Инженер-физик Ибраим Факидов. Колебания ледового покрова

Инженер-физик Ибраим Факидов. Колебания ледового покрова

Круглый год Чукотское море покрыто сплошными льдами. Лишь в течение двух-трех летних месяцев под действием высокой температуры, морских течений, ветров и других причин сплошной ледовый покров рассыпается на отдельные крупные и мелкие льдины. Гонимые ветрами и морскими течениями, они расползаются по желто-зеленой поверхности моря.

С приближением зимних месяцев чаще дуют ветры северных направлений, и разбегающиеся льдины сгоняются опять в Чукотское море. Они плотно облегают берега материка и островов, теснее прижимаются друг к другу.

Наступают холода. Тогда отдельные льдины смерзаются в сплошное ледяное поле, покрывающее всю поверхность Чукотского моря. Это поле примерзает к берегам и образует так называемый береговой припай льда.

В направлениях, не ограничиваемых берегами, ледяной покров простирается на тысячи километров, теряясь в просторах полярного [219] бассейна. Куски ледового поля многие годы плавают по полярным морям. Такие многолетние льды носят название полярного пака.

Ледяные поля имеют площади баснословных размеров — сотни тысяч квадратных километров. Естественно, что такая огромная неровная поверхность ледяного поля является гигантским парусом, гонимым могущественными силами ветров. Вот по этой-то причине ледяная кора на морской поверхности не находится в покое.

Льды дрейфуют под влиянием ветров и морских течений. Ветер приводит в движение льды, действуя на их верхнюю поверхность, а морские течения — действуя на нижнюю поверхность. Последнего рода дрейфы имеют место в том случае, если в районе плавания льдов существуют сильные потоки воды из одной части морского бассейна в другую. Примером может служить дрейф «Челюскина» из Берингова пролива обратно в Чукотское море. В ноябре 1933 года дрейф этот был направлен даже против ветра, дувшего тогда с севера. Это значит, что силы морского течения превосходили тогда силы ветра.

Вообще говоря, дрейф вызывается не только силами ветров и течений, но и силами ряда других, нам известных, а часто и неизвестных явлений. Можно вполне определенно утверждать лишь то, что ветры и течения являются главными виновниками головокружительных движений ледяных полей. Скорости дрейфа, которые мы наблюдали в рейсе «Челюскина», доходили до 80 метров в минуту. Какой колоссальной живой силой обладают огромные массы льда при таких скоростях!

Большие скорости дрейфа бывают в тех направлениях, где имеются свободные поверхности воды и куда может следовательно податься движимая ледяная громада. Зато скорость дрейфа начинает сильно падать, а иногда даже мгновенно обращается в нуль, когда на пути ледяного поля встречается препятствие: берег, мелководье или сильно забитое льдом море. Ледяные поля, сталкиваясь с препятствиями, подвергаются эластичному (упругому) сжатию наподобие пружины. Если ветер продолжает настойчиво дуть на огромные площади этого большого паруса, то и упругие свойства льда не спасают — деваться некуда! Тогда лед начинает по причудливым кривым трескаться, и одни его части с яростным шумом надвигаются на другие, выворачивая ледяные громады в несколько сот тонн весом и ставя их в причудливые позы. Такое нагромождение гряд напоминает горный хребет. Высота этих гряд иногда достигает десяти и более метров.

Явление образования ледяных гряд называют торошением, а ледяные обломки, составляющие гряду, — торосами. Эти торосы стоят [220] с гордой осанкой и привлекают к себе взоры своей неописуемо красочной игрой цветов. Хочется такой торос перенести на материк, на одну из площадей нашей столицы и поставить его в качестве памятника всем предшествующим исследователям Арктики!

Точно представить себе распределение сил, разрушающих лед при торошении, очень трудно. Эти силы иногда располагаются так, что в одном месте они совершают торошение, а в другом, разрывая ледяную кору, обнажают темную поверхность воды, находящуюся под ледяным панцырем. Такая свободная водяная поверхность меж льдов носит название разводья, или майны. Разводья иногда имеют значительные размеры, но в зимние месяцы, когда море сильно забито льдами, большие разводья обычно встретить трудно.

В образующихся разводьях часто показываются головы нерп, тюленей и других морских зверей. Им вероятно надоедает жить под ледяной скорлупой, и они высовывают свои щуплые мордочки.

Зимой гряды торосов быстро смерзаются, а разводья покрываются льдом. В зимние месяцы мы можем представить себе ледяной покров Чукотского моря как единую ледяную плиту, состоящую как бы из одного сплошного куска, хотя ледяные поля живут бурной жизнью, трескаясь, образуя разводья.

