Podsumowanie lekcji na temat otaczającego świata na temat „Ocean Arktyczny”. Czy wiemy wszystko o właściwościach lodu? Jak wytłumaczyć dziecku złożone procesy fizyczne

Wszyscy wiedzą, że lód to zamarznięta woda, a raczej jest w stałym stanie skupienia. Ale Dlaczego lód nie tonie w wodzie, ale unosi się na jej powierzchni?

Woda to niezwykła substancja o rzadkich, wręcz anomalnych właściwościach. W naturze większość substancji rozszerza się pod wpływem ogrzewania i kurczy się po ochłodzeniu. Na przykład rtęć w termometrze unosi się przez wąską rurkę i wykazuje wzrost temperatury. Ponieważ rtęć zamarza w temperaturze -39°C, nie nadaje się do termometrów używanych w trudnych warunkach temperaturowych.

Woda również rozszerza się pod wpływem ogrzewania i kurczy się po ochłodzeniu. Jednakże w zakresie chłodzenia od około +4°C do 0°C rozszerza się. Dlatego zimą rury wodociągowe mogą pęknąć, jeśli znajdująca się w nich woda zamarznie i utworzą się duże masy lodu. Ciśnienie lodu na ściankach rur jest wystarczające, aby spowodować ich pęknięcie.

Ekspansja wody

Ponieważ woda rozszerza się po ochłodzeniu, gęstość lodu (tj. jego postaci stałej) jest mniejsza niż gęstość wody w stanie ciekłym. Innymi słowy, dana objętość lodu waży mniej niż ta sama objętość wody. Odzwierciedla to wzór m = ρV, gdzie V to objętość ciała, m to masa ciała, ρ to gęstość substancji. Istnieje odwrotnie proporcjonalna zależność pomiędzy gęstością a objętością (V = m/ρ), tj. wraz ze wzrostem objętości (w miarę ochładzania się wody) ta sama masa będzie miała mniejszą gęstość. Ta właściwość wody prowadzi do powstawania lodu na powierzchni zbiorników wodnych - stawów i jezior.

Załóżmy, że gęstość wody wynosi 1. Wtedy lód będzie miał gęstość 0,91. Dzięki tej liczbie możemy poznać grubość kry pływającej po wodzie. Przykładowo, jeśli krze lodowa ma wysokość nad poziomem wody 2 cm, to możemy stwierdzić, że jej warstwa podwodna jest 9 razy grubsza (tj. 18 cm), a grubość całej kry wynosi 20 cm.

W obszarze bieguna północnego i południowego Ziemi woda zamarza i tworzy góry lodowe. Niektóre z tych pływających gór lodowych są ogromne. Uważa się, że największa znana człowiekowi góra lodowa ma powierzchnię 31 000 metrów kwadratowych. kilometrów, który został odkryty w 1956 roku na Oceanie Spokojnym.

W jaki sposób woda w stanie stałym zwiększa swoją objętość? Zmieniając jego strukturę. Naukowcy udowodnili, że lód ma ażurową strukturę z wgłębieniami i pustkami, które po stopieniu wypełniają się cząsteczkami wody.

Doświadczenie pokazuje, że temperatura zamarzania wody spada wraz ze wzrostem ciśnienia o około jeden stopień na każde 130 atmosfer.

Wiadomo, że w oceanach na dużych głębokościach temperatura wody spada poniżej 0°C, a mimo to nie zamarza. Wyjaśnia to ciśnienie wytwarzane przez górne warstwy wody. Warstwa wody o grubości jednego kilometra naciska z siłą około 100 atmosfer.

Porównanie gęstości wody i lodu

Czy gęstość wody może być mniejsza od gęstości lodu i czy to oznacza, że ​​się w niej utonie? Odpowiedź na to pytanie jest twierdząca, co łatwo udowodnić za pomocą następującego doświadczenia.

Weźmy z zamrażarki, w której temperatura wynosi -5 ºС, kawałek lodu wielkości jednej trzeciej szklanki lub trochę więcej. Włóżmy go do wiadra z wodą o temperaturze +20 ºС. Co obserwujemy? Lód szybko tonie i tonie, stopniowo zaczynając się topić. Dzieje się tak, ponieważ woda o temperaturze +20°C ma mniejszą gęstość w porównaniu do lodu o temperaturze -5°C.

Występują modyfikacje lodu (pod wpływem wysokich temperatur i ciśnień), które ze względu na większą gęstość będą tonąć w wodzie. Mówimy o tak zwanym „ciężkim” lodzie - deuteru i trycie (nasyconych ciężkim i superciężkim wodorem). Pomimo obecności tych samych pustek, co w lodzie protium, zatonie on w wodzie. W przeciwieństwie do „ciężkiego” lodu, lód protium nie zawiera ciężkich izotopów wodoru i zawiera 16 miligramów wapnia na litr cieczy. Proces jego przygotowania polega na oczyszczeniu ze szkodliwych zanieczyszczeń o 80%, dzięki czemu woda protowa uważana jest za najbardziej optymalną dla życia człowieka.

