Доклад: Удивительная мерзлота
Рис. 7. Экспериментальные определения скорости роста льда в двух опытах с близкими внешними условиями. В одном случае (слева) массоперенос увеличивается с понижением температуры, в другом - падает. Ключевую роль здесь играет протяженность корневой системы, которая может принимать два устойчивых значения при одинаковых внешних параметрах. Эти режимы роста отличаются направлением реакции системы на изменение температуры охлаждения. На правом рисунке цветной кривою показан размер промерзающей зоны.
Загадка жидких включений
Конечно, не всякий содержащийся в грунте лед образуется так, как описано выше. Он может быть просто погребен под наносами ила либо образоваться из воды, внедрившейся под напором в уже мерзлые слои. Всегда важно точно установить условия его формирования, поскольку именно они и воссоздают конкретную обстановку прошлого. Существенную помощь оказывают результаты исследований многочисленных включений, содержащихся в природных льдах, - газообразных, твердых или жидких. Пузырьки газа могут многое рассказать о составе атмосферы в прошлые времена, твердые частички характеризуют свойства вмещающих пород, а жидкие включения - происхождение и состав замерзшей воды.
Капелька концентрирует внутри себя большую часть примесей и потому остается незамерзшей в ледяном теле. При наложении на лед градиентного поля температуры все микроскопические образования начинают медленно перемещаться в более теплую сторону льда. В этих условиях с течением времени происходит его самоочистка. Например, так происходит опреснение морского льда, который в момент формирования содержит многочисленные капельки рассола. Для оценки возраста самого льда важно знать закономерности перемещения включений. В лабораториях создаются специальные криоскопические установки (рис. 8), где наблюдаемые в микроскоп процессы выводятся на экран телевизора или компьютера, а запоминающие устройства позволяют воспроизвести все детали явлений.
 | Рис. 8. Общий вид установки для исследования микропроцессов в промерзающих образцах. |
Одна загадка долгое время лишала сна исследователей, наблюдавших движение капли во льду. (Такое движение происходит вследствие оттаивания льда с теплой стороны капли и ее замерзания с противоположной, т.е. благодаря известному нам процессу режеляции.) Дело в том, что при движении в сторону повышенных температур капелька еще и увеличивается в размерах. Это понятно, поскольку происходит частичное оттаивание льда так, что концентрация раствора в ней понижается в соответствии с условиями фазового равновесия. Но вследствие разности плотностей воды и льда при фактическом увеличении размеров капли внутри нее должны возникать очень большие растягивающие напряжения, которые приводят к внутренним разрывам и газовыделению. Однако ни один микроскоп в мире не зафиксировал это явление! Разгадка заключается в необычных свойствах льда. Этот твердый минерал при длительно действующих нагрузках может течь, как очень вязкая жидкость [5]. Именно текучесть льда и разгружает каплю от высоких растягивающих напряжений. Теория, построенная с учетом данного свойства льда, демонстрирует это обстоятельство в числах.
Два графика на рис. 9 показывают, что вследствие текучести льда напряжения в капле снижаются по абсолютной величине более чем на три порядка от значений, отвечающих его недеформируемой идеализации. Правильно построенная теория позволяет решить целый ряд других важных вопросов. Например, из теории движения капель следует, что их скорость не должна зависеть от начального радиуса - это действительно наблюдается в опыте. Другой вывод теории, который не подвергался экспериментальной проверке, состоит в том, что аналогичные жидкие включения перемещаются и в мерзлом грунте, причем со скоростью в несколько раз выше, чем во льду. Причина - существенно меньшие затраты в этом случае на фазовый переход, так как часть жидкости замещается минеральными частицами. Получает объяснение и еще один загадочный факт - блуждание больших скоплений рассола, так называемых криопэгов, внутри мерзлой толщи. (Вспомним, что скорость перемещения включений не зависит от их радиуса.) Это явление отмечено в Якутии и на западном побережье Ямала. Вероятнее всего, блуждание криопэгов обязано естественным температурным градиентам, которые всегда присутствуют в природной среде.
| Рис. 9. Растягивающее напряжение внутри жидкого включения во льду при разных температурах. Вследствие текучести льда напряжения в капле снижаются по абсолютной величине более чем на три порядка (кривая 1) по сравнению со значениями, отвечающими его недеформируемой идеализации (кривая 2). Благодаря этому движущаяся во льду капля не содержит пузырьков пара. |  |
Еще одно неожиданное приложение теоретических результатов - получение пресной воды из айсбергов (рис. 10). В ледяном гиганте бурят скважину глубиной в несколько сотен метров. Специальным нагревателем на забое проплавляется полость, в которой отсасывающим насосом создается максимально возможное разряжение. Под действием перепада давления между водой в океане и в полости лед начинает течь внутрь полости. При включенном нагревателе он непрерывно тает на ее границах, а образующаяся вода откачивается на судно. Расчеты показывают, что для получения 30 т воды в сутки диаметр полости должен составлять примерно 6 м. При этом скорость течения льда на ее границах весьма мала - несколько микрон в секунду.
 | Рис. 10. Схема добычи пресной воды из ледяных массивов. 1 - айсберг, 2 - ствол скважины, 3 - нагреватель, 4 - насос, 5 - шланг, 6 - танкер, 7 - проплавленная полость, 8 - патрубок. |
* * *
В кратком очерке невозможно охватить все многообразие явлений в мерзлых грунтах, имеющих физическую природу. Мы даже не коснулись замечательных фактов существования льда внутри пород при положительных температурах, необычной формы включений во льду, низкой температуры плавления малых ледяных тел, и многого другого, что будоражит фантазию исследователя. Но все же сказанного достаточно, чтобы считать мерзлый грунт удивительным образованием природы.
Литература
1. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Смачивающие пленки. М., 1984.
2. Маэно Н. Наука о льде. М., 1988.
3. Горелик Я.Б., Колунин В.С., Решетников А.К. // Криосфера Земли. 1999. Т.3. №1. С.69-77.
4. Горелик Я.Б., Колунин В.С. // Криосфера Земли. 2000. Т.4. №2. С.41-51.
5. Войтковский К.Ф. Механические свойства льда. М., 1960.