Paprastam žmogui, kaip taisyklė, visiškai nesuprantama, ką šie žmonės veikia.
žmonės ten, „žemės viršuje“, esant dideliems šalčiams, poliarinei nakčiai,
ant ledo sangrūdos, kuri bet kurią akimirką gali įlūžti, ir be įprasto komforto
šiuolaikinė civilizacija. Kai paprašiau pakalbėti apie mokslinę
ledo sangrūdos tyrimai SP-36 viršininko pavaduotojui mokslui Vladimirui
Churun, jis susimąstęs atsakė: „Žinai, aš taip pat neprieštaraučiau sužinoti
apie tai!"

Yra daug būdų tyrinėti Arktį. Automatiniai moksliniai kompleksai - meteorologijos ir okeanografijos stotys, masės balanso plūdurai, kurie įšaldomi į ledą ir leidžia nustatyti ledo dangos masės padidėjimą ar kitimą (beje, toks plūduras veikia SP-37) - labai palengvina duomenų rinkimą, tačiau turi savo apribojimų. Žinoma, būtų pagunda sėdėti biure, kol duomenys ateina palydoviniu ryšiu iš sistemos, pavyzdžiui, automatinių hidrologinių stočių – švartavimosi ar dreifuojančių plūdurų. Tačiau per metus tokių (labai brangių) plūdurų dažniausiai prarandama daugiau nei 50% – šiame regione dėl ledo laukų dinamikos (hummocking, suspaudimo) darbo sąlygos yra gana sunkios net ir specialiai tam sukurtai įrangai.

Kitas būdas gauti mokslinių duomenų yra nuotolinis Žemės stebėjimas. Moksliniai palydovai (deja, ne rusiški) leidžia gauti informacijos apie ledo sąlygas matomajame, infraraudonųjų spindulių, radaro ir mikrobangų diapazone. Šie duomenys daugiausia naudojami taikomiesiems tikslams: nukreipti laivus, ieškant tinkamų ledo lyčių dreifuojančioms stotims; pačiose dreifuojančiose stotyse jos padeda darbe – pavyzdžiui, ties SP-36 jais buvo nustatyta vieta, tinkama kilimo ir tūpimo takui statyti. Tačiau palydovo informaciją reikia patikrinti lyginant su realiais stebėjimais – tiesiogiai išmatuotu ledo storiu, jo amžiumi (tiesiogiai šių duomenų iš palydovo išmatuoti kol kas dar negalima).

Mokslines stotis (jau apgyvendintas) galima pastatyti ir užšaldant laivus lede (šį metodą išbandė Fridtjofas Nansenas). Kartkartėmis tokie projektai vykdomi, pavyzdžiui, prancūzų jachta Tara arba amerikiečių ir kanadiečių SHEBA projektas, susijęs su Boforto jūroje dreifuojančiu laivu. Panašus projektas buvo svarstomas ir branduoliniam ledlaužiui „Arktika“, tačiau galiausiai dėl įvairių priežasčių jo buvo atsisakyta. Tačiau užšalę laivai yra tik geras pagrindas mokslinio personalo gyvenimui ir energijos tiekimui mokslo kompleksui. Norėdami rinkti mokslinius duomenis, žmonės vis tiek turės eiti į ledą, kad pašalintų išorinę įtaką. Be to, laivų užšaldymas yra brangus (ir atitraukia laivų dėmesį nuo pagrindinio darbo).


„Mano nuomone, dreifuojantis ledas yra natūrali apkrovą laikanti platforma, pati optimaliausia tiek mokslo kompleksui, tiek žmonėms gyventi“, – sako Vladimiras Churun. „Tai leidžia ilgą laiką dreifuoti ir gauti grynus mokslinius duomenis be jokios pašalinės įtakos. Žinoma, žmonės, esantys ledo lytyje, netenka komforto, bet vardan mokslo turime su tuo susitaikyti. Žinoma, mokslinių duomenų gavimas turi būti atliekamas kompleksiškai, naudojant visas turimas priemones – dreifuojančias stotis, oro ekspedicijas, palydovinį stebėjimą, automatinius plūdurus, mokslinius ekspedicinius laivus.

„Mokslinė SP-36 programa buvo gana plati ir sėkminga“, – „Popular Mechanics“ aiškina Vladimiras Churūnas. „Tai apėmė meteorologinius, aerologinius ir hidrologinius stebėjimus, taip pat ledo ir sniego dangos savybių tyrimus. Tačiau su jonosfera ir Žemės magnetiniu lauku susiję tyrimai, kuriems sovietmečiu buvo skiriamas didelis dėmesys dreifuojančiose stotyse, dabar perkelta į stacionarias poliarines stotis žemyne ​​ir salose.

