Внутриводный лёд

Внутриводный лёд — это твёрдая фаза воды (лёд), образующаяся непосредственно в толще воды, а не на её поверхности, и находящаяся во взвешенном состоянии или на дне водоёма. В отличие от поверхностного льда, который формируется на границе раздела вода-воздух, внутриводный лёд кристаллизуется в объёме переохлаждённой воды, обычно в условиях турбулентного перемешивания и при температурах ниже 0 °C. Данное явление характерно для рек, озёр и морей в холодных климатических зонах, в том числе на территории России, и играет значительную роль в гидрологии, ледотехнике и экологии.

Механизмы образования

Образование внутриводного льда связано с переохлаждением воды — состоянием, при котором температура воды опускается ниже точки замерзания, но кристаллизация не начинается из-за отсутствия центров кристаллизации. В спокойной воде переохлаждение может быть значительным, однако в природных водоёмах, особенно в реках с быстрым течением, турбулентность способствует перемешиванию и снятию переохлаждения, одновременно создавая условия для зарождения ледяных кристаллов.

Ядра кристаллизации

Ключевым фактором является наличие в воде твёрдых частиц (взвесей, песчинок, органических остатков), которые служат центрами кристаллизации. В турбулентном потоке эти частицы постоянно контактируют с переохлаждённой водой, что приводит к быстрому росту кристаллов. Внутриводный лёд часто образуется на дне рек, где течение наиболее интенсивно, а донные отложения (галька, гравий) выступают в роли ядер.

Переохлаждение и турбулентность

В реках с быстрым течением (скорость более 0,4–0,5 м/с) поверхностный лёд не может образоваться, так как турбулентность разрушает ледяную корку. Однако при сильном охлаждении воздуха (ниже −10…−15 °C) вода в таких реках переохлаждается на десятые доли градуса, что достаточно для начала кристаллизации. Внутриводный лёд в этом случае формируется в виде мелких игл, пластинок или комков, которые поднимаются к поверхности или оседают на дно.

Виды внутриводного льда

В гидрологии и ледотехнике выделяют несколько форм внутриводного льда, различающихся по структуре, условиям образования и поведению.

Шуга

Шуга — это рыхлая масса, состоящая из мелких ледяных кристаллов (игл, пластинок), сцементированных водой. Она образуется в толще воды при переохлаждении и турбулентном перемешивании. Шуга имеет вид кашицы или снежной массы, часто сероватого или белого цвета. Она может всплывать на поверхность, образуя шуговые поля, или скапливаться у препятствий (мостов, гидротехнических сооружений). Шуга характерна для рек Сибири и Дальнего Востока, например, для Енисея и Лены.

Донный лёд

Донный лёд — это кристаллы льда, которые нарастают на дне водоёма, особенно на камнях, гальке или растительности. Он образуется при переохлаждении воды в придонном слое, где течение замедляется из-за трения о дно. Донный лёд может достигать толщины в несколько десятков сантиметров и часто отрывается от дна, всплывая на поверхность вместе с захваченными частицами грунта. Это явление особенно опасно для гидротехнических сооружений, так как может забивать водозаборы.

Глубинный лёд

Глубинный лёд — это кристаллы, образующиеся в толще воды на некоторой глубине, обычно в озёрах и морях. В отличие от шуги, глубинный лёд формируется в условиях слабой турбулентности и может иметь более крупные кристаллы (до нескольких сантиметров). В озёрах он часто встречается зимой при сильном охлаждении воды, а в морях — в приполярных районах, например, в Охотском море.

Внутриводный лёд в морях

В морских акваториях внутриводный лёд образуется при переохлаждении воды, которое может достигать −1,8 °C из-за солёности. Кристаллы льда в морской воде имеют игольчатую форму и называются ледяными иглами. Они могут скапливаться у поверхности, образуя так называемое «ледяное сало» — тонкий слой кристаллов, который затем превращается в нилас (тонкий лёд). Внутриводный лёд в морях важен для формирования ледяного покрова в Арктике и Антарктике.

Распространение в России

Внутриводный лёд наиболее характерен для рек России, протекающих в зонах сурового климата. В Сибири и на Дальнем Востоке, где зимние температуры опускаются ниже −30…−40 °C, внутриводное льдообразование является обычным явлением.

• Река Енисей: в нижнем течении, особенно в районе Красноярска, шуга и донный лёд образуются ежегодно. Это связано с быстрым течением (до 2–3 м/с) и сильными морозами.
• Река Лена: в верховьях и среднем течении шуга часто забивает русло, вызывая подъём уровня воды и образование наледей.
• Река Амур: в зимний период внутриводный лёд наблюдается на участках с быстрым течением, особенно в Хабаровском крае.
• Озёра: в озёрах Карелии и Мурманской области (например, Онежское озеро) глубинный лёд образуется в придонных слоях при сильном охлаждении.

Влияние на гидротехнические сооружения

Внутриводный лёд представляет серьёзную проблему для гидроэнергетики, водоснабжения и судоходства. Шуга и донный лёд могут забивать водозаборные решётки, турбины гидроэлектростанций и системы охлаждения, что приводит к авариям и снижению эффективности работы.

Забивка водозаборов

На реках с интенсивным шугообразованием водозаборные сооружения часто оснащаются специальными устройствами — шугосбросами, подогревателями решёток или механическими очистителями. В противном случае шуга может полностью перекрыть подачу воды, что особенно критично для тепловых и атомных электростанций, использующих речную воду для охлаждения.

Наледи

Донный лёд, отрываясь от дна, может всплывать и скапливаться у мостов, плотин и других препятствий, образуя наледи — ледяные пробки, которые поднимают уровень воды и могут вызывать затопления. В России такие явления часто наблюдаются на реках Сибири, например, на Ангаре и Иртыше.

Экологическое значение

Внутриводный лёд влияет на гидрологический режим водоёмов и экосистемы. В реках он способствует аэрации воды (насыщению кислородом), так как кристаллы льда захватывают пузырьки воздуха. Однако массовое образование шуги может приводить к гибели рыбы, особенно в нерестовых реках, так как ледяные кристаллы повреждают жабры и затрудняют дыхание.

В озёрах глубинный лёд может вызывать зимнее перемешивание воды, что важно для циркуляции питательных веществ. В морях внутриводный лёд участвует в формировании ледяного покрова и влияет на климатические процессы, например, на образование полыней.

Интересные факты

• Внутриводный лёд впервые был описан в научной литературе в XIX веке русским гидрологом А. И. Воейковым, который изучал явления на реках Европейской России.
• В реках с быстрым течением шуга может образовываться при температуре воздуха всего −5 °C, если вода переохлаждена на 0,1–0,2 °C.
• Донный лёд часто захватывает частицы грунта (песок, гальку), что делает его более плотным и тяжёлым, чем обычный лёд. При всплытии такой лёд может поднимать со дна камни весом до нескольких килограммов.
• В России проблема внутриводного льда особенно актуальна для ГЭС Ангаро-Енисейского каскада, где ежегодно проводятся мероприятия по борьбе с шугой.

Источники

• Воейков А. И. «Климаты земного шара, в особенности России». — СПб., 1884.
• Гидрология: учебник для вузов / под ред. В. Н. Михайлова, А. Д. Добровольского. — М.: Высшая школа, 2005.
• Ледотехника: теория и практика / под ред. В. А. Котлякова. — М.: Наука, 2010.
• «Внутриводный лёд и его влияние на гидротехнические сооружения» // Журнал «Гидротехническое строительство», № 3, 2018.
• «Шуга и донный лёд на реках Сибири» // Труды Государственного гидрологического института, вып. 345, 2015.