Температура подо льдом 0,1-0,3° выше нуля, весной во время ледохода она не превышает 1°. В периоды без ледовых явлений температура воды зависит в основном от температуры воздуха. Среднесуточная температура воды до середины лета обычно ниже, чем воздуха, в конце лета и осенью - выше.

Ниже водохранилищ температура речной воды летом существенно ниже обычной, зимой выше, что приводит к возникновению многокилометровых незамерзающих уча­стков реки. Обильное подземное питание реки охлаждает ее воду в летний период, зи­мой приводит к уменьшению ледяного покрова, а иногда - к образованию полыньей.

Суточные максимумы температуры воды запаздывают на 1-2 часа по сравнению с температурой воздуха.

На малых и средних реках температура воды по глубине практически не меняется, на крупных реках возможно ее уменьшение летом в нижних слоях на 1-2°.

Тепловой сток (W m в Дж или ккал) - количество тепла, проносимое через задан­ный створ реки за интервал времени (∆t ):

W m = L тпл ·ρ·T·V, где V - объем водного стока за тот же интервал времени, Т - средняя температура воды, ρ - ее плотность, L тпл - удельная теплоемкость воды.

Крупные реки, текущие в меридиональном направлении - трансзональные реки - имеют температуру воды, не свойственную рекам данной местности.

Реки по характеру ледового режима делятся на три группы: замерзающие, с неус­тойчивым ледоставом и незамерзающие.

На замерзающих реках выделяют три периода с характерными ледовыми явле­ниями: 1) замерзания, или осенних ледовых явлений, 2) ледостава, 3) вскрытия, или ве­сенних ледовых явлений.

Замерзание рек.При снижении температуры воды до нуля в реке начинаются осенние ледовые явления. Сало- плывущие пятна ледяной пленки, состоящие из кри­сталликов льда в виде тонких игл. Примерно в то же время образуются забереги- по­лосы неподвижного льда у берегов. При переохлаждении воды (до долей градуса ниже нуля) в ее толще и на дне может образовываться внутриводный лед- непрозрачная губчатая, ледяная масса из хаотически сросшихся кристалликов льда. Скопление внут-риводного льда на поверхности или в толще потока образуют шугу.Ее движение назы­вается шугоходом.Одновременно на поверхности образуются льдины, состоящие из кристаллического льда. Их движение - осенний ледоход.Закупорка русла шугой назы­вается зажором,а льдинами - затором.

Ледостав- образование сплошного неподвижного ледяного покрова. Небольшие незамерзающие участки - полыньи.Они связаны с выходами подземных вод или с бурным течением, иногда со сбросом в реку теплых вод промышленными и комму­нальными предприятиями. По мере нарастания толщины ледяного покрова, поперечное сечение русла уменьшается. Под влиянием возникающего напора вода может изливать­ся на поверхность льда. При ее замерзании образуется наледь.

Вскрытие рек. При наступлении положительных температур воздуха весной на­чинается таяние снега, а затем и льда. На реке у берегов образуются полосы чистой во­ды - закраины. Сцепление ледяного покрова с берегом прекращается, появляются трещины. Иногда после этого наблюдаются небольшие (в несколько метров) смещение ледяных полей - подвижки льда. Затем ледяной покров разбивается на отдельные льдины, движение которых образуют весенний ледоход. Чаще, чем осенью, возникают заторы, особенно на крупных реках, текущих с юга на север. На малых реках ледяной покров нередко тает на месте без ледохода.

Причиной всему одна из аномалий воды. Насколько всем известно, плотность пресной воды равна 1 г/см 3 (или 1000 кг/м 3). Однако это значение меняется в зависимости от температуры. Наибольшая плотность воды наблюдается при +4°C, при увеличении или уменьшении температуры от этой отметки, значение плотности понижается.

Что же происходит на водоёмах? С приходом осени, когда наступают холода, поверхность воды начинает охлаждаться и, следовательно, становиться тяжелее. Плотная поверхностная вода погружается на дно, а более глубинная - всплывает на поверхность. Таким образом, происходит перемешивание до тех пор, пока вся вода не достигнет температуры +4°C. Поверхностная вода продолжает охлаждаться, но плотность её теперь уменьшается, поэтому верхний слой воды остаётся на поверхности, и перемешивание уже не происходит. В итоге поверхность водоёма покрывается льдом, а глубинные воды охлаждаются очень медленно, только за счёт теплопроводности, которая у воды очень низкая. На протяжении всей зимы придонные воды могут сохранять свою температуру на уровне 4°C. С приходом весны и лета происходит обратный процесс, но глубинные воды опять же сохраняют свою температуру.

