Ледяная шуга представляет собой совокупность рыхлых, хаотично ориентированных кристаллов льда миллиметрового и субмиллиметрового размера, с различными формами, например, эллиптические диски, дендриты, иглы и нерегулярной природы. [1] [2] [3] [4] [5] Ледяная шуга образуется зимой на открытых участках рек, а также в озерах и водохранилищах, где и когда вода находится в турбулентном состоянии , которое, в свою очередь, вызвано действием волн и течений. Турбулентность приводит к переохлаждению водного столба , поскольку теплообмен между воздухом и водой таков, что температура воды падает ниже точки замерзания (порядка нескольких десятых °C или меньше). [3] [5] [6] Вертикальное перемешивание, связанное с этой турбулентностью, обеспечивает достаточно энергии для преодоления плавучести кристаллов, тем самым не давая им всплывать на поверхность. Ледяная шуга также образуется в океанах, где ветреные условия, волновые режимы и холодный воздух также способствуют образованию переохлажденного слоя. [7] [8] Ледяная шуга может быть обнаружена на подветренной стороне проливов и в полыньях . В этих условиях этот лед может в конечном итоге накапливаться на поверхности воды, образуя то, что называется скользким льдом .
Ледяная шуга печально известна тем, что блокирует водозаборы [6] [9] [10], поскольку кристаллы накапливаются и нарастают на мусорной решетке водозабора . Такие засоры негативно влияют на объекты водоснабжения, гидроэлектростанции, атомные электростанции и суда, плавающие в холодных водах, и могут привести к неожиданным остановкам объекта или даже к разрушению мусорной решетки.
Когда поверхность воды начинает быстро терять тепло, вода становится переохлажденной. Турбулентность , вызванная сильным ветром или течением реки, будет перемешивать переохлажденную воду по всей ее глубине. Переохлажденная вода уже будет способствовать образованию мелких кристаллов льда (ледяной шуги), и кристаллы будут унесены на дно водоема. Лед обычно плавает, но из-за небольшого размера ледяной шуги относительно скорости течения он имеет неэффективную плавучесть и может быть очень легко унесен на дно.
В процессе, называемом вторичным зародышеобразованием , кристаллы быстро увеличиваются в количестве, и из-за переохлажденного окружения кристаллы продолжают расти. Иногда концентрация оценивается в один миллион кристаллов льда на кубический метр.
По мере увеличения количества и размера кристаллов ледяная крошка начнет прилипать к предметам в воде, особенно если сами предметы имеют температуру ниже точки замерзания воды. Накопление ледяной крошки часто приводит к затоплению или повреждению предметов, таких как мусорные корзины . Поскольку ледяная крошка находится под поверхностью воды, ее образование трудно обнаружить.
Обычно ледяная шуга скапливается на верхней стороне объектов и прилипает к ним. По мере того, как откладывается больше ледяной шуги, рост будет распространяться вверх по течению и увеличиваться в ширину до точки, где скопления ледяной шуги соединяются вместе и блокируют воду. По мере того, как все больше воды течет против этого блока, давление на верхней стороне увеличивается и вызывает дифференциальное давление (разницу в давлении со стороны вверх по течению и со стороны вниз по течению). Это приведет к тому, что рост моста распространится вниз по течению. Как только это произойдет, вероятны затопления и повреждения, если не предотвратить иным образом.
Также было продемонстрировано, что ледяной покров образуется под умеренными (или «теплыми») ледниками , поскольку вода быстро стекает вниз и переохлаждается из-за быстрой потери давления. Этот процесс «гляциогидравлического переохлаждения» образует открытую сеть пластинчатых ледяных кристаллов, которые могут эффективно улавливать ил из воды, содержащей осадки, которая течет под ледниками и ледяными щитами. Последующее замерзание и перекристаллизация могут привести к образованию слоя богатого осадками льда у основания ледника, который при таянии на конечной точке может привести к значительному накоплению осадка в моренах . Это явление было подтверждено повышенными концентрациями трития — образовавшегося в результате испытаний ядерного оружия и, следовательно, почти полностью отсутствующего во льду, замерзшем до 1945 года — в базальном льду нескольких ледников (что означает молодой лед) и наблюдением за быстрым ростом ледяных кристаллов вокруг отверстий для сброса воды на конечной точке ледника.