* * *

«Челюскин» являлся составной частью ледяного покрова Чукотского моря, так как льды тесно обступили его и примерзли к его бортам. Среди белого мира льдов и снегов «Челюскин» казался торосом, окрашенным в черный цвет… Льды дрейфовали, и с ними — «Челюскин».

Однажды, — это было в начале января 1934 года, — когда дул северо-восточный ветер, дрейф прекратился. Льды уперлись в берега Чукотки. Лед под влиянием ветра упруго сжимался. Кое-где происходили незначительные торошения. Потом ветер стих. Упруго сжатый лед после исчезновения сжимавших его сил ветра не мог уже оставаться в прежнем положении. Тогда лед испытывал отдачу наподобие отдачи сжатой пружины, и ледяные поля отбрасывались назад. При отдачах также происходят передвижки льда: где торосится, а где разводит.

Недалеко от «Челюскина» образовалась не очень большая по размерам полынья. Это было вблизи того места, где у нас были ледяные «копи» — место заготовки старого льда для пресной воды. Стоял сильный мороз, но ветра не было. [221]

Во время одной из перекурок, сидя на ропаке вблизи маленькой, полыньи, я обратил внимание на то, что по поверхности молодого льда, покрывающего полынью, что-то быстро-быстро пробегает. Я подвинулся ближе и заметил, что ледяная корка вдоль одной линии опускается, а вдоль другой, ей параллельной, поднимается, образуя как бы еле заметные волны. Это была обыкновенная рябь, какая бывает на свободной поверхности воды. Я понял тогда, что ледяная корка пропускала сквозь себя какие-то волны и совершала колебательные движения.

Где причины, вызывающие эти колебательные движения? Какие силы волнуют ледяную кору? Что колеблет лед? Эти вопросы долго занимали меня.

Прошло некоторое время, и я эти же колебания ледового покрова заметил совершенно иным путем и в иных условиях…

Стоял безветреный, ясный, холодный день.

Я должен был произвести очередное определение магнитного склонения, т. е. измерить угол между магнитным и географическим меридианами. Цифра, выражающая величину этого угла, должна быть нанесена на морскую карту, чтобы ее знал судоводитель, оказавшийся в этих широтах. Я положил ящички с приборами, в угольный мешок, сделанный наподобие рюкзака, взял подмышку штатив и ушел от судна примерно на два километра к северу. При магнитных измерениях следует уходить подальше от судна, так как стальной корпус искажает измеряемые величины, действуя на магнитную стрелку прибора.

Выбрал сравнительно ровную поверхность на ледяном поле, установил прибор и начал наблюдения. Вдали, около «Челюскина», копошатся челюскинцы, выполняя свою повседневную работу. Из трубы идет слабенький дым, говорящий об экономии угля.

Произвожу измерения, время от времени отогревая руки. Измерения вести на морозе в 30° тяжело. Вдруг я заметил, что в уровнях, при помощи которых я придал строгую горизонтальность, моему прибору, пузырьки отклонились от установленного мною положения (уровни расположены под прямым углом друг к другу). В одном отклонения пузырька были значительно больше, чем в другом. Такого рода колебания плоскости моего прибора, с таким трудом правильно устанавливаемого на льду, могли внести хотя и незначительную, но все же погрешность в магнитные измерения. Устранить эти колебания я был не в силах, они продолжались. Я невольно вспомнил о замеченной мною ряби на поверхности [222] молодого льда полыньи. И я начал приходить к выводу, что эти колебания имеют общую причину. Но какова же эта причина?

Чтобы в уровнях происходили замеченные мною перемещения пузырьков, ледяная основа, на которой стояла тренога прибора, должна совершать небольшие подъемы и спуски. Так и было. Толстые льды, на которых я теперь находился, были в состоянии колебательного движения, так же как и тонкий лед на поверхности майны, описанный выше.

Эти наблюдения поставили передо мной задачу изучить колебания ледового покрова моря, выяснить их сущность и установить характер и физические причины, порождающие это интересное явление.

Я задумался.

Огромная, беспредельная ледяная плита толщиной в несколько метров находится в состоянии дрожания; она колеблется наподобие барабанной перепонки человеческого уха, когда к ней прикасается Звуковая волна; она колеблется, как барабан под ударами барабанных палочек. В одном случае причина колебания — звуковая волна, в другом — удар палочек. Что же заставляет колебаться гигантский ледяной панцырь полярных морей?

* * *

Тема возникла в пути — в плане научных работ она не стояла, а изучить сущность замеченного явления надо.

В качестве приборов для изучения колебаний были взяты два накладных уровня с астрономического инструмента и самодельный вертикальный маятник. Чтобы защитить эти «приборы» от ветра, вдали от судна на цельной льдине была установлена брезентовая палатка. В ней велись наблюдения.

