Как полярники используют свойство льда

Полярники будут использовать в Арктике самоходный лед

1256 просмотров

10:52, 22 марта 2014 г.

Товарищу Папанину — ледоколу и человеку

125 лет назад в Севастополе родился «полярник №1» Иван Дмитриевич ПапанинСевастополь. Корабельная сторона. Она же, по-простому, Корабелка. Или Корабуха. Здесь в Аполлоновой балке 125 лет назад, 26 ноября 1894 года, родился будущий «полярник №1».Арктика.

Сколько дней провели на дрейфующей льдине папанинцы

Ровно 82 года назад, 19 февраля 1938 года, завершила работу первая в мире дрейфующая научная станция «Северный полюс-1».Советская полярная научно-исследовательская дрейфующая научная станция «Северный полюс-1» начала работу 21 мая 1937 года. Пять самолетов.

Амундсен против Скотта: история смертельной схватки за Южный полюс

Еще в юности Амундсен проявил интерес к исследованиям Арктики и Антарктики, и планомерно стал готовить себя к карьере путешественника, не только пополняя багаж знаний, но и улучшая свою физическую форму. В&nbsp.

Патриарх Кирилл считает развитие Арктики приоритетным

Глава Всемирного Русского Народного Собора, Патриарх Московский и всея Руси Кирилл придает большое значение Арктики для России и называет ее первооткрывателей национальными героями. «История освоения Арктики является замечательным примером самоотверженности.

Проблема Арктики становится все актуальнее

США готовятся к милитаризации Северного Ледовитого океана и, по признаниям начальства ВМС, в ближайшие 15 лет намереваются утвердиться в этом регионе в военном, политическом и экономическом плане. Очевидно, что Штаты желают «откусить» огромный кусок.

Борьба за Арктику

Северный морской путь, запасы углеводородов и других природных ресурсов, а также контроль над потенциальной зоной доставки боезарядов — делает северные широты новым фронтом геополитического противоборства.В Илулиссатской декларации от 28 мая 2008 г.

Арктический совет и кризис на Украине

О деятельности Арктического совета и его роли в решении общих международных вопросовОттавская декларация, по которой Арктический совет был создан в 1996 году, четко определила его правомочия. Например, вопросы военной безопасности в его компетенцию не.

В Арктике заработала российская научная станция на дрейфующей льдине

В Арктических просторах на дрейфующей льдине высадились российские ученые. Полярники вместе с оборудованием были доставлены на место вертолетами.Российская научная станция под названием «Северный полюс» расположилась на льдине, которая постоянно находится.

Источник

Как полярники используют плавающий лед?

Тут и к гадалке не ходи. Лед — замерзшая вода или вода в твердом состоянии. Он используется полярниками в растопленном виде в качестве питьевой воды, для приготовления пищи.

Самый чистый воздух на Северном и Южном полюсах, отсутствие выхлопов угарного газа от промышленных объектов создает все предпосылки для выпадения чистых осадков, снег падает, скапливается и образует ледники. Работающие полярники в условиях вечной мерзлоты используют снег и лед для приготовления пищи, лед топят и использую полученную воду, пьют и моются и проводят исследования воды

Свойства наверное такие- жидкотекучесть, способность растворять в себе вещества органического и неорганического происхождения. Вода самый распространенный растворитель на планете.

Вода — такое распространенное вещество в природе, что она есть везде. Мы конечно чаще всего сталкиваемся с водой в жидком или твердом виде, как сейчас, зимой, но и в виде водяного пара вода нам хорошо известна.

Откуда же берется вода, водяной пар в воздухе?

Дело в том,что вода постоянно испаряется. Молекулы воды покидают жидкость и устремляются в воздух. Чем теплее температура воды, тем сильнее она испаряется. И не чайники на наших кухнях служат основным источником водяного пара, а моря и океаны. Именно с этих огромных водных пространств испаряется больше всего воды, которая попадает в воздух и остыв превращается в дождь.

Красоту- трудно передать в рисунке, разве что- ее мощь изобразить,- морские причудливые скалы на линии прибоя, миллионы лет приобретавшие различные формы,

которые мы сейчас видим и любуемся, рыбу- лосося, идущего на нерест по северным нашим рекам, преодолевая пороги и небольшие водопадики, выбиваясь из сил, но стремящихся отдать долг зову Природы. (как- то так, при том, что вода- субстанция нейтральная- ни цвета, ни запаха. )

Ну по личному опыту знаю, что лучше всего сок выжимать из таких овощей как тыква, морковь, свекла, томаты. Наверное и в огурцах много сока, вот только отжимать его я не пробовала.

Вот как например можно поэтапно нарисовать тыкву:

Ну а так мы нарисуем морковь:

Из фруктов вообще очень сложно выбрать такие, которые бы имели мало сока. Можно например ориентироваться по магазину. Там мы легко находим сок яблочный, сок персиковый, абрикосовый, гранатовый, виноградный, грушевый, апельсиновый и еще многие другие сока, для которых берутся более экзотические фрукты.

Нарисуем поэтапно яблоко:

О воде в теле человека. Здесь приведены цифры, которые соответствуют содержанию воды в 60% от массы тела. На само деле для разных людей этот процент разный, например очень много воды содержит жир. Ну а если человек весит 48 килограмм, то в нем примерно 29 килограмм воды.

