Процес на замразяване на морски лед на морски лед

Вътрешната микроструктура на морския лед се състои от сложна смес от сладководен лед, течни саламура и газови включвания, при което съставът на тази смес има решаващо влияние върху физическите свойства на морския лед. Познаването на вътрешната микроструктура на морския лед е предпоставка за точно определяне на много методи за измерване, като дебелината на морския лед.

Видът на замръзване в частност определя микроструктурата на морския лед. Предпоставката за образуване на лед е, разбира се, морската вода да се охлади поне до точката на замръзване от студения въздух. Поради високото съдържание на сол, това обикновено е -1,8 градуса по Целзий. Тогава процесите на растеж на морския лед силно зависят от вятъра и вълните. Независимо от това, когато морската вода се втвърди, водните молекули изместват съдържанието на сол от получената кристална структура. Впоследствие концентрираният саламура (останалата течна морска вода, която е силно обогатена със солеви йони) образува кухини и каверни, сложна канална система, която минава през тялото на леда.

Снимки: М. Николаус

Елементът вода (H2O) има някои свойства, които също влияят върху характеристиките на морския лед.
Водата е единственото вещество на земята, което се среща при дадените климатични условия на нашата земя в трите химични състояния (фази), твърдо, течно и газообразно. Това специално свойство на водата позволява да се появи във всички сфери. Ако водата промени физическото си състояние, енергията се преобразува. В зависимост от фазовия преход енергията е или свързана (топи се, изпарява се), или се отделя (кондензира, замръзва). Състоянията на агрегиране и фазовите преходи могат да бъдат показани в диаграма на състоянието.

Фигура: Зависимост на агрегатните състояния на водата (диаграмата на състоянието не се мащабира) и техните процеси на трансформация

Таблица: Зависимост на агрегатните състояния на водата (диаграмата на състоянието не се мащабира) и техните процеси на преобразуване [1]

[1] променено от: Отвореният университет, том „Морска вода: неговият състав, свойства и поведение“, 1995, стр. 6

По време на процеса на замразяване и състоянието на замръзване някои свойства на морския лед се променят. Солеността на морската вода е от особено значение, тъй като тя определя температурата на замръзване: колкото по-солена е водата, толкова по-далечна е точката на замръзване от нулевата граница. Солеността влияе и върху плътността на водата.

Солеността на различните океани варира силно и също се влияе от океанските течения. Средното съдържание на сол в океаните е 34,7 на хиляда, като разпределението около средната стойност е относително малко. 50 процента от всички океани имат соленост между 34,6 и 34,8 на хиляда. Съдържанието на сол в океаните варира между 32 и 38 на хиляда. [1] Ако са включени шелфовите морета, чиято соленост може да бъде относително висока или ниска, стойностите са между 28 и 40 на хиляда.

Тези вариации възникват, тъй като солеността може да варира в зависимост от изпарението, валежите и притока на сладка вода от континентите:

В пределните и средиземноморските морета на умерените ширини на северното и южното полукълбо солеността е по-ниска в резултат на снабдяването с прясна вода от реките и валежите.

В пределните и средиземноморските морета на субтропичните ширини изпарението преобладава над речното снабдяване и валежите, а солеността понякога е по-висока, отколкото в открития океан.

Докато Балтийско море има максимално съдържание на сол от 20 на хиляда, Мъртво море може да съдържа до 33 процента сол. Като цяло обаче солеността на океаните е доста под тази на Мъртво море. Северният ледовит океан съдържа около 32 на хиляда, Северно море между 3,4 и 35 на хиляда, Средиземно море до 39 на хиляда, Персийският залив до 40 на хиляда и Червено море до 41 на хиляда соли. Солеността на Атлантическия океан варира между 34,5 и 37 на хиляда.

[1] J. Krauss, Основи на морската метеорология и океанография, Salzwasserverlag, Падерборн, 2011, стр. 172

Поради разтворените в морска вода соли, точката на замръзване е по-ниска, отколкото в прясната вода. Температурата на точката на замръзване на различните водни басейни варира между 0 градуса по Целзий за прясна вода и -1,9 градуса по Целзий за солената шелфова вода на Антарктика. За повечето океани със соленост 34,5 на хиляда процесът на замръзване и образуване на морски лед започва при температура -1,86 градуса по Целзий. Полярните океани често са по-сладки от „средната” морска вода, отчасти поради по-ниските нива на изпарение. При съдържание на сол от 25 до 30 на хиляда водата замръзва при температури от -1,35 градуса по Целзий или -1,62 градуса по Целзий. [1] Тези нива на соленост са характерни за морската вода в ниските ширини. Ако обаче температурата на водата падне под съответната точка на замръзване, започва процесът на кристализация на водата.

Връзката между точката на замръзване и максималната плътност с различна соленост е от голямо значение за образуването на лед в морето.

Фигура: Зависимост на точката на замръзване и температурата с най-висока плътност. Зелено = температура на максималната плътност, синьо = понижаване на точката на замръзване

Поради взаимодействието между солите и полярните водни молекули, процесът на кристализация на водата се предотвратява дори при температури под нулата градуса по Целзий. Колкото по-солена е водата, толкова по-ниска точка на замръзване потъва и толкова по-висока е нейната плътност. Депресията на точката на замръзване е линейна и зависи от солеността на морската вода (синя права линия).

Подобно на точката на замръзване, температурата на максималната плътност също се променя линейно в зависимост от солеността на водата (зелена права линия).

С увеличаване на солеността обаче температурата на максималната плътност спада много повече от тази на точката на замръзване. Това води до факта, че и двете прави линии се пресичат при температура от около -1,3 градуса по Целзий и съдържание на сол от 25 ‰. Ако съдържанието на сол продължи да нараства, ледът, образуван на повърхността, ще стане по-тежък от водните маси по-долу и ще трябва да потъне в дълбините. Това би означавало, че там се натрупват ледени маси.

