространяющиеся из этих зон в подледном слое из-за малой минерализации и плотности вод речного половодья, усиливают подтаивание снизу ледяного покрова. Стаивание льда сверху и снизу уменьшает толщину ледяного покрова примерно на 30 %.

Одновременно таяние происходит внутри пористого водноснегового и прозрачного кристаллического слоев. Оно начинается вокруг содержащихся во льду частиц ионного состава. Образующиеся капли внутрилёдной солоноватой талой воды, поглощающие солнечное излучение, вызывают протаивание вертикальных канальцев диаметром 0,1-1,0 мм между ледяными кристаллами. Это увеличивает рассеяние и поглощение солнечного света в толще льда и ускоряет таяние. Канальца расширяются до 5 мм и более в диаметре, и внутрилёдная вода стекает под лёд, происходит его обессоливание.

Прочность ледяного поля уменьшается настолько, что любая даже небольшая на него нагрузка — ветровое пульсирующее давление сверху или сейшевые колебания воды снизу — разрывает ослабевшие связи между кристаллами льда. Лед рассыпается на отдельные кристаллы диаметром до 5-7 см и длиной 20-30 см и более. В эту стадию выход на лёд крайне опасен.

III стадия — таяние возникающих полей ледяных иглообразных кристаллов и еще не раздробленных льдин. Оно происходит обычно быстро благодаря резкому снижению альбедо смеси воды и ледяных кристаллов, их механическому дроблению волнением и трением друг о друга. Из-за поглощения льдом солнечного излучения весной для его таяния и разрушения в водоёме достаточна в 5 раз меньшая сумма положительных температур воздуха, чем сумма её отрицательных значений зимой для формирования толщи ледяного покрова.

Вскрытие малых озёр, прудов и водохранилищ происходит практически одновременно на всей их акватории. В целом сроки начала ледостава и очищения ото льда озёр и водохранилищ — более поздние, чем на реках. Их запаздывание тем значительнее, чем больше размеры водоёма и меньше его проточность.

Источник

Ледостав и поведение на тонком льду

Природное явление образования твердого ледового покрова на поверхности водоемов само по себе удивительно и связано прежде всего со свойствами воды – уникальной жидкости. Так вот, при плюсовой температуре все молекулы воды в каком-то объеме связаны между собой в бесконечные цепочки, поэтому в данном состоянии жидкость представляет из себя аморфное соединение с характерными свойствами. Однако, когда вода охлаждается ниже определенного температурного значения, начинается льдообразование – по сути это означает, что происходит разрыв цепочек воды на отдельные молекулы с распределением их в кристаллическую решетку. Вода из жидкого переходит в твердое агрегатное состояние – в лед, плотность которого заметно меньше плотности воды, поэтому лед имеет положительную плавучесть и может выдерживать значительную внешнюю нагрузку, которая тем больше, чем толще и однороднее ледовый покров.

Становление льда, или перволедье, практически никогда не проходит по идеальному с точки зрения физики сценарию. Часто бывает так, что наблюдается по нескольку коротких периодов образования временного ледового покрытия, которое, не достигнув достаточной прочности, размывается затем дождями, ослабляется сырыми туманами и разбивается ветром. В лучшем случае период перволедья может быть и очень коротким – одна-две тихие ночи с крепким морозом. Кроме того, само перволедье, если оно уже сложилось, можно условно разделить на некие фазы: перволедок (тонкий, но уже не разрушающийся ледок), крепкий хотя бы местами лед и надежный лед, сплошь покрывший некоторые водоемы и везде пригодный для рыбалки. Ясно, что не только на разных водоемах, но даже на одном эти фазы разнесены и по времени, и по акватории, порой значительно. Поэтому, планируя первые выходы на лед, нужно хорошо представлять, что происходит на том или ином водоеме в зависимости от его типа и от сложившейся погодной ситуации. Такие знания даются только благодаря ежегодным наблюдениям и сравнительному анализу.

Читайте также:  Затонувший лес озера каинды казахстан

Теперь подробнее о тех природных процессах, которые ведут к образованию на поверхности воды льда, и о его свойствах, обусловленных качеством самой воды и рядом внешних факторов. Самое главное тут – конвективный теплообмен между двумя средами, водой и воздухом, происходящий на границе раздела. Вода, являясь очень емким аккумулятором тепла, к концу летнего сезона оказывается гораздо более нагретой, чем атмосфера вблизи поверхности земли. Воздух, как менее плотный, а потому не такой энергоемкий, быстро остывает из-за ставших длинными ночей и удаления планеты от светила с изменением интенсивности и наклона солнечных лучей к поверхности. И чем ниже опускается температура воздуха, тем быстрее происходит теплообмен с водой.