Источник

Как полярники используют свойства льда. Всё ли мы знаем о свойствах льда? Как объяснить ребенку сложные физические процессы

Существует множество способов изучения Арктики. Автоматические научные комплексы — метеорологические и океанографические станции, масс-балансовые буи, которые вмораживаются в лед и позволяют определять нарастание или изменение массы ледяного покрова (кстати, такой буй работает на СП-37), — значительно облегчают сбор данных, но имеют свои ограничения. Конечно, заманчиво было бы сидеть в офисе, пока данные поступают через спутниковую связь от системы, к примеру, автоматических гидрологических станций — якорных или дрейфующих буев. Но за год обычно теряется более 50% таких (весьма недешевых) буев — в этом регионе условия работы достаточно тяжелы даже для специально рассчитанной на это техники в связи с динамикой ледяных полей (торошением, сжатием).

Еще один способ получения научных данных — дистанционное зондирование Земли. Научные спутники (к сожалению, не российские) позволяют получать информацию о ледовой обстановке в видимом, ИК-, радиолокационном и микроволновом диапазонах. Эти данные в основном используются в прикладных целях: для проводки судов, для поиска подходящих для дрейфующих станций льдин; на самих дрейфующих станциях они помогают в работе — например, на СП-36 их использовали для обнаружения площадки, пригодной для построения взлетно-посадочной полосы. Однако спутниковую информацию необходимо проверять, сопоставляя ее с реальными наблюдениями — непосредственно измеренной толщиной льда, его возрастом (прямо измерить эти данные со спутника пока невозможно).

Научные станции (уже обитаемые) можно также размещать методом вмораживания судов в лед (этот способ был опробован еще Фритьофом Нансеном). Время от времени такие проекты осуществляются, в качестве примера можно привести французскую яхту «Тара» или американско-канадский проект SHEBA с участием судна, дрейфовавшего в море Бофорта. Подобный проект рассматривался и в отношении атомного ледокола «Арктика», но в конце концов от него по различным причинам отказались. Однако вмороженные суда обеспечивают лишь хорошую базу для жизнедеятельности научного персонала и энергоснабжение научного комплекса. Для сбора научных данных людям все равно придется сходить на лед, чтобы исключить постороннее влияние. К тому же вмораживание судов обходится недешево (и отвлекает суда от их основной работы).

«На мой взгляд, дрейфующий лед— это естественная несущая платформа, наиболее оптимальная как для размещения научного комплекса, так и для проживания людей, — говорит Владимир Чурун. — Она позволяет дрейфовать в течение длительного времени и получать чистые научные данные без какого-либо влияния извне. Конечно, люди на льдине лишены некоторого комфорта, но с этим во имя науки приходится мириться. Разумеется, получение научных данных должно осуществляться в комплексе, с использованием всех доступных средств — и дрейфующих станций, и воздушных экспедиций, и спутникового наблюдения, и автоматических буев, и научно-экспедиционных судов».

«Научная программа СП-36 была достаточно обширна и успешна, — объясняет «Популярной механике» Владимир Чурун. — Она включала в себя метеорологические, аэрологические и гидрологические наблюдения, а также исследования свойств льда и снежного покрова. А вот исследования, связанные с ионосферой и магнитным полем Земли, которым в советское время на дрейфующих станциях уделялось немалое внимание, ныне переданы на стационарные полярные станции на материке и на островах».

Воздух

Начало работы станции знаменуется вовсе не торжественным моментом подъема российского флага над кают-компанией. Официально дрейфующая станция начинает свою работу с момента передачи первой метеосводки в ААНИИ, а оттуда — в глобальную метеорологическую сеть. Поскольку, как известно, «Арктика — кухня погоды», эти данные обеспечивают метеорологов чрезвычайно ценной информацией. Изучение барических (давление, скорость и направление ветра на различных высотах) и температурных профилей атмосферы с помощью зондов до высоты 30 км используется не только для предсказания погоды — эти данные в дальнейшем могут использоваться как для фундаментальных научных целей, таких как уточнение моделей физики атмосферы, так и для прикладных— например, обеспечения полетов самолетов. За все эти данные ответственны метеорологи и аэрологи.

Работа метеоролога может показаться простой — это снятие метеоданных и их отсылка в Росгидромет. Для этого на 10-метровой метеомачте расположен набор датчиков, измеряющих скорость и направление ветра, температуру и влажность, видимость и давление. Вся информация, в том числе от выносных датчиков (температуры снега и льда, интенсивности солнечной радиации), стекается на метеостанцию. Хотя данные снимаются со станции дистанционно, проводить измерения без выхода на метеоплощадку получается далеко не всегда. «Чашки анемометров и радиационная защита метеобудки, где расположены датчики температуры и влажности воздуха, обмерзают, их приходится очищать от изморози (для доступа к верхней части мачты последняя сделана ‘ломающейся’), — поясняет инженер-метеоролог СП-36 Илья Бобков.- А в период таяния растяжки постоянно приходится крепить, чтобы мачта была устойчивой. Кроме того, станция не рассчитана на работу в условиях столь суровых морозов, ниже — 40°C, поэтому мы вмонтировали туда подогрев — обычную 40-ваттную лампу накаливания. Конечно, есть станции, рассчитанные на столь низкие температуры, но они менее точные».

