Удивительный феномен - под толстым слоем льда вода остается жидкой! Как такое возможно? В этой статье мы разберемся в физике этого явления, узнаем, как именно лед защищает воду от замерзания, и ответим на вопрос: почему вода под толстым слоем льда не замерзает? Физические законы, удивительные свойства воды и льда, интересные факты - все это ждет вас в этой статье.
Как происходит замерзание водоемов и образование льда
Замерзание воды начинается, когда температура опускается до +4°C. При этой температуре вода достигает наибольшей плотности и начинает активно циркулировать. Более легкие и холодные слои воды поднимаются к поверхности. А более теплые и тяжелые слои опускаются ко дну.
Это явление называется инверсией плотности воды. Оно крайне важно, ведь если бы вода вела себя как большинство жидкостей и ее плотность росла с понижением температуры, то лед образовывался бы на дне водоемов. А это привело бы к полному перемерзанию всех рек и озер каждую зиму.
Инверсия плотности воды при замерзании - удивительное исключение из общих физических законов, благодаря которому возможна жизнь в водоемах зимой.
Как только тонкий слой поверхностной воды достигает 0°C, начинается образование первых кристаллов льда. Лед растет от берегов к центру водоема, постепенно покрывая всю поверхность. Этому способствует ряд удивительный свойств льда:
- Плотность льда меньше плотности воды, поэтому он всплывает.
- В состав льда при замерзании попадает много пузырьков воздуха, увеличивающих его плавучесть.
- Лед образует прочную кристаллическую решетку, что придает ему дополнительную прочность.
Кроме того, теплопроводность льда почти в 4 раза выше, чем у воды. Это означает, что лед гораздо активнее отбирает тепло у поверхности воды и передает его в окружающую среду.
Почему вода подо льдом не замерзает
Как только водоем покрывается сплошным ледяным покровом, дальнейшее охлаждение воды прекращается. Лед мешает ветру перемешивать воду и препятствует теплообмену между атмосферой и водой.
Более того, холодная и легкая пресная вода, прилегающая к нижней поверхности льда, не опускается и не смешивается с теплыми, более тяжелыми слоями у дна водоема. Таким образом, эти теплые глубинные слои остаются нетронутыми всю зиму.
А сам лед, как уже было сказано, обладает низкой теплопроводностью. Он создает своеобразную теплоизоляцию, защищая воду от дальнейшего переохлаждения.
Почему вода не замерзает под толстым слоем льда? Кратко - потому что лед препятствует теплообмену и сам является плохим проводником тепла, «утепляя» воду.
Теоретическая возможность полного промерзания водоемов
Теоретически, любой водоем при очень низких температурах воздуха может полностью промерзнуть - вплоть до дна. В таком случае тепло будет постепенно выкачиваться из всех слоев воды, несмотря на защитные свойства льда.
Однако на практике это происходит крайне редко. Об этом рассказывают на уроке физики в 8 классе: "Почему вода под толстым слоем льда не замерзает?" Потому что скорость теплоотдачи через толстый слой льда очень мала.
Реальная ситуация: что может полностью промерзнуть
Полностью покрыться льдом до дна могут только очень мелкие водоемы - лужи, небольшие пруды и озера. При суровых зимах замерзают пруды глубиной до 2-3 метров.
А вот средние и крупные водоемы, такие как реки, озера и водохранилища, в них почему вода под толстым слоем льда не замерзает? Физика, 8 класс - потому что глубинные слои воды сохраняют положительную температуру - до +4°С.
Максимальная глубина промерзания водоемов
Даже в самые суровые зимы глубокие реки и озера промерзают не полностью. Глубина промерзания зависит от температуры воздуха и продолжительности морозов. Например, для реки Нева этот показатель может достигать 120 см. А для Байкала - всего 25 см.
Таким образом, благодаря особенностям теплообмена и низкой теплопроводности льда, вода под толстым ледяным покровом не замерзает даже в самые лютые морозы. Почему вода под толстым слоем льда не замерзает - теперь вы знаете ответ.
Источники подземного тепла, препятствующие промерзанию
Кроме того, на глубине в земле могут находиться источники тепла - горячие подземные воды, выходы магмы и так далее. Они также подогревают придонные слои водоема, вот почему вода под толстым слоем льда не замерзает.
Примеры водоемов со льдом, но незамерзшей водой
Яркий пример - озеро Восток в Антарктике. Оно покрыто 4-километровым слоем льда, но подо льдом есть незамерзшая вода глубиной до 1200 метров. Это стало возможным благодаря геотермальному подогреву с глубин.
