Наледи

Курсовая работа

на тему: Наледи

ВВЕДЕНИЕ

ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЯ «НАЛЕДЬ»

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ НАЛЕДЕОБРАЗОВАНИЯ КЛАССИФИКАЦИЯ НАЛЕДЕЙ НАЛЕДИ КАК ФОРМА ОЛЕДЕНЕНИЯ О ПРИНЦИПАХ И СОДЕРЖАНИИ ТЕОРИИ НАЛЕДНЫХ ПРОЦЕССОВ ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПРИЛОЖЕНИЯ

Цель работы сформулировать понятие наледь.

Наледи и наледные процессы издавна привлекали внимание исследователей. За 100 с лишним лет со дня их первого научного описания (Миддендорф, 1862) накопилась обширная литература, требующая анализа и обобщения. В последние годы вышла в свет серия научных сборников (Наледи Сибири, 1969; Проблемы наледеобразования, 1973; Наледи и наледные процессы Восточной Сибири, 1976), ряд монографии (О. 11. Толстихин, 1974; Соколов, 1975; Алексеев, Савко, 1975; Алексеев, Фурман, 1976), работы научно-методического (Ингузова, Шепелев, 1975) и технического характера (Методические рекомендации…, 1975; Методические указания…, 1975; Рябов, Полин, Шушаков, 1974; и др.). Они содержат оригинальные идеи, цепные материалы полевых последовании и экспериментов, предложения по борьбе с наледями и использование последних в практике народного хозяйства. Анализ опубликованной литературы позволяет сделать вывод о том, что в гляциологии зародилось и начало стабилизироваться новое научное направление, предмет которого — изучение физики послойного намораживания воды на твердом основании. Оформились и некоторые теоретические положения, позволившие объединить в стройную систему, до сих пор разрозненные объекты криосферы, вскрыть общие закономерности их развития и распространения. Вместе с тем в науке о наледях еще существуют серьезные противоречия, обусловленные, с одной стороны, историческими причинами, а с другой — узковедомственным подходом при оценке гляциальных явлений. В частности, нет единства в определении основных понятий и терминов, отсутствует общепринятая классификация наледей, не разработаны принцип районирования территории, нуждаются в совершенствовании методы управления наледными процессами и пр.

ФОРМИРОВАНИЕ ПОНЯТИЯ «НАЛЕДЬ»

Наледь — своеобразное и широко распространенное явление природы, характерное для регионов с суровыми климатическими условиями Термин «наледь» вошел в научную литературу из, простонародного русского языка, где он обозначал одновременно два явления: лед, сформировавшийся при намерзании воды на твердой поверхности, и воду на льду. Так, в «Толковом словаре живого великорусского языка» находим:

«Наледенять» — наполняться льдом, намерзать льдом; «наледенеть» -обмерзнуть, покрыться слоем льда; «наледенелый» — наледеневший; «налёдный» — на льду находящийся; «налёдный» — к наледи относящийся; «наледень" — каток, катушка, горка; «наледь», с «налёдица», «наледок» -гололед, гололедица, намерзший слоем на земле лед, череп, кора; ледяной слой на выступившей поверх льда воде, наслуд, наслуз; обмерзшие края ключа, родника, накипь.

«Нбледь», «налйдь», «налйдье» — незамерзшая, выступившая сверх льда вода, от ключей или от промерзшей на мелком месте до дна речки, налой. «Наледи» — ключи и родники, пробивающиеся в одном месте, никогда не замерзающие, а образующие вокруг ледяные бугры.

В «Словаре русского языка» С. И. Ожегова (1975) читаем: «Наледь — и, ж. Вода, выступившая поверх льда, а также корка льда на этой воде» (с. 349). Широкое применение слово «наледь» нашло у русских землепроходцев в Сибири и на Дальнем Востоке, где, как известно, намерзание «выступившей воды» в зимний период наблюдается почти в каждой речной долине. Амурские и забайкальские казаки вместо слова «наледь» предпочитали его синонимы — «накипь» или «накипень». В некоторых случаях использовались местные якутские, тунгусские и бурятские названия: тарын, алдан амнунда (амнунна, амнурна), анманракан, аян, анмэрэ, буксэ, хашер и др.

Первые научные описания наледей выполнили Ф. П. Врангель (1841) и А. Ф. Миддендорф (1862). Ф. П. Врангель, рассматривая продукты намораживания воды в долинах рек Северо-Восточной Якутии, пользовался якутским термином «тарын». Часть обширных ледяных массивов он называл также покровным льдом. А. Ф. Миддендорф (1862), хорошо знавший местные названия наледных явлений, остановился на русских терминах. Анализируя материалы, он писал: «…Я избрал название „наледь“ для ряда всех явлений, к которым принадлежат ледяные долины». При этом под ледяными долинами он имел в виду крупные наледные поля, представлял их как «зародыши глетчеров, которые останавливаются в самом первом своем развитии…». В своих работах А. Ф. Миддендорф наледями называл толщи льда, накопившиеся при послойном намерзании воды. В послесловии к статье К. Дитмара, в частности, читаем: «Выступившая на льду вода… примерзает выше указанным способом тонкими слоями и превращается в наледь» Аналогичного взгляда придерживались К. Дитмар (1901) и Г. Майдель (1896).

Некоторые исследователи вкладывали в слова «наледь» и «накипень» разный смысл. Так, Я. В. Стефанович (1898) наледью называл «воду, вследствие тех или иных причин выступившую на поверхность ледяного покрова», а накипнем (накипью) — «массы льда разнообразной формы, происходящие от постепенного намерзания выходящих наружу ледяных струй».