Выше 10 м — область работы аэрологов. «Мы изучаем верхние слои атмосферы с помощью аэрологических зондов, — объясняет ведущий инженер-аэролог СП-36 Сергей Овчинников. — Зонд — это коробочка массой 140 г, ее прикрепляют к аэростату — шару объемом около 1,5 м 3 , наполненному водородом, который получают химическим способом в газогенераторе высокого давления — из порошка ферросилициума, едкого натра и воды. В зонд встроены GPS-приемник, телеметрический передатчик, а также датчики температуры, давления и влажности. Каждые две секунды зонд передает информацию вместе со своими координатами на наземную приемную станцию». Координаты зонда позволяют рассчитать его перемещение, скорость и направление ветра на различных высотах (высота определяется барометрическим способом). Электроника зонда питается от водозаливной батареи, которую предварительно выдерживают в воде несколько минут (подобными источниками питания оснащаются спасательные жилеты с аварийными маяками).

«Зонды запускаются каждый день в 0 и в 12 часов по Гринвичу, если позволяют погодные условия, при сильном ветре зонд просто «прибивает» к земле. За неполный год состоялось 640 выпусков, — говорит Сергей Овчинников.- Средняя высота подъема составила 28770 м, максимальная — 32400 м. Скорость подъема зонда — около 300 м в минуту, так что предельной высоты он достигает приблизительно за час-полтора, шар по мере подъема раздувается, а потом лопается, и зонд падает на землю. Правда, найти его практически невозможно, так что прибор одноразовый, хоть и дорогой».

Вода

«Основной упор в нашей работе делается на измерение параметров течений, а также температуры, электропроводности, плотности воды, — говорит океанолог СП-36 Сергей Кузьмин.- За последние годы парк приборов значительно обновился, и теперь мы можем получать результаты с высокой точностью, соответствующей мировому уровню. Сейчас мы используем приборы-профилографы, которые позволяют измерять скорость течения с помощью поперечного эффекта Доплера в нескольких слоях.

В основном исследовали атлантические течения, верхняя граница которых находится на глубине 180-220 м, а ядро — 270-400 м». Кроме изучения течений было предусмотрено ежедневное изучение толщи воды с помощью зонда, измерявшего электропроводность и температуру, каждые шесть дней проводились исследования на глубине до 1000 м, чтобы «захватить» атлантические воды, а раз в неделю зонд опускался на всю максимальную длину троса — 3400 м, чтобы изучить глубоководные слои. «В некоторых районах,- объясняет Сергей Кузьмин, — в глубоких слоях можно наблюдать геотермальный эффект».

В задачу океанологов на СП-36 входил также и сбор проб для последующего анализа гидрохимиками. «Три раза за время зимовки — весной, летом и осенью — мы отбирали керн льда, который затем растапливали при комнатной температуре, полученную воду пропускали через фильтр, затем снова замораживали, — говорит Сергей. — И фильтр, и лед специальным образом упаковывали для последующего анализа. Точно так же отбирали пробы снега и подледную воду. Брали и пробы воздуха — с помощью аспиратора, который прокачивал воздух через несколько фильтров, задерживавших мельчайшие частицы. Ранее таким образом удалось, например, обнаружить пыльцу некоторых видов растений, которая долетает в приполюсные районы из Канады и российской тайги».

Для чего изучают течения? «Путем сравнения с данными, накопленными за предыдущие годы, можно выяснить климатические тенденции, — отвечает Сергей. — Такой анализ позволит понять, например, поведение льдов в Северном Ледовитом океане, что чрезвычайно важно не только в фундаментальном отношении, но и в чисто прикладном — например, при освоении природных ресурсов Арктики».

Снег

Программа специальных метеорологических исследований включала несколько разделов. Исследовалась структура снежно-ледяного покрова, его теплофизические и радиационные свойства — то есть то, как он отражает и поглощает солнечную радиацию. «Дело в том, что у снега высокая отражающая способность, и по этой характеристике, например на спутниковых снимках, он очень напоминает облачный слой, — поясняет метеоролог Сергей Шутилин. — Особенно зимой, когда температура и там и там составляет несколько десятков градусов ниже нуля. Я изучал теплофизические свойства снега в зависимости от температуры, ветра, облачности и солнечной радиации». Измерялось также и проникновение солнечной радиации (разумеется, во время полярного дня) сквозь снег и лед на различные глубины (в том числе и в воду). Изучались также морфология снега и его теплофизические свойства — температура на различных глубинах, плотность, пористость, фракционный состав кристаллов в различных слоях. Эти данные совместно с радиационными характеристиками помогут уточнить описание снежно-ледяного покрова в моделях различного уровня — как в глобальных климатических, так и в региональных.

