Вокруг только лед

Биография льда

Наконец, отведавши «изюминок» на подходах к побережью, мы добрались либо до самой станции, либо до ее окрестностей, и пора приниматься за выгрузку. Чаще всего это приходится делать со льда, реже – швартуясь к ледяному барьеру. В первом случае это может быть и припай, и хорошее, добротное дрейфующее поле. Когда «хорошего, добротного», как ни бьешься, найти не удается, довольствуешься более или менее приемлемым, тем, что Антарктика пошлет. Лет пятнадцать назад эта «приемлемость» определялась требованиями, предъявляемыми к взлетно-посадочной полосе для самолета АН-2: определенная толщина льда и определенная длина взлетной полосы. Сейчас, когда в основном грузы перетаскивают вертолеты МИ-8, стало намного легче. С поисками большого ровного поля ломаем голову только в том случае, если предстоит выгружать ИЛ-14 и необходима взлетно-посадочная полоса длиной около километра. Полуобрубленный куцый фюзеляж самолета, нелепый на фоне антарктических пейзажей, техники будут без сна и отдыха около двух суток превращать в летательный аппарат: пристегивать плоскости, навешивать киль, гонять двигатели, а потом, когда он взлетит и уйдет на береговой аэродром, все вздохнут с облегчением – и поле выбрали надежное, и зыбь его не взломала. Сработали Умение и Удача.

Главным показателем пригодности льда к нашим сугубо прозаическим и утилитарным целям является его толщина. Существует множество формул, по которым рассчитывается допустимый вес груза и время его стоянки в зависимости от толщины. Вначале гидрологи пользовались чрезвычайно простой формулой, предложенной М. М. Коруновым, в которой нагрузка на лед обратно пропорциональна квадрату его толщины, деленной на сто. Эта несколько старомодная в своей простоте формула в наши дни была чуть-чуть осовременена поправкой на температуру льда, так как механические и пластические свойства льда сильно изменяются в зависимости от температуры.

Характер льда, если за таковой принять его кристаллическое строение, от которого зависят механические свойства, бывает чрезвычайно сложным. Это особенно характерно для морского льда. В начальный период, когда еще только образуется ненадежная ледяная корка, кристаллическое строение льда определяет прежде всего снег, оказавшийся на поверхности воды. Его роль велика и в дальнейшем. Но на рост кристаллов льда, их форму и размеры начинают влиять скорости течения, кристаллы внутриводного льда в толще воды, температура воздуха и другие гидрометеорологические факторы.

За счет того, что морская вода содержит много солей, характер у льда становится еще более сложным: в присутствии солей влияние тех же гидрометеорологических факторов проявляется совсем по-другому. Когда гидрологи на примере арктических морей наконец кое-как научились разбираться в этих нюансах формирования и свойствах морского льда и стали познавать его характер, выяснилось, что в Антарктике некоторые гидрометеорологические факторы влияют на свойства льда иначе. Казалось бы, проблем не должно возникнуть – вода что на севере, что на юге одна и та же, но тем не менее едва ли не первое знакомство с морским антарктическим льдом закончилось трагически. На рейде Мирного вместе с водителем Иваном Хмарой ушел под лед трактор, хотя по всем классическим формулам, применимым к Арктике, этого не должно было произойти – толщина льда полностью гарантировала безопасность.