В начале XX в. в связи с изысканием и строительством Забайкальской и Амурской железных дорог, а также освоением полезных ископаемых Восточной Сибири и юга Дальнего Востока появилась масса интересного материала о природе и формах проявления наледных процессов. При этом практически во всех публикациях и рукописных отчетах (Богданов, 1912; Аболии, 1913; Львов, 1916; и др.) наледью называлась не вода, а лед на поверхности земли или ледяного покрова, образовавшийся при намерзании излившейся воды.

В 30-х годах интерес к наледям резко усилился. Это был период становления отечественного мерзлотоведения, когда анализировались и обобщались интереснейшие сведения о закономерностях развития и распространения вечной мерзлоты и сопутствующих ей явлениях (Сумгин, 1930а, б; 1931, 1934, 1937, 1940; Сумгин, Качурин, Толстихин, Тумель, 1940; Толстихин, 1938, 1941; Толстихин, Обидин, 1936; Лукашев, 1938; Баранов, 1940; Чекотилло, 1940; и др.).

Основоположник советского мерзлотоведения (геокриологии) М. И. Сумгин пришел к выводу о том, что и наледными процессами следует считать все внутреннние и внешние проявления фазовых превращений воды в толще горных пород или на их поверхности. При этом к наледным он отнес и такие явления, как пятна — медальоны, каменные венки и полосы, бугры пучения, булгунняхи и пр. Подобный подход дезориентировал ученых и практиков, в результате чего взгляды исследователей на природу наледных образований существенно разошлись (см. понятие «наледь»). Так, одна группа исследователей (H.И. и О. Н. Толстихины, И. Я. Баранов, К. И. Лукашев, С. П. Качурин, Н. И. Вельмина, В. А. Кудрявцев, А. И. Попов, Н. Н. Романовский, Ф. Н. Мильков и др.) наледями традиционно стали считать лед как продукт замерзания излившейся воды, другая (М.И. Сумгин, С. Г. Пархоменко, П. К. Хмызников, В. К. Арсеньев, П. Ф. Швецов и В. Седов, А. А. Маккавеев и др.) — воду на льду, а третья (А.М. Чекотилло, А. А. Цвид, В. Н. Макаров, В.А. Рымша) — комплекс физико-механических процессов, обусловленных выходом речных или подземных вод на дневную поверхность. Часть исследователей (А.А. Бушуев, H.А. Волков, В.С. Лощилов), следуя ранним представлениям С. А. Подъяконова (1903), наледями называют и воду на льду, и лед, образовавшийся при ее замерзании. В ряде научных работ (Евгенов, 1955; Рымша, 1959) наледи и наледеобразование отождествляется с наслудом (назлузом) и наслудообразованием (наслузованием).

До недавнего времени наибольшей популярностью — пользовалось определение понятия «наледь», данное Н. И. Толстихиным (1938). По его мнению, наледь — это «ледяное тело, являющееся продуктом замерзания речных или подземных вод, излившихся на поверхность льда, земли или в пределах деятельного слоя». Последняя часть формулировки допускает возможность образования массивов «наледного» льда в толще сезоннопромерзающих и сезоннопротаивающих горных пород. Этот вид ледяных включений стали называть (подземными наледями (Вельмина, Узембло, 1959; Башлаков, 1963; Попов, 1967; и др.), хотя по своим генетическим особенностям и строению они резко отличаются от типичных наледных образований и имеют собственное название — инъекционный, повторно-инъекционный лед или гидролакколит (Гасанов, 1966).

В 1969 г. определение Н. И. Толстихина было уточнено В. Р. Алексеевым и О. Н. Толстихиным. Из определения предложено исключить указание на формирование наледей в пределах деятельного слоя и допустить возможность развития наледных процессов в крупных полостях горных пород. В соответствии с этим содержание понятия подземная наледь существенно изменилось. В эту группу ледяных образований отнесены захороненные наледи поверхностные (сформировавшиеся на поверхности земли, но погребенные толщами осадков), а также ледяные сталактиты, сталагмиты, сталагнаты, колонны, занавеси, столбы, лед гольцовый, инфильтрационно-натечный, гидрогенная кора обледенения, лед покровный и др.

Исследование происхождения особенностей развития и строения гляциальных образований, связанных с послойным намораживанием воды, уже давно подготавливало почву для критического анализа накопившегося материала, пересмотра ряда априорных положений, господствующих в рамках узких научных дисциплин, требовало введения обобщающих понятий терминов и создания единой теоретической концепции объясняющей сходные гляциальные явления и процессы. Так, работы А. А. Цвида (1959) положили начало выделению наледей талых снеговых вод.

Введение

этого понятия резко расширило задачи мерзлотоведения (криологии). В сферу внимания исследователей попали объекты природы, чрезвычайно широко распространенные, но не связанные с излиянием речных или подземных вод. Как известно (Заморский, 1955; Шумский, 1955; Цвид, 1957; Чекотилло, Макаров, 1960), формы ледяных образований «от таяния снега» исключительно разнообразны. Они возникают при температуре воздуха, близкой к 0°, за счет воды, появляющейся при радиационных и адвективных оттепелях или выделении тепла антропогенными системами. Примером наледей талых снеговых вод могут служить ледяные сталактиты (сосульки) и сталагмиты, формирующиеся практически у каждого инженерного сооружения, несущего на себе снежный покров, а также на скалах, береговых обрывах, в карьерах, штольнях и шурфах и т. п. Корки и покровы льда рассматриваемого происхождения почти повсеместно (за исключением районов с постоянной положительной температурой воздуха) встречаются на конструкциях промышленных и бытовых зданий, на тротуарах, у водосточных труб, на проезжей части дорог, аэродромах, горных склонах, на поверхности ледяного покрова рек, озер, морей и водохранилищ. Все эти образования достаточно широко известны (см. кора, притертая ледяная корка, гололедная корка, гололедица, наслуд, налой, снежный лед и др.), однако изучение их до сих пор было разрозненным и чаще всего не имело связи с традиционными проблемами наледеобразования.

