Моделирование термодинамического состояния ледников и их реакции на глобальные изменения климата

• Автор: Нагорнов, Олег Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 292 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение.

Глава 1. Термодинамические свойства льда, воды и их смеси

1.1. Термодинамические свойства льда I.

1.2. Термодинамические свойства воды

1.3. Равновесное плавление льда I.

1.4. Кинетическая модель фазовых превращений льда

1.5. Энергетическая оценка воздействия контактного взрыва на ледниковый массив

Глава 2. Моделирование процессов тепло и массонсреноса в окрестности полости шельфового ледника.

2.1. Основные процессы в шельфовой полости

2.2. Образование внутри водного льда в морской воде

2.3. Температурное поле шельфового ледника в окрестности скважины, пробуренной горячей водой
2.4. Численная методика решения задачи тепло и массопереноса в шельфовой полости
Глава 3. Термобурение ледников и качество извлекаемых ледяных кернов
3.1. Взаимодействие гидрофильных жидкостей со льдом
3.2. Одномерная модель взаимодействия льда и ЭВР автомодельное решение
3.3. Термоупругие напряжения в ледяном керне
3.4. Тепловое поле при бурении горячей водой
3.5. Температурный профиль во льду у Южного полюса
Глава 4. Реконструкции температуры поверхности ледниковою купола в прошлом по данным скважинных измерений
4.1. Особенности процессов тепло и массопереноса в ледниковых куполах
4.2. Обратная задача реконструкции температуры поверхности ледникового купола в прошлом по данным измерений температуры в скважине. Исследование свойств решения.
4.3. Различные подходы к решению задачи минимизации сглаживающего функционала
4.4. Реконструкция температуры поверхности ледникового купола по данным скважинных измерений температуры и изотопнокислородного отношения с учетом процесса рекристаллизации талой воды
Глава 5. Формирование снежнофирновой толщи ледника и прогноз его термодинамического состояния
5.1. Структура снежнофирновой толщи.
5.2. Термодинамические процессы в снежнофирновой толще
5.3. Граничные условия на поверхности ледника
5.4. Доступные данные измерений
5.5. Прогноз эволюции ледника Григорьева ТяньШань.
Заключение
Список литературы


Выбор пути интегрирования проводится исходя из анализа р-Т диаграммы льда, построенной на основе статических измерений (Впс^етсп, ; ). На Рис. Рис. Фазовая диаграмма воды. МПа и Т=1. К. Отметим, что лед 1Ь, в отличие от других модификаций льда, принадлежит к числу материалов, у которых температура плавления понижается с ростом давления. Для определения Р, = Р1(/>,7’) удобно выбрать в качестве пути интегрирования ломаную, составленную из отрезков, параллельных координатным осям (Рис. В качестве начальной точки выбрана точка, отвечающая р0 = 1°5 МПа и Т0 = 3. К, тогда У = 1. В результате интегрирования полного дифференциала (1. Г1(р'. Через Г. С, а через г - температура в кельвинах:/: =3 Рассмотрим экспериментальные данные, необходимые для определения У^т). Т в диапазоне 3-3 К. Г|(р0,7,)=7. Ы0"4 -7? Для нахождения pTi воспользуемся результатами измерений упругих констант льда Ih. Температурная зависимость изотермического модуля объемного сжатия Кт (Па) при р = р0 имеет вид (Gammon et al. Кт = . Z)/(-a- Tm) где a = 1. Tm = -. Pn(p„T)=m=Yj-'"". Kr l-o i. Бриджменом определено иное значение равное 3. Hobbs, ). Ниже для расчета использована формула (1. Остается найти зависимость /? Эксперименты (Бижигитов, ) показывают, что для льда Ih при низких температурах в широком диапазоне изменения давления имеет место соотношение = ^7-0 + "*|(р - Ро) (1-1. Т. Brocamp and Ruter () установили, что для интересующего нас температурного интервала да, =4. Используя формулы (1. Паундер () предложил термическое уравнение состояния льда У,~' =6. II(p-s)|l -1. Ю"4 Г. Легко видеть, что если в (1. К'! Па'1, то для р~ МПа после линеаризации получим из (1. Таким образом, (1. Т с учетом уточненных значений термодинамических характеристик льда. В таблице приведены результаты экспериментов Бриджмена () и расчета Ух по формуле (1. Видно, что по сравнению с данными Бриджмена () формула (1. V,, хотя относительная погрешность не превышает 0. По Бриджмен () По (1. О>,Г)=сг1(рс,Т)-тЦ^ + агГ1^р' (1. Величина ср1(р0>Т) измерена в широком диапазоне Т. Т)=2. Т. (Дж/(кг-град)) (1. Выражения для атх и — определяются из (1. Полученные термодинамические характеристики льда Ih использованы ниже для исследования равновесного плавления льда. Термодинамические характеристики воды, в том числе термическое уравнение состояния, при Т>3 К подробно изучены ранее в широком диапазоне изменения давления (Кузнецов, ; Замышляев и Менжулин, ; Шуршалов, ; Баум и др. Нам лее необходимо установить свойства воды при Т<3 К и р<7 МПа. Вода при различных давлениях от 0. МПа допускает большое переохлаждение. Область переохлажденного лсидкого состояния Н захватывает значительную часть области существования льда Ih, а самая низкая температура переохлажденной воды достигается при р=0 МПа и равна 1 К (Зацепина, ). Кроме того, вода при Т< 7 К обладает рядом аномальных свойств: коэффициент объемного расширения воды аТ2(р0,Т) отрицателен, удельная теплоемкость ср2(р0,Т) и изотермическая сжимаемость Pn{PvT) растут с уменьшением температуры. Объяснение подобным аномалиям находят в уникальных свойствах молекулы Н (Зацепина, ). Измерения плотности переохлажденной воды до Т=3 К проведены Железным (). Аналогичные данные до Т=5 К представлены Kell (). В пределах точности экспериментов данные Железного () и Kell () согласуются между собой. Результаты прецизионных экспериментов по определению аГ2 в широком диапазоне изменения температуры и давления изложены Minassian et al. Интерполяционная формула, дающая aT2(pj) и описывающая ее аномалии, имеет вид (Minassian et al. Q* • аТ2(руТ)= А + В /(С+D), (1. H= -2. Изотермическая сжимаемость воды определяется с помощью (1. Зависимость Pr2{pj{) при =3. К установлена Minassian et al. Ь3= -2. Ь4= 8. Величина рТ2 в (1. Симпсона. Заметим, что (1. Менее точное, но удовлетворительное с практической точки зрения термическое уравнение состояния воды можно получить с помощью результатов работы Kell (). В этой работе даны интерполяционные формулы для рп(р0,Т) и V2{r)=V2(pQj) при изменении Т от 3 до 3 К. Если принять, что д{р"г[^)1 дp~mz при m2=b. Ai(^y+K(*rm (1-2. VN =1.