Во время полярного дня проводили измерения доходящего до поверхности Земли ультрафиолета, а в полярную ночь с помощью газоанализаторов изучали концентрации углекислого газа, приземного озона и метана, выбросы которого в Арктике связаны, по-видимому, с геологическими процессами. С помощью специального газоанализатора удалось также получить, по словам Сергея Шутилина, уникальные данные о потоках углекислого газа и водяного пара через поверхность снега и льда: «Ранее существовала модель, согласно которой талые воды с побережья попадали в океан, океан покрывался льдом, и под ним шли анаэробные процессы. А после того, как поверхность освобождалась от льда, в атмосферу шел поток углекислого газа. Мы обнаружили, что поток идет в обратную сторону: когда льда нет, то в океан, а когда есть — в атмосферу! Впрочем, это может зависеть и от района — например, измерения на СП-35, которая дрейфовала ближе к югу и к шельфовым морям в восточном полушарии, согласуются с приведенной гипотезой. Так что нужны дополнительные исследования».

Ко льду сейчас привлечено самое пристальное внимание, ведь он — наглядный индикатор происходящих в Арктике процессов. Поэтому его изучение чрезвычайно важно. В первую очередь это оценка массового баланса льда. Летом он тает, зимой нарастает, поэтому регулярные измерения его толщины по мерным рейкам на выделенном полигоне дают возможность оценивать скорость таяния или нарастания льдины, и эти данные затем можно использовать для уточнения различных моделей образования многолетнего льда. «На СП-36 полигон занимал площадку 80х100 м, и с октября по май на нем наросло 8400 т льда, — говорит Владимир Чурун. — Можете себе представить, сколько льда наросло на всю льдину размером 5х6 км!»

«Мы также взяли несколько кернов молодого и старого льда, которые будут исследовать в ААНИИ, — химический состав, механические свойства, морфология, — рассказывает ледоисследователь СП-36 Никита Кузнецов. — Эта информация может быть использована при уточнении различных климатических моделей, а также, например, в инженерных целях, в том числе и для строительства ледоколов».

Кроме того, на СП-36 проводились исследования процессов прохождения различных волн в морском льду: волн, образующихся при соударениях льдин, а также переходящих из морской среды в лед. Эти данные регистрируются с помощью высокочувствительных сейсмометров и используются в дальнейшем для прикладных моделей взаимодействия льда с твердыми телами. По словам ведущего инженера-ледоисследователя СП-36 Леонида Панова, это дает возможность оценить нагрузки на различные инженерные сооружения — суда, буровые платформы и т. д. — сточки зрения ледовой стойкости: «Зная особенности взаимодействия льда с волнами, можно рассчитать прочностные свойства льда, а значит, предсказать, где именно он сломается. Такие методы позволят дистанционно обнаруживать прохождение трещин и торошение в опасных областях — например, поблизости от нефте- и газопроводов».

Когда я спросил Владимира, как ощущаются глобальные изменения климата (а именно — глобальное потепление) во время работы на дрейфующей станции, он в ответ лишь улыбнулся: «Разумеется, площадь льдов и их толщина в Арктике сократились — это вполне зарегистрированный научный факт. Но на дрейфующей станции, в локальном пространстве льдины глобальное потепление совершенно не ощущается. В частности, во время этой зимовки мы зафиксировали минимум температуры за последние десять лет (- 47,3°С). Ветер был не очень сильный — максимальные порывы составляли 19,4 м/с. Но в целом зима с февраля по апрель была очень холодной. Так что, несмотря на глобальное потепление, Арктика не стала ни теплее, ни уютнее, ни комфортнее. Здесь все так же холодно, все так же дуют холодные ветры, все такие же льды вокруг. И надеяться на то, что Чукотка вскоре станет курортом, пока не приходится».

Все знают, что лёд — это замёрзшая вода, правильнее сказать, пребывающая в твёрдом агрегатном состоянии. Но почему лёд не тонет в воде, а плавает на её поверхности?

Вода — необычное вещество, обладающее редкими, даже аномальными свойствами. В природе большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Например, ртуть в градуснике поднимается по узкой трубке и показывает повышение температуры. Поскольку ртуть замерзает при -39 ºС, она не годится для термометров, используемых в суровых температурных условиях.

Вода также расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении. Однако в диапазоне охлаждения от примерно +4 ºС до 0 ºС она расширяется. Вот почему зимой могут лопнуть водопроводные трубы, если вода в них замёрзла и образовались большие массы льда. Давления льда на стенки трубы бывает достаточно для их разрыва.

Расширение воды

Так как вода расширяется при охлаждении, плотность льда (т. е. её твёрдой формы) меньше, чем у воды в жидком состоянии. Другими словами, данный объём льда весит меньше, чем тот же объём воды. Сказанное отражает формула m = ρV, где V — объём тела, m — масса тела, ρ — плотность вещества. Между плотностью и объёмом существует обратно пропорциональная зависимость (V = m/ρ), т. е. при увеличении объёма (при охлаждении воды) одна и та же масса будет иметь меньшую плотность. Данное свойство воды приводит к формированию льда на поверхности водоёмов — прудов и озёр.

Предположим, что плотность воды равна 1. Тогда лёд будет иметь плотность равную 0,91. Благодаря этой цифре мы можем узнать толщину льдины, которая плывет по воде. Например, если льдина имеет высоту над водой 2 см, то можно сделать вывод, что её подводный слой в 9 раз толще (т. е. 18 см), а толщина всей льдины — 20 см.

