Процес на замрзнување на порталот за морски мраз на морски мраз

Внатрешната микроструктура на морскиот мраз се состои од комплексна мешавина од слатководен мраз, течна саламура и подмножества на гас, при што составот на оваа мешавина има одлучувачко влијание врз физичките својства на морскиот мраз. Познавањето на внатрешната микроструктура на морскиот мраз е предуслов за точно одредување на многу методи на мерење, како што е дебелината на морскиот мраз.

Видот на замрзнување особено ја одредува микроструктурата на морскиот мраз. Предуслов за формирање на мраз е секако дека морската вода се лади барем до точката на замрзнување од студениот воздух. Поради високата содржина на сол, ова е типично - 1,8 степени Целзиусови. Процесите на раст на морскиот мраз тогаш зависат многу од ветерот и брановите. Без оглед на ова, кога морската вода се зацврстува, молекулите на водата ја дислоцираат содржината на сол од добиената кристална структура. Последователно концентрираната саламура (преостаната течна морска вода која е силно збогатена со солени јони) формира шуплини и пештери, комплексен каналски систем што поминува низ телото на мразот.

Фотографии: М. Николаус

Елементот вода (H2O) има некои својства кои исто така влијаат на карактеристиките на морскиот мраз.
Водата е единствената супстанција на земјата што се јавува под дадени климатски услови на нашата земја во трите хемиски состојби (фази) цврста, течна и гасовита. Ова посебно својство на вода овозможува да се појави во сите сфери. Ако водата ја промени својата физичка состојба, енергијата се претвора. Во зависност од фазната транзиција, енергијата е врзана (топење, испарување) или ослободена (кондензација, замрзнување). Состојбите на агрегација и фазните транзиции може да бидат прикажани во дијаграм на состојба.

Слика: Зависност на агрегатните состојби на вода (дијаграм на состојба да не се размери) и нивни процеси на трансформација

Табела: Зависност на агрегатните состојби на вода (дијаграм на состојба да не се размери) и нивни процеси на претворање [1]

[1] се смени од: Отворениот универзитет, том „Морска вода: нејзиниот состав, својства и однесување“, 1995, стр. 6

За време на процесот на замрзнување и состојбата на замрзнување, се менуваат одредени својства на морскиот мраз. Соленоста на морската вода е од особено значење, бидејќи ја одредува температурата на замрзнување: колку е посолена вода, толку подалеку е точката на замрзнување од нула степени. Содржината на сол, исто така, влијае на густината на водата.

Соленоста на различните океани варира силно и е под влијание и на океанските струи. Средната содржина на сол во океаните е 34,7 промили, а распределбата околу средната вредност е релативно мала. 50 проценти од сите океани имаат соленост помеѓу 34,6 и 34,8 промили. Содржината на сол во океаните варира помеѓу 32 и 38 промили. [1] Ако се вклучени морските полици, чија соленост може да биде релативно висока или ниска, вредностите се помеѓу 28 и 40 на илјада.

Овие варијации се јавуваат затоа што соленоста може да варира во зависност од испарувањето, врнежите и приливот на слатка вода од континентите:

Во маргиналното и медитеранското море на умерените ширини на северната и јужната хемисфера, соленоста е помала како резултат на снабдувањето со слатка вода од реките и врнежите.

Во маргиналното и медитеранското море на суптропските ширини, испарувањето преовладува над снабдувањето со реки и врнежите, а соленоста понекогаш е поголема отколку во отворениот океан.

Додека Балтичкото Море има максимална содржина на сол од 20 на илјада, Мртвото Море може да содржи до 33 проценти сол. Општо, сепак, соленоста на океаните е далеку под онаа на Мртвото Море. Арктичкиот океан содржи околу 32 на илјада, Северното море помеѓу 3,4 и 35 на илјада, Средоземното море до 39 на илјада, Персискиот залив до 40 на илјада и Црвеното море до 41 на илјада соли. Соленоста на Атлантикот варира помеѓу 34,5 и 37 промили.