Существует несколько способов контроля образования ледяной шуги. Они включают подавление, механический контроль, тепловой контроль, вибрацию, выбор материалов и смягчение ущерба.
Ледяной покров образуется в переохлажденной воде, что происходит из-за того, что поверхностные воды отдают тепло более холодному воздуху выше. Подавление — это идея изоляции поверхностных вод неповрежденным, стабильным ледяным покровом. Ледяной покров предотвратит потерю тепла и согреет переохлажденную воду, которая, возможно, уже образовалась. [11] Для того, чтобы этот метод работал, необходимо покрыть достаточную площадь, но до сих пор неизвестно, что подразумевается под «достаточным». Река Святого Лаврентия явно управляется для создания «условий течения, которые помогают формировать стабильный ледяной покров» для предотвращения ледяного покрова и последующих ледяных заторов . [12]
Эти методы включают стабилизацию замерзания без ограничения потока воды, например, установку водосливов и ледовых бонов, установку водометов для разбивания любых накоплений, которые могут возникнуть, и использование ручного труда для удаления накоплений. Этот последний метод часто не является предпочтительным из-за высоких затрат на рабочую силу, холодных, влажных и ночных условий работы. Обратная промывка — это еще одна технология, которая использует идею нейтрализации перепада давления, вызванного накоплением ледяного льда. Эта технология создает высокое давление на стороне ниже по течению объектов, чтобы обратить перепад давления. [ необходима цитата ]
Эти методы либо нагревают конструкции в воде, чтобы предотвратить прилипание ледяной шуги, либо нагревают воду, чтобы предотвратить образование ледяной шуги в первую очередь. При нагревании конструкции ее необходимо нагреть до температуры выше нуля. Было обнаружено, что электрические нагреватели сопротивления работают хорошо, но у них есть потенциальные проблемы с безопасностью. Установка полых труб в конструкциях, через которые прокачивается пар или теплая вода, также работает, но этот метод был признан неэкономичным в эксплуатации. [13] Также доступны другие активные методы. Некоторые промышленные процессы, например, производство электроэнергии, потребляют воду для охлаждения установок. Нагретые побочные продукты воды, полученные таким образом, в противном случае сбрасываемые как отходы, могут быть сброшены в местах потенциального накопления ледяной шуги, повышая температуру воды на 0,1–0,2 °C (0,18–0,36 °F), что часто достаточно для предотвращения образования переохлажденной воды. В качестве альтернативы сточные воды могут быть рециркулированы для непосредственного нагрева поверхностей, склонных к накоплению ледяной шуги. Оба эти метода повторного использования теплой воды требуют точного расчета объемов, расхода и размещения, а также относительной температуры воды, чтобы быть надежными. [13]
Хотя взрывы с динамитом все еще находятся на экспериментальной стадии, это одна из форм вибрационного контроля, которая разрушит любые скопления ледяного шлака. Заряд должен быть точным, чтобы лед разбился, но окружающие конструкции и окружающая среда не пострадали. Безопасность взрывов также важна, и местные жители могут жаловаться на шумовое загрязнение. По всем этим причинам этот метод используется нечасто, за исключением крайней крайней необходимости. [ необходима цитата ]
Искусственные сооружения часто являются объектами, к которым прилипает ледяная шуга. Таким образом, выбор материалов для этих сооружений должен включать рассмотрение адгезии льда . Стальные конструкции, например , ржавеют , а адгезия ржавчины ко льду очень сильная. Выбор материала с более низкой адгезией, такого как пластик , стекловолокно , графит или даже эпоксидное покрытие стали, снизит вероятность адгезии. Хотя адгезия все равно будет иметь место, использование таких материалов упрощает другие методы, такие как сгребание. [ необходима цитата ]
Ущерб можно сократить, защитив определенные районы затопления механическими сооружениями.