Oras

Stoties darbo pradžia nepažymėta iškilmingu Rusijos vėliavos pakėlimo virš drabužinės momentu. Oficialiai dreifuojanti stotis savo darbą pradeda nuo to momento, kai pirmasis orų pranešimas perduodamas AARI, o iš ten – pasauliniam meteorologiniam tinklui. Kadangi, kaip žinome, „Arktis yra orų virtuvė“, šie duomenys meteorologams suteikia itin vertingos informacijos. Atmosferos barinių (slėgio, vėjo greičio ir krypties įvairiuose aukščiuose) ir temperatūros profilių tyrimas naudojant zondus iki 30 km aukščio naudojamas ne tik orų prognozavimui – šie duomenys vėliau gali būti panaudoti fundamentaliems mokslo tikslams, pvz. kaip tobulinami atmosferos fizikos modeliai, o taikomiesiems - pavyzdžiui, palaikant orlaivių skrydžius. Už visus šiuos duomenis atsakingi meteorologai ir aerologai.

Meteorologo darbas gali atrodyti paprastas – tai meteorologinių duomenų paėmimas ir siuntimas į Roshidrometą. Tam ant 10 metrų oro stiebo yra sumontuotas jutiklių rinkinys, matuojantis vėjo greitį ir kryptį, temperatūrą ir drėgmę, matomumą ir slėgį. Visa informacija, taip pat ir iš nuotolinių jutiklių (sniego ir ledo temperatūra, saulės spinduliuotės intensyvumas), patenka į meteorologinę stotį. Nors duomenys iš stoties imami nuotoliniu būdu, ne visada įmanoma atlikti matavimus nenuvykus į meteorologinę vietą. „Anemometrų kaušeliai ir orų kabinos, kurioje yra temperatūros ir drėgmės davikliai, radiacinė apsauga užšąla, juos reikia nuvalyti nuo šerkšno (kad būtų galima pasiekti stiebo viršų, pastarasis padaromas „lūžtantis“). ), aiškina SP-36 meteorologas inžinierius Ilja Bobkovas.- A Lydymosi laikotarpiu vaikinų lynai turi būti nuolat stiprinami, kad stiebas būtų stabilus. Be to, stotis nėra skirta dirbti tokiomis stipraus šalčio sąlygomis, žemesnėje – 40°C temperatūroje, todėl ten įrengėme šildymo įrenginį – įprastą 40 vatų kaitrinę lempą. Žinoma, yra stočių, skirtų tokiai žemai temperatūrai, bet jos yra ne tokios tikslios“.

Virš 10 m yra aerologų darbo zona. „Mes tiriame viršutinius atmosferos sluoksnius naudodami aerologinius zondus“, – aiškina SP-36 aerologinis inžinierius Sergejus Ovčinikovas. - Zondas yra dėžutė, sverianti 140 g, jis pritvirtintas prie baliono - maždaug 1,5 m 3 tūrio kamuoliuko, pripildyto vandeniliu, kuris chemiškai gaminamas aukšto slėgio dujų generatoriuje - iš ferosilicio miltelių, kaustinės sodos ir. vandens. Zondas turi įmontuotą GPS imtuvą, telemetrinį siųstuvą, taip pat temperatūros, slėgio ir drėgmės jutiklius. Kas dvi sekundes zondas perduoda informaciją kartu su savo koordinatėmis į antžeminę priėmimo stotį. Zondo koordinatės leidžia apskaičiuoti jo judėjimą, vėjo greitį ir kryptį įvairiuose aukščiuose (aukštis nustatomas barometriniu metodu). Zondo elektronika maitinama vandeniu pripildyta baterija, kuri pirmiausia kelias minutes palaikoma vandenyje (gelbėjimosi liemenės su avariniais švyturėliais aprūpintos panašiais maitinimo šaltiniais).

„Jei leidžia oro sąlygos, zondai paleidžiami kiekvieną dieną 0 ir 12 val. GMT; pučiant stipriam vėjui zondas tiesiog „prikala“ prie žemės. Per mažiau nei metus įvyko 640 paleidimų, sako Sergejus Ovčinikovas.„Vidutinis pakilimo aukštis buvo 28 770 m, didžiausias – 32 400 m. Zondas pakilimo greitis buvo apie 300 m per minutę, todėl maksimalų aukštį jis pasiekė maždaug per pusantros valandos balionas keltuvui išsipučia, tada sprogsta ir zondas nukrenta ant žemės. Tiesa, jo rasti beveik neįmanoma, todėl prietaisas yra vienkartinis, nors ir brangus.“

Vanduo

„Pagrindinis mūsų darbo akcentas yra srovės parametrų, taip pat temperatūros, elektros laidumo ir vandens tankio matavimas, – sako SP-36 okeanologas Sergejus Kuzminas. – Pastaraisiais metais prietaisų parkas buvo gerokai atnaujintas, o dabar. galime gauti rezultatus su dideliu tikslumu, atitinkančiu pasaulinį lygį. Dabar naudojame profiliavimo prietaisus, kurie leidžia išmatuoti srauto greitį naudojant skersinį Doplerio efektą keliuose sluoksniuose.

„Daugiausia tyrinėjome Atlanto sroves, kurių viršutinė riba yra 180-220 m gylyje, o šerdis – 270-400 m. Be srovių tyrimo, buvo teikiamas kasdienis vandens stulpelio tyrimas naudojant zondą, kuris matavo elektros laidumą ir temperatūrą, kas šešias dienas buvo atliekami tyrimai iki 1000 m gylyje, siekiant „pagauti“ Atlanto vandenis, kartą per savaitę zondas buvo nuleidžiamas iki viso maksimalaus kabelio ilgio – 3400 m giluminiams jūros sluoksniams tirti. „Kai kuriose srityse, – aiškina Sergejus Kuzminas, – geoterminį efektą galima pastebėti giliuose sluoksniuose.