Znaczenie w naturze

Fakt, że lód unosi się na powierzchni zbiorników wodnych, odgrywa ważną rolę w przyrodzie. Gdyby woda nie miała tej właściwości i lód opadłby na dno, doprowadziłoby to do zamarznięcia całego zbiornika i w efekcie do śmierci zamieszkujących go organizmów żywych.

Kiedy pojawia się zimna pogoda, najpierw przy temperaturach powyżej +4 ºС, zimniejsza woda z powierzchni zbiornika opada, a ciepła (lżejsza) woda unosi się. Proces ten nazywany jest pionową cyrkulacją (mieszaniem) wody. Kiedy w całym zbiorniku osiągnie +4 ºС, proces ten zatrzymuje się, ponieważ z powierzchni woda już w temperaturze +3 ºС staje się jaśniejsza niż ta poniżej. Woda rozszerza się (jej objętość zwiększa się o około 10%), a jej gęstość maleje. W wyniku tego, że zimniejsza warstwa znajduje się na górze, woda zamarza na powierzchni i pojawia się pokrywa lodowa. Ze względu na swoją krystaliczną strukturę lód ma słabą przewodność cieplną, co oznacza, że ​​zatrzymuje ciepło. Warstwa lodu działa jak rodzaj izolatora ciepła. A woda pod lodem zatrzymuje ciepło. Dzięki właściwościom termoizolacyjnym lodu, przenikanie „zimna” do dolnych warstw wody jest znacznie zmniejszone. Dlatego na dnie zbiornika prawie zawsze pozostaje przynajmniej cienka warstwa wody, co jest niezwykle ważne dla życia jego mieszkańców.

Zatem +4 ºС - temperatura maksymalnej gęstości wody - to temperatura przeżycia organizmów żywych w zbiorniku.

Używaj w życiu codziennym

Wspomniano powyżej o możliwości pęknięcia rur wodociągowych w wyniku zamarznięcia wody. Aby uniknąć uszkodzenia systemu zaopatrzenia w wodę w niskich temperaturach, nie powinno być przerw w dostawie ciepłej wody przepływającej przez rury grzewcze. Pojazd narażony jest na podobne niebezpieczeństwo, jeśli podczas zimnej pogody w chłodnicy pozostanie woda.

Porozmawiajmy teraz o przyjemnej stronie wyjątkowych właściwości wody. Jazda na łyżwach to świetna zabawa dla dzieci i dorosłych. Czy zastanawiałeś się kiedyś, dlaczego lód jest taki śliski? Na przykład szkło jest również śliskie, a także gładsze i atrakcyjniejsze niż lód. Ale łyżwy się po nim nie ślizgają. Tylko lód ma tak specyficzną, zachwycającą właściwość.

Faktem jest, że pod ciężarem naszego ciężaru powstaje nacisk na cienkie ostrze łyżwy, co z kolei powoduje nacisk na lód i jego topienie. W tym przypadku tworzy się cienka warstwa wody, po której ślizga się stalowe ostrze łyżwy.

Różnica w zamarzaniu wosku i wody

Eksperymenty pokazują, że powierzchnia kostki lodu tworzy pewne wybrzuszenie. Wynika to z faktu, że zamrożenie w środku następuje jako ostatnie. I rozszerzając się podczas przejścia do stanu stałego, to wybrzuszenie wzrasta jeszcze bardziej. Można temu przeciwdziałać poprzez stwardnienie wosku, które wręcz przeciwnie, tworzy zagłębienie. Wyjaśnia to fakt, że wosk kurczy się po przejściu w stan stały. Ciecze, które po zamrożeniu kurczą się równomiernie, tworzą nieco wklęsłą powierzchnię.

Aby zamrozić wodę, nie wystarczy ją schłodzić do temperatury zamarzania 0°C; temperaturę tę należy utrzymać poprzez ciągłe chłodzenie.

Woda zmieszana z solą

Dodanie soli kuchennej do wody obniża jej temperaturę zamarzania. Z tego powodu zimą drogi posypuje się solą. Słona woda zamarza w temperaturze -8°C i niższej, więc dopóki temperatura nie spadnie przynajmniej do tego punktu, zamarzanie nie następuje.

Czasami jako „mieszaninę chłodzącą” w eksperymentach niskotemperaturowych stosuje się mieszaninę lodu i soli. Kiedy lód się topi, pochłania ciepło potrzebne do przemiany z otoczenia, chłodząc go w ten sposób. Pochłania to tak dużo ciepła, że ​​temperatura może spaść poniżej -15°C.

