Какое свойство льда используют полярники. К вопросу о жизни на дрейфующей станции. Продолжаем рассуждать, как живется полярникам на суровом Севере. Проводим опыт над силой расширения воды

Все знают, что лёд - это замёрзшая вода, правильнее сказать, пребывающая в твёрдом агрегатном состоянии. Но почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности?

Вода - необычное вещество, обладающее редкими, даже аномальными свойствами. В природе большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Например, ртуть в градуснике поднимается по узкой трубке и показывает повышение температуры. Поскольку ртуть замерзает при -39 ºС, она не годится для термометров, используемых в суровых температурных условиях.

Вода также расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако в диапазоне охлаждения от примерно +4 ºС до 0 ºС она расширяется. Вот почему зимой могут лопнуть водопроводные трубы, если вода в них замёрзла и образовались большие массы льда. Давления льда на стенки трубы бывает достаточно для их разрыва.

Расширение воды

Так как вода расширяется при охлаждении, плотность льда (т. е. её твёрдой формы) меньше, чем у воды в жидком состоянии. Другими словами, данный объём льда весит меньше, чем тот же объём воды. Сказанное отражает формула m = ρV, где V - объём тела, m - масса тела, ρ - плотность вещества. Между плотностью и объёмом существует обратно пропорциональная зависимость (V = m/ρ), т. е. при увеличении объёма (при охлаждении воды) одна и та же масса будет иметь меньшую плотность. Данное свойство воды приводит к формированию льда на поверхности водоёмов - прудов и озёр.

Предположим, что плотность воды равна 1. Тогда лёд будет иметь плотность равную 0,91. Благодаря этой цифре мы можем узнать толщину льдины, которая плывет по воде. Например, если льдина имеет высоту над водой 2 см, то можно сделать вывод, что её подводный слой в 9 раз толще (т. е. 18 см), а толщина всей льдины - 20 см.

В районе Северного и Южного полюсов Земли вода замерзает и образует айсберги. Некоторые из этих плавающих ледяных гор имеют огромные размеры. Самым крупным из известных человеку считается айсберг с площадью поверхности 31 000 кв. километров, который был обнаружен в 1956 году в Тихом океане.

Каким образом вода в твёрдом состоянии увеличивает свой объём? За счёт изменения своей структуры. Ученые доказали, что лёд имеет ажурное строение с полостями и пустотами, которые при плавлении заполняются молекулами воды.

Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.

Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже 0 ºС, и тем не менее она не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около 100 атмосфер.

Сравнение плотности воды и льда

Может ли плотность воды быть меньше плотности льда и означает ли это, что он утонет в ней? Ответ на данный вопрос утвердительный, что легко доказать следующим экспериментом.

Возьмём из морозильной камеры, где температура равна -5 ºС, кусок льда величиной в треть стакана или немного больше. Опустим его в ведро с водой температурой +20 ºС. Что мы наблюдаем? Лёд быстро погружается и тонет, постепенно начиная таять. Это происходит потому, что вода температурой +20 ºС имеет меньшую плотность по сравнению со льдом температурой -5 ºС.

Существуют модификации льда (при высоких температурах и давлениях), которые ввиду большей плотности будут в воде тонуть. Речь идёт о так называемом «тяжёлом» льде - дейтериевом и тритиевом (насыщенном тяжёлым и сверхтяжёлым водородом). Несмотря на наличие таких же пустот, как в протиевом льде, он утонет в воде. В противовес «тяжёлому» льду, протиевый лишён тяжёлых изотопов водорода и содержит 16 миллиграммов кальция на литр жидкости. Процесс его приготовления предполагает очищение от вредных примесей на 80%, благодаря чему протиевая вода считается наиболее оптимальной для жизнедеятельности человека.

Значение в природе

Тот факт, что лёд плавает на поверхности водоёмов, играет важную роль в природе. Если бы вода не обладала данным свойством и лёд погружался на дно, это привело бы к промерзанию всего водоёма и, как следствие, гибели населяющих его живых организмов.

Когда наступает похолодание, сначала при температуре выше +4 ºС более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз, а тёплая (более лёгкая), поднимается вверх. Этот процесс называется вертикальная циркуляция (перемешивание) воды. Когда же во всём водоёме устанавливается +4 ºС, этот процесс приостанавливается, так как с поверхности вода уже при +3 ºС становится легче той, что находится ниже. Происходит расширение воды (её объём увеличивается приблизительно на 10 %) и уменьшение её плотности. Как следствие того, что более холодный слой оказывается сверху, на поверхности происходит замерзание воды и появление ледяного покрова. Вследствие своей кристаллической структуры лёд обладает плохой теплопроводностью, т. е. сдерживает тепло. Слой льда выступает своеобразным теплоизолятором. И вода, находящаяся подо льдом, сохраняет своё тепло. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда, передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается. Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности его обитателей.

