Чому вода не замерзає під товстим шаром льоду?
Чому вода не замерзає під товстим шаром льоду?
Вода часто веде себе абсолютно незвично, зовсім не так, як переважна більшість інших речовин. Цікава аномалія спостерігається з нею при замерзанні – лід виявляється зверху, закриваючи собою маси незамерзлої води. За всіма законами фізики речовина в твердому агрегатному стані повинно бути важче рідкого аналога, а отже, лід повинен був би бути на дні.
Але все ж він плаває зверху, а вода під ним залишається не просто рідкою, але й придатною для зимівлі живих істот. Якби все було інакше, і лід збирав би на дні, збереження життя у воді було б неможливим. Адже тоді водойми промерзали б повністю кожну зиму. Що забезпечує захист водойм, і чому вода залишається не промерзлою?
Чому лід не тоне?
Кристалічна структура льоду. Сірими пунктирними лініями показані водневі зв’язки.
Плавучість льоду забезпечується тим, що при замерзанні його щільність стає менше, ніж у навколишнього води. Він знаходить кристалічну решітку, а ще нерідко збагачується пухирцями повітря, які дають йому додатковий запас плавучості. Формується покрив від кромки водойм, поступово наближаючись до центру. Початкова товщина і міцність льоду невеликі, однак такі можуть швидко збільшуватися в морози.
Цікавий факт: найміцніший лід, по якому можна сміливо ходити, має блакитний або зеленуватий відтінок. Якщо лід білий, він у два рази менш міцний, а якщо сірий, ступати на нього не варто взагалі. Якщо кинути у воду шматок льоду, то спочатку він піде до дна. Однак у подальшому він трохи підтане, вода навколо нього росіл, і він спливе.
Чому замерзає тільки верх водойми?
Температура води під льодом
В теорії, будь-яка водойма може замерзнути, до самого дна перетворившись на лід. На практиці ж і невелике озеро з максимальною глибиною метра в 3 не промерзає до дна навіть у сувору російську зиму, не кажучи вже про інших водоймах. Відбувається це через льоду, здатного забезпечити суттєву захист від переохолодження води. Щоб розібратися в нюансах, необхідно розглянути, як відбувається сам процес охолодження води.
При досягненні водними масами позначки +4 градуси починається інтенсивний процес переміщення шарів у водоймі. Холодні шари починають підніматися вгору, адже їх щільність з урахуванням специфіки води виявляється найбільш низькою. Теплі маси накопичуються на дні водойми. У верхніх холодних шарах починається процес утворення льоду, який поступово охоплює і перекриває всю поверхню. Після цього охолодження води практично припиняється.
Вода під льодом вже не може перемішуватися вітром, всі шари залишаються в цілості – особливо в стоячих або повільно поточних водах. Низька теплопровідність льоду створює своєрідну подушку, захищає від подальшого выстуживания водойми. Втім, теплопровідність води теж невисока.
Водні маси залишаються буквально законсервованими під крижаним панциром до теплого періоду, і всі підводні мешканці можуть без проблем перезимувати. Єдиним складним для них моментом є дефіцит кисню, адже лід відокремлює водну поверхню від повітря і перешкоджає її насичення даними життєво важливою речовиною. Саме тому риби в зимовий час іноді прибиваються до пробурених лунках або іншим отворів під льоду – їм просто душно.
Цікавий факт: завдяки унікальним властивостям льоду і води озера існують навіть в Антарктиді. Так, одне з них, Схід, знаходиться під крижаним шаром товщиною в 4 км. На даний момент не з’ясовано, є в ньому якісь живі істоти.
Деякі види тварин зимують прямо по льоду рідних озер – такі жаби, тритони, наприклад. Особливості фізіології дозволяють їм без ризику для життя заморожувати тільця, і надалі, після відтавання навесні, вони можуть знову жити, як раніше. Природні антифризи в клітинах виключають утворення гострого кристалики льоду в кожній з них при заморожуванні, а адже саме цей кристалик руйнує живу клітину, приводячи до її загибелі і неможливості відтавання в колишньому вигляді. Амфібіям мороз і замерзання в льоду не страшні.
Таким чином, лід, що утворився по верхній кромці водойми, захищає його від подальшого виморожування за рахунок своєї низької теплопровідності. Теоретично промерзнути до дна можуть навіть океани, проте температури для цього повинні бути дуже низькими. На практиці ж повністю вимерзають тільки калюжі і дуже дрібні водойми, а крім того, неглибокі ставки і озера можуть повністю промерзати при дуже суворих зимах. В звичайних умовах під шаром льоду завжди зберігається вода з невеликим плюсовим показником температури.