В районе Северного и Южного полюсов Земли вода замерзает и образует айсберги. Некоторые из этих плавающих ледяных гор имеют огромные размеры. Самым крупным из известных человеку считается айсберг с площадью поверхности 31 000 кв. километров, который был обнаружен в 1956 году в Тихом океане.

Каким образом вода в твёрдом состоянии увеличивает свой объём? За счёт изменения своей структуры. Ученые доказали, что лёд имеет ажурное строение с полостями и пустотами, которые при плавлении заполняются молекулами воды.

Опыт показывает, что температура замерзания воды с увеличением давления понижается примерно на один градус на каждые 130 атмосфер.

Известно, что в океанах на больших глубинах температура воды ниже 0 ºС, и тем не менее она не замерзает. Объясняется это давлением, которое создают верхние слои воды. Слой воды толщиной в один километр давит с силой около 100 атмосфер.

Сравнение плотности воды и льда

Может ли плотность воды быть меньше плотности льда и означает ли это, что он утонет в ней? Ответ на данный вопрос утвердительный, что легко доказать следующим экспериментом.

Возьмём из морозильной камеры, где температура равна -5 ºС, кусок льда величиной в треть стакана или немного больше. Опустим его в ведро с водой температурой +20 ºС. Что мы наблюдаем? Лёд быстро погружается и тонет, постепенно начиная таять. Это происходит потому, что вода температурой +20 ºС имеет меньшую плотность по сравнению со льдом температурой -5 ºС.

Существуют модификации льда (при высоких температурах и давлениях), которые ввиду большей плотности будут в воде тонуть. Речь идёт о так называемом «тяжёлом» льде — дейтериевом и тритиевом (насыщенном тяжёлым и сверхтяжёлым водородом). Несмотря на наличие таких же пустот, как в протиевом льде, он утонет в воде. В противовес «тяжёлому» льду, протиевый лишён тяжёлых изотопов водорода и содержит 16 миллиграммов кальция на литр жидкости. Процесс его приготовления предполагает очищение от вредных примесей на 80%, благодаря чему протиевая вода считается наиболее оптимальной для жизнедеятельности человека.

Значение в природе

Тот факт, что лёд плавает на поверхности водоёмов, играет важную роль в природе. Если бы вода не обладала данным свойством и лёд погружался на дно, это привело бы к промерзанию всего водоёма и, как следствие, гибели населяющих его живых организмов.

Когда наступает похолодание, сначала при температуре выше +4 ºС более холодная вода с поверхности водоёма опускается вниз, а тёплая (более лёгкая), поднимается вверх. Этот процесс называется вертикальная циркуляция (перемешивание) воды. Когда же во всём водоёме устанавливается +4 ºС, этот процесс приостанавливается, так как с поверхности вода уже при +3 ºС становится легче той, что находится ниже. Происходит расширение воды (её объём увеличивается приблизительно на 10 %) и уменьшение её плотности. Как следствие того, что более холодный слой оказывается сверху, на поверхности происходит замерзание воды и появление ледяного покрова. Вследствие своей кристаллической структуры лёд обладает плохой теплопроводностью, т. е. сдерживает тепло. Слой льда выступает своеобразным теплоизолятором. И вода, находящаяся подо льдом, сохраняет своё тепло. Благодаря теплоизоляционным свойствам льда, передача «холода» в нижние слои воды резко уменьшается. Поэтому у дна водоёма почти всегда остаётся хотя бы тонкий слой воды, что чрезвычайно важно для жизнедеятельности его обитателей.

Таким образом, +4 ºС — температура максимальной плотности воды — это и есть температура выживания в водоёме живых организмов.

Применение в быту

Выше упоминалось о возможности разрыва водопроводных труб при замерзании воды. Во избежание повреждения водопровода при низких температурах нельзя допускать перерывов в подаче тёплой воды, которая идёт по трубам отопления. Аналогичной опасности подвергается автотранспортное средство, если в морозы оставлять воду в радиаторе.

А теперь поговорим о приятной стороне уникальных свойств воды. Катание на коньках — большое удовольствие для детей и взрослых. А задумывались ли вы, почему лёд такой скользкий? Например, стекло тоже скользкое, к тому же глаже и привлекательнее льда. Но по нему коньки не скользят. Лишь лёд обладает таким специфическим восхитительным свойством.

Дело в том, что под тяжестью нашего веса происходит давление на тонкое лезвие конька, что, в свою очередь, вызывает давление на лёд и его таяние. При этом образуется тонкая плёнка воды, о которую и скользит стальное лезвие конька.

Различие в замерзании воска и воды

Как показывают опыты, поверхность ледяного кубика образует некую выпуклость. Это происходит из-за того, что застывание в его середине происходит в последнюю очередь. А расширяясь во время перехода в твёрдое состояние, эта выпуклость ещё больше поднимается. Противопоставить этому можно застывание воска, который, наоборот, образует углубление. Это объясняется тем, что воск после перехода в твёрдое состояние сжимается. Жидкости, которые равномерно сжимаются при промерзании, образуют несколько вогнутую поверхность.

Для замерзания воды недостаточно охладить её до точки замерзания в 0 ºС, необходимо эту температуру поддерживать за счет постоянного охлаждения.