Тъй като обаче някои от съдържащите се в тях соли се утаяват по време на процеса на замразяване на морската вода, което води до намаляване на специфичното тегло на морския лед, това не се случва. [2]

Освен това, поради съдържанието на сол, морската вода губи особеността на аномалията на плътността. Докато почти всички течности се свиват, когато замръзват, като по този начин увеличават плътността си, водата се разширява, когато се втвърдят. При чиста вода максималната плътност е 4 градуса по Целзий, т.е. температура над точката на замръзване, така че студената вода с температури под 4 градуса по Целзий и по-ниска плътност остава на повърхността. По-тежката 4 градуса по Целзий студена вода винаги потъва на дъното, по-топла или по-студена вода (в зависимост от сезона) слоеве над нея. Това е причината, че стоящата прясна вода винаги замръзва отгоре и дълбоката вода никога не замръзва.
Липсващата аномалия на плътността в океаните води до малко по-различна стратификация на водните маси. Най-студената вода се класифицира във водния стълб в долния край.

Докато точката на замръзване все още не е достигната, плътността на морската вода непрекъснато се увеличава по време на процеса на охлаждане и става по-тежка. Това води до нестабилна стратификация на морската вода и по този начин конвективно смесване на повърхностните води. Водата, която се охлади на повърхността, потъва в по-дълбоки области, докато все още топлата повърхностна вода се издига - за да се охлади от студения въздух и накрая също да потъне.

[1] S. Marshall, The Cryosphere, Princeton University Press, 2012, стр. 105
[2] P. Tardent, Meeresbiologie, 3-то непроменено издание, Thieme-Verlag, стр. 176-177

Разтворимостта на солите в морската вода зависи от нейната температура и съответната концентрация на йони. Ако температурата падне, част от морската вода замръзва и солеността се увеличава. Тази зависимост на състава на морския лед от температурата може да бъде показана във фазова диаграма.
За да се разбере по-добре морският лед и неговите свойства, е полезно общо разбиране на фазовата диаграма на морския лед. Там са показани броят и съставът на различните фази (лед, саламура и твърди соли), които съществуват в океана при различни температури и налягания. Без такава фазова диаграма не би било възможно да се определят различните фази и техният относителен обем в пробите от морския лед с известна соленост и температура.
Нека първо разгледаме по-проста фазова диаграма за солена вода, която съдържа само трапезна сол, т.е., в която NaCl се разтваря в H2O.

Фигура: Фазова диаграма на сместа от сол (NACL) и вода (откъс) [1]

Ако разтворът има концентрация на сол от нула процента, водата е чиста и тя замръзва при 0 градуса по Целзий. Ако смесите готварска сол в чистата вода при температура 10 градуса по Целзий, тя се разтваря, докато се достигне съдържание на сол от около 27 процента (точка 1 на фигурата).

Сега какво се случва, когато този 27-процентов солен разтвор се охлади? Твърдата сол бавно се отделя от разтвора и разтворът замръзва при –21 градуса по Целзий (точка 2 на фигурата). При замразяване двете твърди вещества се разделят, ще откриете смесени кристали лед и сол.

Нещо подобно се случва, когато z. Б. 10-процентен физиологичен разтвор (точка 3 на фигурата) се охлажда от 10 градуса по Целзий. След като температурата достигне –7 ° C (точка 4 на фигурата), ледените кристали се отделят от разтвора, докато остатъчната сол в разтвора се концентрира. Само при –21 градуса по Целзий и концентрация на сол от 23,3% m/m (точка 5 на фигурата) цялата система замръзва с отделени кристали лед и сол.

В средната зона на диаграмата има само една фаза (течен хомогенен солен разтвор), в останалите три области има две фази: вдясно течен солен разтвор със солни кристали, вляво течен солен разтвор с ледени кристали и под твърд материал, направен от лед и Солени кристали.

Така че, когато ледът от морска вода започне да замръзва, делът на водата в разтвора намалява и точката на замръзване продължава да намалява. Този процес продължава само докато разтворът се насити със сол. Най-ниската температура за течен физиологичен разтвор е -21 градуса по Целзий. При тази температура солта започва да кристализира от разтвора (като NaCl * 2 H2O) заедно с леда. Тогава замразеният разтвор е смес от отделни кристали NaCl * 2 H2O и ледени кристали, т.е. не е хомогенна смес от сол и вода. Тази форма на фазовата диаграма на солената вода описва така наречената евтектика. Фазовата диаграма се характеризира с факта, че за прехода твърдо-течно има течност и две различни твърди фази.

За морския лед, който се състои от много различни соли, такава фазова диаграма изглежда, разбира се, по-сложна. Калциевият карбонат се утаява при температура от –2,2 градуса по Целзий. Това продължава и за други соли, тъй като температурите намаляват. Температурите на валежите на специалните соли на разтвора са -8,2 градуса по Целзий за натриев сулфат, -22,9 градуса по Целзий за натриев хлорид, -36 градуса по Целзий за KCl и -54 градуса по Целзий за CaCl.

Самата фазова диаграма не съдържа пряка информация за специфичното пространствено разположение на отделните фази в системата на „морския лед“, например за микроструктурата на морския лед. В случая с естествения морски лед това зависи от два основни фактора: средата, в която ледът расте, и граничните условия в граничния слой лед-вода, както и температурата на място и химическия състав на разглеждания леден слой. Последното е от голямо значение за редица свойства на морския лед, като например за физическите разлики между лед, саламура, соли и газови включвания.

[1] Източникът е променен от: C. Clarke, The science of ice cream, RSC Publishing, 2nd edition, 2012, pp.29-30