Rozpuszczalnik uniwersalny

Czysta woda (wzór cząsteczkowy H 2 0) nie ma koloru, smaku ani zapachu. Cząsteczka wody składa się z wodoru i tlenu. Kiedy do wody dostaną się inne substancje (rozpuszczalne i nierozpuszczalne w wodzie), zostaje ona zanieczyszczona, dlatego w przyrodzie nie ma wody absolutnie czystej. Wszystkie substancje występujące w przyrodzie można rozpuścić w wodzie w różnym stopniu. Decydują o tym ich unikalne właściwości – rozpuszczalność w wodzie. Dlatego wodę uważa się za „uniwersalny rozpuszczalnik”.

Gwarant stabilnej temperatury powietrza

Woda nagrzewa się powoli ze względu na dużą pojemność cieplną, niemniej jednak proces chłodzenia zachodzi znacznie wolniej. Dzięki temu oceany i morza mogą akumulować ciepło latem. Uwalnianie ciepła następuje zimą, dzięki czemu nie ma gwałtownych zmian temperatury powietrza na terytorium naszej planety przez cały rok. Oceany i morza są pierwotnym i naturalnym akumulatorem ciepła na Ziemi.

Napięcie powierzchniowe

Wniosek

Fakt, że lód nie tonie, lecz unosi się na powierzchni, tłumaczy się jego mniejszą gęstością w porównaniu do wody (gęstość właściwa wody wynosi 1000 kg/m3, lodu - około 917 kg/m3). Teza ta jest prawdziwa nie tylko dla lodu, ale także dla każdego innego ciała fizycznego. Na przykład gęstość papierowej łódki czy jesiennego liścia jest znacznie mniejsza niż gęstość wody, co zapewnia ich pływalność.

Jednak właściwość wody polegająca na tym, że w stanie stałym ma mniejszą gęstość, jest w przyrodzie bardzo rzadka i stanowi wyjątek od ogólnej reguły. Tylko metal i żeliwo (stop metalicznego żelaza i węgla niemetalicznego) mają podobne właściwości.

Małe dzieci bardzo często zadają dorosłym ciekawe pytania i nie zawsze potrafią od razu na nie odpowiedzieć. Aby nie wydawać się dziecku głupie, zalecamy zapoznanie się z pełną, szczegółową i dobrze uzasadnioną odpowiedzią na temat wyporu lodu. W końcu pływa, a nie tonie. Dlaczego to się dzieje?

Jak wytłumaczyć dziecku złożone procesy fizyczne?

Pierwszą rzeczą, która przychodzi na myśl, jest gęstość. Tak, w rzeczywistości lód pływa, ponieważ jest mniej gęsty niż . Ale jak wytłumaczyć dziecku, czym jest gęstość? Nikt nie ma obowiązku informowania go o programie nauczania w szkole, ale całkiem możliwe jest sprowadzenie go do konkretów. W końcu ta sama objętość wody i lodu ma różne ciężary. Jeśli przestudiujemy problem bardziej szczegółowo, oprócz gęstości możemy wskazać kilka innych przyczyn.
nie tylko dlatego, że jego zmniejszona gęstość zapobiega opadaniu niżej. Powodem jest również to, że małe pęcherzyki powietrza są zamrożone w lodzie. Zmniejszają również gęstość i dlatego ogólnie okazuje się, że ciężar płyty lodowej staje się jeszcze mniejszy. Kiedy lód rozszerza się, nie pobiera więcej powietrza, ale wszystkie pęcherzyki, które są już w tej warstwie, pozostają tam, dopóki lód nie zacznie się topić lub sublimować.

Przeprowadzenie doświadczenia dotyczącego siły rozszerzania się wody

Ale jak udowodnić, że lód faktycznie się rozszerza? W końcu woda również może się rozszerzać, więc jak można to udowodnić w sztucznych warunkach? Można przeprowadzić ciekawy i bardzo prosty eksperyment. Aby to zrobić, będziesz potrzebować plastikowego lub kartonowego kubka i wody. Ilość nie musi być duża, nie trzeba napełniać szklanki po brzegi. Idealnie potrzebujesz temperatury około -8 stopni lub niższej. Jeśli temperatura będzie zbyt wysoka, doznanie będzie trwać nieracjonalnie długo.
Tak więc do środka wlewa się wodę, musimy poczekać, aż utworzy się lód. Ponieważ wybraliśmy optymalną temperaturę, w której niewielka ilość płynu zamieni się w lód w ciągu dwóch do trzech godzin, możesz spokojnie wrócić do domu i poczekać. Musisz poczekać, aż cała woda zamieni się w lód. Po pewnym czasie patrzymy na wynik. Kubek zdeformowany lub rozdarty przez lód objęty jest gwarancją. W niższej temperaturze efekty wyglądają bardziej efektownie, a sam eksperyment zajmuje mniej czasu.