Вода с примесью соли

Добавление поваренной соли к воде снижает точку её замерзания. Именно по этой причине зимой дороги посыпают солью. Солёная вода замерзает при температуре -8 °С и ниже, поэтому пока температура не упадёт как минимум до этой точки, замерзания не происходит.

Льдосоляная смесь порой применяется в качестве «охлаждающей смеси» для низкотемпературных опытов. Когда лёд тает, он поглощает скрытое тепло, требуемое для превращения, из окружающей его среды, тем самым охлаждая её. При этом поглощается столько тепла, что температура может упасть ниже -15 °С.

Универсальный растворитель

Чистая вода (молекулярная формула H 2 0) не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха. Молекула воды состоит из водорода и кислорода. При попадании в воду других веществ (растворимых и нерастворимых в воде) происходит её загрязнение, поэтому в природе нет абсолютно чистой воды. Все вещества, которые встречаются в природе, в разной степени могут растворяться в воде. Это определяется их уникальными свойствами — растворимостью в воде. Поэтому вода считается «универсальным растворителем».

Гарант стабильной температуры воздуха

Вода медленно нагревается благодаря высокой теплоёмкости, но, тем не менее, процесс остывания происходит намного медленнее. Это даёт возможность в летнее время года накапливать тепло океанам и морям. Высвобождение тепла происходит в зимний период, благодаря чему нет резкого перепада температуры воздуха на территории нашей планеты на протяжении всего года. Океаны и моря – это оригинальный и природный аккумулятор тепла на территории Земли.

Поверхностное натяжение

Вывод

Тот факт, что лёд не тонет, а плавает на поверхности, объясняется его меньшей плотностью по сравнению с водой (удельная плотность воды 1000 кг/м³, льда — около 917 кг/м³). Данный тезис справедлив не только в отношении льда, но и любого другого физического тела. Например, плотность бумажного кораблика или осеннего листка намного ниже плотности воды, что и обеспечивает их плавучесть.

Тем не менее, свойство воды иметь в твёрдом состоянии меньшую плотность является большой редкостью в природе, исключением из общего правила. Аналогичными свойствами обладают лишь металл и чугун (сплав металла железа и неметалла углерода).

Почти десятая часть земной поверхности постоянно покрыта льдом. Примерно 90 процентов этого количества составляют ледяные покровы Антарктиды и Гренландии. Остальные 10 процентов «принадлежат» горным ледникам. Интересно, что покров Антарктиды в 1,5 раза превышает величину США, здесь находится в 9 раз больше льда, чем на ледяных просторах Гренландии.

Жители северных районов используют лед в качестве питьевой воды. Любопытно, что когда морская вода замерзает, в ней оказывается минимальное содержание соли. Поэтому растопленный лед могут использовать и жители северных морских островов или полярных регионов, например эскимосы.

Естественно, что в северных районах, где не встречаются леса, лед находит и свое второе применение — для строительства жилищ. Внешне такое жилище (их называют иглу) напоминает перевернутую вверх дном миску полусферической формы. Оно сложено из больших ледяных блоков. Входят в иглу через небольшую пристройку — сени. Лед обладает достаточно низкой теплопроводностью, и поэтому внутри иглу быстро делается теплее, чем снаружи.

Исследователи Арктики, которые первыми увидели такие ледяные хижины, были удивлены, что при тридцатиградусном морозе снаружи внутри иглу было около нуля. Иглу были распространены у эскимосов Северной Америки и Гренландии.

Используя такие жилища, эскимосы могли свободно уходить на большие расстояния по льду во время охоты. Опыт эскимосов переняли ученые, работавшие на полярных станциях. Уже на первой станции «Северный полюс» в ледяном домике была устроена радиостанция.

Изучение льда очень важно: ископаемые льды, сохранившиеся в высокогорных ледниках и глубинах Антарктиды, представляют собой своеобразную летопись далеких эпох. Их возраст составляет сотни тысяч лет.

Дело в том, что выпавший на поверхность ледника снег постепенно превращается в фирн — рыхлый, зернистый лед с большим количеством воздуха. Постепенно фирн уплотняется и образует лед, в котором остаются мельчайшие пузырьки. Ученые достают их при бурении ледника и изучают в лабораториях.

Анализируя воздух далекого прошлого, ученые узнают, какая на Земле была погода, откуда дули ветры и какую несли с собой пыль. Именно из ископаемого льда ученые узнали, что на Земле было не одно, а два великих оледенения и что произошли они на протяжении последних 220 тысяч лет.

Как вода превращается в лед?

Посмотрим, как вода в водоеме превращается в лед. Когда воздух охлаждается, он охлаждает и верхний слой воды. Верхний холодный слой воды становится тяжелее, чем теплые нижние слои, и он опускается вниз. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся вода пруда охладится до температуры порядка 4° С.

Но температура воздуха понижается! Когда верхние слои воды охлаждаются до температуры ниже 4° С, они остаются на поверхности. Дело в том, что вода, охлажденная до температуры ниже 4° С, по существу становится легче!

Итак, верхние слои воды готовы к замерзанию. Когда температура остается на уровне точки замерзания 0° С или опускается ниже, начинают образовываться мельчайшие кристаллики.