SP-36 okeanologų užduotis taip pat apėmė mėginių rinkimą, kad vėliau hidrochemikai galėtų juos analizuoti. „Tris kartus per žiemą – pavasarį, vasarą ir rudenį – paėmėme ledo šerdį, kuri vėliau buvo ištirpinta kambario temperatūroje, gautas vanduo perleidžiamas per filtrą ir vėl užšaldomas“, – pasakoja Sergejus. - Ir filtras, ir ledas buvo specialiai supakuoti tolesnei analizei. Sniego mėginiai ir poledyninis vanduo buvo renkami tokiu pačiu būdu. Oro mėginiai taip pat buvo imami naudojant aspiratorių, kuris siurbdavo orą per kelis filtrus, kurie sulaikydavo mažiausias daleles. Anksčiau tokiu būdu buvo galima aptikti, pavyzdžiui, kai kurių augalų rūšių žiedadulkes, kurios į poliarinius regionus atskrenda iš Kanados ir Rusijos taigos.

Kodėl studijuoti sroves? „Palyginus su ankstesnių metų duomenimis, galima nustatyti klimato tendencijas“, – atsako Sergejus. „Tokia analizė leis suprasti, pavyzdžiui, ledo elgseną Arkties vandenyne, o tai nepaprastai svarbu ne tik fundamentaliu, bet ir grynai taikomuoju požiūriu – pavyzdžiui, kai plėtoti Arkties gamtos išteklius“.

Sniegas

Specialiųjų meteorologinių tyrimų programa apėmė keletą skyrių. Buvo tiriama sniego ir ledo dangos struktūra, jos termofizinės ir radiacinės savybės – tai yra, kaip ji atspindi ir sugeria saulės spinduliuotę. „Faktas yra tas, kad sniegas turi didelį atspindį ir pagal šią charakteristiką, pavyzdžiui, palydovinėse nuotraukose, jis labai primena debesų sluoksnį“, – aiškina meteorologas Sergejus Shutilinas. – Ypač žiemą, kai abiejose vietose temperatūra siekia keliasdešimt laipsnių šalčio. Ištyriau termofizines sniego savybes, priklausomai nuo temperatūros, vėjo, debesuotumo ir saulės spinduliuotės. Taip pat buvo matuojamas saulės spinduliuotės skverbimasis (žinoma, poliarinės dienos metu) per sniegą ir ledą į įvairius gylius (taip pat ir į vandenį). Taip pat buvo tiriama sniego morfologija ir termofizinės savybės – temperatūra įvairiuose gyliuose, tankis, poringumas, kristalų frakcija įvairiuose sluoksniuose. Šie duomenys kartu su radiacijos charakteristikomis padės išsiaiškinti sniego ir ledo dangos aprašymą įvairaus lygio modeliuose – tiek globaliuose, tiek regioniniuose klimato modeliuose.

Poliarine diena buvo atliekami Žemės paviršių pasiekiančios ultravioletinės spinduliuotės matavimai, o poliarinės nakties metu dujų analizatoriais buvo tiriamos anglies dvideginio, pažemio ozono ir metano koncentracijos, kurių emisijos Arktyje, matyt, yra. susiję su geologiniais procesais. Naudojant specialų dujų analizatorių taip pat buvo galima gauti, anot Sergejaus Šutilino, unikalius duomenis apie anglies dvideginio ir vandens garų srautą sniego ir ledo paviršiumi: „Anksčiau buvo modelis, pagal kurį tirpsta vanduo iš pakrantė įkrito į vandenyną, vandenynas pasidengė ledu, po juo vyko anaerobiniai procesai. O po to, kai paviršius buvo atlaisvintas nuo ledo, į atmosferą pateko anglies dioksido srautas. Atradome, kad srautas eina priešinga kryptimi: kai nėra ledo, jis patenka į vandenyną, o kai yra – į atmosferą! Tačiau tai taip pat gali priklausyti nuo vietovės – pavyzdžiui, SP-35 matavimai, kurie dreifavo arčiau pietų ir šelfinių jūrų rytiniame pusrutulyje, atitinka aukščiau pateiktą hipotezę. Taigi reikia daugiau tyrimų."

Ledas dabar sulaukia didžiausio dėmesio, nes tai aiškus Arktyje vykstančių procesų rodiklis. Todėl jo tyrimas yra nepaprastai svarbus. Visų pirma, tai yra ledo masės balanso įvertinimas. Vasarą jis tirpsta, o žiemą auga, todėl reguliarūs jo storio matavimai naudojant matavimo strypus tam skirtoje vietoje leidžia įvertinti ledo lyties tirpimo ar augimo greitį, o vėliau šie duomenys gali būti panaudoti norint patikslinti įvairius daugiamečio ledo formavimosi modeliai. „SP-36 sąvartynas užėmė 80x100 m plotą, o nuo spalio iki gegužės jame išaugo 8400 tonų ledo“, – sako Vladimiras Churun. „Galite įsivaizduoti, kiek ledo užaugo ant visos 5x6 km dydžio ledo lytinės!