На первый взгляд, даже трудно предположить, что в результате процесса кристаллизации воды при понижении ее температуры до температуры замерзания из-за воздействия разного рода побочных явлений и факторов морской лед может стать таким многоликим по строению и по свойствам. Жизнь льда, в зависимости от концентрации солей, начинается при температуре от нуля до –1,9°С. В самом простом случае, когда влияния побочных факторов нет, к такому типу ледообразования Б. П. Вайнберг в 1940 г. применил термин «конжеляционный». Лед этого типа имеет весьма характерные признаки и свойства, которые, как уже было сказано выше, прежде всего определяются его кристаллическим строением. Кристаллы – волокна конжеляционного льда, как показано на рисунке, вытянуты по вертикали, причем так называемые базисные пластинки, образующие один кристалл, объединены в блоки. По границам отдельных волокон и блоков в виде вертикальных мелких цепочек концентрируются солевые и воздушные включения. В процессе жизни льда включения солей в виде рассола начинают стекать вниз – это так называемый гравитационный сток, – образуя в толще льда густую сеть вертикальных стоковых русел и каналов. В зимний период лед этого типа обладает высокой прочностью, но с увеличением радиационного прогрева весной и летом – лед на акватории полярных морей сохраняется и летом – скорость этой миграции увеличивается, что в конечном счете приводит к ослаблению льда и потере прочности по сравнению с зимой в несколько раз. И сам тип ледообразования, и все процессы, происходящие во льду впоследствии, типичны и для Арктики, и для Антарктики, но… Все дело в некоторых «но».

Начать, пожалуй, лучше всего с оценки той роли, которую играет в формировании припая у берегов Антарктиды, да и льда вообще, снег.

Для прибрежной зоны материка характерны стоковые ветры, суть которых состоит в том, что воздух, охлажденный над внутриконтинентальными районами, как более тяжелый скатывается по склону материка от его центра к периферии, достигая на побережье силы урагана. На станции Русская отмечена скорость стокового ветра 78 м/с, на мысе Денисон – 87 м/с (наверное, это полюс ветров), в Молодежной, Мирном и Ленинградской ветер более 30 м/с – также не исключительное явление. Ревущий поток стокового ветра выносит к побережью и сбрасывает в океан огромное количество снега. Даже не снега, а мельчайшей снежной пыли, которая в приземном слое толщиной до нескольких метров приводит к практически полному отсутствию видимости и утрамбовывает снежные заструги до плотности дубового паркета: на снежных застругах даже не остается следа от передвижения гусеничных машин. В. Х. Буйницкий подсчитал, что в районе Земли Адели, где стоковые ветры особенно злы и яростны, на протяжении года через каждый километр береговой линии переносится около 50 млн. т снега, а в среднем вынос снега с материка на 1 км берега составляет 1,5 млн. т в год. Куда же девается это обилие снега, сброшенного с материка в океан?

В период, когда у побережья наблюдается открытая вода, снег, попадая на ее поверхность, образует обширные скопления снежуры – очень похожее на комья ваты вытянутое по направлению ветра ледяное образование. Оно состоит из обильно пропитанного морской водой снега и находится в стадии замерзания. Снежура либо угоняется ветром в открытый океан и замерзает там, либо, если встречается препятствие в виде скопления айсбергов или острова, накапливается с наветренной стороны препятствия, смерзается и образует поля молодого льда. Эти поля могут быть оторваны и вынесены в зону дрейфующего льда, или, что бывает чаще всего, могут дать начало новому припаю, формирующемуся у побережья. Лед, образующийся таким образом, обычно называют водно-снежным. Кристаллы этого льда напоминают мелкие зерна размером от 0,5 до 2 мм в поперечнике. Воздушные и солевые ячейки водно-снежного льда в отличие от конжеляционного льда располагаются не вертикально, а рассеяны по всей толще льда в виде мелких сферических пузырьков. Нельзя сказать, чтобы подобный процесс не происходил в арктических районах, но там он не носит такого «массового» характера, как в Антарктике.

Влияние стокового ветра и снега на формирование льда на этом не кончается. Вот припай уже установился и покрывает всю видимую акваторию океана до горизонта. Местами это тонкая ледяная пленка – там, где процесс ледообразования шел по конжеляционному типу, местами лед потолще – там, где набилась и смерзлась снежура. Тогда-то и начинает проявляться другое свойство стокового ветра. Разогнавшись до скорости урагана на краю материка, он с выходом на ровную горизонтальную поверхность теряет скорость, что называется, на глазах. Примерно в 10-15 км от побережья стоковый ветер не ощущается, а снег, переносимый им, начинает откладываться на припае километрах в двух от берега, где ветер теряет свою скорость почти наполовину. Зато полосу от берега до начала зоны накопления снега он вылизывает до самого льда. Она стоит почти бесснежная, ровная, как стол.