Таким образом, +4 ºС - температура максимальной плотности воды - это и есть температура выживания в водоёме живых организмов.

Применение в быту

Выше упоминалось о возможности разрыва водопроводных труб при замерзании воды. Во избежание повреждения водопровода при низких температурах нельзя допускать перерывов в подаче тёплой воды, которая идёт по трубам отопления. Аналогичной опасности подвергается автотранспортное средство, если в морозы оставлять воду в радиаторе.

А теперь поговорим о приятной стороне уникальных свойств воды. Катание на коньках - большое удовольствие для детей и взрослых. А задумывались ли вы, почему лёд такой скользкий? Например, стекло тоже скользкое, к тому же глаже и привлекательнее льда. Но по нему коньки не скользят. Лишь лёд обладает таким специфическим восхитительным свойством.

Дело в том, что под тяжестью нашего веса происходит давление на тонкое лезвие конька, что, в свою очередь, вызывает давление на лёд и его таяние. При этом образуется тонкая плёнка воды, о которую и скользит стальное лезвие конька.

Различие в замерзании воска и воды

Как показывают опыты, поверхность ледяного кубика образует некую выпуклость. Это происходит из-за того, что застывание в его середине происходит в последнюю очередь. А расширяясь во время перехода в твёрдое состояние, эта выпуклость ещё больше поднимается. Противопоставить этому можно застывание воска, который, наоборот, образует углубление. Это объясняется тем, что воск после перехода в твёрдое состояние сжимается. Жидкости, которые равномерно сжимаются при промерзании, образуют несколько вогнутую поверхность.

Для замерзания воды недостаточно охладить её до точки замерзания в 0 ºС, необходимо эту температуру поддерживать за счет постоянного охлаждения.

Вода с примесью соли

Добавление поваренной соли к воде снижает точку её замерзания. Именно по этой причине зимой дороги посыпают солью. Солёная вода замерзает при температуре -8 °С и ниже, поэтому пока температура не упадёт как минимум до этой точки, замерзания не происходит.

Льдосоляная смесь порой применяется в качестве «охлаждающей смеси» для низкотемпературных опытов. Когда лёд тает, он поглощает скрытое тепло, требуемое для превращения, из окружающей его среды, тем самым охлаждая её. При этом поглощается столько тепла, что температура может упасть ниже -15 °С.

Универсальный растворитель

Чистая вода (молекулярная формула H 2 0) не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Молекула воды состоит из водорода и кислорода. При попадании в воду других веществ (растворимых и нерастворимых в воде) происходит её загрязнение, поэтому в природе нет абсолютно чистой воды. Все вещества, которые встречаются в природе, в разной степени могут растворяться в воде. Это определяется их уникальными свойствами - растворимостью в воде. Поэтому вода считается «универсальным растворителем».

Гарант стабильной температуры воздуха

Вода медленно нагревается благодаря высокой теплоёмкости, но, тем не менее, процесс остывания происходит намного медленнее. Это даёт возможность в летнее время года накапливать тепло океанам и морям. Высвобождение тепла происходит в зимний период, благодаря чему нет резкого перепада температуры воздуха на территории нашей планеты на протяжении всего года. Океаны и моря – это оригинальный и природный аккумулятор тепла на территории Земли.

Поверхностное натяжение

Вывод

Тот факт, что лёд не тонет, а плавает на поверхности, объясняется его меньшей плотностью по сравнению с водой (удельная плотность воды 1000 кг/м³, льда - около 917 кг/м³). Данный тезис справедлив не только в отношении льда, но и любого другого физического тела. Например, плотность бумажного кораблика или осеннего листка намного ниже плотности воды, что и обеспечивает их плавучесть.

Тем не менее, свойство воды иметь в твёрдом состоянии меньшую плотность является большой редкостью в природе, исключением из общего правила. Аналогичными свойствами обладают лишь металл и чугун (сплав металла железа и неметалла углерода).

Маленькие дети очень часто задают интересные вопросы взрослым, а те не всегда могут ответить на них сразу. Чтобы не казаться ребенку глупым, рекомендуем ознакомиться с полноценным и развернутым, обоснованным ответом касательно плавучести льда. Ведь плавает, а не тонет. Почему же так происходит?

Как объяснить ребенку сложные физические процессы?