Когда поверхностный слой воды охладится до температуры плюс 4 градуса, при которой эта жидкость скачком становится максимально плотной, она, практически не перемешиваясь, опустится вниз, вытесняя вверх теплую и более легкую воду. Таким образом происходит вертикальная циркуляция и очень медленное перемешивание всей толщи воды. Этот процесс конвекции постепенно затухает по мере приближения общей температуры к 4 градусам, но совсем никогда не прекращается – донные слои постоянно получают тепло от ложа водоема, которое зимой всегда несколько теплее воды, иначе бы водоемы промерзли до дна, а лед бы нарастал и сверху, и снизу, что обычно происходит в климатических зонах с вечной мерзлотой.

Когда основная масса воды примет температуру 4 градуса, начинается ее дальнейшее охлаждение до 0 градусов – это точка перехода дистиллированной воды в кристаллическое состояние, то есть точка замерзания. Переохлаждение ниже 0 градусов приводит к образованию льда.

В реальности в различных водоемах вода представляет собой некий раствор из солей и микровзвесей, отличающийся по составу, что обычно снижает температуру, необходимую для становления льда, и для разных водоемов эта температура неодинаковая. Опять же, идеальной картины замерзания воды в природе не бывает, и лед каждый год встает по-разному – это зависит от погоды, которой ледостав сопровождается, а также от типа водоема: большой он или маленький, глубокий или мелководный, с течением или непроточный. На образование льда влияют также колебания уровня воды, значительные по объему теплые бытовые стоки, продолжающееся кое-где судоходство.
Если ледостав происходит в тихую морозную погоду, то лед практически равномерно покрывает весь водоем, нарастая от берегов, и прежде всего в местах мелководий. Когда процесс становления льда сопровождается сильным ветром, то образование ледяного покрова на открытых пространствах больших водоемов задерживается надолго – крутые волны ломают и уносят непрочный тонкий перволедок и сбивают его к подветренному берегу, где при достаточно сильном морозе, быстро схватывающем этот хрупкий строительный материал, может образоваться весьма толстая, но менее прочная, чем сплошной лед, широкая закраина. Другая закраина из монолитного льда будет расти от наветренного берега, и чем круче, выше этот берег, тем шире прозрачный отмосток ляжет на воду.

При затихании ветра, если не случится внезапной оттепели, эти две закраины быстро соединятся, так как хорошо перемешанная и охлажденная вода будет готова к замерзанию. Однако рыболову еще долго следует помнить: где лед встал вначале – там он толще и прочнее. Понятно, что над большими глубинами, где масса воды велика, охлаждаться она будет дольше и образование льда наступит позже, чем на мелких местах. Такая же закономерность существует при ледоставе на обширных или небольших водоемах – на первых надежный лед встанет значительно позднее и при более крепких морозах.

На реках свои особенности ледостава: из-за течения вода постоянно перемешивается по всему объему и переохлаждение наступает для всей движущейся массы, на что нужно дополнительное время, поэтому лед на реке встает несколько позже, чем на водоемах со стоячей водой. Однако вода в реках подо льдом в целом холоднее, чем на озерах и водохранилищах, и, как это ни парадоксально, дальнейший прирост льда на реке идет быстрее.

Разумеется, на сильном течении лед встает позже, чем на слабом. К тому же, после обильных осенних дождей в начале зимы на реках бывают ощутимые и достаточно резкие колебания уровня воды – обычно наблюдается его падение, связанное с уменьшением стока из притоков по причине замерзания поверхностных грунтовых вод. Это ведет к тому, что тонкий лед повисает и обламывается по берегам и течение уносит всю массу перволедка. Движущиеся льдины скапливаются в местах с обратным течением за мысами и на стрелках сбоя струй, а также на границе, где быстрый поток вливается в медленнотекущий плес. Во всех таких характерных местах образуются затем торосы, достигающие порой толщины до 3 метров – они всю зиму служат хорошим ориентиром для рыболовов при поиске рыбьих стоянок, поскольку подводные обитатели скапливаются вблизи подобных особенностей поведения речного потока, так как здесь естественным образом концентрируется корм.

Как уже было сказано выше, становление льда в начале зимы может происходить при разных внешних условиях, от чего в конечном итоге будут зависеть толщина и качество ледового покрова, а значит, и безопасность нахождения на нем.

Читайте также:  Базу отдыха надежда на озере увильды челябинской области

Прежде всего, наиболее прочен чистый, монолитный лед, образовавшийся от замерзания переохлажденного верхнего слоя воды. Однако ловить рыбу с такого льда имеет смысл лишь над большой глубиной, куда доходит мало света и рыба не пуглива. Поэтому безопасным он будет при достижении толщины не менее 5 сантиметров – лишь в этом случае лед надежно выдерживает одного человека, а вот группами на нем собираться нельзя.

