ZJAWISKA LODOWE część II

Witold Kurski – były zawodnik bojerowy

ODDZIAŁYWANIE  ZMIAN  TEMPERATURY NA POWŁOKĘ LODOWĄ

W tym blogu omówimy jedynie  wpływ niektórych efektów termicznych na powłokę lodową.  Są one bardzo ciekawe z punktu widzenia teorii, jak pękanie lodu pod wpływem obniżającej się temperatury,  pełzanie lodu i wyrównywanie jego nierówności w przypadku ociepleń, a przy ponownym nawrocie mrozu po ociepleniach znów pękanie ale według zupełnie innych mechanizmów. Po ociepleniach górna  warstwa lodu przepojona wodą  rozszerza się gdy nadejdzie mróz i wyślizguje się na brzeg niszcząc drzewostan i  pomosty. Mniejsze pomosty ratują właściciele wyrąbując wokół nich lód, a na jeziorze  powstają spiętrzenia i torosy będące przeszkodą dla żeglugi.

Przy pękaniu lodu pod wpływem obniżającej się temperatury powstają zjawiska akustyczne, jezioro zaczyna przemawiać. Mechanizm jest prosty. Pod wpływem powstałej szczeliny naruszona zostaje równowaga na całym obszarze jeziora. W którymś miejscu  powstają warunki do zainicjowania kolejnej szczeliny i kolejny odgłos stamtąd dochodzi, i ta sytuacja się powtarza. Tak przemawia natura i ten rytm odgłosów jest podobny rytmu piania kogutów w porze letniej, jeśli we wsi w najbliższej okolicy jest ich więcej, jak to zauważyła jedna z kursantek na obozie bojerowym.

Warunki do zainicjowania pęknięcia i rozwoju szczeliny można badać wykorzystując teorię Griffitha, ale dla ogółu bardziej przejrzyste  będzie zastosowanie prostszych modeli z zakresu elementarnej teorii wytrzymałości a dokładniej płyty zginanej walcowo leżącej na podłożu sprężystym. Do obliczenia potrzebnych parametrów płyty i podłoża sprężystego należy skorzystać z rysunku Fig.1

 Mając do dyspozycji powyższy rysunek Fig.1 możemy od razu  obliczyć długość fali jaka

powstaje na lodzie jeziora. Należy tylko wykorzystać zależność  L a = 2 p.

Na lodzie o grubości 20 cm długość fali wynosi 44.6 metra , a na lodzie grubości  40 cm

długość fali wyniesie 61.6 metra. Przy jeszcze grubszym lodzie na przykład 60 cm długość fali wyniesie 103 metry. Z obserwacji jezior można stwierdzić, że kolejne pęknięcia powstają od siebie właśnie w takich odległościach i są one odpowiedzialne za nierówności powłoki lodowej.

Dlaczego po pęknięciach powstają nierówności powłoki lodowej?    

Jeśli szczelina jest linią prostą lub kształtem do niej zbliżona to do analizy odkształconych półpłaszczyzn lodu można użyć modelu płyty na podłożu sprężystym, ale zginanej walcowo. Nie są to obliczenia skomplikowane, a wyniki dla lodu o grubości  dwudziestu  centymetrów  

przy założeniu, że lód pęka gdy zostanie obciążony naprężeniami 2 MPa są przedstawione na rysunku Fig.2.  Po pęknięciu znikają siły ciągnące górną powierzchnię lodu i krawędź płyty unosi się do góry, na pozostałej części półpłaszczyzny powstają zafalowania zanikające wykładniczo wraz z oddalaniem się od powstałej szczeliny. Teoria płyt  na podłożu sprężystym prowadzi do bardzo prostego wzoru na wartość uniesienia krawędzi lodu  po pęknięciu jeśli pierwotnie powierzchnia lodu była płaska. Wzór ten zamieszczono na rysunku Fig.2.

Powstałe fale zanikają wykładniczo wraz z oddalaniem się od miejsca pęknięcia.

Wysokość wyniesienia krawędzi lodu 2.6 centymetra w górę, może wydawać się niewielka, ale jeśli moduł sprężystości lodu będzie dwa lub trzy razy mniejszy, to wyniesienie może być dwukrotnie lub trzykrotnie większe. Takie rozrzuty modułu sprężystości lodu w badaniach naturalnych to nie wyjątek, a raczej norma. Wyniesienie krawędzi lodu osiem centymetrów w górę stanowi poważne niebezpieczeństwo dla ślizgu i załogi.

Jeśli jest mróz to woda w szczelinie pomiędzy sąsiednimi polami lodowymi niezwłocznie zamarza sklejając oddzielne pola lodowe i utrwalając powstałe nierówności. Szybka żegluga na takich nierównościach jest dla załogi ślizgu bardzo uciążliwa, a dla ślizgu szkodliwa.

Po pewnym czasie rzędu dziesięciu dni  do dwóch tygodni zjawisko pełzania lodu spowoduje

wyrównanie powierzchni lodu ale radykalne przyspieszenie wyrównania powierzchni następuje przy odwilżach. Przy  wzroście temperatury lodu od minus 10 stopni Celsjusza do

minus jednego stopnia, szybkość pełzania lodu wzrasta dziesięciokrotnie i powierzchnia lodu szybko się wyrównuje.     

W następnym blogu opiszemy kolejne zjawiska lodowe.

  Opracowano   10 października 2017 roku.

Opracował na blogu - Paweł Kurski - fan żeglarstwa lodowego