А вот там, где снег начинает оседать на лед, он наслаивается в изрядных количествах. По нашим северным понятиям влияние снега на рост льда однозначно. Снег является своеобразным одеялом, которое, благодаря своим теплоизолирующим свойствам, замедляет, приостанавливает процессы увеличения толщины льда. Но в Антарктике снега оказывается слишком много, лед не выдерживает его тяжести, прогибается ниже уровня воды, которая, фильтруясь сквозь лед вверх, растекается по его верхней поверхности и смерзается со снегом. Этот процесс отмечается в том случае, если толщина снега превышает одну треть – по данным В. А. Спичкина – или одну четверть – по данным В. Х Буйницкого – толщины льда. Процессы фильтрации воды вверх и нарастания льда с верхней поверхности, а не с нижней, охватывают большие по площади участки припая и дрейфующего льда. Дело в том, что если прибрежная полоса припая аккумулирует снег, принесенный стоковыми ветрами, то в прикромочной полосе, особенно в зонах скопления айсбергов, накапливается снег, приносимый циклонами. Наблюдения показывают, что на таких участках на три четверти либо даже почти полностью ледяной покров сложен льдом, образовавшимся именно таким образом. Чаще всего его называют инфильтрационным снежно-водным льдом. Лед этого типа имеет характерную слоистую структуру с чередованием слоев с кристаллами относительно правильной формы – в слоях, менее насыщенных морской водой, и неравномерно-зернистой формы – в слоях, образовавшихся в условиях сильного насыщения водой. В морях Арктики и во льдах Центрального Арктического бассейна лед подобного типа встречается крайне редко.

Таким образом, влияние сброса снега в океан на процессы формирования ледяного покрова настолько велико, что для классического процесса, типичного для Арктики, – конжеляционного ледообразования остается очень мало места. В чистом или почти в чистом виде он встречается чаще всего в прибрежной зоне, там, где аккумуляция снега либо вовсе отсутствует, либо она минимальна.

Чтобы окончательно сбить с толку исследователей, собаку съевших на льдах Арктики, Антарктика решила озадачить их еще и так называемым внутриводным льдом. Он образуется и в Арктике в приустьевых участках морей и вблизи разводий. В Антарктике с ним впервые столкнулись на рейде Мирного, где под припаем были обнаружены скопления ледяных пластин размером до 10 см в поперечнике. Кристаллы – пластины внутриводного льда настолько густо унизывали опущенные в воду предметы, что они приобретали плавучесть и всплывали к нижней поверхности льда. У Молодежной, в заливе Алашеева, чаще всего встречается другая разновидность внутриводного льда – донный лед. Мой коллега-гидролог Владимир Федотов во время зимовки на Молодежной собрал коллекцию камней, вмерзших в толщу льда. Самый тяжелый из них весил около 800 г. Донный лед в начале зимы покрывает буквально все дно на прибрежных мелководьях залива Алашеева. Оторванный от дна течением либо волнами, он поднимается вверх просто за счет плавучести и примерзает к нижней поверхности припая вместе с мелкими камнями, галькой, остатками живых организмов и водорослями.

Теплоход «Надежда Крупская», заходивший в залив Прюдс в районе базы Эймери с включенным эхолотом, внезапно напоролся на банку с глубинами около 3 м. На карте ее не было. Капитан рискнул и прошелся над «банкой» вторично – тот же результат. Тогда потравили метров на пятьдесят якорь и прошли еще раз. Якорь дна не задел. Просто судно проходило над мощным слоем внутриводного льда, который и давал на эхограмме четкую отметку.

Скопления внутриводного льда в прибрежной зоне под припаем могут достигать нескольких метров. Так, в 1971 г. во время гидрологических работ в районе островов Хасуэлл на рейде Мирного у нас не срабатывали батометры на двух верхних горизонтах: 2,5 и 5 м. Посыльный грузик, опускаемый по тросу, не мог пробить скопления внутриводного льда, зависал на нем, и мы «досылали» его длинным шестом.

