Процес заморожування морського льоду на морському льоду

Внутрішня мікроструктура морського льоду складається із складної суміші прісноводного льоду, рідких розсолів та газових включень, завдяки чому склад цієї суміші має вирішальний вплив на фізичні властивості морського льоду. Знання внутрішньої мікроструктури морського льоду є необхідною умовою для точного визначення багатьох методів вимірювання, таких як товщина морського льоду.

Тип замерзання, зокрема, визначає мікроструктуру морського льоду. Обов’язковою умовою утворення льоду є, звичайно, охолодження морської води принаймні до точки замерзання холодним повітрям. Через високий вміст солі це, як правило, -1,8 градуса Цельсія. Тоді процеси зростання морського льоду сильно залежать від вітру та хвиль. Незалежно від цього, коли морська вода застигає, молекули води витісняють вміст солі з отриманої кристалічної структури. Згодом концентрований розсіл (рідина морської води, що залишається сильно збагаченою іонами солі) утворює порожнини та печери - складну систему каналів, яка проходить через тіло льоду.

Фотографії: М. Ніколаус

Елемент вода (H2O) має деякі властивості, які також впливають на характеристики морського льоду.
Вода - це єдина речовина на землі, яка за певних кліматичних умов нашої землі зустрічається у трьох хімічних станах (фазах) твердому, рідкому та газоподібному. Ця особлива властивість води дозволяє їй виникати у всіх сферах. Якщо вода змінює свій агрегатний стан, енергія перетворюється. Залежно від фазового переходу енергія або пов'язана (плавиться, випаровується), або виділяється (конденсується, замерзає). Стани агрегації та фазові переходи можуть бути показані на діаграмі станів.

Рисунок: Залежність агрегатних станів води (діаграма стану не масштабована) та процеси їх перетворення

Таблиця: Залежність агрегатних станів води (діаграма стану не масштабована) та процеси їх перетворення [1]

[1] змінено з: Відкритий університет, том „Морська вода: її склад, властивості та поведінка”, 1995, с. 6

Під час процесу замерзання та стану замерзання деякі властивості морського льоду змінюються. Вміст солі в морській воді має особливе значення, оскільки це визначає температуру замерзання: чим соліша вода, тим далі температура замерзання знаходиться від межі нульового градусу. Вміст солі також впливає на щільність води.

Солоність різних океанів сильно коливається, а також на неї впливають океанічні течії. Середній вміст солі в океанах становить 34,7 на тисячу, при цьому розподіл навколо середнього значення є відносно невеликим. 50 відсотків усіх океанів мають солоність між 34,6 і 34,8 на тисячу. Вміст солі в океанах коливається між 32 і 38 на тисячу. [1] Якщо включити шельфові моря, солоність яких може бути відносно високою або низькою, значення становлять від 28 до 40 на тисячу.

Ці варіації виникають, оскільки солоність може змінюватися залежно від випаровування, опадів та надходження прісної води з континентів:

У крайових і Середземних морях помірних широт північної та південної півкуль солоність нижча внаслідок подачі прісної води з річок та опадів.

У крайових і Середземних морях субтропічних широт випаровування переважає над річковим запасом і опадами, а солоність часом вище, ніж у відкритому океані.

Хоча в Балтійському морі вміст солі становить максимум 20 на тисячу, Мертве море може містити до 33 відсотків солі. Однак загалом солоність океанів значно нижче солоності Мертвого моря. Північний Льодовитий океан містить близько 32 на тисячу, Північне море - від 3,4 до 35 на тисячу, Середземне - до 39 на тисячу, Перська затока - до 40 на тисячу і Червоне море - до 41 на тисячу солей. Солоність Атлантики коливається від 34,5 до 37 на тисячу.

[1] Дж. Краус, Основи морської метеорології та океанографії, Salzwasserverlag, Падерборн, 2011, с. 172

Завдяки солям, розчиненим у морській воді, температура замерзання нижча, ніж у прісній воді. Температура замерзання різних водойм коливається від 0 градусів Цельсія для прісної води та -1,9 градусів Цельсія для солоної шельфової води Антарктики. Для більшості океанів із солоністю 34,5 на тисячу процес замерзання та утворення морського льоду починається при температурі -1,86 градусів Цельсія. Полярні океани часто солодші за “середню” морську воду, частково через нижчу швидкість випаровування. При вмісті солі від 25 до 30 на тисячу вода замерзає при температурі -1,35 градусів Цельсія або -1,62 градусів Цельсія. [1] Ці рівні солоності характерні для морської води в низьких широтах. Однак якщо температура води опускається нижче відповідної точки замерзання, починається процес кристалізації води.

Взаємозв'язок між температурою замерзання та максимальною щільністю з різною соленістю має велике значення для утворення льоду в морі.

Рисунок: Залежність точки замерзання та температури найбільшої щільності. Зелений = температура максимальної щільності, синій = зниження температури замерзання

Через взаємодію солей з полярними молекулами води процес кристалізації води запобігається навіть при температурі нижче нуля градусів Цельсія. Чим соліша вода, тим нижча температура замерзання опускається і вища її щільність. Депресія точки замерзання є лінійною і залежить від солоності морської води (синя пряма лінія).

Подібно до точки замерзання, температура максимальної щільності також змінюється лінійно залежно від солоності води (зелена пряма лінія).

Однак із збільшенням солоності температура максимальної щільності падає набагато більше, ніж температура замерзання. Це призводить до того, що обидві прямі лінії перетинаються при температурі приблизно -1,3 градуса Цельсія та вмісті солі 25 ‰. Якби вміст солі продовжував зростати, лід, що утворився на поверхні, став би важчим за водні маси, що знаходяться внизу, і йому довелося б зануритися в глибину. Це означало б, що там накопичувалися маси льоду.