Negatywne konsekwencje

Okazuje się, że prosty eksperyment potwierdza, że ​​bryły lodu rzeczywiście rozszerzają się, gdy temperatura spada, a objętość wody łatwo zwiększa się podczas zamarzania. Z reguły ta funkcja powoduje wiele problemów dla zapominalskich: butelka szampana pozostawiona na balkonie na długi czas w przerwie sylwestrowej psuje się z powodu narażenia na lód. Ponieważ siła rozprężania jest bardzo duża, nie można na nią w żaden sposób wpływać. Cóż, jeśli chodzi o pływalność bloków lodowych, nie ma tu nic do udowodnienia. Najbardziej zaciekawieni mogą z łatwością przeprowadzić podobny eksperyment wiosną lub jesienią samodzielnie, próbując utopić kawałki lodu w dużej kałuży.

Prawie jedna dziesiąta powierzchni Ziemi jest trwale pokryta lodem. Około 90 procent tej ilości pochodzi z pokryw lodowych Antarktydy i Grenlandii. Pozostałe 10 procent „należy” do lodowców górskich. Co ciekawe, pokrywa Antarktydy jest 1,5 razy większa niż powierzchnia Stanów Zjednoczonych, a lodu jest tu 9 razy więcej niż na lodowych obszarach Grenlandii.

Mieszkańcy regionów północnych wykorzystują lód jako wodę pitną. Co ciekawe, gdy woda morska zamarza, zawiera minimalną zawartość soli. Dlatego też z roztopionego lodu mogą korzystać także mieszkańcy wysp na morzu północnym czy regionów polarnych, na przykład Eskimosi.

Naturalnie w regionach północnych, gdzie nie ma lasów, lód znajduje również drugie zastosowanie - do budowy domów. Zewnętrznie takie mieszkanie (nazywa się je igloo) przypomina półkulistą miskę odwróconą do góry nogami. Jest zbudowany z dużych bloków lodu. Do igloo wchodzą przez małe przedłużenie – baldachim. Lód ma dość niską przewodność cieplną, dlatego wnętrze igloo szybko staje się cieplejsze niż na zewnątrz.

Badacze Arktyki, którzy jako pierwsi zobaczyli takie lodowe chaty, byli zaskoczeni, że przy trzydziestostopniowym mrozie na zewnątrz temperatura wewnątrz igloo wynosiła około zera. Igloo było powszechne wśród Eskimosów w Ameryce Północnej i Grenlandii.

Korzystając z takich mieszkań, Eskimosi mogli podczas polowań swobodnie pokonywać duże odległości po lodzie. Doświadczenie Eskimosów zostało przejęte przez naukowców pracujących na stacjach polarnych. Już na pierwszej stacji Bieguna Północnego w lodowni zainstalowano stację radiową.

Badanie lodu jest bardzo ważne: lód kopalny zachowany w wysokogórskich lodowcach i w głębinach Antarktydy stanowi swego rodzaju kronikę odległych epok. Ich wiek wynosi setki tysięcy lat.

Faktem jest, że śnieg opadający na powierzchnię lodowca stopniowo zamienia się w firn – luźny, ziarnisty lód z dużą ilością powietrza. Stopniowo firn staje się gęstszy i tworzy lód, w którym pozostają maleńkie pęcherzyki. Naukowcy wydobywają je poprzez wiercenie w lodowcu i badają je w laboratoriach.

Analizując powietrze z odległej przeszłości, naukowcy dowiadują się, jaka była pogoda na Ziemi, skąd wiały wiatry i jaki rodzaj pyłu niosły ze sobą. To właśnie z lodu kopalnego naukowcy dowiedzieli się, że na Ziemi nie było jednego, ale dwa wielkie zlodowacenia i że miały one miejsce na przestrzeni ostatnich 220 tysięcy lat.

Jak woda zamienia się w lód?

Zobaczmy, jak woda w stawie zamienia się w lód. Gdy powietrze się ochładza, schładza górną warstwę wody. Górna, zimna warstwa wody staje się cięższa od ciepłych, dolnych warstw i opada. Proces ten trwa do momentu, aż cała woda w stawie ostygnie do temperatury około 4°C.

Ale temperatura powietrza spada! Gdy górne warstwy wody ostygną do temperatury poniżej 4°C, pozostają na powierzchni. Faktem jest, że woda schłodzona do temperatury poniżej 4°C zasadniczo staje się lżejsza!

