Главная страница Физика природных явлений Начнем с первого из них - почему море начинает замерзать от берегов? Раньше полагали, что тут дело в пресной воде, которая попадает в прибрежную полосу из устьев рек. Но в действительности дело не только в этом. В отличие от пресной воды, имеюпдей наибольшую плотность при 4 °С, соленая морская вода тем плотнее, чем ниже температура (при заданной степени солености). По этой причине в море на глубоких местах происходит конвекция: охлаждающиеся у поверхности воды слои, становясь более плотными, чем. нижние, опускаются вниз, а на смену им поднимается из глубины более теплая вода. На мелком же месте охладившиеся поверхностные слои воды опуститься не могут; им некуда опускаться, и в результате здесь раньше, чем на глубоком месте, образуется лед. Сам процесс замерзания морской воды оказывается далеко не простым. Здесь весьма важны два момента. Во-первых, температура замерзания соленой воды, или, как обычно говорят, рассола, уменьшается по мере возрастания степени солености (рис. К.1). Когда доля соли у в рассоле составляет, например, 0,05 (50 г соли в 1 кг рассола) , температура замерзания равна -2,8 °С. При у=0,1 температура замерзания понижается до -6,4°С, при у=0,2 до - 16°С, при у=0,3 до -23 °С. Во-вторых, кристаллическая решетка льда может образоваться лишь из атомов кислорода и водорода - она не допускает замены этих атомов какими-либо другими. Отсюда следует, что сами кристаллы льда - это всегда чистый лед, независимо от того, из какой воды он образовался, пресной или соленой. Ну, а куда же при этом деваются соли? Они остаются в жидком рассоле. На рисунке К. 2 схематически показано, как выглядит в лабораторных условиях процесс замерзания морской воды на начальной стадии; синим цветом выделен чистый лед, а красным жидкий рассол. Видно, что куски льда плавают в рассоле и что некоторая часть рассола оказывается плененной внутри кусков льда (в кусках льда возникают продолговатые гнезда, заполненные рассолом). Итак, при замерзании рассола лед образуется только из растворителя (чистой воды), а соли концентрируются в жидком рассоле. Обратим внимание на слово концентрируются . Очевидно, что по мере образования льда концентрация солей в рассоле будет возрастать. А это, в свою очередь, означает, что температура замерзания будет уменьшаться - в результате весь процесс замораживания затормозится. Предположим, что в помещенной в пробирку пробе воды степень солености Y равна 0,035 (как в обычной морской воде). Будем охлаждать исследуемую пробу. Используя график на рисунке К.1, заключаем, что замерзание воды начнется при температуре -2 °С. Если бы это была пресная вода, то, во-первых, замерзание началось бы при О С и, во-вторых, температура пробы О °С не понизилась бы до тех пор, пока вся она не превратилась бы в лед. Иное дело - соленая вода. Как только в ней начинается процесс кристаллизации, небольшая часть растворителя (чистой воды) преврапдает-ся в лед - и тут же понижается температура замерзания, что обусловлено повышением концентрации солей в рассоле. Продолжаем охлаждать пробу - в ней все больше образуется кусочков льда, все более соленым становится раствор и, значит, все ниже опускается температура замерзания. Тому или иному значению температуры пробы морской воды соответствует определенное соотношение масс льда и жидкого рассола (включая рассол в гнездах внутри кусков льда). Процесс за- мерзания, как мы уже знаем, начинается при -2 °С. При -5°С лед будет составлять 57% массы пробы (43% -жидкий рассол). При -10 °С будем иметь 76,5% льда и 23,5% рассола; при - 20°С -85,2% льда и 14,8% рассола; при -30°С -95,6% льда и 4,4% рассола. Внешне проб напоминает сначала суп, а затем (по мере понижения температуры и продолжения процесса замерзания) жидкую кашу, которая будет постепенно все более густеть. Теперь понятно, почему, проделав подобный опыт, Ломоносов сделал вывод о том, что морская вода не может образовать прочного монолитного льда. На эту же мысль наводили и наблюдения, над молодым морским льдом, который иногда, при очень резком и сильном похолодании, вдруг за одну ночь покрывает поверхность моря. Лед этот (в настояпдее время его называют ниласом) плотно нашпигован гнездами с жидкдм рассолом; поэтому он очень эластичен- его покров подобен резиновому ковру, он изгибается на морской волне и крайне непрочен, не выдерживает человека. Поистине такой лед гибок и судам не вреден , от ветру в чепуху разбивается . Но в чем же в таком случае состояла ошибка Ломоносова? - Он не учел двух обстоятельств, не играюпдих роли, когда морская вода находится в пробирке, но принципиально важных, когда она находится в естественных условиях, т. е. в открытом море. Во-первых, в открытом море концентрация солей в рассоле, в котором начал образовываться лед (нилас), отнюдь не возрастает. Дело в том, что плотность соленой воды растет (при данной температуре) с увеличением ее солености. Поэтому в море одновременно с повышением солености приповерхностных слоев рассола будет происходить опускание этих слоев в глубину. На смену им поднимутся глубинные воды, имеющие концентрацию солей, соответствующую исходной. Во-вторых, образовавшиеся внутри льда гнезда рассола с течением времени перемещаются в направлении, в котором увеличивается температура, и рано или поздно выходят наружу - происходит интереснейшее явление самоопреснения морского льда (справедливости ради заметим, что Ломоносову это явление было неизвестно; его открыл в 1820 г. русский капитан Ф. Беллинсгаузен). На рисунке К.З схематически показано, как осуществляется перемещение гнезда рассола: с той стороны, где температура выше, лед в гнезде подтаивает, а с той стороны, где температура ниже, напротив, намерзает. В результате гнездо в целом смещается в том направлении, в каком возрастает температура. В естественных условиях это есть направление сверху вниз, именно так и перемещаются гнезда рассола. Очевидно, что процесс самоопреснения морского льда одновременно является и процессом его упрочнения. Благодаря этому процессу в открытом море формируются целые поля прочного многолетнего льда, который трудно отличить от льда, образующегося при замерзании пресной воды. Почему реки извиваются? Почему на повороте реки один берег, как правило, крутой, а другой - пологий? Почему у крутого берега глубоко, а у пологого мелко? Из- вивы рек не следует объяснять только рельефом местности. Главная причина здесь иная. Вообразим реку, текущую прямолинейно по совершенно ровной местности в достаточно однородном грунте. Легко сообразить, что даже в таких вполне идеальных условиях прямое направление реки будет неустойчивым. Пусть вследствие каких-либо причин, например небольшой неоднородности грунта, где-то вдоль течения образовался незначительный изгиб (рис. К.4, а). Выровняет ли река это случайно возникшее искривление русла? Оказывается, что не только не выровняет, а, наоборот, еще более увеличит. Это нетрудно объяснить. Возникновение случайного искривления русла означает, что в данном месте водная масса движется уже не прямолинейно, а по некоторой дуге. Значит, на массу воды действует центростремительная сила; это есть сила, с которой действует на воду берег А. По третьему закону Ньютона, с такой же по модулю силой будет действовать вода на берег А,- в резуль-
|
© 2000 - 2024 ULTRASONEX-AMFODENT.RU.
Копирование материалов разрешено исключительно при условии цититирования. |