„Mes taip pat paėmėme keletą jaunų ir senų ledų branduolių, kurie bus tiriami AARI – cheminė sudėtis, mechaninės savybės, morfologija“, – sako SP-36 ledo tyrinėtojas Nikita Kuznecovas. „Ši informacija gali būti naudojama įvairiems klimato modeliams tobulinti, taip pat, pavyzdžiui, inžineriniais tikslais, įskaitant ledlaužių statybą.

Be to, SP-36 buvo atlikti įvairių bangų slinkimo jūros lede procesų tyrimai: bangos, susidarančios ledo lyčių susidūrimo metu, taip pat tos, kurios iš jūrinės aplinkos pereina į ledą. Šie duomenys registruojami naudojant labai jautrius seismometrus ir vėliau naudojami taikomiems ledo sąveikos su kietosiomis medžiagomis modeliams. Pasak SP-36 pirmaujančio inžinieriaus ledo tyrinėtojo Leonido Panovo, tai leidžia įvertinti įvairių inžinerinių konstrukcijų - laivų, gręžimo platformų ir kt. - apkrovas atsparumo ledui požiūriu: „Žinant ypatybes Ledo ir bangų sąveikos galima apskaičiuoti ledo stiprumo savybes, o tai reiškia, kad reikia tiksliai numatyti, kur jis lūžs. Tokie metodai leis nuotoliniu būdu aptikti plyšių praėjimą ir kauburėlius pavojingose ​​vietose, pavyzdžiui, prie naftos ir dujotiekių.

Ne kurortas

Kai Vladimiro paklausiau, kaip jaučiasi globali klimato kaita (būtent klimato atšilimas) dirbant dreifuojančioje stotyje, jis tik šyptelėjo atsakydamas: „Žinoma, ledo plotas ir jo storis Arktyje sumažėjo – tai yra gerai užregistruotas mokslinis faktas. Tačiau dreifuojančioje stotyje, vietinėje ledo sangrūdos erdvėje, visuotinis atšilimas visiškai nesijaučia. Visų pirma, per šį žiemojimą užfiksavome žemiausią temperatūrą per pastaruosius dešimt metų (-47,3°C). Vėjas nebuvo labai stiprus – didžiausi gūsiai siekė 19,4 m/s. Tačiau apskritai žiema nuo vasario iki balandžio buvo labai šalta. Taigi, nepaisant visuotinio atšilimo, Arktis netapo šiltesnė, jaukesnė ar patogesnė. Čia vis dar taip pat šalta, vis dar pučia šalti vėjai, ledas vis dar toks pat aplink. Ir kol kas nėra vilties, kad Čiukotka greitai taps kurortu“.

Dmitrijus Mamontovas.

Maži vaikai labai dažnai užduoda suaugusiems įdomius klausimus, į kuriuos jie ne visada gali iš karto atsakyti. Kad vaikas neatrodytų kvailas, rekomenduojame susipažinti su išsamiu ir išsamiu, pagrįstu atsakymu dėl ledo plūdrumo. Juk plaukia, o ne skęsta. Kodėl tai vyksta?

Kaip paaiškinti vaikui sudėtingus fizinius procesus?

Pirmas dalykas, kuris ateina į galvą, yra tankis. Taip, iš tikrųjų ledas plūduriuoja, nes yra mažiau tankus nei . Tačiau kaip paaiškinti vaikui, kas yra tankumas? Niekas neprivalo jam papasakoti mokyklos mokymo programos, tačiau visiškai įmanoma viską suvesti į tai, kas tai yra. Juk iš tikrųjų tas pats vandens ir ledo tūris turi skirtingą svorį. Išsamiau išnagrinėję problemą, be tankio, galime išsakyti keletą kitų priežasčių.
ne tik todėl, kad sumažėjęs tankis neleidžia jam nugrimzti žemiau. Priežastis taip pat yra ta, kad maži oro burbuliukai yra užšalę lede. Jie taip pat sumažina tankį, todėl apskritai pasirodo, kad ledo plokštės svoris tampa dar mažesnis. Ledui plečiasi, jis nepriima daugiau oro, tačiau visi tie burbuliukai, kurie jau yra šio sluoksnio viduje, lieka ten, kol ledas pradeda tirpti ar sublimuotis.

Vandens plėtimosi jėgos eksperimento atlikimas

Bet kaip jūs galite įrodyti, kad ledas iš tikrųjų plečiasi? Juk vanduo taip pat gali plėstis, tad kaip tai įrodyti dirbtinėmis sąlygomis? Galite atlikti įdomų ir labai paprastą eksperimentą. Norėdami tai padaryti, jums reikės plastikinio arba kartoninio puodelio ir vandens. Kiekis neturi būti didelis, nereikia pripildyti stiklinės iki kraštų. Be to, idealiu atveju jums reikia apie -8 laipsnių ar žemesnės temperatūros. Jei temperatūra yra per aukšta, patirtis truks nepagrįstai ilgai.
Taigi, į vidų pilamas vanduo, reikia palaukti, kol susidarys ledas. Kadangi pasirinkome optimalią temperatūrą, kuriai esant nedidelis skysčio tūris per dvi-tris valandas virs ledu, galite drąsiai eiti namo laukti. Reikia palaukti, kol visas vanduo virs ledu. Po kurio laiko žiūrime į rezultatą. Deformuotas ar ledo suplyšęs puodelis garantuotas. Esant žemesnei temperatūrai, efektai atrodo įspūdingesni, o pats eksperimentas trunka trumpiau.