Каждый такой кристалл имеет шесть лучей. Соединяясь, они образуют лед, и вскоре на поверхности воды образуется корочка льда. Иногда лед прозрачный, иногда — нет. Почему? Дело в том, что при замерзании капелек воды выделяются мельчайшие пузырьки воздуха. Они прилипают к лучам кристаллов льда. Чем больше образуется кристалликов льда, тем больше пузырьков воздуха — вот вам и непрозрачный лед.

Если вода подо льдом движется, воздушные пузырьки собираются вместе, и образуется прозрачный лед.

Вода, как и некоторые другие вещества, не уменьшает своего объема при переходе из жидкого в твердое состояние. Вода при замерзании расширяется на одну девятую своего объема, то есть при замерзании девяти литров воды получается десять литров твердого льда! Когда зимой лопаются автомобильные радиаторы и водопроводы, это происходит оттого, что вода замерзает и увеличивается в объеме!

В океане дрейфуют полярные ледяные глыбы и айсберги, и даже в напитках лед никогда не опускается на дно. Можно сделать вывод, что лед не тонет в воде. Почему? Если подумать об этом, то этот вопрос может показаться немного странным, потому что лед твердый и — интуитивно — должен быть тяжелее жидкости. Хотя это утверждение справедливо для большинства веществ, вода является исключением из правила. Воду и лед отличают водородные связи, которые в твердом состоянии делают лед легче, чем когда он находится в жидком состоянии.

Вопрос научный: почему лед не тонет в воде

Представим, что мы находимся на уроке под названием «Окружающий мир» в 3 классе. «Почему лед не тонет в воде?», — спрашивает учительница у детей. И малыши, не имея глубоких познаний в физике, начинают рассуждать. «Возможно, это магия?» — заявляет один из детей.

Действительно, лед крайне необычен. Практически нет никаких других естественных веществ, которые в твердом состоянии могли бы плавать на поверхности жидкости. Это одно из свойств, которое делает воду таким необычным веществом и, если признаться, именно оно изменяет пути эволюции планет.

Существуют некоторые планеты, которые содержат огромное количество таких жидких углеводородов, как, например, аммиак — тем не менее, при замерзании этот материал опускается на дно. Причина того, почему лед не тонет в воде, заключается в том, что при замерзании вода расширяется, и вместе с этим понижается ее плотность. Интересно, расширение льда может разбить камни — настолько необычен процесс оледенения воды.

Говоря научным языком, в процессе замерзания устанавливаются быстрые циклы выветривания и определенные химические вещества, выделяемые на поверхности способны растворять минералы. В целом, с замерзанием воды связаны такие процессы и возможности, которых физические свойства других жидкостей не предполагают.

Плотность льда и воды

Таким образом, ответ на вопрос о том, почему лед не тонет в воде, а плавает на поверхности, заключается в том, что он имеет более низкую плотность, чем жидкость — но это ответ первого уровня. Для лучшего понимания нужно знать, почему у льда низкая плотность, почему вещи всплывают в первую очередь, как плотность приводит к плаванию.

Вспомним греческого гения Архимеда, который выяснил, что после погружения определенного предмета в воду объем воды увеличивается на число, равное объему погружаемого объекта. Другими словами, если вы положите глубокое блюдо на поверхность воды, а затем поместите в него тяжелый предмет, то объем воды, который нальется в блюдо, будет точно равен объему объекта. Не имеет значения, объект погружается полностью или частично.

Свойства воды

Вода — это удивительное вещество, которое в основном питает жизнь на земле, ведь каждый живой организм нуждается в ней. Одним из наиболее важных свойств воды является то, что она обладает наивысшей плотностью при температуре 4 °C. Так, горячая вода или лед являются менее плотными, чем холодная вода. Менее плотные вещества плавают поверх более плотных веществ.

Например, во время приготовления салата, можно заметить, что масло находится на поверхности уксуса — это можно объяснить тем, что оно обладает меньшей плотностью. Этот же закон действителен и для объяснения того, почему в воде лед не тонет, а в бензине и керосине — тонет. Просто эти два вещества обладают меньшей, чем у льда, плотностью. Так, если вы запустите в бассейн надувной мячик, он будет плавать на поверхности, если же вы бросите в воду камень — он опустится на дно.

Какие изменения происходят с водой при замерзании

Причина того, почему лед не тонет в воде, связана с водородными связями, которые изменяются при замерзании воды. Как известно, вода состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Они прикреплены ковалентными связями, которые невероятно сильны. Однако другой тип связи, который образуется между различными молекулами, называемый водородной связью, слабее. Эти связи образуются потому, что положительно заряженные атомы водорода притягиваются отрицательно заряженными атомами кислорода соседних молекул воды.

Когда вода теплая, молекулы очень активны, много перемещаются, быстро образуют и разлагают связи с другими молекулами воды. У них есть энергия, чтобы приближаться друг к другу и двигаться быстро. Итак, почему лед не тонет в воде? Химия скрывает ответ.

Физико-химия льда

По мере того, как температура воды опускается ниже 4 °C, кинетическая энергия жидкости уменьшается, поэтому молекулы больше не перемещаются. У них нет энергии для перемещения и такого же легкого, как при высокой температуре, разрыва и формирования связей. Вместо этого они образуют больше водородных связей с другими молекулами воды с образованием гексагональных структур решетки.