Уровни располагались на строго горизонтальной поверхности на льду. Горизонтальную поверхность мы получали, замораживая воду в выдолбленной во льду яме. Делалось это так: в яму наливалась вода; замерзая, середина образовавшегося льда выпучивалась; этот горб соскабливался ножом, затем в яму на расчищенную поверхность опять наливалась вода, но все более тонким слоем, до тех пор пока не получалась идеальная горизонтальная поверхность льда.

На эту поверхность и ставились взаимно перпендикулярно два уровня. Рядом находился компас, по которому отмечались направления наблюдаемых колебаний. Самодельный маятник, предок нынешних фантастически чувствительных сейсмографов — приборов, [223] изучающих колебания земной коры при землетрясениях, — чертил на бумаге кривые колебаний.

На протяжении всей этой работы я пользовался исключительным вниманием Отто Юльевича Шмидта, прекрасно понимавшего смысл наших наблюдений. Мне помогали капитан Воронин и геодезист Васильев.

* * *

Показания приборов и записи маятника установили, что лед всегда — при ветре, без ветра, при штиле — находится в колебательном движении, иногда сильном, а иногда слабом.

Что же дало исследование этих «ледяных волн»?

Исследование показало, что:

1) главной причиной колебаний ледового покрова является ветер;

2) наибольший размах колебаний наблюдается вдоль направления ветра;

3) при одинаковой силе и направлении ветра с прекращением дрейфа льда колебания возрастают;

4) при торошениях льда колебания возрастают;

5) самое главное — появление колебаний покрова льда в безветреные дни предупреждает о приближении надвигающихся воздушных масс — ветров.

Для выяснения детальной характеристики колебаний ледового покрова мы должны будем разработать особый тип «ледового сейсмографа». Наличие такого прибора даст возможность графически изобразить эти волны, как это делает сейсмограф, изображающий волны, пробегающие сквозь земную кору при землетрясениях.

Имея график ледяной волны в безветреный день, мы будем в состоянии указывать наступление ветра, так как теперь уже очевидно, что колебания ледового покрова опережают воздушные массы.

Применение таких приборов также даст возможность, находясь на береговом припае, узнавать о торошениях льда вдали от берегов. Таким образом мы сможем с берега наблюдать жизнь льдов на море, как бы щупая их пульс.

Обдумывая вопрос о колебательных процессах в ледовом покрове, я пришел к выводу, что для изучения свойств покрова могут оказать услугу волны, искусственно создаваемые взрывами во льду аммоналом или другим взрывчатым веществом. Когда мы производили взрывы аммоналом у Колючинской губы, то звуковые волны, пройдя сквозь лед, сотрясали корпус корабля. Это отмечалось приборами, [224] установленными на корпусе. Техника измерения естественных колебаний ледового покрова и искусственно созданных одна и та же.

Искусственные колебания можно использовать для ряда практических целей. Вот некоторые примеры. Когда ледокол подойдет к кромке ледового поля, он при помощи колебаний, полученных от взрыва, сможет определить кратчайшее расстояние до чистой воды или битого льда.

Как можно производить звуковую разведку льда? От взрыва аммонала во все стороны пойдут звуковые волны со скоростью двух тысяч метров в секунду. Дойдя до кромки льда, звуковая волна отразится и уйдет назад. Прибор заметит направление волны и время, в течение которого она шла до кромки и обратно. Зная скорость распространения волны, можно очень просто вычислить пройденное ею расстояние. Если мы таким путем узнаем на корабле, где находится ближайшая кромка льда, то можно будет во многих случаях отказаться от услуг самолетной разведки, требующей особых метеорологических условий. В Арктике такие условия бывают не столь часто.

Таким же методом можно установить границы ледового покрова на море. Знать границы покрова значит знать площадь, покрытую льдом. Количество льда на море каждый год разное. От его количества зависит быстрота освобождения моря от льда. Если мы сможем узнавать с берега количество льда на море, то окажется возможным более правильный прогноз весеннего ледового состояния. Это очень важно для целей мореплавания на Северном морском пути.

Пользуясь искусственными колебаниями льда, можно также определить границы ледового берегового припая. Это будет иметь практическое значение для промыслово-охотничьих работ. Охотники смогут знать расстояние от берега до чистой воды, что для них очень важно.

* * *

Перед гибелью «Челюскина» 12 февраля и до 13 часов 13 февраля были большие колебания льда. Они располагались по северо-восточному направлению, откуда дул ветер. Таким образом колебания ледового покрова предсказывали передвижку льдов, от которых погиб «Челюскин». Но указать точное время катастрофы мы тогда еще не могли… [225]