Внутриводный лед этого типа представляет собой дискообразные пластины размером от 3 до 10 см в поперечнике. Природа их образования в толще морской воды неясна. Скорее всего, их возникновение связано с поступлением пресных вод с материка, главным образом в весенне-летний период, когда происходит интенсивное таяние ледников. В больших количествах лед этого типа отмечался в виде подледных скоплений и в толще припая у шельфовых ледников Лазарева, Эймери, Фильхнера и Ронне. Поэтому можно предположить также, что если, как считают многие гляциологи, между нижней поверхностью ледника и коренным ложем материка существует тонкий слой воды, то образование этого льда в зоне контакта океана с коренным ложем материка может происходить на протяжении всего года. В пользу этого предположения говорит тот факт, что в тонких срезах морского льда, образующегося в ледниковых бухтах ледника Фильхнера, близ базы Дружная, присутствие пластин внутриводного льда отмечалось практически по всей толще.

Внедрение пластин внутриводного льда в толщу припая обусловливает две особенности в свойствах и морфологии морских антарктических льдов. Прежде всего, классический способ расчета толщины льда в зависимости от суммы градусо-дней мороза, безотказный для северных полярных широт, неприменим для многих районов Антарктики. Прослойки внутриводного льда увеличивают толщину припая на рейде Мирного в некоторые годы на 30-50 см, причем обычно в весенний период (начало сброса талых вод с материка), когда прирост льда за счет низких температур воздуха уже прекращается.

Более толстый лед, казалось бы, обеспечивает большую грузоподъемность, что, естественно, очень важно при выполнении грузовых операций всех видов, производящихся на морском льду. На деле все оказывается иначе. Слои припая, образованные из смеси пластин внутриводного льда и морской воды, обладают меньшей плотностью и прочностью из-за «рыхлой» упаковки ледяного конгломерата. Это особенно характерно для формирующихся в теплое время года нижних горизонтов, которые по своим прочностным характеристикам имеют показатели в четыре-пять раз меньшие, чем другие слои.

Однако на этом загадки, преподносимые внутриводным льдом, не кончаются. В январе 1971 г. на участках припая, сформировавшихся вблизи акватории стационарной полыньи моря Дейвиса, Н. В. Черепанов обнаружил прослойки льда с очень характерным кристаллическим строением. В отличие от прослоек внутриводного льда, образованного дискообразными пластинами, толщина которых убывает от берега в сторону кромки припая, эти прослойки образовывали наиболее мощные скопления у кромки, выклиниваясь в сторону берега. Черепанов пришел к выводу, что лед этого типа идентичен по происхождению льду, формирующемуся в Арктике в районах стационарных полыней. А последующий кристаллооптический анализ шлифов – тонких срезов льда – подтвердил это предположение.

Лед этого типа формируется из очень мелких изометрических кристаллов внутриводного льда, возникающих в условиях сильного выхолаживания водной поверхности. От очага своего образования они разносятся подо льдом течениями, образуя при смерзании в его толще прослойки, состоящие из плотно пригнанных друг к другу мелкозернистых кристаллов. За счет однородности строения, плотной упаковки и незначительного количества солевых и воздушных включений слои этого льда отличаются очень высокой прочностью, превосходящей, например, прочность конжеляционного льда в весенне-летний период иногда в пять-шесть раз. Гидролог, набивший руку на бурении льда, без труда улавливает изменение его структуры: бур будто наталкивается на преграду, а выходящая по канавке бура стружка приобретает матовый оттенок, причем ее количество резко уменьшается.

Описанными выше процессами и явлениями далеко не исчерпываются все секреты и загадки, отгаданные и неотгаданные, определяющие формирование морских антарктических льдов. По сути дела, антарктический припай – это слоеный пирог из льдов самых различных типов, то есть самого разного строения и самых разных свойств. На рисунке схематически изображен срез толщи припая, образовавшегося у шельфового ледника Лазарева (по данным кристаллооптического анализа). Вся-то толщина льда 48 см, а даже неспециалист может насчитать как минимум шесть слоев, резко отличающихся друг от друга. И каждый слой хранит в себе информацию о целом комплексе гидрометеорологических процессов и явлений, сопровождавших его рождение и рост, смену условий. К сожалению, количественно оценить все эти явления мы пока что не умеем.

