Введение
Коллекции кристаллов льда в открытой воде.
Фразельный лед – это скопление рыхлых, случайно ориентированных кристаллов льда размером в миллиметры и доли миллиметра, имеющих разнообразные формы, например, эллиптические диски, дендриты, иглы и неправильную форму. Фразельный лед образуется зимой в открытых участках рек, а также в озерах и водохранилищах, где и когда вода находится в турбулентном состоянии, вызванном действием волн и течений. Турбулентность приводит к переохлаждению водяного столба, поскольку теплообмен между воздухом и водой приводит к снижению температуры воды ниже точки замерзания (на несколько десятых градуса Цельсия или меньше). Фразельный лед можно обнаружить с подветренной стороны проток и в полыньях. В этих условиях он может накапливаться на поверхности воды, образуя так называемый маслянистый лед. Фразельный лед печально известен тем, что забивает водозаборные сооружения, поскольку кристаллы накапливаются и образуют нарост на входных решетках. Такие засоры негативно влияют на водоснабжение, гидроэлектростанции, атомные электростанции и суда, плавающие в холодных водах, и могут привести к внезапной остановке работы объекта или даже к разрушению решетки.
Формирование
Когда поверхность воды начинает быстро терять тепло, вода становится переохлажденной. Турбулентность, вызванная сильными ветрами или притоком из реки, перемешивает переохлажденную воду по всей ее глубине. Переохлажденная вода уже способствует образованию небольших кристаллов льда (ледяной взвеси), и кристаллы уносятся ко дну водоема. Лед обычно плавает, но из-за малого размера кристаллов ледяной взвеси по сравнению со скоростью течения, он обладает недостаточной плавучестью и может легко быть перенесен на дно. В процессе, называемом вторичной нуклеацией, количество кристаллов быстро увеличивается, и благодаря переохлажденной среде они продолжают расти. Иногда концентрация достигает одного миллиона кристаллов льда на кубический метр. По мере роста количества и размера кристаллов, ледяная взвесь начинает прилипать к предметам в воде, особенно если сами предметы имеют температуру ниже точки замерзания воды. Накопление ледяной взвеси часто вызывает наводнения или повреждение таких объектов, как мусоросборные решетки. Поскольку ледяная взвесь образуется под поверхностью воды, ее образование трудно обнаружить. Обычно она накапливается на подветренной стороне предметов и прилипает к ним. По мере отложения все большего количества ледяной взвеси, рост распространяется вверх по течению и увеличивается в ширину, пока накопления ледяной взвеси не соединятся и не заблокируют поток воды. По мере того как все больше воды наталкивается на эту преграду, давление на подветренной стороне увеличивается, создавая разность давлений (разницу между давлением на подветренной и наветренной сторонах). Это приводит к тому, что преграда начинает расти вниз по течению. Если это происходит, наводнение и повреждения вероятны, если не принять меры для предотвращения этого. Также было показано, что ледяная взвесь образуется под умеренными (или "теплоосновными") ледниками, поскольку вода быстро стекает вниз и переохлаждается из-за быстрого падения давления. Этот процесс "глациогидравлического переохлаждения" формирует открытую сеть пластинчатых кристаллов льда, которые эффективно улавливают ил из насыщенной осадками воды, текущей под ледниками и ледниковыми щитами. Последующее замерзание и перекристаллизация могут привести к образованию слоя льда, богатого осадками, в основании ледника, который при таянии в конечной части может привести к значительному накоплению осадков в моренах. Это явление подтверждается повышенной концентрацией трития — продукта ядерных испытаний и, следовательно, практически отсутствующего в льду, образовавшемся до 1945 года — в базальном льду нескольких ледников (что указывает на молодой лед) и наблюдением быстрого роста кристаллов льда вокруг отверстий для сброса воды в конечных частях ледников.
Контроль
Существует несколько способов борьбы с нарастанием изморози. К ним относятся подавление, механический контроль, термический контроль, вибрация, выбор материалов и смягчение последствий повреждений.
Подавление
Фразельный лед образуется в переохлажденной воде, что происходит из-за потери тепла поверхностными водами в более холодный воздух. Супрессия – это идея изоляции поверхностной воды неповрежденным, стабильным ледяным покровом. Ледяной покров предотвратит потерю тепла и прогреет уже образовавшуюся переохлажденную воду. Для эффективности этого метода необходимо покрыть достаточную площадь, однако точное значение понятия "достаточная" остается неизвестным. В реке Святого Лаврентия целенаправленно создают "условия течения, способствующие формированию стабильного ледяного покрова", чтобы предотвратить образование фразельного льда и последующие заторы.
Механическое управление
Эти методы включают стабилизацию замерзания, не ограничивая при этом поток воды, например, установку водосбросов и ледовых заграждений, монтаж водяных струй для разрушения возможных скоплений льда и использование ручного труда для удаления этих скоплений. Последний метод часто не является предпочтительным из-за высоких затрат на рабочую силу и сложных условий работы – холода, сырости и позднего времени суток. Обратная промывка – это еще одна технология, основанная на принципе компенсации разности давлений, вызванной накоплением рыхлого льда. Эта технология создает высокое давление с подветренной стороны объектов для устранения разности давлений.
Терморегулирование
Эти методы либо нагревают конструкции в воде, чтобы предотвратить прилипание иглообразного льда, либо нагревают воду, чтобы предотвратить образование иглообразного льда изначально. При нагревании конструкции, она должна быть нагрета до температуры выше точки замерзания. Электрические резистивные нагреватели оказались эффективными, но они связаны с потенциальными проблемами безопасности. Установка полых труб внутри конструкций, по которым прокачивается пар или теплая вода, также работает, однако этот метод был признан экономически невыгодным в эксплуатации.
Вибрация
Хотя этот метод все еще находится на экспериментальной стадии, взрыв динамитом – одна из форм вибрационного воздействия, способная разрушить любые скопления рыхлого льда. Заряд должен быть рассчитан с высокой точностью, чтобы разбить лед, не повредив при этом окружающие конструкции и окружающую среду. Важна также безопасность проведения взрыва, и близлежащие жители могут жаловаться на шумовое загрязнение. По всем этим причинам данный метод используется нечасто и лишь в крайних случаях, как аварийная мера.
Выбор материалов
Человеческие сооружения часто служат поверхностью, к которой прилипает иглообразный лёд. Поэтому при выборе материалов для этих сооружений необходимо учитывать адгезию льда. Например, стальные конструкции подвержены коррозии, а адгезия коррозии к льду очень прочная. Использование материалов с меньшей адгезией, таких как пластик, стекловолокно, графит или даже эпоксидное покрытие на стали, снизит вероятность прилипания. Хотя прилипание всё равно будет происходить, применение таких материалов облегчает использование других методов, например, очистку с помощью скребка.
Снижение ущерба
Ущерб может быть снижен за счет защиты определенных зон затопления инженерными сооружениями.