М Аджиев - Атомная энергетика — что дальше?
Весной промерзшую реку зальют талые воды. Со склонов сопок побегут ручьи, и сойдутся они на реке, оставив под собой лед. Лишь через месяц-полтора по-настоящему прогреется, проснется река, зимний лед, уже изрядно подтаявший, всплывет на поверхность и скоро растает на своей долгой дороге в Арктику. Лето все-таки.
А вот природу осеннего ледохода объяснить, видимо, не так просто. Известно, зимой и поздней осенью температура на дне реки всегда положительная. Этой температуры недостаточно, чтобы вода превратилась в лед… Стоп. А белые льдины? Они же появляются именно при этих условиях.
Обращаюсь к литературе: как специалисты объясняют это противоречие?
«Для образования подводного, или внутриводного, льда необходимо определенное переохлаждение воды, наличие ядра кристаллизации и удаление теплоты агрегатного перехода воды в лед», — прочитал я в университетском учебнике.
Здесь, видимо, стоит сделать небольшое отступление и объяснить некоторым неподготовленным читателям, что вода — самое распространенное на Земле вещество! — еще очень недостаточно изучено. Многие неожиданные свойства воды до сих пор приводят ученых в растерянность и замешательство.
Так, если удалить из воды ядра кристаллизации — а ими могут быть любые вкрапления, даже микробы, — то она не замерзает и при температуре в минус двадцать градусов.
На этом свойстве хотелось бы остановиться чуть подробнее. Это очень важно. Вода при плюс четырех градусах имеет абсолютную плотность, в этот момент она самая тяжелая. Потом, с понижением температуры, плотность ее уменьшается, и охлажденная вода уже становится легче, а лед — совсем легким, он плавает. Поэтому-то в реке или озере, на дне зимой температура всегда только положительная, там скапливается самая тяжелая масса воды. И самая теплая!
В этом ответ на один любопытный вопрос: почему река или озеро никогда не замерзнут со дна, вернее почему водоем, если он достаточно глубокий, никогда не остынет ниже нуля градусов даже в самый сильный мороз.
Еще один штрих, мимо которого нельзя пройти: неизбежная приблизительность количественных характеристик процесса.
«Около четырех градусов…», «почти» — эти слова, конечно, не делают чести исследователю, но, к сожалению, без них не обойтись. Лабораторной точности в исследовании природных процессов, по-моему, не бывает и быть не может.
Например, известно, что максимальная плотность воды наблюдается при плюс 3,98 градуса. Однако в природе этой температуры не найти. Почему? Потому что в реке нет дистиллированной воды. Вода в реке всегда некий раствор, где-то он одного состава, где-то другого. А если природная вода — раствор, то согласно положениям термодинамики неизбежна сдвижка ее некоторых физико-химических характеристик, вернее их количественных значений. Отсюда и приблизительность, но на уровне сотых, а порой и десятых градуса.
И в этом нет ничего особенного, считаем же мы обычно время с точностью до минуты, и это нас в быту вполне устраивает, хотя есть и секунды, о которых редко кто говорит. Разве что на спортивных соревнованиях.
Однако продолжу свою основную мысль. Река или озеро, даже если они лежат на мерзлоте, со дна никогда не смогут замерзнуть еще и потому, что по теплоемкости вода не знает себе равных среди почти всех других веществ на планете. И это еще одна неожиданность в свойствах воды.
Дно реки, грунт, вода согревает, и они всегда у поверхности соприкосновения имеют только положительную температуру. Если бы было иначе, то северные реки всегда текли бы только по ледяному желобу.
Чего в природе не наблюдалось.
А наблюдалось другое. Известны случаи, когда озеро или река входили в соприкосновение с подземным, ископаемым льдом на берегу или у дна. Этот лед очень быстро таял.
Кстати, мало кто из неспециалистов знает, что река или озеро на Севере, в тундре, часто могут быть блуждающими.