[1] J. Krauß, Grundzüge der Maritime Meteorologie und Ozeanographie, Salzwasserverlag, Paderborn, 2011, стр. 172

Поради солите растворени во морска вода, точката на замрзнување е помала отколку во слатката вода. Температурата на точката на замрзнување кај различните водни тела варира помеѓу 0 степени Целзиусови за свежа вода и -1.9 степени Целзиусови за солената вода на полиците на Антарктикот. За повеќето океани со соленост од 34,5 промили, процесот на замрзнување и формирање на морскиот мраз започнува на температура од 1,86,8 Целзиусови степени. Поларните океани се често послатки од „просечната“ морска вода, делумно поради пониските стапки на испарување. За содржината на сол од 25 до 30 на илјада, водата замрзнува на температури од -1.35 степени Целзиусови или -1.62 степени Целзиусови. [1] Овие нивоа на соленост се карактеристични за морската вода на ниски географски широчини. Меѓутоа, ако температурата на водата падне под соодветната точка на замрзнување, започнува процесот на кристализација на водата.

Врската помеѓу точката на замрзнување и максималната густина со различна соленост е од голема важност за формирање на мраз на морето.

Слика: Зависност од точката на замрзнување и температура од најголема густина. Зелена = температура на максимална густина, сина = спуштање на точката на замрзнување

Поради интеракциите помеѓу солите и поларните молекули на вода, процесот на кристализација на водата се спречува дури и на температури под нулата степени Целзиусови. Колку е посолена водата, толку е помала точката на замрзнување и толку е поголема нејзината густина. Депресијата на точката на замрзнување е линеарна и зависи од соленоста на морската вода (сина права линија).

Слично на точката на замрзнување, температурата на максималната густина исто така се менува на линеарен начин во зависност од соленоста на водата (зелена права линија).

Сепак, со зголемување на соленоста, температурата на максималната густина паѓа многу повеќе од онаа на точката на замрзнување. Ова води до фактот дека обете права се сечат на температура од приближно -1.3 степени Целзиусови и содржина на сол од 25. Ако содржината на сол продолжи да расте, мразот формиран на површината ќе стане потежок од водените маси подолу и ќе мора да потоне во длабочините. Ова би значело дека маси мраз се акумулирале таму.

Меѓутоа, бидејќи некои соли содржани во нив се таложат за време на процесот на замрзнување на морската вода, што резултира со намалување на специфичната тежина на морскиот мраз, тоа не се случи. [2]

Покрај тоа, поради содржината на сол, морската вода ја губи посебната карактеристика на аномалијата на густината. Додека скоро сите течности се собираат кога се замрзнуваат, а со тоа се зголемува нивната густина, водата се шири кога ќе се зацврстат. Со чиста вода, максималната густина е 4 степени Целзиусови, т.е. над температурата на точката на замрзнување, така што студената вода со температура под 4 степени Целзиусови и помала густина останува на површината. Потешката студена вода од 4 степени Целзиусови секогаш тоне на дното, потопла или поладна вода (во зависност од сезоната) слоевите над неа. Ова е причината што стоечката свежа вода секогаш се замрзнува одозгора и длабоката вода никогаш не замрзнува.
Аномалијата на густината што недостасува во океаните доведува до нешто поразлично раслојување на водните маси. Најстудената вода е класифицирана во колоната за вода на долниот крај.

Сè додека точката на замрзнување сè уште не е достигната, густината на морската вода се зголемува континуирано за време на процесот на ладење и станува се поголема. Ова резултира во нестабилно раслојување на морската вода и со тоа конвективно мешање на површинската вода. Водата што се лади на површината тоне во подлабоки региони, додека сеуште топла површинска вода се крева - да се лади од студениот воздух и конечно да потоне исто така.