Первое, что приходит на ум, так что плотность. Да, на самом деле, лёд плавает потому, что он менее плотный, чем . Но как объяснить ребенку, что такое плотность? Рассказывать ему школьную программу никто не обязан, а вот свести все к тому, что , вполне реально. Ведь по факту один и то же объем воды и льда обладает разным весом. Если изучать проблему более подробно, то можно озвучить еще несколько причин, кроме плотности.
не только потому, что его уменьшенная плотность не дает ему опускаться ниже. Причина еще и в том, что в толще льда заморожены небольшие пузырьки воздуха. Они также уменьшают плотность, а потому в общем получается, что вес пластины из льда становится еще меньше. Когда лед расширяется, он не захватывает больше воздуха, но зато все те пузырьки, которые уже оказались внутри этого пласта, оказываются там до тех пор, пока лед не начнет таять или сублимироваться.

Проводим опыт над силой расширения воды

Но как доказать, что лёд на самом деле расширяется? Ведь вода тоже может расширяться, как же доказать это в искусственных условиях? Можно провести интересный и очень простой опыт. Для этого понадобится пластиковый или картонный стаканчик и вода. Ее количество необязательно должно быть большим, заполнять стаканчик до краев не потребуется. Также в идеале нужна температура около -8 градусов или ниже. Если температура будет слишком высокой, опыт продлится неоправданно долго.
Итак, вода залита внутрь, надо ждать, когда образуется лёд. Поскольку мы выбрали оптимальную температуру, при которой небольшой объем жидкости обратится в лёд в течение двух-трех часов, можно спокойно идти домой и ждать. Ждать нужно до тех пор, пока вся вода не обратится в лед. Спустя некоторое время смотрим на результат. Деформированный или разорванный льдом стаканчик гарантирован. При более низкой температуре последствия выглядят более эффектно, да и сам эксперимент занимает меньше времени.

Негативные последствия

Получается простой опыт подтверждает, что в ледяные глыбы и правда расширяются при уменьшении температуры, а объем воды легко увеличивается при замерзании. Как правило, эта особенность несет немало проблем забывчивым людям: бутылка шампанского, оставленная на балконе под Новый год на большой срок, разрывается из-за воздействия льда. Поскольку сила расширения очень большая, повлиять на нее никак нельзя. Ну а что касается плавучести ледяных глыб, то здесь можно ничего не доказывать. Самые любопытные могут легко провести подобный опыт весной или осенью самостоятельно, пытаясь утопить в большой луже кусочки льда.

Тема: Северный ледовитый океан .

Цель урока: Сформировать понятие о Северном ледовитом океане как природное сообщества.

Образовательные: Формирование знаний о природе СЛО: Познакомиться с обитателями СЛО, уметь объяснять особенности приспособления живых организмов к обитанию в СЛО.

Развивающие: Развивать умения работать с информацией (обрабатывать её различными способами, критически относится к информации), развивать речь, память. Определять тему и цели урока; получать информацию из разных источников;

​ анализировать прочитанный текст.

Воспитательные: воспитывать любознательность, интерес к предмету, расширять кругозор учащихся, развивать желание познавать новое, слушать ответы товарищей; слушать и воспринимать речь учителя.

Оборудование: электронная презентация, учебник, карта природных зон России, словарик.

Ход урока

I . Организационный момент.

Здравствуйте ребята. У нас на уроке гости. Поприветствуем их.

Окружающий нас мир

Интересно познавать

Его тайны и загадки

Вы готовы разгадать?

Проверка домашнего задания.

2. Актуализация знаний

Отгадайте загадки:

Состоит он из морей.
Ну, давай, ответь скорей.
Это – не воды стакан,
А, огромный … океан

На земной поверхности существует много различных водоёмов. Как вы думаете, какой водоём самый большой? (океан)

Чтение в словаре о том, что такое океан.

(Океан - часть Мирового океана, находящаяся между материками)

Сколько океанов на Земле? (4) Работа с картой мира.

Какой самый большой? А какой маленький?

Какой глубокий? Какой не очень глубокий?

Какой самый теплый океан? А какой самый холодный?

А есть ли жизнь в океане?

А в холодном?

Сегодня мы заглянем в этот холодный океан.

2. Работа по теме урока.

Как вы думаете в каких климатических условиях расположен СЛО?

Да, там очень холодно. Как растительный так и животный мир, все должны быть приспособлены к суровым условиям обитания.