Введение

понятия «наледь талых снеговых вод» не оспаривалось исследователями. Термин прочно вошел в лексикон научных работников и использован в серии классификационных построений (Чекотилло, Цвид, Макаров, 1960 и др.). Вскоре были сделаны попытки расширить смысловую нагрузку понятия «наледь». Учет морфологических особенностей ледяных массивов и физической сущности процессов послойного намораживания воды позволил выделить ряд новых генетически однородных образований — наледи поверхностных, озерных, морских, ледниковых, бытовых и сточных промышленных вод (Благобразов, 1960; Кобленц, 1960; Усов, 1907; Бондарев, Горбунов, 1969; Горбунов, 1970; Дзень, 1970; Осокин, 1970; Романовский, 1969, 1970). В итоге наледи стали рассматриваться как особая форма оледенения Земли (Алексеев, 1971; Толстихин, Соколов, 1972; Кривоносов, 1973а).

В 1968 г. в докладе на IV Всесоюзном гляциологическом симпозиуме автором настоящей книги было сделано предложение под наледями понимать продукты послойного намораживания воды на твердом основании вне зависимости от ее принадлежности к той или иной сфере Земли и способа поступления к плоскости промерзания. Эта формулировка не встретила серьезных возражений. Вскоре в несколько трансформированном виде она была опубликована И. М. Осокиным (1969, 1973). Последующий анализ материалов позволил нам включить в число наледных такие явления, как намерзание воды при зажорах и заторах, приливах и отливах, термическом расширении льда, набегании волн на берега и инженерные сооружения, оседание брызг, капель облаков и тумана на поверхность охлажденных твердых предметов (Алексеев, 1973; Алексеев, Савко, 1975). Принципиально новым оказалось выделение наледей атмосферных вод, представляющих продукты намерзания капельно-жидкой воды (см. гололед, гололедь, гололедица, обледь, ожеледь, брызговая изморозь, брызговый гололед, обзернение, град, притертая ледяная корка, снежный град). Возможность такой операции была предсказана еще А. Д. Заморским около 20 лет назад. Рассматривая происхождение ледяных корок, возникающих на поверхности охлажденных предметов при выпадении дождя или мороси, он заметил, что для их обозначения «удобным термином может быть «наледь», если придать ему, кроме имеющихся значений.

Вопрос о расширении содержания понятия «наледь» обсуждался на Всесоюзном совещании по проблемам наледеобразования в г. Чите (апрель 1973 г). Мнения исследователей разделились. Часть из них признала своевременным и необходимым введение новых классификационных элементов, другая — высказывалась против них. В печати появились критические замечания некоторых мерзлотоведов и гидрогеологов (Корейша, 1972; Шепелев, 1974; Соколов, 1975), сущность которых сводится к нецелесообразности отступления от традиционного подхода при изучении наледных явлений. Так, О. Н. Толстихин в примечании к книге Б. Л. Соколова (1975) писал: «Попытка дальнейшего расширения понятия „наледь“ привела к тому, что этот термин потерял свою генетическую определенность…». С подобной критикой согласиться нельзя по следующим мотивам.

Во-первых, формирование научных понятий и терминов — процесс длительный и сложный. Содержание понятия обычно отвечает уровню знаний о предмете исследования, а когда возникает несоответствие между ними, происходит ломка традиционных представлений. В этой связи нет ничего необычного в том, что термин «наледь» приобретает дополнительную смысловую нагрузку, новую окраску и назначение.

Во-вторых, расширение содержания понятия «наледь» вовсе не означает отступления от представлении М. И. Сумгина и Н. И. Толстихина. Наоборот, оно является подтверждением взглядов исследователей на развитие природных вод и мерзлых толщ земной коры. Как известно, Н. И. Толстихин (1966) определил четкую структуру криологии — науки о сферах холода Вселенной. Наличие воды в той или иной системе (в частности, на Земле) и ее миграция в зону отрицательных температур сопровождается формированием вполне определенных разновидностей льда, морфогенетические особенности которого зависят от того, каким образом и из какого исходного вещества возникает новая материальная субстанция. Скоро признано целесообразным выделение понятий «наледя подземных вод» и «наледи поверхностных вод», то нет оснований отвергать и введение понятия «наледи атмосферных вод». Таким образом, объединение этих трех категорий термином «наледь» не отвергает, а подчеркивает их генетическое единство. Кроме того, к термину возвращается исторически выработанное назначение и смысл.

В-третьих, унификация понятия «наледь» позволяет с единых общегеографических и теплофизических (точное, геофизических) позиций рассмотреть многообразие форм льда, возникающего при послойном намораживании воды, определить место наледей в общей схеме классификации природных льдов, оценить их роль в круговороте веществ и жизни Земли в целом, упорядочить огромный эмпирический материал и, наконец, создать теорию наледных процессов как основу управления одним из опасных стихийных явлений.

Рассмотрим представления зарубежных ученых. Для обозначения процессов намораживания воды на твердом основании в иностранной литературе используются термины, эквивалентные русскому «обледенение"-icing в английской, aufeis в немецкой. Наибольшая часть материалов, касающихся наледей поверхностных и подземных вод, опубликована на английском языке. К. Л. Керей (Carey, 1973), подготовивший обобщающую работу, пишет, что «кроме США, Канады и СССР, по другим странам не обнаружено никаких публикаций, связанных с явлениями и проблемами наледеобразования».

