4.23. Замерзание прудов и озер

Почему в местах с холодными зимами пруды, озера и другие водоемы начинают замерзать с поверхности воды? Если бы лед образовывался сначала на дне, живые организмы в этих водоемах, вероятно, не могли бы существовать. Что приводит к появлению на поверхности некоторых замерзших прудов и озер удивительных радиальных структур, напоминающих изогнутые спицы колеса или лепестки цветка?

ОТВЕТ • Вода в озере, охлаждающаяся, скажем, с 10°C и до точки замерзания, постепенно становится плотнее воды ближе ко дну и тонет. Однако, когда температура опускается ниже 4°C, дальнейшее охлаждение воды на поверхности приводит к уменьшению плотности воды в верхних слоях, которая теперь не тонет, а вплоть до замерзания остается наверху. Затем озеро начинает промерзать дальше. Однако для замерзания необходим отвод выделяющегося тепла от жидкой воды через слой льда. Когда толщина слоя льда увеличивается, замерзание замедляется или вообще останавливается. Говорят, что замерзание озера — самоограничивающийся процесс, то есть процесс, который сам останавливается. Таким образом, скорее всего, озеро до дна не промерзнет, и потому жизнь в нем сохранится.

Если бы озеро начинало замерзать со дна, не всегда лед, покрытый сверху водой, успевал бы растаять за лето. И тогда, по прошествии нескольких лет, многие открытые водоемы в странах с холодным климатом оставались бы замерзшими круглый год.

При любой температуре структура жидкой воды неоднородна: молекулы воды образуют кластеры, которые легко разрушаются и образуются вновь. Когда температура опускается ниже 4°C и до точки замерзания, кластеры увеличиваются в объеме, требуют больше места и существуют дольше. Это не относится к морской воде при солености больше 2,5 г на 1 кг воды (такова вода в океанах и многих морях): ее плотность непрерывно увеличивается при остывании до точки замерзания и начинает уменьшаться только после образования льда.

Днем вода в озере, находящаяся сразу под тонким льдом, может прогреться до 4°C. При такой температуре вода опускается на глубину озера, а более легкая, теплая вода поднимается на ее место. Подобное перемешивание воды в зимнее время необходимо для некоторых форм водной флоры и фауны.

Если снег падает на пруд, по которому плавают льдины, под его весом одна из льдин может частично погрузиться под воду, так что ее начнет заливать вода, поступающая либо с краев, либо через имеющиеся в льдине отверстия. Поскольку температура воды выше точки замерзания, вода растапливает снег, проделывая в нем каналы. Вытекая из образовавшихся отверстий, вода растекается в радиальном направлении по различным, вероятно, изогнутым траекториям. Если затем температура понижается и погода становится пасмурной, эти ручьи воды замерзают, образуя завораживающие узоры в виде изогнутых лучей или лепестков цветка.