Если долго-долго идти на Север, никуда не поворачивая и не отклоняясь, то мы попадем на Северный полюс. Издавна эту область Земли называют Арктикой - от греческого слова arkticos - северный, так древние греки называли расположенное в северной части неба созвездие Большой Медведицы

Сегодня на уроке у нас очередное заседание клуба «Мы и окружающий мир». Его мы посвящаем изучению СЛО. Разделимся на 4 группы: географы, биологи, зоологи и экологи. Заседание нашего клуба пройдет по плану: (на доске)

Местоположение СЛО и особенности неживой природы (группа географов).

Растения СЛО (группа биологов).

Животные СЛО (группа зоологов).

Арктика и человек (группа экологов).

Даем слово группе географов .

Местоположение и особенности неживой природы

Северный Ледовитый океан – самый холодный океан в мире. Большая часть поверхности океана и его островов в течение всего года покрыта многолетними льдами толщиной до 5 метров. Лишь кое-где на островах льда нет, но и здесь земля промерзает на много метров в глубину. Почва на таких островах не образуется.

Природа СЛО очень сурова. Зимой там ПОЛЯРНАЯ НОЧЬ. С середины октября и до февраля солнца совсем не видно. Дуют сильные ветры, неделями метет пурга, температура воздуха нередко понижается до - 60◦С. Полярной ночью здесь можно наблюдать одно из удивительных явлений природы – СЕВЕРНОЕ СИЯНИЕ. Очевидцы говорят, что полярное сияние похоже на причудливый занавес, который колышется в темном небе. Занавес разделен на светящиеся разноцветные полосы, сияющие чистыми цветами радуги.

Летом в СЛО ПОЛЯРНЫЙ ДЕНЬ. В течение нескольких месяцев круглые сутки светло. Но солнце поднимается невысоко над горизонтом, и температура редко бывает выше 3-4◦С. Поэтому даже за долгий полярный день вековые льды не успевают растаять.

Физминутка .

Три медведя шли домой.

Папа был большой-большой.

Мама чуть поменьше ростом.

Ну, а сын – малютка просто.

Очень маленький он был,

С погремушками ходил.

Дадим слово группе биологов.

Растения

Суровые природные условия переносят только стойкие и неприхотливые растения. Большие площади заняты каменными россыпями. Почвы почти нет. В летнее время снег местами тает, и камни обнажаются. На них - то и растут ЛИШАЙНИКИ, похожие на серую накипь . Лишайники – удивительные организмы. Основную массу лишайника составляют тончайшие белые или бесцветные трубочки. Это грибные нити. Из таких трубочек состоит всякое грибное тело. А между грибными трубочками находятся изумрудные шарики. Это малютки – водоросли. ЯГЕЛЬ – как и все лишайники, состоит из двух организмов – гриба и водоросли, соединенных в одно целое. Во влажном состоянии ягель мягкий, упругий. Но после высыхания становится хрупким, легко крошится. Мельчайшие его крошки легко переносятся ветром и способны укорениться. Именно таким образом ягель в основном и размножается. Ягель – основная пища северных оленей. Олени безошибочно находят его по запаху даже зимой под снегом.

В южных районах океана можно встретить кое–где ПОЛЯРНЫЙ МАК, стелющиеся ПОЛЯРНЫЕ ИВЫ. Их легко можно принять за травянистые растения, ведь высотой они всего 5-10 сантиметров.

Дадим слово группе зоологов.

Животные

Моржам и тюленям не дает замерзнуть толстый слой подкожного жира. МОРЖИ - близкие родственники тюленей, большие и сильные, и мало кто решается нападать на них. У них два длинных клыка, которые они используют в боях и чтобы выбираться из воды на лед для отдыха. У моржей крепкие губы, позволяющие высасывать съедобных моллюсков из раковин. Морж может съесть 3000 моллюсков за день.

У БЕЛОГО МЕДВЕДЯ густой мех хорошо сохраняет тепло. Сутками бродит великан Арктики по снежной пустыне в поисках добычи. Он часами может лежать возле лунки во льду, выжидая, когда вынырнет за порцией воздуха тюлень. Полярные (белые) медведи - самые крупные и сильные животные СЛО, на них никто не нападает. В середине зимы в заснеженных берлогах у них рождаются детеныши. Мать кормит их своим молоком, а сама ничего не ест, пока не потеплеет настолько, что она может выйти на охоту. Белые медведи имеют великолепный нюх и могут очень быстро бегать по льду, преследуя жертву. Они хорошо плавают и ныряют. Летом они питаются травой, лишайниками, черникой и леммингами.