Первые статьи о наледях Северной Америки опубликованы Дж.Б. Тирреллом (Tyrrell, 1904) и И. Д. Лефингвеллом (Leffingwell, 1919). Это довольно примитивные описания, основывающиеся в значительной степени на исследованиях русских ученых А. Ф. Миддендорфа, Г. Майделя и С. А. Подъяконова. В 30-х и 40-х годах, в связи с транспортным освоением Канадского Севера и Аляски, появились работы, освещавшие затруднения, возникавшие на автомобильных и железных дорогах (Sterling, 1935; Taylor, 1939; Stevens, 1940; McKeever, 1943; Taber, 1943; Williams, 1943; Eager, Pryor, 1945; Muller, 1947; Jess, 1954; e. а.). При описании процессов наледеобразования единая терминологическая основа отсутствовала.

В 1946 г. в американском техническом журнале «Engineering News-Record» была опубликована статья А. М. Чекотилло «Solving the problems of „nalyeds“ in permafrost regions». Знакомство с нею, а также широкое использование других источников (Петров, 1930; Сумгин, 1937; Чекотилло, 1940; Толстихин, 1941. Швецов, Седов, 1941), однако, не привело к внедрению термина «nalyed» в американскую и канадскую литературу, хотя приоритет русских ученых в исследовании наледных процессов не подвергался сомнению. В последующих публикациях (Williams, 1953; Jess 1954; Thomson, 1966; Carey, 1973; Linell, 1973; Williams, Everdingen, 1973; Poppe, Brown, 1976; Словарь, 1976; и др.) стали широко применяться термины, предложенные С. У. Мюллером i (1947)-«icing» (обледенение) и «icings» (наледи), а также производные от них: «icing on the ground surface» (наледь грунтовая), «natural spring icing» (наледь ключевая), «river icing» (наледь речная), «formation of an icing» (наледеобразование), «site of annual appearance of an icing» (наледная поляна), «water on river ice» или «water on an icing» (наледная вода) и др.

В настоящее время термин «icing» прочно вошел в мировую литературу. Он широко используется для обозначения, с одной стороны, процесса формирования льда на поверхности какого-либо твердого предмета и последующего роста ледяной корки (массы) за счет образования новых слоев, а с другой — продуктов этого процесса, т. е. слоистого ледяного тела (Деев, Лосав, 1962). К. Л. Керей (Carey, 1973) пишет, что имеются две основные группы явлений, к которым применяется термин «обледенение» (наледь). Они отличаются способом передвижения воды к месту своего замерзания. Развитие первой группы явлений обусловлено осаждением капельно-жидкой или газообразной воды и последующим формированием льда на самолетах, линиях электропередачи, башнях, антеннах, морских и речных судах и пр. Вторая группа явлений обеспечивается течением воды к участку обледенения. К ним относятся наледи поверхностных и подземных вод. Как видим, взгляды зарубежных ученых близки к нашим представлениям. Разница заключается лишь в том, что понятие «обледенение» (icing) включает в себя также и формирование кристаллов льда из парообразной (газообразной) влаги, минуя жидкую фазу, т. е образование инея, кристаллической изморози и других видов сублимационного льда. Этот процесс не может течением быть отождествлен с наледеобразованием, поскольку и по масштабу развития, и по физической сущности он резко отличается от льдообразования конжеляционного (Шумский, 1955), частными производными которого являются наледи.

Следует также заметить, что термин «icing» несет двойную смысловую нагрузку, обозначая то процесс, то ледяное тело. В отличие от него термин «наледь» в нашем понимании однозначен, прост и удобен в обращении, емкий по содержанию.

Итак, наледи есть своеобразные объекты криосферы, представляющие собой продукты послойного намораживания жидкой или капельножидкой воды на твердом основании. Исследованием их должна заниматься гляциология как всеобщая географическая наука о природных льдах.

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ НАЛЕДЕОБРАЗОВАНИЯ

Под физической сущностью наледеобразования следует иметь в виду совокупность всех сторон развития и связей процессов намораживания воды на поверхности твердого тела. Чтобы представить содержание этого понятия в полном объеме, необходимо рассмотреть основные типы льдообразования в общей схеме классификации природных льдов. Переход воды в твердую фазу может осуществляться в жидкой, твердой (пористой) и газообразной средах или у поверхности их раздела (Песчанский, 1963). В соответствии с этим выделяются шесть типов льдообразования: внутриводное — в толще водотоков и водоемов (в гидросфере), внутри грунтовое (подземное) — во влагонасыщенных горных породах (литосфере), атмосферное — при охлаждении влагонасыщенной смеси газов (в атмосфере), поверхностное — при промерзании рек, озер, морей и океанов (у границы сред жидкой и газообразной), донное — на поверхности предметов, опущенных в воду, на дне водотоков и водоемов (у границы сред жидкой и твердой) и наледное при намерзания воды на твердом основании (у границ твердой и газообразной сред). По строению, генетическим признакам и условиям и формирования природные льды делятся на два класса: сублимационные, образующиеся из парообразной влаги, минуя промежуточную жидкую фазу, и конжеляционные, возникающие при кристаллизации жидкой или капельножидкой воды (Шумский, 1955). Льды первого класса образуются в атмосфере (кристаллы снега) или на поверхности твердых предметов (иней, кристаллическая изморозь и др.). В Основную массу сублимационного льда составляет снег. Выпадая из облаков, он превращается в снежный покров, который затем преобразуется в глубинную изморозь, фирн, ледники и айсберги (рис. 1). Группа осадочно-метаморфических льдов — самая многочисленная на Земле. Льды второго класса (подземные, речные, озерные, морские, наледные) занимают огромные пространства, но по объему составляют всего около 1% общего льда запаса планеты (Котляков, 1968). Наледи как продукт конжеляционного обледенения встречаются во всех трех географических сферах (гидросфере, литосфере и атмосфере).