[1] С. Маршал, Криосферата, Универзитетски печат во Принстон, 2012, стр. 105
[2] П. Тардент, Мерезбиологија, 3-то непроменето издание, Тием-Верлаг, стр. 176-177

Растворливоста на солите во морската вода зависи од нејзината температура и соодветната концентрација на јони. Ако температурата падне, дел од морската вода замрзнува и соленоста се зголемува. Оваа зависност на составот на морскиот мраз од температурата може да се прикаже во фазен дијаграм.
За подобро разбирање на морскиот мраз и неговите својства, корисно е општо разбирање на фазниот дијаграм на морскиот мраз. Таму е прикажан бројот и составот на различните фази (мраз, саламура и цврсти соли) што постојат во океанот на различни температури и притисоци. Без таков фазен дијаграм, не би било можно да се специфицираат различните фази и нивниот релативен волумен во примероците на морскиот мраз со позната соленост и температура.
Прво, да разгледаме поедноставен фазен дијаграм за солена вода, која содржи само кујнска сол, во која NaCl се раствора во H2O.

Слика: Фазен дијаграм на мешавина од сол (NACL) и вода (извадок) [1]

Ако растворот има концентрација на сол од нула проценти, водата е чиста и се замрзнува на 0 степени Целзиусови. Ако измешате трпезариска сол во чиста вода на температура од 10 степени Целзиусови, таа се раствора додека не се постигне содржина на сол од околу 27 проценти (точка 1 на сликата).

Сега што се случува кога ќе се олади овој раствор на сол од 27 проценти? Цврстата сол полека се одделува од растворот и растворот се замрзнува на –21 степени Целзиусови (точка 2 на сликата). При замрзнување, двете цврсти материи се одделуваат, ќе најдете мешани кристали од мраз и сол.

Нешто слично се случува кога z. Б. 10 процентен солен раствор (точка 3 на сликата) се лади од 10 степени Целзиусови. Кога температурата достигна –7 ° C (точка 4 на слика), ледените кристали се одделуваат од растворот, додека солта што останува во растворот е концентрирана. Само на –21 степени Целзиусови и концентрација на сол од 23,3% m/m (точка 5 на сликата) целиот систем замрзнува со одвоени кристали на мраз и сол.

Во средната област на дијаграмот има само една фаза (течен хомоген раствор на сол), во другите три области има две фази: десно течен раствор на сол со сол кристали, лево течен солен раствор со ледени кристали и на дното цврст материјал направен од мраз и Солени кристали.

Значи, кога мразот од морската вода почнува да се замрзнува, процентот на вода во растворот се намалува и точката на замрзнување продолжува да се намалува. Овој процес продолжува само додека растворот не е заситен со сол. Најниската температура за течен солен раствор е -21 степени Целзиусови. На оваа температура, солта почнува да се кристализира од растворот (како NaCl * 2 H2O) заедно со мразот. Замрзнатиот раствор тогаш е мешавина од одделни кристали NaCl * 2 H2O и ледени кристали, т.е. не хомогена мешавина од сол и вода. Оваа форма на фазен дијаграм на солена вода ја опишува таканаречената еутектика. Фазниот дијаграм се карактеризира со фактот дека има течност и две различни цврсти фази за транзиција на цврста течност.

За морскиот мраз, кој се состои од многу различни соли, ваквиот фазен дијаграм изгледа, се разбира, покомплициран. Калциум карбонат таложи на температура од –2,2 степени Целзиусови. Ова продолжува за другите соли со намалување на температурите. Температурите на врнежи на специјалните соли на растворот се -8,2 степени Целзиусови за натриум сулфат, -22,9 степени Целзиусови за натриум хлорид, -36 степени Целзиусови за KCl и -54 степени Целзиусови за CaCl.

Самиот фазен дијаграм не содржи никакви директни информации за специфичното просторно уредување на одделни фази во рамките на системот „морски мраз“, на пример, за микроструктурата на морскиот мраз. Во случај на природен морски мраз, ова зависи од два главни фактори: околината во која мразот расте и граничните услови на граничниот слој на мразот и водата, како и ин-ситурната температура и хемискиот состав на ледениот слој што се разгледува. Последново е од голема важност за низа својства на морски мраз, како што се физичките разлики помеѓу мразот, саламура, соли и гасови.

[1] Изворот е променет од: Ц. Кларк, Наука за сладоледот, РСЦ издаваштво, 2. издание, 2012 година, стр.29-30