Neigiamos pasekmės

Pasirodo, paprastas eksperimentas patvirtina, kad ledo luitai krintant temperatūrai tikrai plečiasi, o užšalus lengvai didėja vandens tūris. Paprastai ši savybė užmaršiems žmonėms sukelia daug problemų: Naujųjų metų išvakarėse balkone ilgam paliktas šampano butelis sugenda dėl ledo poveikio. Kadangi plėtimosi jėga yra labai didelė, jos niekaip negalima paveikti. Na, o dėl ledo luitų plūdrumo čia nėra ką įrodinėti. Smalsiausi gali nesunkiai patys atlikti panašų eksperimentą pavasarį ar rudenį, bandydami ledo gabalėlius paskandinti didelėje baloje.

Visi žino, kad ledas yra užšalęs vanduo, tiksliau, jis yra kietos agregacijos būsenos. Bet Kodėl ledas neskęsta vandenyje, o plūduriuoja jo paviršiuje?

Vanduo yra neįprasta medžiaga, turinti retų, net anomalių savybių. Gamtoje dauguma medžiagų kaitinant plečiasi, o atvėsus susitraukia. Pavyzdžiui, gyvsidabris termometre pakyla per siaurą vamzdelį ir rodo temperatūros padidėjimą. Kadangi gyvsidabris užšąla esant -39ºC, jis netinka termometrams, naudojamiems atšiaurioje temperatūroje.

Vanduo taip pat plečiasi kaitinamas ir susitraukia vėsdamas. Tačiau aušinimo diapazone nuo maždaug +4 ºC iki 0 ºC jis plečiasi. Būtent todėl žiemą gali sprogti vandens vamzdžiai, jei vanduo juose užšalo ir susidarė didelės ledo masės. Ledo slėgis ant vamzdžių sienelių yra pakankamas, kad jie sprogtų.

Vandens išsiplėtimas

Kadangi aušinamas vanduo plečiasi, ledo tankis (t. y. kietos formos) yra mažesnis nei skysto vandens. Kitaip tariant, tam tikras ledo tūris sveria mažiau nei toks pat vandens tūris. Tai atspindi formulė m = ρV, kur V – kūno tūris, m – kūno masė, ρ – medžiagos tankis. Tarp tankio ir tūrio yra atvirkščiai proporcingas ryšys (V = m/ρ), t.y., didėjant tūriui (vandeniui vėsstant), tos pačios masės tankis bus mažesnis. Ši vandens savybė lemia ledo susidarymą rezervuarų – tvenkinių ir ežerų – paviršiuje.

Tarkime, kad vandens tankis yra 1. Tada ledo tankis bus 0,91. Šios figūros dėka galime sužinoti ant vandens plūduriuojančios ledo lytinės storį. Pavyzdžiui, jei ledo sangrūdos aukštis virš vandens yra 2 cm, tai galime daryti išvadą, kad jos povandeninis sluoksnis yra 9 kartus storesnis (t.y. 18 cm), o visos ledo lytinės storis – 20 cm.

Šiaurės ir Pietų Žemės ašigalių srityje vanduo užšąla ir sudaro ledkalnius. Kai kurie iš šių plūduriuojančių ledo kalnų yra milžiniški. Manoma, kad didžiausias žmogui žinomas ledkalnis, kurio paviršiaus plotas yra 31 000 kvadratinių metrų. kilometrų, kuris 1956 metais buvo atrastas Ramiajame vandenyne.

Kaip kietas vanduo padidina jo tūrį? Keičiant jo struktūrą. Mokslininkai įrodė, kad ledas turi ažūrinę struktūrą su ertmėmis ir tuštumais, kurios, ištirpusios, prisipildo vandens molekulių.

Patirtis rodo, kad vandens užšalimo temperatūra mažėja didėjant slėgiui maždaug vienu laipsniu kas 130 atmosferų.

Yra žinoma, kad vandenynuose dideliame gylyje vandens temperatūra yra žemesnė nei 0 ºС, tačiau jis neužšąla. Tai paaiškinama viršutinių vandens sluoksnių sukuriamu slėgiu. Kilometro storio vandens sluoksnis spaudžia apie 100 atmosferų jėga.

Vandens ir ledo tankių palyginimas

Ar vandens tankis gali būti mažesnis už ledo tankį ir ar tai reiškia, kad jis jame nuskęs? Atsakymas į šį klausimą yra teigiamas, o tai lengva įrodyti atlikus šį eksperimentą.

Iš šaldiklio, kur temperatūra –5 ºС, paimkime trečdalio stiklinės ar šiek tiek daugiau ledo gabalėlį. Įdėkite į kibirą +20 ºС temperatūros vandens. Ką mes stebime? Ledas greitai skęsta ir skęsta, palaipsniui pradeda tirpti. Taip nutinka todėl, kad +20 ºС temperatūros vanduo turi mažesnį tankį, palyginti su ledu, kurio temperatūra -5 ºС.