Суммарный объем их невелик (менее 0.01%), однако влияние на развитие хозяйственной деятельности человека огромно.

Основными критериями наледеобразования являются:1)наличие стабильной плоскости аккумуляции в виде поверхности льда или другого твердого тела, охлажденного ниже 0°; 2) миграция жидкой или капельножидкой воды из области ее первичного состояния (жидкости) в область возможной кристаллизации; границы областей фазовых переходов совпадают для пресных вод с изолинией 0 °C, для рассолов, соленых и солоноватых вод — с соответствующими эвтектическими температурами; 3) прерывистость (дискретность) в подаче воды к плоскости намерзания, обусловленная перераспределением тепла и влаги в естественных (природных) или антропогенных системах. Отсутствие одного из перечисленных условий означает переход в качественно иную схему льдообразования и развитие других генетических типов льда.

Формирование наледи начинается с образования элементарного наледного слоя, т. е. промерзания некоторой массы воды на базисной плоскости наледеобразования (БПН). Исходной плоскостью аккумуляции твердой фазы воды может быть поверхность льда или любого другого твердого тела. Особенности наледеобразующих процессов определяются соотношением в пространстве трех основных субстанций: твердого вещества, массы наледеобразующих вод (МНВ) и фронта кристаллизации (ФК), ограничивающего зону отрицательных температур (ЗОТ). При этом возможны три главнейших позиции: I-(МНВ на БПН> ЗОТ (пример: обмерзание предметов, вынуты из воды); II — ФК>(МНВ на БПН) (пример: промерзание пленок воды на поверхности твердых тел при переходе температуры воздуха через 0°); III — БПН и ФК неподвижны, МНВ>ЗОТ (пример: намерзание брызг на береговых обнажениях).

При первых двух позициях (рис. а, б) формируются сходные и сравнительно простые по строению виды наледного льда. Третья позиция (рис. 2, в) определяет исключительно большое многообразие наледных явлений и форм послойного намораживания воды. Оседание капельножидкой влаги, поднятой с земли или взвешенной в атмосфере (в том числе переохлажденной), обеспечивает брызговое наледеобразование. Продуктом его являются гололед брызговый, волнисто-образный, гребнеобразный, овало-образный, стекловидно-слоистый, стекловидный, гололедные корки, град, ледяная крупа, зернистый налет, зернистая изморозь, брызговая изморозь и др. Излияние воды из замкнутых или полузамкнутых систем сопровождается напускным наледеобразованием. Оно приводит к формированию наледей поверхностных, подземных, речных, озерных, морских, ледниковых, бытовых и других вод. При возвратно-поступательном движении массы воды у охлажденных берегов и инженерных сооружений развивается волновое наледеобразование, в результате которого возникают сокуи, ледяные сосульки (сталактиты), гололедные корки и пр. Формирование элементарной наледи сопровождается отводом тепла, при этом направление теплопотоков зависит от морфологии наледного слоя (рис. 3), а интенсивность — от массы кристаллизующейся влаги и температуры окружающей среды. Переход воды в твердое состояние всегда сопровождается деформацией кривой распределения температуры у поверхности наледеобразования (рис. 4). Величина (возмущения температурного поля определяется теплозапасом наледной воды и скрытой теплотой ее кристаллизации. В зависимости от температуры и времени промерзания толщина элементарной наледи изменяется от десятков микрон до нескольких метров, но не превышает критическую мощность наледеобразующего слоя. Наледные явления качественно подобны и описываются аналитически как по форме, так и, но «содержанию одинаковыми уравнениями (Алексеев, Caвкo, 1975). Критерии подобия наледных процессов пока еще не определены, но они несомненно будут найдены из подобия полей одноименных физических величин, характеризующих замерзание тонких слоев воды, разрушение и перекристаллизацию льда, криогенное минералообразование, деформацию ледяных массивов и их взаимодействие с окружающей средой.

Устойчивость наледей на вертикальных и наклонных плоскостях является функцией адгезионных свойств базисной поверхности наледеобразования и поверхности элементарных наледных слоев, на которых формируются новые массивы льда. Существенное значение в этом играет индукционная эпитакция и промежуточный жидкообразный слой.

Совокупность элементарных наледей представляет собой наледный массив (наледный покров), который имеет сложное строение (рис. 5). При всех типах наледеобразования характерной чертой наледей является их слоистость, обусловленная прерывистостью подач воды к плоскости кристаллизации или особенностям режима температуры воздуха (рис. 6). Некоторые виды наледного льда, например гололед, изморозь, имеют скрыто слоистую или зернистую структуру. Развитие наледных процессов протекает в строго определенных интервалах времени, ограниченных в общем случае датами (моментами) перехода температуры воздуха через 0? Наледный период с некоторыми допущениями эквивалентен случаю обледенения. Он представляет собой совокупность отрезков времени замерзания наледеобразующих вод, метаморфизации и разрушения наледного льда. Длительность наледного периода может измеряться от десятков минут (изморозь, град) до сотен тысяч лет (наледи пещерные, наложенный лед, наледи многолетние).

В году выделяются 4 характерных отрезка времени (рис. 7): I — период неустойчивого формирования наледей (между датой первого осеннего заморозка и моментом перехода температуры воздуха через 0°); II — период устойчивого наледеобразования (между крайними датами с положительными температурами воздуха зимой); III — период неустойчивого разрушения наледей (между первой и последней датами перехода температуры воздуха через 0° весной); IV — период устойчивого разрушения наледей (от даты последнего весеннего заморозка до полного разрушения ледяного массива).