Они образуют эти структуры, чтобы поддерживать отрицательно заряженные молекулы кислорода друг от друга. В середине шестиугольников, образуемых в результате деятельности молекул, много пустоты.

Лед тонет в воде — причины

Лед фактически на 9% менее плотный, чем жидкая вода. Поэтому лед занимает больше места, чем вода. Практически это имеет смысл, потому что лед расширяется. Вот почему не рекомендуют замораживать стеклянную бутылку воды — замороженная вода может создавать большие трещины даже в бетоне. Если у вас есть литровая бутылка льда и литровая бутылка воды, тогда бутылка с ледяной водой будет легче. Молекулы находятся дальше друг от друга в этой точке, чем когда вещество находится в жидком состоянии. Вот почему лед не тонет в воде.

Когда лед тает, стабильная кристаллическая структура разрушается и становится плотнее. Когда вода прогревается до 4 °C, она получает энергию, и молекулы движутся быстрее и дальше. Именно по этой причине горячая вода занимает больше места, чем холодная вода, и плавает поверх холодной воды — она обладает меньшей плотностью. Вспомните, когда вы находитесь на озере, во время купания верхний слой воды всегда приятный и теплый, однако когда вы опускаете свои ноги глубже, ощущаете холод нижнего слоя.

Значение процесса в функционировании планеты

Несмотря на то что вопрос «Почему лед не тонет в воде?» для 3 класса, очень важно понимать, почему этот процесс происходит и какое имеет значение для планеты. Так, плавучесть льда имеет важные последствия для жизни на Земле. зимой в холодных местах — это позволяет рыбе и другим водным животным выживать под ледяным покрывалом. Если бы замерзло дно, то высока вероятность того, что все озеро могло бы быть заморожено.

В таких условиях в живых не осталось бы ни единого организма.

Если бы плотность льда была выше плотности воды, то в океанах лед бы опустился, и ледяные шапки, которые в таком случае находились бы на дне, не позволили бы кому-либо там жить. На дне океана было бы полно льда — и во что бы это все превратилось? Кроме всего прочего, полярный лед важен, поскольку он отражает свет и предохраняет планету Земля от чрезмерного перегревания.

Маленькие дети очень часто задают интересные вопросы взрослым, а те не всегда могут ответить на них сразу. Чтобы не казаться ребенку глупым, рекомендуем ознакомиться с полноценным и развернутым, обоснованным ответом касательно плавучести льда. Ведь плавает, а не тонет. Почему же так происходит?

Как объяснить ребенку сложные физические процессы?

Первое, что приходит на ум, так что плотность. Да, на самом деле, лёд плавает потому, что он менее плотный, чем . Но как объяснить ребенку, что такое плотность? Рассказывать ему школьную программу никто не обязан, а вот свести все к тому, что , вполне реально. Ведь по факту один и то же объем воды и льда обладает разным весом. Если изучать проблему более подробно, то можно озвучить еще несколько причин, кроме плотности.
не только потому, что его уменьшенная плотность не дает ему опускаться ниже. Причина еще и в том, что в толще льда заморожены небольшие пузырьки воздуха. Они также уменьшают плотность, а потому в общем получается, что вес пластины из льда становится еще меньше. Когда лед расширяется, он не захватывает больше воздуха, но зато все те пузырьки, которые уже оказались внутри этого пласта, оказываются там до тех пор, пока лед не начнет таять или сублимироваться.

Проводим опыт над силой расширения воды

Но как доказать, что лёд на самом деле расширяется? Ведь вода тоже может расширяться, как же доказать это в искусственных условиях? Можно провести интересный и очень простой опыт. Для этого понадобится пластиковый или картонный стаканчик и вода. Ее количество необязательно должно быть большим, заполнять стаканчик до краев не потребуется. Также в идеале нужна температура около -8 градусов или ниже. Если температура будет слишком высокой, опыт продлится неоправданно долго.
Итак, вода залита внутрь, надо ждать, когда образуется лёд. Поскольку мы выбрали оптимальную температуру, при которой небольшой объем жидкости обратится в лёд в течение двух-трех часов, можно спокойно идти домой и ждать. Ждать нужно до тех пор, пока вся вода не обратится в лед. Спустя некоторое время смотрим на результат. Деформированный или разорванный льдом стаканчик гарантирован. При более низкой температуре последствия выглядят более эффектно, да и сам эксперимент занимает меньше времени.

Негативные последствия

Получается простой опыт подтверждает, что в ледяные глыбы и правда расширяются при уменьшении температуры, а объем воды легко увеличивается при замерзании. Как правило, эта особенность несет немало проблем забывчивым людям: бутылка шампанского, оставленная на балконе под Новый год на большой срок, разрывается из-за воздействия льда. Поскольку сила расширения очень большая, повлиять на нее никак нельзя. Ну а что касается плавучести ледяных глыб, то здесь можно ничего не доказывать. Самые любопытные могут легко провести подобный опыт весной или осенью самостоятельно, пытаясь утопить в большой луже кусочки льда.

Источник