16.4. Механические свойства льда

Сопротивление льда воздействию какой-либо внешней силы, отнесенной к единице площади, определяет механические свойства льда. Механические свойства льда зависят от его структуры, пористости, солености и температуры.

Действие силы вызывает изменение первеначального состояния льда и деформирует его. Выделяют несколько видов деформации льда:

• растяжение, когда под действием сил происходит удлинение образца льда и величина деформации определяется относительным удлинением этого образца;

• сжатие, когда под действием сил происходит сжатие образца льда, выражаемое через относительное сжатие;

• сдвиг, когда под действием сил происходит сдвиг слоев льда относительно друг друга на некоторый угол;

• изгиб - сложная форма деформации, при которой часть слоев изгибаемого образца льда растягивается, а часть сжимается. Изгиб выражается либо через угол прогиба, либо через отно­сительную величину прогиба.

Лед сочетает в себе свойства упругого, пластичного и вязкого тела. Но при определенных условиях лед может быть твердым и хрупким.

Различают три стадии деформации льда, характеризующиеся определенными особенностями:

1. Упругая деформация. ­Упругие свойства льда проявляются при действии на него сравни­тельно небольших кратковременных нагрузок и характеризуются пределом упругости - максимальным напряжением, при котором после снятия нагрузки не появляется остаточная деформация, т.е. лед полностью возвращается в первоначальное состояние. Величина предела упругости зависит от вида деформации, а также температуры и солености, влияющих на упругие свойства морского льда. Из-за ослабления прочности льда в теплый период года предел упругости меняется в течение года, имея наибольшую величину зимой и в несколько раз меньшую летом

Упругое состояние льда хорошо заметно при колебаниях уровня - лед изгибается, повторяя форму волны.

2. Пластическая деформация. Наблюдается при увеличении напряжения сверх предельно упругого. В этом случае связь между напряжением и деформацией нелинейная, и после снятия нагрузки лед не возвращается в первоначальное состояние. На этой стадии скорость деформации льда зависит от величины приложенной нагрузки - чем она больше, тем быстрее деформируется лед.

Морской лед по сравнению с пресным отличается большей пластичностью. Наползая на берег и следуя форме уступов и ступеней, он может подниматься вверх до 15 м.

3. Стадия разрушения характеризуется необратимыми изменениями во льду. Пластические деформации возрастают и заканчиваются разрушением. При этом важным параметром является предельное сопротивление льда, равное по величине тому напряжению, которое приводит к разрушению льда. Для каждого вида деформации оно имеет свои значения и зависит от температуры, солености, пористости, расположения и вида кристаллов. Наибольшим предельным сопротивлением лед обладает при сжатии,

Прочность - способность льда сопротивляться разрушению. Напряжение, которое вызывает разрушение льда, численно характеризует прочностные свойства льда.

Механические свойства льда учитываются при плавании в ледовых условиях, при расчетах прочности корпусов судов ледового класса, при использовании ледяного покрова в качестве переправ, ледовых дорог, аэродромов и т.д.

Таяние морского льда в основном зависит от интенсивности солнечной радиации и альбедо его поверхности. Прекращение роста и таяние льда обычно возникают прежде, чем температура воздуха повысится до точки плавления льда. При таянии морского льда одновременно происходят два взаимно противоположных процесса: стаивание с верхней поверхности и намерзание льда у нижней поверхности.

Лед нарастает снизу, так как стекающие вниз талые воды замерзают при соприкосновении с тяжелой и холодной подледной водой.

При температуре воздуха, близкой к 0⁰С, ледяной покров в своих поверхностных слоях перекристаллизовывается и становится непрозрачным, белого цвета.

Первые признаки ослабления льда при таянии появляются вблизи ячеек рассола, т. е. лед начинает таять изнутри. Это внутреннее таяние сопровождается нисходящим движением рассола и увеличением пористости льда.

При дальнейшем повышении температуры начинается подтаивание и уплотнение снежного покрова, оплавление выступающих частей льдин, торосов и развитие термических трещин. Появляются пятна мокрого снега, а в дальнейшем и снежницы - скопление на льду талой воды, образовавшейся в результате таяния снега и льда.

Образование снежниц идет особенно интенсивно в береговой зоне из-за наличия на поверхности льда большого количества пыли, что способствует усиленному поглощению солнечной радиации. На припае у берега образуется полоса воды в результате стока воды с берега, а также таяния снега на льду и самого льда, которая называется водяным заберегом. Ширина водяного заберега может достигать нескольких километров.

При внезапных похолоданиях поверхность снежниц и водяных заберегов покрывается тонкой коркой льда, создающей «парниковый эффект» - накопление тепла под тонкой коркой льда, так как лед подобно стеклу пропускает коротковолновую солнечную радиацию и задерживает длинноволновую. Это ведет к дальнейшему углублению снежниц и образованию озерков.

Таяние льда особенно усиливается, когда температура воздуха поднимается выше нуля. Дальнейшее протаивание снежниц, озерков и водяных заберегов ведет к образованию проталин­ - вертикальных отверстий, образовавшихся в результате сквозного протаивания льда под снежницами и озерками. Образуется обсохший лед - лед, с поверхности которого исчезли снежницы и озерки в результате ухода воды в проталины и трещины. С течением времени возникает все больше проталин, об­сохшего льда, и поверхность ледяного покрова становится ослабленной, и достаточно небольшого внешнего усилия для того, чтобы началось разрушение льда.

Это происходит под воздействием ветра, волнения, течений, приливов, когда достаточно ослабленный лед разламывается по линиям наименьшего сопротивления на более или менее крупные части. Припай взламывается, начинаются первые подвижки льдов, и весь лед становится дрейфующим. Подвижка льда ведет к увеличению трещин, расколу ледяных полей и торошению. Постепенно уменьшаются вертикальные и горизонтальные размеры льдин, сокращается общая площадь льдов. Лед становится рыхлым, приобретает сотообразное строение (гнилой лед), распадается на отдельные куски и в конечном итоге исчезает.