КЛАССИФИКАЦИЯ НАЛЕДЕЙ И НАЛЕДНЫХ ЯВЛЕНИЙ

Классификация предмета исследований имеет исключительно важное значение и для науки, и для практики. Эта проблема привлекала пристальное внимание ученых на всех этапах познания окружающего мира. Классификационные построении обычно выступают как мера, определяющая состояние (уровень) изученности объекта, с одной стороны, и как средство его дальнейшего исследования, с другой. Изменение (усовершенствование) классификаций есть закономерный исторически обусловленный процесс.

Несмотря на обилие литературы и более чем столетний период изучения наледных явлений, вопросе классификации наледей и сопутствующих им образований до сих пор остается предметом оживленных дискуссий. Как показал опыт, наибольшую ценность имеет классификация наледей, учитывающая происхождение (тип) наледеобразующих вод. Попытки вскрыть генетическую сущность наледеобразования были сделаны еще В работах А. Ф. Миддендорфа (1802), К. Дитмара (Ditmar, 1855), Г. Майделя (1890), Я. В. Стефановича (1898), В Л. Подъяконова (1903), А. В. Львова (1916), М. И. Сумгина (1927), В. Г. Петрова (1930). Однако первая достаточно четкая генетическая классификация наледей была разработана лишь 1932 г. И. Толстихиным.

Сравнительный анализ имеющихся классификационных схем показывает, что они в значительной степени повторяют друг друга, отличаясь только деятельностью (дробностью) деления основных таксономических единиц — наледей поверхностных и подземных вод. Примечательно, что практически во всех построениях под наледями подразумевается не вода на льду, а лед, сформировавшийся на поверхности земли, почвы или льда водоемов и водотоков. Это обстоятельство еще раз подтверждает правомерность отнесения наледей в комплекс гляциальных явлении.

Характерен и другой факт — постепенное увеличение в схемах числа видов наледных массивов, образовавшихся за счет намерзания вод различного происхождения (талых снеговых, ледниковых, сточных, бытовых, техногенных и пр.). Такая тенденция вполне закономерна, поскольку физическая сущность наледных процессов (замерзание воды на льду, метаморфизм и разрушение льда) фактически не зависит от происхождения наледеобразующих вод. Важны причина и форма поступления исходного материала к плоскости намерзания. Это значит, что при построении классификации наледей можно выделить столько типов наледного льда, сколько существует в природе генетических типов воды. Так как типы природных вод разнообразны, имеют свои специфические свойства и циркулируют, но особым каналам, связывая отличные друг от друга системы, выход их к плоскости намораживания приводит к формированию существенно отличающихся, но генетически однородных образований. Различия эти сводятся в основном к несоответствию формы и размеров ледяных тел. Точно так же замерзшие водопады (висячие наледи) отличаются от ледяных сосулек, ледяные сталагмиты от града, лед оконный (конжеляционный) от льда наложенного и т. п.

Учитывая сказанное и в соответствии с основными классификационными признаками, наледи можно расчленить на ряд групп:

по типу наледеобразования — брызговые, напускные, волновые;

по происхождению — естественные (Природные, биогенные, бытовые, зоогенные, гомогенные гетерогенные, смешанные), антропогенные, техногенные (производственные) и искусственные (созданные по желанию человека);

по типу наледеобразующих водподземных (грунтовых, ключевых, надмерзлотных, подмерзлотных, межмерзлотных, пресных, солоноватых, соленых, рассольных), поверхностных (речных, озерных, морских, ледниковых, талых, талых снеговых), атмосферных (дождевых, облачных, конденсационных), а также бытовых, сточных, промышленных, смешанных и других вод;

по местоположению — водораздельные, склоновые, откосные, косогорные, логовые, нагорные, долинные, террасовые, русловые, пойменные, береговые, устьевые, речные, озерные, морские, ледниковые, подземные (пещерные, грунтовые), субаквальные, ледниковые, притрассовые;

по отношению к поверхности земли — поверхностные (субаэральные), наземные, подземные (погребенные), надземные (атмосферные, аэральные);

по времени формирования и развитию — осенние, зимние, зимне-весенние, весенние, весенне-летние, сезонные, кратковременные, перелетовывающие (летующие, перелетки), многолетние, постоянные, ископаемые, деградирующие, мертвые, живые, мокрые, сухие, развивающиеся, современные, стабильные по форме и строению — простые, сложные, плоские, удлиненные, овальные, изометрические, выпуклые, вогнутые, лопастные; наледи-каскады, наледи-лужи, наледи-покровы, наледи-потоки;

по размерам — очень малые, малые, средние, большие, очень большие, гигантские;

по степени опасности — опасные, неопасные, потенциально опасные.

Наледь как материальная субстанция многообразна. Она состоит из жидких, твердых и газообразующих компонентов. Основную часть ледяных массивов составляет лед, представляющий переходное звено в процессе трансформации наледных вод. Наледные воды делятся на два класса (наледеобразующие и талые наледные), которые в свою очередь расчленяются на ряд типов (рис. 8). Среди наледеобразующих вод отмечается большое многообразие, обусловленное круговоротом на Земле тепла и влаги. Типы талых наледных вод определяются в основном их положением относительно поверхности ледяного массива (см. рис. 5).