Однак оскільки деякі солі, що містяться в ньому, випадають в осад під час процесу заморожування морської води, що призводить до зменшення питомої ваги морського льоду, цього не відбувається. [2]

Крім того, через вміст солі морська вода втрачає особливість аномалії щільності. Хоча майже всі рідини стискаються, коли вони замерзають і тим самим збільшують свою щільність, вода розширюється, коли вона застигає. Для чистої води максимальна щільність становить 4 градуси Цельсія, тобто вище температури замерзання, так що холодна вода з температурою нижче 4 градусів Цельсія і меншою щільністю залишається на поверхні. Більш важка холодна вода на 4 градуси Цельсія завжди опускається на дно, над нею шари теплішої або холоднішої води (залежно від сезону). Це є причиною того, що стояча прісна вода завжди замерзає зверху, а глибока вода ніколи не замерзає.
Відсутня аномалія щільності в океанах призводить до дещо іншої стратифікації водних мас. Найхолодніша вода класифікується в товщі води в нижньому кінці.

Поки точка замерзання ще не досягнута, щільність морської води постійно зростає в процесі охолодження і стає важчою. Це призводить до нестабільної стратифікації морської води і, отже, до конвективного змішування поверхневої води. Вода, яка охолола на поверхні, опускається в глибші області, тоді як ще тепла поверхнева вода піднімається - охолоджуватися холодним повітрям і, нарешті, також тонути.

[1] С. Маршалл, Кріосфера, Прінстонська університетська преса, 2012, с. 105
[2] П. Тардент, Meeresbiologie, 3-е незмінене видання, Thieme-Verlag, с. 176-177

Розчинність солей у морській воді залежить від її температури та відповідної концентрації іонів. Якщо температура падає, частина морської води замерзає, а солоність зростає. Цю залежність складу морського льоду від температури можна показати на фазовій діаграмі.
Для кращого розуміння морського льоду та його властивостей корисно загальне розуміння фазової діаграми морського льоду. Там показано кількість і склад різних фаз (льоду, розсолу та твердих солей), які існують в океані при різних температурах і тиску. Без такої фазової діаграми неможливо було б вказати різні фази та їх відносний об’єм у зразках морського льоду з відомими солоністю та температурою.
Спочатку розглянемо простішу фазову діаграму для солоної води, яка містить лише кухонну сіль, тобто в якій NaCl розчинений у H2O.

Рисунок: Діаграма суміші солі (NACL) і води (уривок) [1]

Якщо розчин має концентрацію солі нуль відсотків, вода є чистою і вона замерзає при 0 градусах Цельсія. Якщо змішати кухонну сіль у чисту воду при температурі 10 градусів Цельсія, вона розчиняється, поки не буде досягнуто вмісту солі близько 27 відсотків (точка 1 на малюнку).

Тепер, що відбувається, коли цей 27-відсотковий розчин солі охолоджується? Тверда сіль повільно відділяється від розчину, і розчин замерзає при –21 градусі Цельсія (точка 2 на малюнку). При заморожуванні дві тверді речовини розділяються, ви знайдете змішані кристали льоду та солі.

Щось подібне трапляється, коли z. B. 10-процентний сольовий розчин (точка 3 на малюнку) охолоджується від 10 градусів Цельсія. Коли температура досягає –7 ° C (точка 4 на малюнку), кристали льоду відокремлюються від розчину, тоді як сіль, що залишається в розчині, концентрується. Лише при –21 градусі Цельсія та концентрації солі 23,3% м/м (точка 5 на малюнку) вся система замерзає із відокремленими кристалами льоду та солі.

У середній області діаграми є лише одна фаза (рідкий однорідний розчин солі), в інших трьох областях - дві фази: праворуч - рідкий розчин солі з кристалами солі, зліва - рідкий розчин солі з кристалами льоду, а внизу - твердий матеріал із льоду і Кристали солі.

Отже, коли лід з морської води починає замерзати, частка води в розчині зменшується, а температура замерзання продовжує зменшуватися. Цей процес триває лише до тих пір, поки розчин не насититься сіллю. Найнижча температура для рідкого сольового розчину становить -21 градус Цельсія. При цій температурі сіль починає кристалізуватися з розчину (у вигляді NaCl * 2 H2O) разом із льодом. Потім заморожений розчин являє собою суміш окремих кристалів NaCl * 2 H2O та кристалів льоду, тобто не однорідну суміш солі та води. Ця форма фазової діаграми солоної води описує так звану евтектику. Фазова діаграма характеризується тим, що для переходу тверда речовина-рідина існує рідина та дві різні тверді фази.

Для морського льоду, який складається з дуже різних солей, така фазова діаграма виглядає, звичайно, більш складною. Карбонат кальцію випадає в осад при температурі –2,2 градуса Цельсія. Це триває і для інших солей із зниженням температури. Температура опадів спеціальних солей розчину становить -8,2 градуса Цельсія для сульфату натрію, -22,9 градусів Цельсія для хлориду натрію, -36 градусів Цельсія для KCl та -54 градусів Цельсія для CaCl.

Сама фазова діаграма не містить прямої інформації про конкретне просторове розташування окремих фаз у системі “морський лід”, наприклад про мікроструктуру морського льоду. У випадку природного морського льоду це залежить від двох основних факторів: середовища, в якому зростає лід, і граничних умов на прикордонному шарі крига-вода, а також температури на місці та хімічного складу розглянутого шару льоду. Останнє має велике значення для ряду властивостей морського льоду, таких як фізичні відмінності між льодом, розсолом, солями та включеннями газу.

[1] Джерело змінено з: C. Clarke, The science of ice cream, RSC Publishing, 2nd edition, 2012, pp. 29-30