Результаты

Результаты

При образовании льда из морской воды или раствора соли рассол задерживается внутри его основной массы. Первоначально этот рассол располагается между отдельно растущими кристаллами {10], где образуются постоянные каналы, по которым рассол стекает под действием силы тяжести. Если кусок льда из замороженного раствора NaCl выдерживать достаточно долгое время при температуре -20° С, то под ним появляются капли раствора высокой концентрации. Следовательно, с уверенностью можно утверждать, что одним из способов, благодаря которым соли уходят из льда, является гравитационный сток. В условиях Арктики, где в морском льду наблюдается значительный температурный градиент, миграция капель рассола также приводит к удалению из него солей, поскольку капли движутся в сторону расположенной подо льдом более теплой, чем воздух, поверхности океана.,

Для исследования взаимного соотношения этих двух факторов были поставлены эксперименты, во время которых на миграцию рассола внутри куска льда диффузионные и гравитационные процессы воздействовали в разных направлениях. Нагреватель располагался над верхней поверхностью образцов, так что миграция капель рассола должна была происходить в направлении, противоположном направлению силы тяжести.

Результаты этих экспериментов приведены. Эти данные отчетливо показывают, что действие силы тяжести значительно превосходит миграцию капель. В течение первых 200 час выведение соли со временем увеличивается, затем в промежутке 200-400 час наклон кривой концентрации (измеренной послойно) остается относительно постоянным, а после-400 час соль начинает подниматься против действия силы тяжести. Изменение направления движения соли показано. Наклон линии, характеризующей послойную концентрацию, изменяется со временем: сначала концентрация нижних слоев увеличивается, затем в течение некоторого времени остается постоянной, потом начинает уменьшаться. Аналогичная временная: зависимость получилась и для концентрации NaCI в нижнем слое образца.

Общее гравитационное стенание MG NaCI в зависимости от времени; можно заметить, что гравитационное течение несколько больше в образцах, у которых оси столбчатых кристаллов параллельны направлению течения. Вероятно, это объясняется наличием при столбчатой структуре общего канала, по которому сток при такой ориентировке происходит более интенсивно.

Во время экспериментов по исследованию миграции величина кристаллов увеличивалась в два раза по сравнению с первоначальной, что приводило к уменьшению числа каналов, по которым происходит гравитационный сток, и к изоляции капель рассола внутри ячеек. Поэтому гравитационный сток уменьшался, а миграция капель рассола увеличивалась.

Миграция капель рассола. Показана зависимость скорости миграции капель рассола при наличии температурного градиента от диаметра капель (скорости определялись при наблюдении капель под микроскопом). Взяты средние  скорости для каждой капли за периоды времени 1-50 час. Эти данные говорят об отсутствии связи между скоростью миграции капли и ее диаметром.

Диаграмма, изображенная, показывает, как часто повторялась во время наблюдений та или иная скорость миграции. Видно, что наиболее часты скорости в пределах 0-4 мк/час, однако и более высокие скорости (11-20 мк/час) были отмечены во многих наблюдениях. Среднее арифметическое значение измеренных скоростей — 7,9 мк/час; среднеквадратичное — 4,5 мк/час. Некоторые капли «исчезали» во время наблюдений; по-видимому, это объясняется стоком по границам ледяных волокон.

Большой разброс скоростей миграции отчасти можно объяснить тем, что капли, за которыми велось наблюдение, находились в разных положениях внутри образца льда. Поскольку скорость капли зависит от ее температуры, возникает некоторое расхождение полученных данных. Расстояния, пройденные каплями, измерялись с точностью ±2 мк при малых скоростях движения из-за больших ошибок измерений среднюю скорость следует считать лишь грубо ориентировочной.

Одним из факторов, ограничивающих скорость миграции капли рассола, является скорость диффузии NaCl внутри ее (от холодной поверхности к более теплой). Если мы будем рассматривать каплю рассола диаметром d при линейном температурном градиенте T/dx, то концентрация хлористого натрия в насыщенном растворе, смешанном пополам со льдом, будет приблизительно пропорциональна температуре в пределах от -5 до -15° С. Если концентрация С дана в весовых процентах NaCl, C»s-аТ, и мы можем написать dC/dx = adt/dx.

Более точного расчета по имеющимся данным сделать не удалось. Расчетная скорость в 4 раза превышает среднюю скорость, полученную из наблюдений, и близка к максимальной, наблюдавшейся во время экспериментов.

Другим возможным ограничением скорости миграции капли рассола является скорость теплового потока, необходимого для растворения и осаждения. Грубый расчет скорости миграции капли в зависимости от теплового потока показывает, что этот процесс не определяется производной от температуры. Рассмотрим каплю, поперечное сечение которой равно А, при температурном градиенте; поток тепла через каплю.

Если считать температурный градиент внутри капли таким же, как и в окружающем ее льду, то теплота полностью расходуется на плавление льда перед лицевой поверхностью капли, удельный объем льда — теплота плавления и Ал; — расстояние, проходимое каплей в единицу времени. Это условие ограничивает скорость, однако величина его на три порядка больше полученной из наблюдений. Стекание под действием силы тяжести. Скорость течения рассола определялась из общего движения жидкости между ледяными зернами; для этого из общего перемещения соли вычиталось количество, переносимое в результате миграции капель рассола. Общее перемещение соли через среднюю точку образцов определялось графическим интегрированием как общее уменьшение содержания ее в верхней половине образца. Поправочный коэффициент для миграции капель рассола вычислялся по их количеству, размерам и средней скорости при данном температурном градиенте; последний измерялся непосредственно при наблюдениях. Вычисленную величину коэффициента нельзя считать абсолютно точной, однако погрешность составляла менее 10% и не могла оказать существенного влияния на конечные результаты. Поскольку миграция капель происходила в направлении, противоположном гравитационному течению, при определении общего переноса соли по гравитационному течению Мо к полученной величине необходимо прибавить количество, перенесенное в результате миграции капель.

Зависимость от времени показывает, что скорость гравитационного стекания со временем уменьшается; по-видимому, это происходит из-за роста ледяных зерен, в результате которого количество каналов стока уменьшается, а также из-за отсутствия в верхней части льда источника, пополняющего рассол. Гравитационное течение увеличивается в тех случаях, когда образец повернут таким образом, что стекание происходит параллельно столбчатому строению льда.

Миграция рассола в столбиках мелкозернистого льда количественно определялась так же, как и в ледяных кубиках. Профили концентрации получились подобными наблюдавшимся при исследовании образцов кубической формы, причем содержание соли оказалось более высоким в нижней части столбиков. Движение соли вверх по столбику не удалось окончательно доказать, несмотря на многочасовую выдержку образца. Уитманом описаны опыты, в которых он наблюдал миграцию капель рассола, происходившую в направлении, противоположном гравитационному стеканию, причем преобладал перенос вещества мигрирующими каплями. Нам не удалось получить таких результатов даже на образцах из очень мелкозернистого льда.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.