На скалистых берегах - птичьи базары. Здесь гнездится множество морских птиц: топорики, кайры, тупики, различные виды чаек. По побережью живут гуси и утки. Среди них наиболее известны гаги, имеющие мягкий теплый пух. Некоторые животные могут жить круглый год в СЛО. Другие животные навещают эти места только летом, когда лед тает, и море очищается ото льда. Растения, которые вырастают летом, - основной источник питания многих животных.

Какие у них приспособления к данным условиям обитания?

Давайте один из видов животных возьмем и перенесем к нам.

Например: Белый медведь, сможет ли жит в наших условиях?

Почему нет?

Работа с книгой

- Ребята, послушайте. Я сейчас задам вам вопросы, а вы должны ответить.

Посмотрим кто из вас самый внимательный и активный.

Каких полярников запомнили?

Что раньше думали полярники?

Что нового узнали?

Что в «Макушке» Земли?

В наши дни с помощью какого аппарата изучают океан?

Слово нашим экологам.

СЛО и человек .

Постоянных поселений людей в СЛО нет. Однако люди здесь живут. Через северный Ледовитый океан пролегает самый короткий путь из Атлантического океана в Тихий. Поэтому по Северному морскому пути регулярно движутся караваны торговых судов, путь которым сквозь льды прокладывают мощные ледоколы.

На островах и во льдах Северного Ледовитого океана много научных станций. Здесь полярники наблюдают за погодой, изучают, куда дрейфуют льдины в океане, исследуют природу Севера. Собранные ими данные помогают прокладывать путь во льдах, а метеорологам – составлять прогноз погоды.

В морях СЛО люди занимаются рыболовством и охотой. К сожалению, из-за того, что человек все больше и больше осваивает СЛО, оказалась в опасности ее природа. Стали редкими такие животные, как белый медведь, морж, гренландский кит, белый гусь, овцебык.

Для охраны этих редких животных на полуострове Таймыр и на острове Врангеля созданы заповедники.

Исходя из растительного и животного мира, чем может заниматься люди?

Несмотря на холод СЛО нам нужен.

Словарная работа

Что такое заповедник?

Откройте словарь и найдите, что такое заповедник?

Физминутка .

Движения под песню про пингвинов

4. Закрепление пройденного.

а) фронтальный опрос:

Сравни природные условия своей местности с природными условиями Арктики.

Какие растения и животные характерны для арктической зоны?

Почему люди с давних пор осваивают Арктику?

Какие меры принимают люди, защищая природу северного края?

Почему среди животных Арктики преобладают те, которых кормит море?

б) цепи питания:

Водоросли – рачки – рыбы – птицы

Водоросли – рачки – рыбы – тюлени

Рыбы – тюлени – белые медведи

в) Заполните таблицу сегодняшней экспедиции (взаимопроверка в парах)

Арктика – царство снега и льда

Географическое положение

Северный Ледовитый океан, северные моря, острова

Освещенность

Полярный день и полярная ночь, Северное сияние

Растительный и животный мир

Лишайники, мхи, полярный мак, брусника, морошка, рачки, рыбы, гагарки, белый медведь, морж, тюлень

Деятельность человека

Научные станции, Северный морской путь, рыбный промысел, охота

г) разгадать кроссворд: (на доске)

Решение кроссворда "СЛО".

Если правильно отгадаешь кроссворд, то по центру прочитаешь слово.

Вопросы.

1. Эти птицы собираются летом на скалистых берегах в шумные "птичьи базары", очень любят полакомиться рыбой.

2. Близкий родственник тюленя.

3. Птицы, которые откладывают яйца прямо на голые уступы скал.

4. На них очень любит поохотиться белый медведь.

5. Самое распространенное растение полярных районов.

6. Самый крупный обитатель морей и океанов.

7. Маленькие жители морей, которыми питаются рыбы.

Ответы. 1. Чайка. 2. Морж. 3. Кайры. 4. Тюлень. 5. Лишайники. 6. Кит. 7. Рачки.

Чему же мы с вами учились на уроке? (Работать с текстом; работать в парах, находить нужную информацию)

Что вы узнали?

5.Домашнее задание. Подготовить рассказ об обитателях СЛО.

Обывателю, как правило, совершенно непонятно, что делают эти
люди там, «у Земли на макушке», в условиях экстремальных морозов, полярной ночи,
на льдине, которая может в любой момент расколоться, и без привычного комфорта
современной цивилизации. Когда я обратился с просьбой рассказать о научных
исследованиях на льдине к заместителю начальника СП-36 по науке Владимиру
Чуруну, он задумчиво сказал в ответ: «Вы знаете, я бы тоже не отказался узнать
об этом!»

