Факторы и методы контроля содержания соли во льду

/>Факторы и методы контроля содержания соли во льду

Хорошо известно, что замерзание морской воды сопровождается полным расслоением содержащихся в ней солей на некотором ограниченном по глубине участке, а также отчетливо выраженной макроскопической ликвацией. Местное расслоение появляется в результате того, что соли не дают сростков с кристаллами льда. Макроскопическая ликвация (процесс, вызывающий частичное расслоение) возникает потому, что плотность кристаллов льда меньше плотности воды, а концентрированный раствор, появляющийся при образовании кристаллов в результате вымерзания рассола, тяжелее обычной воды и стремится опуститься вниз в процессе конвекционного перемешивания, а также потому, что давление, возникающее из-за расширения при отвердевании, выдавливает рассол из полостей между кристаллами. Кроме того, на последней стадии отвердевания начинается миграция капель рассола благодаря наличию температурного градиента (направление миграции от области низких температур к более высоким). Количество соли во льду в течение некоторого времени зависит от следующих факторов: условий отвердевания, условий миграции солей и приложения внешних сил, которые могут ускорить процесс миграции солей.

Природный морской лед. Отвердевание морского льда исследовалось многими учеными, в том числе Адамсом, Френчем и Кингери. Они связывали скорость отвердевания ледяного поля, растущего в естественных условиях, с условиями теплопередачи и получили хорошую корреляцию между теоретическим выражением для толщины льда и данными экспериментов, в которых измерялись время намораживания и температура. Было найдено, что соленость свежее сформировавшегося природного льда у поверхности равна приблизительно 3%. Однако расслоение во время отвердевания приводит к тому, что при обычных условиях намораживания во льду удерживается лишь около 1 % рассола. Со временем концентрация соли становится еще меньше в результате миграции рассола вниз через лед, так что даже молодой морской лед обычно имеет концентрацию соли, приходящейся на единицу массы морского льда, около 0,5% вместо 3,0 — 3,4%, содержащихся в морской воде при ее замораживании. Распределение солености в первых 52 дюймах льда, сформировавшегося в естественных условиях в Пойнт-Барроу. Образцы были отобраны 28 марта 1960 г. Аналогичные результаты были получены Виком и Андерсоном при наблюдениях молодого морского льда около Туле, в Гренландии.

Во время летнего сезона, когда температура льда повышается, соль мигрирует из него настолько быстро, что двухлетний лед уже вполне пригоден для приготовления питьевой воды, чем и пользуются местные жители — эскимосы; соленость такого льда менее 0,01 % Учитывая эти изменения, говорить о солености природного морского льда следует только с упоминанием времени его формирования и возраста. Образовавшийся в начале года поверхностный слой может иметь соленость около 3%, в то время как появившийся позже лед имеет первоначальную соленость от 1,0 до 1,5%. В апреле соленость обычно колеблется в пределах от 0,4 до 0,7%. Морской лед, перенесший как минимум один сезон таяния, имеет соленость менее 0,1%.

Соленость и условия замерзания. Количество рассола, захватываемого льдом во время отвердевания, зависит непосредственно от условий замораживания. При быстром росте льда растут ветвистые кристаллы, захватывающие большое количество рассола. В принципе только при очень медленном росте ледяной массы ^возникает плоский фронт отвердевания, исключающий возможность захвата солей. Факторы, препятствующие возникновению плоского фронта отвердевания в металлических соединениях, подробно исследованы в работах Флеминга и др., Тиллера и др., Тиллера и Руттера, а также ряда других авторов. К растущей поверхности раздела жидкость — твердое вещество непосредственно примыкает участок, в котором находится раствор очень высокой концентрации, возникающий в результате выпадения солей из растущей твердой массы. В конечном итоге оказывается, что жидкость, непосредственно омывающая намерзающую поверхность, имеет более низкую температуру точки замерзания, чем та, которая находится на некотором расстоянии от нее. Плоский фронт отвердевания распадается: от него отходят длинные веточки, стремящиеся достигнуть жидкости, более близкой к замерзанию; между этими веточками остается раствор высокой концентрации, который, так и не замерзнув, оказывается механически захваченным твердой массой.

Гидродинамические условия у поверхности раздела также могут оказывать большое влияние на количество захваченного твердой массой рассола. При энергичном перемешивании или большой скорости течения жидкости градиенты концентрации у поверхности раздела, благоприятствующие росту ветвистой структуры, заметно уменьшаются. В результате возникает плоский фронт замерзания и скорость отвердевания увеличивается. Таким образом, при энергичном перемешивании во время замерзания соленость льда должна быть минимальной.

Существенной частью программы экспериментов, описание которой приводится ниже, было определение скоростей отвердевания и солености льда, намораживающегося при различных скоростях движения жидкости.

Льда под давлением. Рассол, задержанный льдом в процессе отвердевания, содержится в нем в виде сплошной сетки с отдельными жидкими каплями, которые разделяют твердые зерна и расположены у границ зерен. Это положение принято за основу для исследования давления как метода удаления рассола из льда. При понижении температуры капли рассола стремятся разместиться внутри зерен льда, а не между ними. Поэтому следует ожидать, что эффективность воздействия давления для опреснения льда будет в значительной степени зависеть от температуры. Тем не менее, особенно при достаточно высоких температурах, этот метод может быть использован для быстрого опреснения льда в полевых условиях.

Миграция солей. Детали процесса миграции рассола в природном морском льду изучены недостаточно полно. Миграция может происходить при наличии температурного градиента или открытых каналов во льду, через которые происходит сток под действием гравитационных сил; соотношение этих двух видов миграции может в значительной степени меняться в зависимости от температуры. В лабораторных условиях исследование миграции капель рассола во льду было проведено Уитманом. По его мнению, для равновесия со льдом (при наличии в нем температурного градиента) в капле должен поддерживаться градиент концентрации. На холодной стороне капли концентрация соли выше, чем на более теплой. Это вызывает диффузию соли и как следствие диффузии миграцию самой капли; скорость миграции при температуре 24° F и температурном градиенте составляет около 0,3 см/час. С увеличением температуры или температурного градиента скорость миграции возрастает. Наблюдения показывают, что при более высокой температуре льда скорость миграции увеличивается аналогично тому, как при этом увеличивается гравитационный сток рассола по внутренним каналам. Однако скорость процесса должна быть ограничена некоторыми постоянными величинами, характеризующими механизм диффузии. При низких температурах капли рассола изолированы и скорость диффузии, по-видимому, соответствует основному процессу.

Ветвистое отвердевание. После того как морская -вода замерзла, основным источником тепла (или холода) остается холодный воздух. Поэтому наиболее эффективным методом замораживания теплой морской воды является вынесение ее на поверхность льда для непосредственного контакта с воздухом. Как выяснилось при выполнении программы исследований, наиболее эффективно в этом случае ветвистое отвердевание, при котором с воздухом соприкасается максимальная поверхность намораживающегося льда.

/> />

Читайте так же:

Комментарии запрещены.

Свежие записи