Вечномерзлый мягкий грунт быстро разрушается от воздействия тепла водной массы озера или реки, особенно летом. Мерзлые берега подтаивают, согреваются и осыпаются. Порой на несколько метров за короткое лето может сместиться озеро в тундре. А то и вовсе исчезнуть, если на пути встретится подземная жила льда. Такие случаи тоже зафиксированы в литературе. Этот процесс называется термокарстовым…
Горняки на Севере иногда сами специально вызывают термокарст, если, например, возникает необходимость на каком-то участке оттаять мерзлоту на небольшую глубину. Этот участок весной заливают водой, и вода быстро справляется со своей работой. Но вернемся к нашему подводному льду. Продолжаю цитирование учебника: «При возникновении подводного льда замерзающий приземный слой воды может охлаждаться за счет теплопроводности подстилающей горной породы, если она имеет отрицательную температуру…»
После прочтения этой фразы у меня возникло подозрение в достоверности предлагаемого объяснения: налицо нарушение физического закона: якобы более легкая масса воды должна быть у дна. Почему? Неприемлемы утверждения и о теплопроводности подстилающей горной породы, граничный слой грунта не может иметь отрицательную температуру.
Дальше в тексте еще и еще раз просматривается некое невнимание к законам природы, отметается истина ради того, чтобы как-то объяснить механизм подводного ледообразования. В частности, говорится, например, о кристаллах льда, которые почему-то должны опускаться на дно, хотя лед всегда легче воды. На порожистой мелкой реке — да, такое вполне возможно. Кристаллики льда будут намораживаться на придонные камни из-за турбулентности водного потока. Река на перекатах захватывает пузырьки морозного воздуха, охлаждается быстрее… Но когда река спокойная и глубокая? Или озеро? Там же турбулентности потока нет! Почему кристаллы льда должны опускаться на дно? Течение же спокойное.
Прочитанное объяснение явно не удовлетворяло, его надежность сродни карточному домику: только дунь. Тем более что оно строилось на очень старых и, похоже, единственных опытах, поставленных еще в 1938 году. На лицо желание объяснить увиденное, известное, но с помощью весьма произвольных доказательств.
В других литературных источниках мне тоже попадались подобные объяснения, также основанные на опытах 30-х годов, но несколько в иной трактовке. Вот одно из них:
«Для образования льда в толще речной воды недостаточно определенного ее переохлаждения и энергичного перемешивания, необходимо ещё, чтобы поверхность воды была свободна ото льда — через нее тепло будет уходить в атмосферу».
Ну, это уж слишком вольно. Вольностей природа не терпит, все-таки физика — наука строгая, доказательная, требующая к себе уважения. А подобные объяснения природных процессов, по-моему, все равно что игра в шахматы не по правилам: ферзя же по берут «за фук».
В естественных водоемах переохлаждение воды бывает крайне редким и самое большее лишь на одну сотую градуса. Так уж устроена природа на планете Земля. За этой сотой обычно следует ледообразование, или фазовый переход воды из жидкого в кристаллическое состояние. Лишь в лабораторных условиях, после тщательнейшей подготовки можно наблюдать переохлажденную воду.
Исследование имеющейся в библиотеке, зарубежной литературы тоже не вызвало у меня чувства удовлетворенности. Правда, зарубежные авторы более корректны, они придерживаются мнения, что «причины его (подводного льда — М. А.) появления до настоящего времени полностью не выяснены».
Как видим, не все так просто с образованием донного льда, который за рубежом называют еще и якорным.
«По-видимому, наиболее правдоподобной является теория, по: которой якорный лед возникает в результате переохлаждения камней и грунта на две реки и быстрого излучения ими тепла в ясные холодные ночи (при отсутствии льда на поверхности воды). Охлаждаясь при этом до 0 °C, частицы грунта и камни становятся ядрами кристаллизации льда. За одну ночь на дне реки может нарасти огромное количество якорного льда. Утром, когда начинает светить солнце, благодаря действию его тепла этот лед может оторваться от дна. Лед всплывает на поверхность…»
Что не устраивает в этом объяснении? Кроме уже упоминавшихся возражений, появляются следующие. Осенью, в сентябре, солнце на Севере не теплое, мало его, чтобы река, тем более холодная, замерзающая, ощутила хоть какое-то его воздействие.
Не устраивает и другое — почему за одну ночь нарастает якорный лед? Нет. Процесс этот обычно продолжается несколько дней. Его можно видеть! И лед со дна всплывает не только при солнце, но и в пасмурную погоду и даже вечером… Опять неточности? Видимо, действительно, надо согласиться с мнением, что причины появления внутриводного льда до настоящего времени не выяснены.
В поисках объяснений я перепробовал немало гипотез: и своих, и оппонентов, перед которыми приходилось выступать.