Если учесть общий характер распределения толщины льда по площади припая, толщину снега, распределение подо льдом пластин внутриводного льда, ориентировку отдельных его пластин, вмерзших в лед, и другие признаки, то «биографию» этого льда по его вертикальному срезу можно прочитать следующим образом.

Формирование льда в бухте началось в период интенсивного накопления снега на поверхности воды с образованием снежуры толщиной до 10 см. На это указывает слой льда на горизонтах 6-16 см, представляющий собой классический образец водно-снежного льда. Накопление снега, скорее всего, было обусловлено приходом циклона, а не стоковым ветром. Во-первых, краевая часть ледника носила следы воздействия довольно высоких волн, во-вторых, стоковый ветер выносит в океан уже измельченную снежную пыль, и лед, образующийся из нее, должен иметь и более плотную упаковку кристаллов, и более однородное строение.

Снегопад не прекратился и после начала образования припая, молодой лед под тяжестью снега стал притапливаться, а слой снега стал пропитываться морской водой, фильтрующейся через припай, заливаемый штормовым волнением. Верхний слой толщиной 6 см имеет все признаки инфильтрационного снежно-водного льда, но отсутствует очень характерная горизонтальная слоистость – видимо, произошел лишь один цикл оседания льда. Высокая соленость льда, почти 19‰ (сравните: морская вода 34-35‰), объясняется интенсивным поступлением морской воды в результате штормового волнения – и сравнительно низкой температурой воздуха, обусловившей быстрое смерзание воды со снегом с захватом большого количества рассола. Чаще всего соленость снежно-водного льда бывает в два раза меньшей.

Затем наступил период, характеризующийся сравнительно устойчивыми условиями ледообразования: спокойная маловетреная погода, температура воздуха 3-5°С ниже нуля. Этот период длился от трех до пяти дней. В это время сформировался слой конжеляционного льда, залегающий на горизонтах 16-20 см.

Ниже этого горизонта следуют несколько прослоек льда, формирование которых в той или иной степени связано с поступлением внутриводного льда. Прежде всего необходимо отметить прослойку из мелкозернистых кристаллов внутриводного льда на горизонтах 20-23 см. Лед такого типа, как правило, формируется на открытой поверхности моря на акватории стационарных полыней при температурах воздуха ниже –10°С. От очага возникновения – полыньи – внутриводный лед разносится течениями. Таким образом, этот слой льда соответствует периоду, когда на побережье господствовала ясная солнечная маловетреная погода, а температура воздуха опустилась ниже –10°С.

Но, пожалуй, наибольший интерес представляет слой льда, располагающийся ниже горизонта 23 см. Здесь преобладают пластинки внутриводного льда, достигающие в поперечнике 5 см. Любопытная деталь – эти пластинки четко ориентированы в пространстве, а не вмерзли в припай хаотически. Это указывает на существование постоянного по направлению течения. Сравнивая толщину этого слоя в кернах, взятых у кромки припая и в вершине бухты у края ледяного барьера, а также толщину подледных скоплений этого льда, можно заметить уменьшение его количества по направлению к кромке припая.

Естественно предположить, что образование внутриводного льда, пластинчатого по форме, происходит у края шельфового ледника. Наиболее вероятной причиной этого явления может быть сброс пресных вод с материка в океан, например у нижней поверхности шельфового ледника в зоне контакта с подстилающим коренным ложем.

Итак, в общих чертах можно считать, что мы «прочитали» этот лед. К сожалению, это не всегда удается сделать на практике. В ходе экспедиционных работ, когда ловишь каждый час хорошей погоды, чтобы удачно провести разгрузку, почти не остается времени на добротное, основательное исследование ледяного покрова. А в нем буквально заморожена ценнейшая информация!