Благодаря этой интересной особенности сравнительно крупные водоёмы практически никогда не промерзают до дна, что даёт рыбам и прочим водным обитателям возможность выжить зимой.

Дети, которых воспитали животные

10 тайн мира, которые наука, наконец, раскрыла

2500-летняя научная тайна: почему мы зеваем

Чудо-Чина: горох, способный подавлять аппетит на несколько дней

В Бразилии из пациента вытащили живую рыбу больше метра длиной

6 объективных причин не бояться микробов

Первый в мире кошачий рояль

Невероятный кадр: радуга, вид сверху

Природа удивляет нас необъяснимыми явлениями. Одно из них - кристаллизация воды. Многие интересует такой необычный вопрос, как почему при минусовых температурах на поверхности водоема образуется лед, а вот под льдом вода сохраняет жидкую форму. Как это объяснить?

Почему вода под толстым льдом не замерзает: ответы

При каком температурном режиме она начинает затвердевать? Этот процесс начинается уже при понижении температуры до 0 градусов по Цельсию, при условии, что сохраняется нормальный уровень атмосферного давления.

Слой льда в данном случае выполняет термоизоляционную функцию. Он защищает воду, которая находится под ним, от воздействия низких температур. Тот слой жидкости, который расположен прямо под ледяной коркой, имеет температуру всего 0 градусов. А вот более нижний слой отличается повышенной температурой, которая колеблется в пределах +4 градусов.

Ознакомьтесь с нашей публикацией Где находятся черные леса?

Если температура воздуха продолжает снижаться, лед становится толще. При этом охлаждается тот слой, который расположен непосредственно подо льдом. При этом вся вода не промерзает, так как она отличается повышенной температурой.

Кроме этого, важным условием образования ледяной корки является то, что низкая температура должна удерживаться на протяжении длительного времени, иначе лед не успеет образоваться.

Как образуется лед?

При снижении температуры плотность жидкости снижается. Именно этим и объясняется то, что более теплая вода находится снизу, а холодная - сверху. Воздействие холода провоцирует расширение и уменьшение плотности, в результате на поверхности образуется ледяная корка.

Благодаря таким свойствам воды, в нижних слоях удерживается температура +4 градуса. Этот температурный режим идеально подходит для жителей глубин водоемов (как рыб, так и моллюсков, растений). Если температура снизится, они погибнут.

Интересно то, что в теплое время года все наоборот - температура водоема на поверхности гораздо выше, чем на глубине. То, насколько быстро будет замерзать вода, зависит от того, сколько в ее составе присутствует солей. Чем выше концентрация соли, тем хуже она замерзает.

Ледяная корка способствует удерживанию тепла, поэтому вода под ней немного теплее. Лед препятствует пропусканию воздуха в нижний слой, что способствует сохранению определенного температурного режима.

Если ледяная корка толстая и водоем имеет достаточную глубину, вода в нем не будет промерзать полностью. Если же ее немного, есть вероятность того, что при воздействии низких температур промерзнет весь водоем.

Русская народная традиция - купаться в проруби в Крещенье, 19 января, привлекает все больше и больше людей. В этом году в Петербурге были организованы 19 прорубей, называемых «купель» или «иордань». Проруби были хорошо оснащены деревянными мостками, везде дежурили спасатели. И интересно, что, как правило, купающиеся люди говорили журналистам, что они очень довольны, вода теплая. Я сама не купалась зимой, но знаю, что вода в Неве действительно, по данным измерений была + 4 + 5 °С, что значительно теплее температуры воздуха - 8 °С.

Тот факт, что температура воды подо льдом на глубине в озерах и реках выше нуля на 4 градуса известен многим, но, как показывают обсуждения на некоторых форумах, не все понимают причину этого явления. Иногда повышение температуры связывают с давлением толстого слоя льда над водой и изменением в связи с этим температуры замерзания воды. Но большинство людей, успешно изучавших физику в школе, уверенно скажут, что температура воды на глубине связана с известным физическим явлением - изменением плотности воды с температурой. При температуре +4°С пресная вода приобретает свою наибольшую плотность .

При температурах вблизи 0 °С вода становится менее плотной и более легкой. Поэтому при охлаждении воды в водоёме до +4 °С прекращается конвекционное перемешивание воды, дальнейшее её охлаждение происходит только за счет теплопроводности (а она у воды не очень высокая) и процессы охлаждения воды резко замедляются. Даже в лютые морозы, в глубокой реке под толстым слоем льда и слоем холодной воды всегда будет вода с температурой +4 °С. До дна промерзают лишь мелкие пруды и озера.