Существует множество способов изучения Арктики. Автоматические научные комплексы — метеорологические и океанографические станции, масс-балансовые буи, которые вмораживаются в лед и позволяют определять нарастание или изменение массы ледяного покрова (кстати, такой буй работает на СП-37), — значительно облегчают сбор данных, но имеют свои ограничения. Конечно, заманчиво было бы сидеть в офисе, пока данные поступают через спутниковую связь от системы, к примеру, автоматических гидрологических станций — якорных или дрейфующих буев. Но за год обычно теряется более 50% таких (весьма недешевых) буев — в этом регионе условия работы достаточно тяжелы даже для специально рассчитанной на это техники в связи с динамикой ледяных полей (торошением, сжатием).

Еще один способ получения научных данных — дистанционное зондирование Земли. Научные спутники (к сожалению, не российские) позволяют получать информацию о ледовой обстановке в видимом, ИК-, радиолокационном и микроволновом диапазонах. Эти данные в основном используются в прикладных целях: для проводки судов, для поиска подходящих для дрейфующих станций льдин; на самих дрейфующих станциях они помогают в работе - например, на СП-36 их использовали для обнаружения площадки, пригодной для построения взлетно-посадочной полосы. Однако спутниковую информацию необходимо проверять, сопоставляя ее с реальными наблюдениями — непосредственно измеренной толщиной льда, его возрастом (прямо измерить эти данные со спутника пока невозможно).

Научные станции (уже обитаемые) можно также размещать методом вмораживания судов в лед (этот способ был опробован еще Фритьофом Нансеном). Время от времени такие проекты осуществляются, в качестве примера можно привести французскую яхту «Тара» или американско-канадский проект SHEBA с участием судна, дрейфовавшего в море Бофорта. Подобный проект рассматривался и в отношении атомного ледокола «Арктика», но в конце концов от него по различным причинам отказались. Однако вмороженные суда обеспечивают лишь хорошую базу для жизнедеятельности научного персонала и энергоснабжение научного комплекса. Для сбора научных данных людям все равно придется сходить на лед, чтобы исключить постороннее влияние. К тому же вмораживание судов обходится недешево (и отвлекает суда от их основной работы).


«На мой взгляд, дрейфующий лед— это естественная несущая платформа, наиболее оптимальная как для размещения научного комплекса, так и для проживания людей, - говорит Владимир Чурун. — Она позволяет дрейфовать в течение длительного времени и получать чистые научные данные без какого-либо влияния извне. Конечно, люди на льдине лишены некоторого комфорта, но с этим во имя науки приходится мириться. Разумеется, получение научных данных должно осуществляться в комплексе, с использованием всех доступных средств — и дрейфующих станций, и воздушных экспедиций, и спутникового наблюдения, и автоматических буев, и научно-экспедиционных судов».

«Научная программа СП-36 была достаточно обширна и успешна, — объясняет «Популярной механике» Владимир Чурун. — Она включала в себя метеорологические, аэрологические и гидрологические наблюдения, а также исследования свойств льда и снежного покрова. А вот исследования, связанные с ионосферой и магнитным полем Земли, которым в советское время на дрейфующих станциях уделялось немалое внимание, ныне переданы на стационарные полярные станции на материке и на островах».

Воздух

Начало работы станции знаменуется вовсе не торжественным моментом подъема российского флага над кают-компанией. Официально дрейфующая станция начинает свою работу с момента передачи первой метеосводки в ААНИИ, а оттуда — в глобальную метеорологическую сеть. Поскольку, как известно, «Арктика — кухня погоды», эти данные обеспечивают метеорологов чрезвычайно ценной информацией. Изучение барических (давление, скорость и направление ветра на различных высотах) и температурных профилей атмосферы с помощью зондов до высоты 30 км используется не только для предсказания погоды — эти данные в дальнейшем могут использоваться как для фундаментальных научных целей, таких как уточнение моделей физики атмосферы, так и для прикладных— например, обеспечения полетов самолетов. За все эти данные ответственны метеорологи и аэрологи.