Yra ledo modifikacijų (esant aukštai temperatūrai ir slėgiui), kurios dėl didesnio tankio paskęs vandenyje. Mes kalbame apie vadinamąjį „sunkųjį“ ledą - deuterį ir tritį (prisotintą sunkiuoju ir supersunkiu vandeniliu). Nepaisant tų pačių tuštumų kaip ir protiumo lede, jis paskęs vandenyje. Priešingai nei „sunkusis“ ledas, protiumo lede nėra sunkiųjų vandenilio izotopų ir jame yra 16 miligramų kalcio litre skysčio. Jo paruošimo procesas apima 80% valymą nuo kenksmingų priemaišų, todėl protiumo vanduo laikomas optimaliausiu žmogaus gyvenimui.

Reikšmė gamtoje

Tai, kad ledas plūduriuoja vandens telkinių paviršiuje, gamtoje vaidina svarbų vaidmenį. Jei vanduo neturėtų šios savybės ir ledas nugrimztų į dugną, užšaltų visas rezervuaras ir dėl to žūtų jame gyvenantys gyvi organizmai.

Atėjus šaltiems orams, pirmiausia esant aukštesnei nei +4 ºС temperatūrai, šaltesnis vanduo iš rezervuaro paviršiaus nusileidžia žemyn, o šiltas (lengvesnis) vanduo kyla į viršų. Šis procesas vadinamas vertikalia vandens cirkuliacija (maišymu). Kai visame rezervuare pasiekia +4 ºС, šis procesas sustoja, nes nuo paviršiaus esantis +3 ºС vanduo tampa lengvesnis nei esantis žemiau. Vanduo plečiasi (jo tūris padidėja maždaug 10%), o tankis mažėja. Dėl to, kad šaltesnis sluoksnis yra viršuje, vanduo paviršiuje užšąla ir susidaro ledo danga. Dėl savo kristalinės struktūros ledas turi prastą šilumos laidumą, tai reiškia, kad jis išlaiko šilumą. Ledo sluoksnis veikia kaip tam tikras šilumos izoliatorius. O vanduo po ledu išlaiko šilumą. Dėl ledo šilumą izoliuojančių savybių smarkiai sumažėja „šalčio“ perdavimas į apatinius vandens sluoksnius. Todėl rezervuaro dugne beveik visada lieka bent plonas vandens sluoksnis, o tai nepaprastai svarbu jo gyventojų gyvenimui.

Taigi +4 ºС - maksimalaus vandens tankio temperatūra - yra gyvų organizmų išlikimo rezervuare temperatūra.

Naudoti kasdieniame gyvenime

Aukščiau buvo paminėta vandens vamzdžių plyšimo galimybė, kai vanduo užšąla. Kad vandens tiekimo sistema nebūtų pažeista esant žemai temperatūrai, šilto vandens, tekančio per šildymo vamzdžius, tiekimas neturėtų trukdyti. Transporto priemonei kyla panašus pavojus, jei šaltu oru radiatoriuje lieka vandens.

Dabar pakalbėkime apie maloniąją unikalių vandens savybių pusę. Čiuožimas ant ledo yra puiki pramoga vaikams ir suaugusiems. Ar kada susimąstėte, kodėl ledas toks slidus? Pavyzdžiui, stiklas taip pat yra slidus, taip pat lygesnis ir patrauklesnis nei ledas. Tačiau pačiūžos ant jo neslysta. Tik ledas turi tokią ypatingą žavingą savybę.

Faktas yra tas, kad esant mūsų svorio svoriui, spaudžiamas plonas pačiūžos ašmenis, o tai savo ruožtu sukelia spaudimą ledui ir jo tirpsmui. Tokiu atveju susidaro plona vandens plėvelė, prieš kurią slysta plieninė pačiūžos ašmenys.

Vaško ir vandens užšalimo skirtumas

Eksperimentai rodo, kad ledo kubo paviršius sudaro tam tikrą iškilimą. Taip yra dėl to, kad užšalimas viduryje įvyksta paskutinis. Ir plečiasi pereinant į kietą būseną, šis iškilimas dar labiau pakyla. Tam galima atremti vaško kietėjimą, kuris, priešingai, formuoja įdubimą. Tai paaiškinama tuo, kad pavirtęs į kietą būseną vaškas susitraukia. Užšalę tolygiai susitraukiantys skysčiai sudaro šiek tiek įgaubtą paviršių.

Norint užšaldyti vandenį, neužtenka jį atšaldyti iki 0 ºC užšalimo taško, ši temperatūra turi būti palaikoma nuolat vėsinant.

Vanduo sumaišytas su druska

Stalo druskos įdėjimas į vandenį sumažina jo užšalimo temperatūrą. Būtent dėl ​​šios priežasties keliai žiemą barstomi druska. Sūrus vanduo užšąla esant -8°C ir žemiau, todėl kol temperatūra nenukrenta bent iki šio taško, užšalimas nevyksta.