Наледный лед в научной литературе называется по разному: ледяные валы, занавеси, каскады, колонны, озера, скорлупки, сталагмиты, сталактиты, лед аморфный, антибиотический, антисептический, армированный, ароматический, атмосферный, белый, биомициновый, брызговый, валунный, водно-снежный, гладкий, гольцовый, губчатый, дольчатый, жильно-натечный, зернистый, инфильтрационно-натечный, инфильтрационный, искусственный, компактный, матовый, моделированный, молочный, наливной, наложенный, намерзший, натечный, оконный, панцирный, пещерный, пищевой, плиточный, повторно-конжеляционный, повторноналедный, покровный, прозрачный, рассольный, снежно-наледный, снежный, технический, цилиндрический, чешуйчатый, гололед, твердый налет и др.

Каждый из перечисленных видов льда имеет свои специфические черты, определенные величиной наледного стока, условиями и факторами наледеобразования.

В настоящее время возникла необходимость классифицировать наледный лед по особенностям строения и свойствам (физико-механическим, химическим, электрическим и др.), однако сделать это пока не представляется возможным из-за отсутствия сопоставимых данных и трудно доступности некоторых исходных материалов.

Целесообразно также иметь ряд классификационных схем наледных явлений, форм рельефа, ландшафтов, наледеобразующих источников, процессов формирования и разрушения наледей, способов борьбы с наледями и методов создания искусственных ледяных массивов. К сожалению, исследования в этом направление еще только начинаются, а имеющиеся предварительные разработки нуждаются в совершенствовании и унификации.

НАЛЕДИ КАК ФОРМА ОЛЕДЕНЕНИЯ

Исторически сложилось так, что становление развитие гляциологии определилось интересом ученых в первую очередь к ледникам и ледниковому периоду. Прошедшая около четверти века назад дискуссия вскрыла противоречивость взглядов исследователей вопрос о том, что является предметом изучения гляциологов. Господствовавшая до этого концепция о ледниках как единственном объекте гляциологии сменилась более прогрессивной точкой зрения: большинство ученых стало считать гляциологию (ледоведение) наукой обо всех видах природного льда вне зависимости от того, в какой сфере Земли (или других планет) и в какой форме они встречаются. Расширение задач ледоведения привело к формированию ряда новых и трансформации некоторых старых понятий. Так, например, существенно изменилось содержание понятия «оледенение». Ранее этим, термином обозначался процесс формирования ледникового покрова (ледников) на поверхности Земли. В настоящее время оледенение рассматривается как процесс накопления льда в любой точке криосферы, в том числе в толще воды и горных пород, а также совокупность всех видов природного льда: ледников, снежного покрова, снежников, ледяного покрова рек и водоемов, дрейфующих, шельфовых, подземных льдов и наледей (Энциклопедический словарь…, 1968). При этом выделяются оледенения «наземное», «подземное», «морское», «перигляциальное», «айсберговое» и др. (Любимов, 1967). Особенно широко используется понятие «подземное оледенение», введенное В. Ф. Тумелем (1946) и в дальнейшем модифицированное А. И. Поповым (1965, 1967) и А. А. Коноваловым (1965). В 1971 г. нами опубликована статья, в которой выделена наледная форма оледенения. Это предложение не встретило серьезных возражений и получило поддержку со стороны Б. М. Кривоносова (1973а), О. Н. Толстихина, Б. Л. Соколова (1972) и И. М. Осокина (1973). В настоящее время в связи с развитием теоретической, региональной и инженерной гляциологии высказанная точка зрения требует более детального обоснования.

Понятие «оледенение» в его универсальном значении с некоторыми допущениями отождествляют с понятиями «льдообразование» и «льдонакопление». Учитывая особенности фазовых переходов воды и динамику образующихся при этом масс льда, можно выделить три типа льдообразования (сублимационное, сублимационно-конжеляционное и конжеляционное), которые в зависимости от условий кристаллизации воды расчленяются на ряд подтипов (рис. 9). Представленная схема объединяет практически все виды природного льда.

Если справедливо равенство между «оледенением» и «льдообразованием» («льдонакоплением»), тогда наледи с полным правом обособляются в особую форму оледенения. Наледное оледенение в таком случае есть процесс формирования (накопления) льда при замерзании жидкой или капельножидкой воды на границе сред твердой и газообразной.

Возможен и другой путь доказательства. Структура и этимология термина «оледенение» (в частности, приставка «о») предполагают формирование (накопление) льда у или около чего-либо, а также на поверхности какого-то тела (земли, почвы). В этом смысле содержание рассматриваемого понятия почти совпадает с понятием «обледенение», широко используемым в метеорологии и гидрологии.

Анализируя материалы, нетрудно заметить, что понятие «обледенение» является частным выражением более широкого толкования термина «оледенение». В этой связи вполне оправдано введение таких терминов, как обледенение адвективное, внутримассовое, конжеляционное, радиационное, сублимационное, фронтальное, а также обледенение проводов, наземных предметов, судов и др.

Есть существенная разница между накоплением льда на поверхности чего-либо и в толще воды или горных пород. В первом случае увеличение массы льда происходит сверху, благодаря привносу влаги (твердой, жидкой или парообразной) со стороны, при этом, как правило, формируются ледяные слои. Слоистость ледяных массивов — характерный признак накопления льда на твердом основании, своеобразное выражение процесса аккумуляции.

Во втором случае накопление льда, идет снизу за счет процесса промерзания массы воды или увлажненного грунта. Слоистость льда при этом обычно отсутствует.

Описанные формы оледенения можно назвать соответственно анагенным (от греч. ана — вверх) и катагенным (греч. ката — вниз). Анагенное оледенение есть процесс (а также продукты) накопления льда на границе сред твердой и газообразной, т. е. на поверхности земли, почвы, наземных предметов.