Работа метеоролога может показаться простой — это снятие метеоданных и их отсылка в Росгидромет. Для этого на 10-метровой метеомачте расположен набор датчиков, измеряющих скорость и направление ветра, температуру и влажность, видимость и давление. Вся информация, в том числе от выносных датчиков (температуры снега и льда, интенсивности солнечной радиации), стекается на метеостанцию. Хотя данные снимаются со станции дистанционно, проводить измерения без выхода на метеоплощадку получается далеко не всегда. «Чашки анемометров и радиационная защита метеобудки, где расположены датчики температуры и влажности воздуха, обмерзают, их приходится очищать от изморози (для доступа к верхней части мачты последняя сделана ‘ломающейся’), - поясняет инженер-метеоролог СП-36 Илья Бобков.- А в период таяния растяжки постоянно приходится крепить, чтобы мачта была устойчивой. Кроме того, станция не рассчитана на работу в условиях столь суровых морозов, ниже - 40°C, поэтому мы вмонтировали туда подогрев - обычную 40-ваттную лампу накаливания. Конечно, есть станции, рассчитанные на столь низкие температуры, но они менее точные».

Выше 10 м — область работы аэрологов. «Мы изучаем верхние слои атмосферы с помощью аэрологических зондов, - объясняет ведущий инженер-аэролог СП-36 Сергей Овчинников. - Зонд — это коробочка массой 140 г, ее прикрепляют к аэростату — шару объемом около 1,5 м 3 , наполненному водородом, который получают химическим способом в газогенераторе высокого давления — из порошка ферросилициума, едкого натра и воды. В зонд встроены GPS-приемник, телеметрический передатчик, а также датчики температуры, давления и влажности. Каждые две секунды зонд передает информацию вместе со своими координатами на наземную приемную станцию». Координаты зонда позволяют рассчитать его перемещение, скорость и направление ветра на различных высотах (высота определяется барометрическим способом). Электроника зонда питается от водозаливной батареи, которую предварительно выдерживают в воде несколько минут (подобными источниками питания оснащаются спасательные жилеты с аварийными маяками).

«Зонды запускаются каждый день в 0 и в 12 часов по Гринвичу, если позволяют погодные условия, при сильном ветре зонд просто «прибивает» к земле. За неполный год состоялось 640 выпусков, - говорит Сергей Овчинников.- Средняя высота подъема составила 28770 м, максимальная — 32400 м. Скорость подъема зонда — около 300 м в минуту, так что предельной высоты он достигает приблизительно за час-полтора, шар по мере подъема раздувается, а потом лопается, и зонд падает на землю. Правда, найти его практически невозможно, так что прибор одноразовый, хоть и дорогой».

Вода

«Основной упор в нашей работе делается на измерение параметров течений, а также температуры, электропроводности, плотности воды, - говорит океанолог СП-36 Сергей Кузьмин.- За последние годы парк приборов значительно обновился, и теперь мы можем получать результаты с высокой точностью, соответствующей мировому уровню. Сейчас мы используем приборы-профилографы, которые позволяют измерять скорость течения с помощью поперечного эффекта Доплера в нескольких слоях.

В основном исследовали атлантические течения, верхняя граница которых находится на глубине 180-220 м, а ядро — 270-400 м». Кроме изучения течений было предусмотрено ежедневное изучение толщи воды с помощью зонда, измерявшего электропроводность и температуру, каждые шесть дней проводились исследования на глубине до 1000 м, чтобы «захватить» атлантические воды, а раз в неделю зонд опускался на всю максимальную длину троса — 3400 м, чтобы изучить глубоководные слои. «В некоторых районах,- объясняет Сергей Кузьмин, - в глубоких слоях можно наблюдать геотермальный эффект».

В задачу океанологов на СП-36 входил также и сбор проб для последующего анализа гидрохимиками. «Три раза за время зимовки — весной, летом и осенью — мы отбирали керн льда, который затем растапливали при комнатной температуре, полученную воду пропускали через фильтр, затем снова замораживали, - говорит Сергей. - И фильтр, и лед специальным образом упаковывали для последующего анализа. Точно так же отбирали пробы снега и подледную воду. Брали и пробы воздуха — с помощью аспиратора, который прокачивал воздух через несколько фильтров, задерживавших мельчайшие частицы. Ранее таким образом удалось, например, обнаружить пыльцу некоторых видов растений, которая долетает в приполюсные районы из Канады и российской тайги».

Для чего изучают течения? «Путем сравнения с данными, накопленными за предыдущие годы, можно выяснить климатические тенденции, - отвечает Сергей. - Такой анализ позволит понять, например, поведение льдов в Северном Ледовитом океане, что чрезвычайно важно не только в фундаментальном отношении, но и в чисто прикладном — например, при освоении природных ресурсов Арктики».