Tak więc górne warstwy wody są gotowe do zamarznięcia. Gdy temperatura utrzymuje się na poziomie 0°C lub poniżej punktu zamarzania, zaczynają tworzyć się maleńkie kryształki.

Każdy taki kryształ ma sześć promieni. Kiedy się łączą, tworzą lód i wkrótce na powierzchni wody tworzy się skorupa lodowa. Czasem lód jest przezroczysty, czasem nie. Dlaczego? Faktem jest, że gdy zamarzają kropelki wody, uwalniane są maleńkie pęcherzyki powietrza. Przyklejają się do promieni kryształków lodu. Im więcej kryształków lodu się tworzy, tym więcej jest pęcherzyków powietrza – to nieprzezroczysty lód.

Jeśli woda pod lodem się porusza, pęcherzyki powietrza gromadzą się i tworzy się przejrzysty lód.

Woda, podobnie jak inne substancje, nie zmniejsza swojej objętości podczas przejścia ze stanu ciekłego w stan stały. Kiedy woda zamarza, zwiększa się o jedną dziewiątą swojej objętości, co oznacza, że ​​gdy zamarznie dziewięć litrów wody, otrzymasz dziesięć litrów stałego lodu! Kiedy zimą pękają chłodnice samochodowe i rury wodociągowe, dzieje się tak dlatego, że woda zamarza i zwiększa swoją objętość!

To, co ci ludzie robią, jest z reguły całkowicie niezrozumiałe dla przeciętnego człowieka.
ludzi tam, „na szczycie Ziemi”, w warunkach ekstremalnych mrozów, nocy polarnej,
na krze, która w każdej chwili może pęknąć i bez zwykłego komfortu
współczesna cywilizacja. Kiedy poprosiłem o rozmowę o charakterze naukowym
badań nad krę lodową do zastępcy szefa SP-36 ds. nauki, Włodzimierza
Churun, w zamyśleniu powiedział w odpowiedzi: „Wiesz, ja też nie miałbym nic przeciwko, aby się tego dowiedzieć
o tym!"

Arktykę można zwiedzać na wiele sposobów. Automatyczne kompleksy naukowe - stacje meteorologiczne i oceanograficzne, boje bilansu masy, które są zamrożone w lodzie i umożliwiają określenie przyrostu lub zmiany masy pokrywy lodowej (nawiasem mówiąc, taka boja działa na SP-37) - znacznie ułatwiają zbieranie danych, ale mają swoje ograniczenia. Oczywiście kuszące byłoby siedzieć w biurze, podczas gdy dane napływają drogą komunikacji satelitarnej z systemu, na przykład automatycznych stacji hydrologicznych – boi cumowniczych lub dryfujących. Ale w ciągu roku zwykle traci się ponad 50% takich (bardzo drogich) boi - w tym regionie warunki pracy są dość trudne nawet dla specjalnie do tego zaprojektowanego sprzętu ze względu na dynamikę pól lodowych (humocking, kompresja).

Innym sposobem uzyskania danych naukowych jest teledetekcja Ziemi. Satelity naukowe (niestety nie rosyjskie) umożliwiają uzyskanie informacji o stanie lodu w zakresie widzialnym, podczerwonym, radarowym i mikrofalowym. Dane te wykorzystywane są głównie do celów użytkowych: do naprowadzania statków, do poszukiwania odpowiednich kry do stacji dryfujących; na samych stacjach dryfujących pomagają w pracy - np. przy SP-36 posłużyły do ​​zlokalizowania miejsca odpowiedniego pod budowę pasa startowego. Informacje satelitarne trzeba jednak weryfikować, porównując je z rzeczywistymi obserwacjami – bezpośrednio zmierzoną grubością lodu, jego wiekiem (nie ma jeszcze możliwości bezpośredniego zmierzenia tych danych z satelity).

Stacje naukowe (już zamieszkane) można także umieszczać zamrażając statki w lodzie (metodę tę przetestował Fridtjof Nansen). Co jakiś czas powstają takie projekty, jak np. francuski jacht Tara czy amerykańsko-kanadyjski projekt SHEBA dotyczący statku dryfującego po Morzu Beauforta. Rozważano podobny projekt dla lodołamacza nuklearnego Arktika, ale ostatecznie z różnych powodów go porzucono. Jednak zamarznięte statki zapewniają jedynie dobrą bazę do życia personelu naukowego i zaopatrzenia kompleksu naukowego w energię. Aby zebrać dane naukowe, ludzie nadal będą musieli udać się na lód, aby wykluczyć wpływy zewnętrzne. Ponadto zamrażanie statków jest kosztowne (i odwraca uwagę statków od ich głównej pracy).