Мы решили разобраться, почему при охлаждении вода ведет себя так странно. Оказалось, что исчерпывающее объяснение этому явлению еще не найдено. Существующие гипотезы не нашли пока экспериментального подтверждения. Надо сказать, что вода — не единственное вещество, имеющее свойство расширяться при охлаждении. Подобное поведение характерно также для висмута, галлия, кремния и сурьмы. Однако именно вода вызывает наибольший интерес, поскольку является веществом, очень важным для жизнедеятельности человека и всего растительного и животного мира.

Одна из теорий - существование в воде двух типов наноструктур высокой и низкой плотности, которые изменяются с температурой и порождают аномальное изменение плотности. Ученые, изучающие процессы переохлаждения расплавов, выдвигают следующее объяснение. При охлаждении жидкости ниже температуры плавления внутренняя энергия системы уменьшается, подвижность молекул снижается. В то же самое время усиливается роль межмолекулярных связей, за счет которых могут формироваться разнообразные надмолекулярные частицы. Опыты ученых с переохлажденным жидким о_терфенилом позволили предположить, что в переохлажденной жидкости со временем может образовываться динамическая «сетка» из более плотно упакованных молекул. Эта сетка разделяется на ячейки (области). Молекулярные переупаковки внутри ячейки задают скорость вращения молекул в ней, а более медленная перестройка самой сетки приводит к изменению этой скорости во времени. Что-то подобное может происходить и в воде.

В 2009 г. японский физик Масакадзу Мацумото, используя компьютерное моделирование, выдвинул свою теорию изменения плотности воды и опубликовал ее в журнале Physical Review Letters (Why Does Water Expand When It Cools?) («Почему вода при охлаждении расширяется?»). Как известно, в жидкой форме молекулы воды посредством водородной связи объединяются в группы (H 2 O) x , где x — количество молекул. Наиболее энергетически выгодно объединение из пяти молекул воды (x = 5) с четырьмя водородными связями, в котором связи образуют тетраэдральный угол, равный 109,47 градуса.

Однако тепловые колебания молекул воды и взаимодействия с другими молекулами, не входящими в кластер, препятствуют такому объединению, отклоняя величину угла водородной связи от равновесного значения 109,47 градуса. Чтобы как-то количественно охарактеризовать этот процесс угловой деформации, Мацумото с коллегами, выдвинули гипотезу о существовании в воде трехмерных микроструктур, напоминающих выпуклые полые многогранники. Позднее, в следующих публикациях, такие микроструктуры они назвали витритами. В них вершинами являются молекулы воды, роль ребер играют водородные связи, а угол между водородными связями — это угол между ребрами в витрите.

Согласно теории Мацумото, существует огромное разнообразие форм витритов, которые, как мозаичные элементы, составляют большую часть структуры воды и которые при этом равномерно заполняют весь ее объем.

На рисунке шесть типичных витритов, образующих внутреннюю структуру воды. Шарики соответствуют молекулам воды, отрезки между шариками обозначают водородные связи. Рис. из статьи Masakazu Matsumoto, Akinori Baba, and Iwao Ohminea.

Молекулы воды стремятся создать в витритах тетраэдральные углы, поскольку витриты должны обладать минимально возможной энергией. Однако из-за тепловых движений и локальных взаимодействий с другими витритами, некоторые витриты принимают структурно неравновесные конфигурации, которые позволяют всей системе в целом получить наименьшее значение энергии среди возможных. Такие назвали фрустрированными. Если у нефрустрированных витритов объем полости максимален при данной температуре, то фрустрированные витриты, напротив, обладают минимально возможным объемом. Компьютерное моделирование, проведенное Мацумото, показало, что средний объем полостей витритов с ростом температуры линейным образом уменьшается. При этом фрустрированные витриты значительно уменьшают свой объем, тогда как объем полости нефрустрированных витритов почти не меняется.

Итак, сжатие воды при увеличении температуры, по мнению ученых, вызвано двумя конкурирующими эффектами — удлинением водородных связей, которое приводит к увеличению объема воды, и уменьшением объема полостей фрустрированных витритов. На температурном отрезке от от 0 до 4°C последнее явление, как показали расчеты,преобладает, что в итоге и приводит к наблюдаемому сжатию воды при повышении температуры.

Это объяснение основано пока только на компьютерном моделировании. Экспериментально его очень трудно подтвердить. Исследование интересных и необычных свойств воды продолжается.

Источники

О.В. Александрова, М.В. Марченкова, Е.А. Покинтелица «Анализ термических эффектов, характеризующих кристаллизацию переохлажденных расплавов» (Донбасская национальная академия строительства и архитектуры)

Ю. Ерин. Предложена новая теория, объясняющая, почему вода при нагревании от 0 до 4°C сжимается (