Снег

Программа специальных метеорологических исследований включала несколько разделов. Исследовалась структура снежно-ледяного покрова, его теплофизические и радиационные свойства — то есть то, как он отражает и поглощает солнечную радиацию. «Дело в том, что у снега высокая отражающая способность, и по этой характеристике, например на спутниковых снимках, он очень напоминает облачный слой, - поясняет метеоролог Сергей Шутилин. - Особенно зимой, когда температура и там и там составляет несколько десятков градусов ниже нуля. Я изучал теплофизические свойства снега в зависимости от температуры, ветра, облачности и солнечной радиации». Измерялось также и проникновение солнечной радиации (разумеется, во время полярного дня) сквозь снег и лед на различные глубины (в том числе и в воду). Изучались также морфология снега и его теплофизические свойства — температура на различных глубинах, плотность, пористость, фракционный состав кристаллов в различных слоях. Эти данные совместно с радиационными характеристиками помогут уточнить описание снежно-ледяного покрова в моделях различного уровня — как в глобальных климатических, так и в региональных.

Во время полярного дня проводили измерения доходящего до поверхности Земли ультрафиолета, а в полярную ночь с помощью газоанализаторов изучали концентрации углекислого газа, приземного озона и метана, выбросы которого в Арктике связаны, по-видимому, с геологическими процессами. С помощью специального газоанализатора удалось также получить, по словам Сергея Шутилина, уникальные данные о потоках углекислого газа и водяного пара через поверхность снега и льда: «Ранее существовала модель, согласно которой талые воды с побережья попадали в океан, океан покрывался льдом, и под ним шли анаэробные процессы. А после того, как поверхность освобождалась от льда, в атмосферу шел поток углекислого газа. Мы обнаружили, что поток идет в обратную сторону: когда льда нет, то в океан, а когда есть — в атмосферу! Впрочем, это может зависеть и от района — например, измерения на СП-35, которая дрейфовала ближе к югу и к шельфовым морям в восточном полушарии, согласуются с приведенной гипотезой. Так что нужны дополнительные исследования».

Ко льду сейчас привлечено самое пристальное внимание, ведь он - наглядный индикатор происходящих в Арктике процессов. Поэтому его изучение чрезвычайно важно. В первую очередь это оценка массового баланса льда. Летом он тает, зимой нарастает, поэтому регулярные измерения его толщины по мерным рейкам на выделенном полигоне дают возможность оценивать скорость таяния или нарастания льдины, и эти данные затем можно использовать для уточнения различных моделей образования многолетнего льда. «На СП-36 полигон занимал площадку 80х100 м, и с октября по май на нем наросло 8400 т льда, - говорит Владимир Чурун. - Можете себе представить, сколько льда наросло на всю льдину размером 5х6 км!»

«Мы также взяли несколько кернов молодого и старого льда, которые будут исследовать в ААНИИ, — химический состав, механические свойства, морфология, - рассказывает ледоисследователь СП-36 Никита Кузнецов. - Эта информация может быть использована при уточнении различных климатических моделей, а также, например, в инженерных целях, в том числе и для строительства ледоколов».

Кроме того, на СП-36 проводились исследования процессов прохождения различных волн в морском льду: волн, образующихся при соударениях льдин, а также переходящих из морской среды в лед. Эти данные регистрируются с помощью высокочувствительных сейсмометров и используются в дальнейшем для прикладных моделей взаимодействия льда с твердыми телами. По словам ведущего инженера-ледоисследователя СП-36 Леонида Панова, это дает возможность оценить нагрузки на различные инженерные сооружения — суда, буровые платформы и т. д. — сточки зрения ледовой стойкости: «Зная особенности взаимодействия льда с волнами, можно рассчитать прочностные свойства льда, а значит, предсказать, где именно он сломается. Такие методы позволят дистанционно обнаруживать прохождение трещин и торошение в опасных областях — например, поблизости от нефте- и газопроводов».

Не курорт

Когда я спросил Владимира, как ощущаются глобальные изменения климата (а именно — глобальное потепление) во время работы на дрейфующей станции, он в ответ лишь улыбнулся: «Разумеется, площадь льдов и их толщина в Арктике сократились — это вполне зарегистрированный научный факт. Но на дрейфующей станции, в локальном пространстве льдины глобальное потепление совершенно не ощущается. В частности, во время этой зимовки мы зафиксировали минимум температуры за последние десять лет (- 47,3°С). Ветер был не очень сильный — максимальные порывы составляли 19,4 м/с. Но в целом зима с февраля по апрель была очень холодной. Так что, несмотря на глобальное потепление, Арктика не стала ни теплее, ни уютнее, ни комфортнее. Здесь все так же холодно, все так же дуют холодные ветры, все такие же льды вокруг. И надеяться на то, что Чукотка вскоре станет курортом, пока не приходится».

Дмитрий Мамонтов.