„Moim zdaniem dryfujący lód to naturalna platforma nośna, najbardziej optymalna zarówno do przechowywania kompleksu naukowego, jak i do zamieszkania przez ludzi” – mówi Vladimir Churun. „Pozwala dryfować przez długi czas i zdobywać czyste dane naukowe bez żadnego wpływu z zewnątrz. Oczywiście ludzie na krze pozbawieni są pewnego komfortu, ale w imię nauki musimy to znosić. Oczywiście pozyskiwanie danych naukowych musi odbywać się w sposób kompleksowy, wykorzystując wszelkie dostępne środki – stacje dryfujące, wyprawy powietrzne, obserwacje satelitarne, boje automatyczne, statki ekspedycji naukowych.”

„Program naukowy SP-36 był dość obszerny i udany” – wyjaśnia Vladimir Churun ​​​​Popular Mechanics. „Obejmowały obserwacje meteorologiczne, aerologiczne i hydrologiczne, a także badania właściwości pokrywy lodowej i śnieżnej. Jednak badania związane z jonosferą i ziemskim polem magnetycznym, którym w czasach radzieckich poświęcono wiele uwagi na stacjach dryfujących, zostały obecnie przeniesione do stacjonarnych stacji polarnych na kontynencie i na wyspach”.

Powietrze

Początek pracy stacji nie wiąże się z uroczystym momentem podniesienia flagi rosyjskiej nad mesą. Oficjalnie stacja dryfująca rozpoczyna pracę od momentu przesłania pierwszego komunikatu pogodowego do AARI, a stamtąd do globalnej sieci meteorologicznej. Ponieważ, jak wiemy, „Arktyka to kuchnia pogody”, dane te dostarczają meteorologom niezwykle cennych informacji. Badanie profili barycznych (ciśnienie, prędkość i kierunek wiatru na różnych wysokościach) oraz profili temperaturowych atmosfery za pomocą sond do wysokości 30 km służy nie tylko do prognozowania pogody – dane te można później wykorzystać do podstawowych celów naukowych, np. jako udoskonalające modele fizyki atmosfery, jak i stosowane - np. wspomagające loty samolotów. Za wszystkie te dane odpowiadają meteorolodzy i aerolodzy.

Praca meteorologa może wydawać się prosta – polega na zbieraniu danych meteorologicznych i przesyłaniu ich do Roshydromet. W tym celu na 10-metrowym maszcie pogodowym umieszczono zestaw czujników, które mierzą prędkość i kierunek wiatru, temperaturę i wilgotność, widoczność i ciśnienie. Wszystkie informacje, także z czujników zdalnych (temperatura śniegu i lodu, natężenie promieniowania słonecznego), trafiają do stacji pogodowej. Mimo że dane pobierane są ze stacji zdalnie, nie zawsze możliwe jest przeprowadzenie pomiarów bez konieczności udania się do serwisu pogodowego. „Czaszki anemometrów i osłona radiacyjna kabiny pogodowej, w której znajdują się czujniki temperatury i wilgotności, zamarzają, należy je oczyścić z szronu (aby dostać się na szczyt masztu, ten ostatni jest „łamliwy” ), wyjaśnia inżynier meteorolog SP-36 Ilya Bobkov.- A W okresie topnienia liny odciągowe muszą być stale wzmacniane, aby maszt był stabilny. Dodatkowo stacja nie jest przystosowana do pracy w tak silnych mrozach, poniżej - 40°C, dlatego zamontowaliśmy tam urządzenie grzewcze - zwykłą żarówkę 40-watową. Istnieją oczywiście stacje przystosowane do tak niskich temperatur, ale są one mniej dokładne.”

Powyżej 10 m znajduje się obszar pracy aerologów. „Badamy górne warstwy atmosfery za pomocą sond aerologicznych” – wyjaśnia wiodący inżynier aerologii SP-36 Siergiej Owczinnikow. - Sonda ma postać pudełka o masie 140 g, jest przymocowana do balonu - kuli o objętości około 1,5 m 3 wypełnionej wodorem, który wytwarza się chemicznie w wysokociśnieniowym generatorze gazu - z proszku żelazokrzemu, sody kaustycznej i woda. Sonda posiada wbudowany odbiornik GPS, nadajnik telemetryczny oraz czujniki temperatury, ciśnienia i wilgotności. Co dwie sekundy sonda przesyła informacje wraz ze współrzędnymi do naziemnej stacji odbiorczej. Współrzędne sondy umożliwiają obliczenie jej ruchu, prędkości i kierunku wiatru na różnych wysokościach (wysokość wyznaczana jest metodą barometryczną). Elektronika sondy zasilana jest z akumulatora napełnianego wodą, który najpierw zanurza się w wodzie na kilka minut (w podobne źródła zasilania wyposażone są kamizelki ratunkowe z latarniami awaryjnymi).

