Изменение характеристик двухфазной структуры морского льда под воздействием термических факторов в период его роста

Д. Д. Завьялов✉, Т. А. Соломаха

Морской гидрофизический институт РАН, Севастополь, Россия

✉ e-mail: zavyalov.dd@mhi-ras.ru

Аннотация

Цель. Оценить влияние учета в термодинамической модели двухфазной структуры льда на его механические и теплофизические свойства – цель настоящей работы.

Методы и результаты. Исследование вертикальной структуры теплофизических и физико-механических характеристик морского льда проведено с помощью модели, в которой пресный лед и рассол (твердая и жидкая фаза) находятся в состоянии термодинамического равновесия. Математическое описание процесса теплопереноса выражается нелинейным одномерным уравнением диффузии тепла, без учета проникающей радиации и миграции рассола в толще льда. Распределение солености моделировалось как эмпирической зависимостью интегральной солености льда от его толщины, так и полиномом, воспроизводящим С-образную форму вертикального профиля солености, характерную для тонкого растущего льда. Проведены численные эксперименты по воспроизведению кристаллизации солоноватой морской воды для различных вариантов изменения приповерхностной температуры воздуха как с учетом, так и без учета наличия жидкой фазы в ледяном покрове. Выявлены особенности вертикального распределения теплофизических и физико-механических свойств морского льда в период его роста.

Выводы. Показано, что коэффициенты теплопроводности верхней части льда, полученные без учета двухфазной структуры, оказались существенно меньшими, особенно в начале льдообразования. Дана оценка пропускной способности ледяного покрова, образованного из морской воды с различной первоначальной соленостью и температурой воздуха. Определены периоды времени, когда верхний слой льда заданной толщины становится полностью непроницаемым для миграции рассола.

Ключевые слова

морской лед, рост морского льда, соленость, двухфазная среда

Благодарности

Работа выполнена в рамках темы государственного задания ФГБУН ФИЦ МГИ FNNN-2021-0004 «Океанологические процессы».

Для цитирования

Завьялов Д. Д., Соломаха Т. А. Изменение характеристик двухфазной структуры морского льда под воздействием термических факторов в период его роста // Морской гидрофизический журнал. 2025. Т. 41, № 5. С. 646–657. EDN YFJPVV.

Zavyalov, D.D. and Solomakha, T.A., 2025. Changes in the Characteristics of Two-Phase Structure of Sea Ice under the Impact of Thermal Factors during the Period of its Growth. Physical Oceanography, 32(5), pp. 657-667.

Список литературы

  1. Hunke E. C., Hebert D. A., Lecomte O. Level-ice melt ponds in the Los Alamos sea ice model, CICE // Ocean Modelling. 2013. Vol. 71. P. 26–42. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2012.11.008
  2. Turner A. K., Hunke E. C., Bitz C. M. Two modes of sea-ice gravity drainage: A parameterization for large-scale modeling // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2013. Vol. 118, iss. 5. P. 2279–2294. https://doi.org/10.1002/jgrc.20171
  3. Turner A. K., Hunke E. C. Impacts of a mushy-layer thermodynamic approach in global sea-ice simulations using the CICE sea-ice model // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2015. Vol. 120, iss. 2. P. 1253–1275. https://doi.org/10.1002/2014JC010358
  4. Simulating the mass balance and salinity of Arctic and Antarctic sea ice. 1. Model description and validation / M. Vancoppenolle [et al.] // Ocean Modelling. 2009. Vol. 27, iss. 1–2. P. 33–53. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2008.10.005
  5. Vancoppenolle M., Fichefet T., Goosse H. Simulating the mass balance and salinity of Arctic and Antarctic sea ice. 2. Importance of sea ice salinity variations // Ocean Modelling. 2009. Vol. 27, iss. 1–2. P. 54–69. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2008.11.003
  6. The multiphase physics of sea ice: a review for model developers / E. C. Hunke [et al.] // The Cryosphere. 2011. Vol. 5, iss. 4. P. 989–1009. https://doi.org/10.5194/tc-5-989-2011
  7. Завьялов Д. Д., Соломаха Т. А. Влияние дискретизации термодинамической модели на воспроизведение эволюции толщины льда в Азовском море // Метеорология и гидрология. 2021. № 7. C. 79–89. EDN GTSNDM. https://doi.org/10.52002/0130-2906-2021-7-79-89
  8. Завьялов Д. Д., Соломаха Т. А. Особенности параметризации турбулентного взаимодействия с подстилающей поверхностью в региональной термодинамической модели морского льда // Морской гидрофизический журнал. 2023. Т. 39, № 4. C. 421–434. EDN KONRCG.
  9. Untersteiner N. On the mass and heat budget of Arctic sea ice // Archiv für Meteorologie, Geophysik und Bioklimatologie, Serie A. 1961. Vol. 12, iss. 2. P. 151–182. https://doi.org/10.1007/BF02247491
  10. Андреев О. М., Иванов Б. В. Параметризация вертикального распределения солености однолетнего морского льда для задач термодинамического моделирования в Арктике // Проблемы Арктики и Антарктики. 2007. Т. 75, № 1. C. 99–105.
  11. Petrich C., Eicken H. Growth, Structure and Properties of Sea Ice // Sea Ice / Ed. D. N. Thomas, G. S. Dieckmann. United Kingdom : Wiley-Blackwell, 2009. P. 23–77. https://doi.org/10.1002/9781444317145.ch2
  12. Рывлин А. Я. Метод прогнозирования предела прочности ледяного покрова на изгиб // Проблемы Арктики и Антарктики. 1974. Т. 45. C. 79–86.
  13. Notz D., Worster M. G. In situ measurements of the evolution of young sea ice // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2008. Vol. 113, iss. C3. C03001. https://doi.org/10.1029/2007JC004333
  14. Rees Jones D. W., Worster M. G. A physically based parameterization of gravity drainage for sea-ice modeling // Journal of Geophysical Research: Oceans. 2014. Vol. 119, iss. 9. Р. 5599–5621. https://doi.org/10.1002/2013JC009296

Скачать статью в PDF-формате

Мы используем Яндекс Метрику. Подробнее.