Ledo ir druskos mišinys kartais naudojamas kaip „aušinimo mišinys“ eksperimentams žemoje temperatūroje. Tirpdamas ledas sugeria latentinę transformacijai reikalingą šilumą iš aplinkos ir taip jį vėsina. Tai sugeria tiek šilumos, kad temperatūra gali nukristi žemiau -15 °C.

Universalus tirpiklis

Grynas vanduo (molekulinė formulė H 2 0) neturi spalvos, skonio, kvapo. Vandens molekulė susideda iš vandenilio ir deguonies. Į vandenį patekus kitoms medžiagoms (tirpioms ir netirpioms vandenyje), jis užsiteršia, todėl gamtoje nėra absoliučiai gryno vandens. Visos gamtoje esančios medžiagos gali būti įvairiu laipsniu ištirpintos vandenyje. Tai lemia unikalios jų savybės – tirpumas vandenyje. Todėl vanduo laikomas „universaliu tirpikliu“.

Stabilios oro temperatūros garantas

Dėl didelės šiluminės talpos vanduo įšyla lėtai, tačiau, nepaisant to, aušinimo procesas vyksta daug lėčiau. Dėl to vasarą vandenynai ir jūros gali kaupti šilumą. Šilumos išsiskyrimas vyksta žiemą, todėl mūsų planetos teritorijoje ištisus metus nėra staigių oro temperatūros pokyčių. Vandenynai ir jūros yra originalus ir natūralus šilumos kaupiklis Žemėje.

Paviršiaus įtempimas

Išvada

Tai, kad ledas neskęsta, o plūduriuoja paviršiuje, paaiškinamas mažesniu jo tankiu, palyginti su vandeniu (saviasis vandens tankis 1000 kg/m³, ledo – apie 917 kg/m³). Ši tezė galioja ne tik ledui, bet ir bet kuriam kitam fiziniam kūnui. Pavyzdžiui, popierinės valties ar rudeninio lapo tankis yra daug mažesnis nei vandens tankis, kuris užtikrina jų plūdrumą.

Tačiau vandens savybė turėti mažesnį tankį kietoje būsenoje yra labai reta, tai yra bendrosios taisyklės išimtis. Tik metalas ir ketus (metalinės geležies ir nemetalinės anglies lydinys) turi panašias savybes.

Poliariniai ledo luitai ir ledkalniai dreifuoja vandenyne, ir net gėrimuose ledas niekada nenugrimzta į dugną. Galime daryti išvadą, kad ledas vandenyje neskęsta. Kodėl? Gerai pagalvojus, šis klausimas gali pasirodyti kiek keistas, nes ledas yra kietas ir – intuityviai – turėtų būti sunkesnis už skystą. Nors šis teiginys tinka daugumai medžiagų, vanduo yra taisyklės išimtis. Vandenį ir ledą skiria vandeniliniai ryšiai, dėl kurių ledas kietas būna lengvesnis nei skystas.

Mokslinis klausimas: kodėl ledas neskęsta vandenyje?

Įsivaizduokime, kad esame pamokoje „Pasaulis aplink mus“ 3 klasėje. „Kodėl ledas neskęsta vandenyje?“ – klausia mokytojas vaikų. Ir vaikai, neturėdami gilių fizikos žinių, pradeda samprotauti. "Gal tai magija?" - sako vienas iš vaikų.

Išties ledas itin neįprastas. Kitų natūralių medžiagų, kurios kietos būsenos galėtų plūduriuoti skysčio paviršiuje, praktiškai nėra. Tai yra viena iš savybių, dėl kurių vanduo yra tokia neįprasta medžiaga ir, atvirai kalbant, tai keičia planetos evoliucijos kelią.

Kai kuriose planetose yra daug skystų angliavandenilių, tokių kaip amoniakas, tačiau kai ši medžiaga užšąla, ji nugrimzta į dugną. Ledas neskęsta vandenyje dėl to, kad užšaldamas vanduo plečiasi, o kartu mažėja ir jo tankis. Įdomu tai, kad ledo plėtimasis gali sulaužyti akmenis – vandens apledėjimo procesas toks neįprastas.

Kalbant moksliškai, užšalimo procesas sukuria greitus atmosferos poveikio ciklus ir tam tikros cheminės medžiagos, išsiskiriančios ant paviršiaus, gali ištirpinti mineralus. Apskritai vandens užšaldymas apima procesus ir galimybes, kurių kitų skysčių fizinės savybės nerodo.

Ledo ir vandens tankis

Taigi, atsakymas į klausimą, kodėl ledas neskęsta vandenyje, o plūduriuoja paviršiuje, yra toks, kad jo tankis mažesnis nei skysčio – tačiau tai yra pirmo lygio atsakymas. Norėdami geriau suprasti, turite žinoti, kodėl ledo tankis yra mažas, kodėl daiktai pirmiausia plūduriuoja ir kaip tankis sukelia plūdimą.

Prisiminkime graikų genijų Archimedą, kuris išsiaiškino, kad panardinus tam tikrą objektą į vandenį vandens tūris padidėja skaičiumi, lygiu panardinto objekto tūriui. Kitaip tariant, jei ant vandens paviršiaus pastatysite gilų indą, o po to įdėsite į jį sunkų daiktą, į indą besipilančio vandens tūris bus tiksliai lygus objekto tūriui. Nesvarbu, ar objektas visiškai ar iš dalies panardintas.