„Sondy są wystrzeliwane codziennie o godzinie 0 i 12 czasu GMT, jeśli pozwalają na to warunki pogodowe; przy silnym wietrze sonda po prostu „wbija” gwoździe w ziemię. W ciągu niecałego roku miało miejsce 640 wyzwoleń, mówi Siergiej Owczinnikow. „Średnia wysokość wznoszenia wyniosła 28 770 m, maksymalna 32 400 m. Prędkość wznoszenia się sondy wynosiła około 300 m na minutę, więc maksymalną wysokość osiągnęła po około 0,5 m półtorej godziny, balon w trakcie podnoszenia puchnie, po czym pęka, a sonda spada na ziemię. To prawda, że ​​​​znalezienie go jest prawie niemożliwe, więc urządzenie jest jednorazowe, choć drogie”.

Woda

„Główny nacisk w naszej pracy kładziemy na pomiary parametrów prądu, a także temperatury, przewodności elektrycznej i gęstości wody” – mówi oceanolog SP-36 Siergiej Kuzmin. „W ostatnich latach flota instrumentów została znacznie zaktualizowana i obecnie możemy uzyskać wyniki z dużą dokładnością, odpowiadającą poziomowi światowemu. Obecnie używamy instrumentów do profilowania, które pozwalają nam mierzyć prędkość przepływu za pomocą poprzecznego efektu Dopplera w kilku warstwach.

„Badaliśmy głównie prądy atlantyckie, których górna granica znajduje się na głębokości 180–220 m, a rdzeń – 270–400 m”. Oprócz badania prądów zapewniono codzienne badanie słupa wody za pomocą sondy mierzącej co sześć dni przewodność elektryczną i temperaturę, prowadzono badania na głębokości do 1000 m, aby „uchwycić” wody Atlantyku oraz raz w tygodniu sonda była opuszczana na całą maksymalną długość kabla - 3400 m w celu zbadania warstw głębinowych. „W niektórych obszarach” – wyjaśnia Siergiej Kuzmin – „w głębokich warstwach można zaobserwować efekt geotermalny”.

Do zadań oceanologów na SP-36 należało także pobranie próbek do późniejszej analizy przez hydrochemików. „Trzy razy zimą – wiosną, latem i jesienią – braliśmy rdzeń lodowy, który następnie topiono w temperaturze pokojowej, powstałą wodę przepuszczano przez filtr, a następnie ponownie zamrażano” – mówi Siergiej. - Zarówno filtr, jak i lód zostały specjalnie zapakowane do późniejszej analizy. W ten sam sposób pobrano próbki śniegu i wody subglacjalnej. Próbki powietrza pobrano także za pomocą aspiratora, który pompował powietrze przez kilka filtrów zatrzymujących najmniejsze cząsteczki. Wcześniej w ten sposób można było na przykład wykryć pyłki niektórych gatunków roślin, które przylatują w rejony polarne z Kanady i rosyjskiej tajgi.”

Po co badać prądy? „Porównując dane zgromadzone w poprzednich latach, można określić trendy klimatyczne” – odpowiada Siergiej. „Taka analiza pozwoli zrozumieć np. zachowanie się lodu na Oceanie Arktycznym, co jest niezwykle ważne nie tylko z fundamentalnego punktu widzenia, ale także z punktu widzenia czysto aplikacyjnego, np. rozwój zasobów naturalnych Arktyki.”

Śnieg

Program specjalnych badań meteorologicznych obejmował kilka sekcji. Badano strukturę pokrywy śnieżnej i lodowej, jej właściwości termofizyczne i radiacyjne – czyli sposób, w jaki odbija i pochłania promieniowanie słoneczne. „Faktem jest, że śnieg ma wysoki współczynnik odbicia i zgodnie z tą cechą, na przykład na zdjęciach satelitarnych, bardzo przypomina warstwę chmur” – wyjaśnia meteorolog Siergiej Szutilin. - Zwłaszcza zimą, kiedy temperatura w obu miejscach wynosi kilkadziesiąt stopni poniżej zera. Badałem właściwości termofizyczne śniegu w zależności od temperatury, wiatru, zachmurzenia i promieniowania słonecznego. Zmierzono także przenikanie promieniowania słonecznego (oczywiście w dzień polarny) przez śnieg i lód na różne głębokości (w tym do wody). Badano także morfologię śniegu i jego właściwości termofizyczne – temperaturę na różnych głębokościach, gęstość, porowatość i skład frakcyjny kryształów w różnych warstwach. Dane te, wraz z charakterystyką promieniowania, pomogą doprecyzować opis pokrywy śnieżnej i lodowej w modelach różnych poziomów – zarówno globalnych, jak i regionalnych modeli klimatycznych.