По своим морфогенетическим особенностям оно разделяется, как и льдообразование, на три типа: сублимационное, сублимационно-конжеляционное и конжеляционное (рис. 10). Наледи на схеме представляют особую форму конжеляционного обледенения.

По продолжительности наледное оледенение может быть кратковременным, сезонным и многолетним. Намерзание талых снеговых вод в ледниковом зоне приводит к формированию наложенного льда, который органически входит в толщу ледников, а в ряде случаев составляет их основную массу. Подобные наледи-ледники существуют десятки тысяч лет. Такой же возраст могут иметь наледные массивы, образовавшимися в крупных полостях земной коры.

По масштабам своего развития наледное оледенении превосходит прочие формы накопления твердой фаз воды. Наледи в виде снежного льда и наслуда покрывают практически все замерзающие водоемы (озера, водохранилища, моря и океаны), на суше наледи речных и подземных вод покрывают ежегодно в среднем около 1% территории, подверженной продолжительному промерзанию; ледяные наплески и брызговое оледенение формируются на побережьях всех арктических и антарктических бассейнов, а также на крупных водоемах и водотоках в умеренных широтах; наледи талых снеговых вод образуются по всей площади распространения снежного покрова, ледников и снежников; наледи атмосферных вод (гололед, зернистая изморозь) накрывают десятки, а возможно, и сотни миллионов квадратных километров поверхности твердых тел; в свободной атмосфере область наледеобразования совпадает с границами подвижного слоя тропосферы, имеющего отрицательную температуру, т. е. наледи формируются даже в пределах экваториальной зоны Земли.

Площадь ежегодного развития наледного оледенения до сих пор еще не оценивалась, однако анализ потенциальных возможностей наледеобразования позволяет сделать заключение о том, что она близка к площади распространения устойчивого снежного покрова.

Изложенное существенно меняет современные представления о масштабах развития наледей и наледных процессов. Однако это обстоятельства не должно смущать исследователей. Гляциологи лишь недавно окончательно определили предмет своей науки, поэтому неудивительно, что многие формы льдообразования и виды природного льда долгое время оставались за пределами их внимания. Сейчас наступил момент перехода огромного количества эмпирического материала в новое качество — создание теоретических моделей наледной формы оледенения Земли.

О ПРИНЦИПАХ И СОДЕРЖАНИИ ТЕОРИИ НАЛЕДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Известно, что в основе познания лежит наблюдение и эксперимент, результаты которых закрепляются в виде научных фактов. Накопление научных фактов чаще всего происходит спонтанно до тех пор не рождается какая-либо руководящая идея, позволяющая осуществить целенаправленный анализ и систематизацию эмпирических данных. В этом случае обычно возникает новая теоретическая конструкция, которая придает известным научным фактам соответствующую. Окраску и стимулирует дальнейшее изучение окружающего нас мира. В основе истинно научных представлений лежат принципы материалистической философии: признание материального единства мира, первичности материи, ее вечности и бесконечности во времени и пространстве и др. Предмет, содержание и методы теории наледных процессов как одного из разделов гляциологии определяются, исходя из общей схемы классификации природных льдов (см. рис. 1). При этом учитываются: 1) особенности фазовых переходов воды при определенных соотношениях твердой, жидкой и газообразной сред; 2) генетическое единство и физическая сущность процессов тонкослойного намораживания воды на твердом основании и стаивания льда; 3) местоположение материальной субстанции (наледеобразующих вод, наледи) в трехмерном пространстве (системе географических координат). Наледи как предмет исследования удовлетворяют следующим исходным положениям научного познания:1) принципу целостности (связности) — представляют собой нечто, отличное от других типов природных льдов, объединены общностью структурных связей, строения, свойств, форм существования и развития;

принципу повторяемости (воспроизводимости) — обладают способностью сохранять или повторять свои свойства и характеристики во времени и пространстве (при равных условиях формирования я развития);3) принципу наблюдаемости — связаны с факторами, доступными для регистрации органами чувств и приборами.

Теория наледных процессов — это отраслевая физико-географическая дисциплина, изучающая общие закономерности формирования и развития наледей как образуется корка льда толщиной около 1 см (Мазуров, 1975, с. 51).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

наледь теплопоток поверхность среда Запасы руслового льда на реках существенно сказываются на водном режиме рек и влияют на формирование весенних паводков, приводящих к катастрофическим последствиям.

В условиях широкого распространения многолетней мерзлоты и дефицита весенних атмосферных осадков наледный и речной лед вместе со снежным покровом является мощным источником питания рек. Процесс наледного регулирования речного стока должен учитываться при расчетах элементов водного баланса.

Традиционные методы расчета наледных характеристик требуют значительных объемов исходной гидрометеорологической информации. Надежный расчет характеристик речного стока возможен лишь при наличии фактических исходных данных, получаемых в результате долгосрочных режимных наблюдений на всех звеньях гидрографической сети. Для повышения точности оценки ледовых ресурсов в качестве дополнительных аргументов нами учитывалась структура гидрографической сети, что облегчает проведение пространственного анализа распределения ледовых ресурсов. Такой подход к изучению льдозапасов позволяет определить фактические масштабы развития наледных процессов выявить особенности пространственного распределения ледяного покрова.

Полученные выводы и материалы приобретают важное практическое значение при освоении новых регионов, в частности, при оценке наледной опасности на трассах автозимников, на участках проектирования и строительства мостов, ледовых переправ, трубопроводов, при прогнозировании весенних паводков и ледяных заторов, при общей оценке проходимости территории.

1. Наледи и наледные процессы. Редакторы В. Р. Алексеев, Г. В. Бачурин.

2. Толковый словарь. С. И. Ожегова (1975).

ПРИЛОЖЕНИЯ

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Рис. 9