Vandens savybės

Vanduo yra nuostabi medžiaga, kuri daugiausia maitina gyvybę žemėje, nes jo reikia kiekvienam gyvam organizmui. Viena iš svarbiausių vandens savybių yra ta, kad didžiausias jo tankis yra 4 °C temperatūroje. Taigi karštas vanduo ar ledas yra mažiau tankus nei šaltas vanduo. Mažiau tankios medžiagos plūduriuoja ant tankesnių medžiagų.

Pavyzdžiui, ruošdami salotas galite pastebėti, kad aliejus yra ant acto paviršiaus – tai galima paaiškinti tuo, kad jo tankis mažesnis. Tas pats dėsnis galioja ir paaiškinant, kodėl ledas neskęsta vandenyje, o skęsta benzine ir žibale. Tiesiog šių dviejų medžiagų tankis yra mažesnis nei ledo. Taigi, jei įmesi pripučiamą kamuoliuką į baseiną, jis plūduriuos paviršiumi, o jei įmesi akmenį į vandenį – nuskandins į dugną.

Kokie pasikeičia vanduo, kai jis užšąla?

Priežastis, kodėl ledas neskęsta vandenyje, yra dėl vandenilinių jungčių, kurios pasikeičia vandeniui užšalus. Kaip žinote, vandenį sudaro vienas deguonies atomas ir du vandenilio atomai. Jie yra sujungti kovalentiniais ryšiais, kurie yra neįtikėtinai stiprūs. Tačiau kitos rūšies ryšys, susidarantis tarp skirtingų molekulių, vadinamas vandenilio ryšiu, yra silpnesnis. Šie ryšiai susidaro, nes teigiamai įkrautus vandenilio atomus traukia gretimų vandens molekulių neigiamai įkrauti deguonies atomai.

Kai vanduo šiltas, molekulės yra labai aktyvios, daug juda, greitai suformuoja ir nutraukia ryšius su kitomis vandens molekulėmis. Jie turi energijos priartėti vienas prie kito ir greitai judėti. Taigi kodėl ledas neskęsta vandenyje? Chemija slepia atsakymą.

Ledo fizikinė chemija

Vandens temperatūrai nukritus žemiau 4°C, skysčio kinetinė energija mažėja, todėl molekulės nebejuda. Jie neturi energijos judėti ir nutraukti bei sudaryti ryšius taip lengvai, kaip esant aukštai temperatūrai. Vietoj to, jie sudaro daugiau vandenilio jungčių su kitomis vandens molekulėmis, kad sudarytų šešiakampes gardelės struktūras.

Jie sudaro šias struktūras, kad neigiamai įkrautos deguonies molekulės būtų toliau viena nuo kitos. Šešiakampių, susidarančių dėl molekulių veiklos, viduryje yra daug tuštumos.

Ledas skęsta vandenyje – priežastys

Ledas iš tikrųjų yra 9% mažesnis nei skystas vanduo. Todėl ledas užima daugiau vietos nei vanduo. Praktiškai tai prasminga, nes ledas plečiasi. Būtent todėl nerekomenduojama užšaldyti stiklinio vandens butelio – užšalęs vanduo gali susidaryti didelių įtrūkimų net betone. Jei turite litro butelį ledo ir litrinį butelį vandens, tada ledinio vandens butelis bus lengvesnis. Šiuo metu molekulės yra toliau viena nuo kitos nei tada, kai medžiaga yra skystoje būsenoje. Štai kodėl ledas neskęsta vandenyje.

Ledui tirpstant stabili kristalinė struktūra suyra ir tampa tankesnė. Kai vanduo sušyla iki 4°C, jis įgauna energijos, o molekulės juda greičiau ir toliau. Štai kodėl karštas vanduo užima daugiau vietos nei šaltas ir plūduriuoja ant šalto vandens – jis yra mažiau tankus. Atsiminkite, kai būnate ežere, maudantis, viršutinis vandens sluoksnis visada malonus ir šiltas, tačiau įkišus kojas giliau jaučiamas apatinio sluoksnio šaltis.

Proceso svarba planetos funkcionavimui

Nepaisant to, kad klausimas „Kodėl ledas neskęsta vandenyje? 3 klasei labai svarbu suprasti, kodėl šis procesas vyksta ir ką jis reiškia planetai. Taigi ledo plūdrumas turi svarbių pasekmių gyvybei Žemėje. žiemą šaltose vietose – tai leidžia žuvims ir kitiems vandens gyvūnams išgyventi po ledo antklode. Jei dugnas būtų užšalęs, didelė tikimybė, kad užšaltų visas ežeras.

Tokiomis sąlygomis neliktų gyvas nei vienas organizmas.

Jei ledo tankis būtų didesnis už vandens tankį, tai ledas vandenynuose skęstų, o ledo kepurės, kurios šiuo atveju būtų apačioje, neleistų ten niekam gyventi. Vandenyno dugnas būtų pilnas ledo – o į ką visa tai virstų? Be kita ko, poliarinis ledas svarbus, nes atspindi šviesą ir neleidžia Žemės planetai perkaisti.

Panašūs straipsniai