W dzień polarny prowadzono pomiary promieniowania ultrafioletowego docierającego do powierzchni Ziemi, a w noc polarną za pomocą analizatorów gazów badano stężenia dwutlenku węgla, ozonu przyziemnego i metanu, których emisja w Arktyce najwyraźniej jest związane z procesami geologicznymi. Za pomocą specjalnego analizatora gazów udało się także uzyskać, zdaniem Siergieja Szutilina, unikalne dane dotyczące przepływu dwutlenku węgla i pary wodnej przez powierzchnię śniegu i lodu: „Wcześniej istniał model, według którego topi się woda z wybrzeże wpadło do oceanu, ocean pokrył się lodem, a pod nim miały miejsce procesy beztlenowe. A kiedy powierzchnia została uwolniona od lodu, do atmosfery przedostał się dwutlenek węgla. Odkryliśmy, że przepływ płynie w przeciwnym kierunku: gdy nie ma lodu, wpływa do oceanu, a gdy jest lód, trafia do atmosfery! Może to jednak zależeć również od obszaru – np. pomiary na SP-35, który dryfował bliżej południa i do mórz szelfowych na półkuli wschodniej, są zgodne z powyższą hipotezą. Dlatego potrzebne są dalsze badania.”

Lód poświęca obecnie najwięcej uwagi, gdyż jest wyraźnym wskaźnikiem procesów zachodzących w Arktyce. Dlatego jego badanie jest niezwykle ważne. Przede wszystkim jest to ocena bilansu masy lodu. Topi się latem, a rośnie zimą, dlatego regularne pomiary jej grubości łatami pomiarowymi w wyznaczonym miejscu pozwalają oszacować tempo topnienia lub wzrostu kry, a dane te można następnie wykorzystać do udoskonalenia różnych modele wieloletniego tworzenia się lodu. „W SP-36 składowisko zajmowało powierzchnię 80 x 100 m, a od października do maja urosło na nim 8400 ton lodu” – mówi Władimir Churun. „Można sobie wyobrazić, ile lodu urosło na całej krze o wymiarach 5 x 6 km!”

„Pobraliśmy także kilka rdzeni młodego i starego lodu, które będą badane w AARI pod względem składu chemicznego, właściwości mechanicznych, morfologii” – mówi badacz lodu SP-36 Nikita Kuzniecow. „Informacje te można wykorzystać do udoskonalenia różnych modeli klimatycznych, ale także np. do celów inżynieryjnych, w tym do budowy lodołamaczy”.

Ponadto w SP-36 prowadzono badania procesów przechodzenia różnych fal w lodzie morskim: fal powstałych w wyniku zderzeń kry lodowych, a także tych przechodzących ze środowiska morskiego w lód. Dane te rejestrowane są za pomocą bardzo czułych sejsmometrów, a następnie wykorzystywane do stosowanych modeli interakcji lodu z ciałami stałymi. Według czołowego inżyniera-badacza lodu SP-36, Leonida Panowa, umożliwia to ocenę obciążeń różnych konstrukcji inżynierskich - statków, platform wiertniczych itp. - z punktu widzenia odporności na lód: „Znajomość cech interakcji lodu z falami można obliczyć właściwości wytrzymałościowe lodu, co oznacza dokładne przewidzenie, gdzie pęknie. Dzięki takim metodom możliwe będzie zdalne wykrywanie przejść pęknięć i garbów w obszarach niebezpiecznych, np. w pobliżu rurociągów naftowych i gazowych.”

Nie kurort

Kiedy zapytałem Władimira, jak odczuwane są globalne zmiany klimatyczne (tj. globalne ocieplenie) podczas pracy na stacji dryfującej, w odpowiedzi tylko się uśmiechnął: „Oczywiście zmniejszyła się powierzchnia lodu i jego grubość w Arktyce – jest to dobrze zarejestrowany fakt naukowy. Ale na stacji dryfującej, w lokalnej przestrzeni kry, globalne ocieplenie w ogóle nie jest odczuwalne. W szczególności podczas tego zimowania zanotowaliśmy minimalną temperaturę w ciągu ostatnich dziesięciu lat (-47,3°C). Wiatr nie był zbyt silny – maksymalne porywy sięgały 19,4 m/s. Ale ogólnie zima od lutego do kwietnia była bardzo mroźna. Zatem pomimo globalnego ocieplenia Arktyka nie stała się cieplejsza, przytulniejsza ani wygodniejsza. U nas nadal jest tak samo zimno, wieją zimne wiatry, a lód dookoła jest taki sam. I nie ma jeszcze nadziei, że Czukotka wkrótce stanie się kurortem.”

Dmitrij Mamontow.