Рис. 12. Положение температурного профиля во льду:
а – при нарастании свежего ледяного покрова;
б – при зимнем повышении температуры воздуха;
в-положение безградиентного слоя в ледяном покрове в конце зимы.
h – толщина льда; – – – безградиентный слой.
Таким образом, мы узнаем, что ледяной покров обладает еще одним теплофизическим свойством – способностью отсекать всякий теплообмен водоема с внешней средой, в том числе и отток теплоты кристаллизации из самого льда, уже во второй половине зимы, когда в атмосфере еще держится мороз.
Значит и кондуктивная теплопередача через лед имеет свойство выключаться в пору, когда ещё удерживается значительная разность между температурой воздуха и водой, которая казалось бы могла ещё поддерживать поток тепла в атмосферу. Но этой способностью обладают и верхние слои многолетней мерзлоты и вообще всякие твердые породы. Мало того, аналогичное выключение кондуктивного теплового потока в твердых массах происходит и при обратно направленном теплообмене, а это значит, что оно обратимо, следовательно, и не способно обусловливать неравновесного теплообмена твердых масс с внешней средой.
Отсюда следует, что замеченная особенность зимнего кондуктивного теплообмена водоёма с внешней средой через ледяной покров отнюдь не вносит каких-либо сомнений в достоверность сформулированной выше закономерности неравновесного теплообмена через ледяной покров, а лишь уточняет особенность кондуктивной теплопроводности.
Полное исключение всякого теплообмена водоёма с внешней средой происходит и тогда, когда весь ледяной покров прогревается до температуры плавления, становясь сплошь изотермической средой. Поэтому встречающееся в литературе указание, что в это время ледяной покров осуществляет теплообмен между морем и атмосферой как однородная среда лишено смысла. Факт неравновесности теплообмена многолетнего ледяного покрова с атмосферой ещё раз и весьма наглядно обнаруживается при анализе новой формулы равновесной толщины многолетнего льда, выведенной автором и на примере конкретных решений по этой формуле.
Первое уравнение равновесной толщины многолетнего льда предложил еще в прошлом веке австрийский полярный исследователь Вейпрехт. Позднее стало широко известным уравнение советского океанолога Н. Н. Зубова. Известны и поздние исследования и оценки условий достижения льдом равновесной толщины. Однако в основах представления о формировании и существовании многолетнего льда всё еще оставались неясности. Естественно было предположить, что новый подход к таким оценкам мог обнаружить новые закономерности в жизни многолетнего льда.
Это предположение оправдалось.
Наша формула равновесной толщины многолетнего льда выглядит так:
где Нр – равновесная толщина многолетнего льда (см);
QMH – общее среднее выделение тепла через многолетний лед за год (Дж/см2);
hc – величина стаивания слоя льда за год (см);
L – удельная теплота кристаллизации (плавления) льда (334 Дж/г);
с и δ соответственно удельные теплоемкость (2 Дж /г × °C) и плотность (0,92 см3/г);
Т – минимальная температура внешней поверхности льда, достигающая зимой (минус °C);
0,38 – эмпирически установленный коэффициент пропорциональной зависимости теплового потока QMH от Т и любой толщины многолетнего льда.
Известен, правда немногочисленный, ряд определений численной величины общего потока тепла QMH, выделяющегося за зиму через многолетний лёд в Северном Ледовитом океане. Определения выполнены по весьма трудоёмким измерениям температуры льда с помощью гирлянд термодатчиков, установленных на разную глубину ледяного покрова, то есть по изменениям градиента температуры. Внося необходимые методические уточнения в расчеты, автор нашел, что в среднем через лёд Северного Ледовитого океана за зиму выделяется всего около 30 кДж/см2. Эта величина мало изменяется от особенностей каждой конкретной зимы. По большому ряду наблюдений можно принять, что за лето здесь стаивает в среднем на 44 см, а зимой его поверхность охлаждается до минус 40 °C. Эти величины могут быть ещё не раз уточнены, но они не должны сильно отличаться от действительных, и мы используем их на примерах конкретных расчетов.