Прочность ледового покрова линейно увеличивается с ростом его толщины и с понижением температуры. Но тут надо представлять, что температура льда по толщине различна: вверху она равна атмосферной, а внизу – соответствует точке замерзания воды, то есть около ноля градусов. А поскольку температурный коэффициент линейного расширения льда огромен (например, в пять раз больше, чем у железа) и многие, наверное, видели, как разрываются прочные сосуды с замерзшей водой, то становится понятно, что аналогичные процессы неизбежны и со льдом на водоеме: по мере роста его толщины имеющие разную температуру слои испытывают расширяющую нагрузку как поперечного, так и продольного направления. Именно поэтому при резких потеплениях или похолоданиях лед на водоемах лопается с оглушительным грохотом и по нему разбегаются длинные трещины. Кроме того, на огромных акваториях озер и водохранилищ эти трещины, с одной стороны, вызывают образование ледовых торосов, а с другой (для компенсации) – широкие разводья, в которые можно запросто угодить, особенно после укрывающих открытую воду снегопадов.

Можно подумать, что трещины на ледовой поверхности образуются бессистемно, хаотично. Однако не все так просто, если вспомнить механизм льдообразования: в начале зимы, когда лед еще не везде одинаков по толщине, напряжения локализуются в узких зонах стыковки толстого и тонкого ледового покрова, то есть там, где мелководье резко переходит на глубину. Опытные рыболовы знают, что донные свалы, где часто держится рыба, следует искать по старым и широким, идущим обычно параллельно основному руслу трещинам. При этом глубокая сторона водоема будет определяться по близко располагающейся к обычно крутому берегу трещине, и наоборот.
Чтобы представлять, какой лед может ожидать на водоеме в начале зимы, следует знать, что его прирост в течение суток сильно зависит от температуры воздуха и уже имеющейся толщины. Это выглядит примерно так: если лед был уже около 10 сантиметров, то за следующие сутки он прибавит 4 см при морозе минус 5; 6 см – при морозе 10; 8 см – при минус 15; 9 см – при минус 20. Но если исходная толщина льда составляет, допустим, 20-30 см, то суточный прирост при тех же температурах уменьшится примерно в 3-4 раза – точнее сказать нельзя, поскольку на это влияет и качество воды.

Конечно, идеальную картину намерзания льда сильно меняет толщина имеющегося на нем снежного покрова, который выполняет как бы роль шубы. Известно, что теплопроводность (холодопроводность) снега до 30 раз меньше, чем у льда (многое зависит еще от плотности снега), поэтому при снегопадах в зависимости от их интенсивности надо вносить в расчеты соответствующую поправку.

Важно понимать по виду первого, непрочного льда, как он реагирует на нагрузку. Рыболовы с опытом говорят, что молодой лед не обманет, не подведет, а вовремя сообщит об опасности громким треском и видом трещин. Приложенная к тонкому льду нагрузка (рыболов на льду) вызывает его прогиб (деформацию) в виде чаши. При малом грузе деформация носит упругий характер, а чаша расширяется симметрично по периметру. Если нагрузка будет выше предела упругости, то начнется пластическая деформация льда и чаша прогиба станет быстрее увеличиваться в глубину, чем в ширину – это начало разрушения льда. В количественном выражении это будет выглядеть так. Для наиболее прочного прозрачного льда центральный прогиб его на глубину в 5 см трещин не вызовет; прогиб в 9 см ведет к усиленному образованию трещин; прогиб в 12 см вызывает сквозное растрескивание; при 15 см лед проваливается.

Под действием нагрузки трещины во льду возникают как радиальные – исходящие от точки приложения, так и концентрические – вокруг этой точки. Радиальные трещины лишь предупреждают о недостаточной прочности льда, что требует предельной осторожности на нем. Но если к радиальным трещинам добавляется концентрическое растрескивание, сопровождаемое характерным скрипящим звуком, нужно скользящим шагом немедленно покинуть опасный участок, в особо критической ситуации лучше лечь на лед, чтобы увеличить площадь распределения веса по поверхности, и отползти в обратном направлении. Нужно знать и другие правила поведения на тонком льду:
– ни в коем случае не ходить по нему гуськом, иначе радиальные трещины на тропе быстро прирастут концентрическими;
– не отправляться на рыбалку в одиночку;
– проверять каждый шаг на льду остроконечной пешней, но не бить ею лед перед собой – лучше сбоку;
– не подходить к другим рыболовам ближе чем на 3 метра;
– не приближаться к местам, где в лед вмерзли коряги, водоросли, воздушные пузыри;
– не ходить рядом со свежей трещиной или по участку льда, отделенному от основного массива несколькими трещинами;
– быстро покинуть опасное место, если из проделанной лунки начинает бить фонтаном вода;
– обязательно иметь средства страховки и спасения (шнур с грузом на конце, длинную жердь, широкую доску);
– не совмещать рыбалку с потреблением спиртного.

Источник

Поделиться с друзьями
Байкал24