Фразовый лед представляет собой совокупность рыхлых, хаотично ориентированных кристаллов льда размером до миллиметра и субмиллиметра, различной формы, например эллиптических дисков, дендритов, иголок и неправильной формы. [1] [2] [3] [4] [5] Наледь образуется зимой на открытых участках рек, а также в озерах и водохранилищах, где и когда вода находится в турбулентном состоянии , то есть, в свою очередь, индуцируется действием волн и течений. Турбулентность приводит к переохлаждению столба воды , 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, чтобы преодолеть плавучесть кристаллов, тем самым удерживая их от плавания на поверхности. Ветреный лед также образуется в океанах, где ветреные условия, волновой режим и холодный воздух также способствуют образованию переохлажденного слоя. [7] [8] Ледяной налет можно найти на подветренной стороне отводов , а также в полыньях . В таких условиях лед может в конечном итоге накапливаться на поверхности воды и превращаться в так называемый жирный лед .
Ледяной налет известен тем, что блокирует водозаборники [6] [9] [10] , поскольку кристаллы накапливаются и накапливаются на водозаборной стойке для мусора . Подобные засоры негативно влияют на объекты водоснабжения, гидроэлектростанции, атомные электростанции, суда, плавающие в холодных водах, и могут привести к неожиданной остановке объекта или даже обрушению мусоропровода.
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 (нагара), и кристаллы уносятся на дно водоема. Лед обычно плавает, но из-за небольшого размера хрупкого льда по сравнению со скоростью течения он имеет неэффективную плавучесть и его очень легко унести на дно.
Благодаря процессу, называемому вторичной нуклеацией , количество кристаллов быстро увеличивается, и из-за переохлаждения окружающей среды кристаллы продолжают расти. Иногда концентрация оценивается в один миллион кристаллов льда на кубический метр.
По мере увеличения количества и размера кристаллов хрупкий лед начнет прилипать к объектам в воде, особенно если сами объекты имеют температуру ниже точки замерзания воды. Накопление наледи часто приводит к затоплению или повреждению таких объектов, как стеллажи для мусора . Поскольку ледяной налет находится под поверхностью воды, обнаружить его образование сложно.
Обычно ледяной налет скапливается на верхней стороне объектов и прилипает к ним. По мере того, как откладывается все больше обломков, наросты будут распространяться вверх по течению и увеличиваться в ширину до тех пор, пока скопления обломков льда не соединятся вместе и не заблокируют воду. По мере того как все больше и больше воды течет против этого блока, давление на стороне входа увеличивается и вызывает перепад давления (разница в давлении на стороне входа и стороне выхода). Это приведет к расширению моста вниз по течению. Как только это произойдет, вероятны наводнения и ущерб, если не будут предотвращены иные меры.
Также было продемонстрировано, что хрупкий лед образуется под ледниками умеренного (или «теплого» происхождения) , поскольку вода быстро течет вниз по склону и переохлаждается из-за быстрой потери давления. Этот процесс «гляциогидравлического переохлаждения» образует открытую сеть пластинчатых кристаллов льда, которые могут эффективно улавливать ил из воды, содержащей отложения, которая течет под ледниками и ледяными щитами. Последующее замерзание и рекристаллизация могут привести к образованию слоя богатого осадками льда у подножия ледника, который после таяния на конечной точке может привести к значительному накоплению отложений в моренах . Это явление было подтверждено повышенными концентрациями трития , который образовался в результате испытаний ядерного оружия и поэтому почти полностью отсутствовал во льду, замороженном до 1945 года, в базальном льду нескольких ледников (что означает молодой лед) и наблюдением быстрого роста кристаллов льда вокруг воды. Разгрузочные отверстия на концах ледника.
Существует несколько способов борьбы с образованием ледяного наледи. Они включают подавление, механическое управление, термическое управление, вибрацию, выбор материалов и уменьшение повреждений.
В переохлажденной воде образуется хрупкий лед, который возникает из-за того, что поверхностные воды отдают тепло более прохладному воздуху наверху. Подавление — это идея изоляции поверхностных вод неповрежденным и устойчивым ледяным покровом. Ледяной покров предотвратит потери тепла и согреет переохлажденную воду, которая могла уже образоваться. [11] Для того, чтобы этот метод работал, необходимо охватить достаточную территорию, но до сих пор неизвестно, что подразумевается под «достаточной». Река Св. Лаврентия явно управляется для создания «условий течения, которые помогают сформировать стабильный ледяной покров» для предотвращения ледяного покрова и последующих заторов льда . [12]
Эти методы включают стабилизацию замерзания без ограничения потока воды, например, установку плотин и ледяных бонов, установку водометов для разрушения любых скоплений, которые могут возникнуть, и использование ручного труда для разгребания скоплений. 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, в которой используется идея компенсации перепада давления, вызванного накоплением хрупкого льда. Эта технология создает высокое давление на выходе объектов, чтобы обратить вспять перепад давления. [ нужна цитата ]
Эти методы либо нагревают конструкции в воде, чтобы предотвратить прилипание наледи, либо нагревают воду, чтобы в первую очередь предотвратить образование наледи. При нагреве конструкции ее необходимо нагревать до температуры выше нуля. Было обнаружено, что электрические нагреватели сопротивления работают хорошо, но они имеют потенциальные проблемы с безопасностью. Установка полых трубок в конструкциях, по которым прокачивается пар или теплая вода, также работает, но этот метод признан неэкономичным в эксплуатации. [13] Также доступны и другие активные методы. Некоторые промышленные процессы, например, производство электроэнергии, требуют использования воды для охлаждения электростанций. Полученные таким образом побочные продукты нагретой воды, которые в противном случае сбрасываются как отходы, могут быть выброшены в места потенциального скопления шлама, повышая температуру воды на 0,1–0,2 ° C (0,18–0,36 ° F), чего часто достаточно, чтобы предотвратить образование переохлажденной воды. В качестве альтернативы сточные воды могут вместо этого рециркулироваться на непосредственно нагреваемые поверхности, склонные к накоплению ледяного наледи. Оба эти метода повторного использования теплой воды требуют точного расчета объемов, расхода и размещения, а также относительных температур воды, чтобы быть надежными. [13]
Хотя взрывы динамитом все еще находятся на экспериментальной стадии, это одна из форм контроля вибрации, которая разрушит любые скопления хрупкого льда. Заряд должен быть таким точным, чтобы лед раскололся, но окружающие конструкции и окружающая среда не пострадали. Безопасность взрывных работ также важна, и жители близлежащих районов могут жаловаться на шумовое загрязнение. По всем этим причинам этот метод используется нечасто, за исключением крайних мер. [ нужна цитата ]
Объектами, к которым прилипает ледяной покров, часто являются искусственные конструкции. Таким образом, выбор материалов для этих конструкций должен учитывать прилипание льда . Стальные конструкции, например , ржавеют , а сцепление ржавчины со льдом очень сильное. Выбор материала с более низкой адгезией, такого как пластик , стекловолокно , графит или даже эпоксидное лакокрасочное покрытие стали, уменьшит вероятность адгезии. Хотя прилипание все равно будет происходить, использование таких материалов упрощает другие методы, например, сгребание. [ нужна цитата ]
Ущерб можно уменьшить, защитив определенные районы затопления механическими конструкциями.
