Процесс замерзания водоемов зимой

Ледостав

Ледостав – это явление природы, характерное для большинства рек и озер России, Азовского, Аральского и Каспийского морей, а также некоторых водоемов стран Балтии, Украины, Белоруссии, Молдовы, Средней Азии, Закавказья. На вопрос о том, что такое ледостав, можно ответить, что это неподвижный слой льда, образующийся на водоемах в осенне-зимний период.

Что такое ледостав

Поздней осенью можно наблюдать, как вода в водоемах становится темной, почти черной. При этом она имеет плотную и вязкую консистенцию. Это говорит о начале замерзания водоема. После этого наступает ледостав. Данным термином принято называть не только сам слой льда, покрывающий реки, но и процесс образование ледяного покрова, а также временной отрезок, в течение которого он не тает.

Характеристики явления, такие как период, толщина льда и скорость его установления, зависят от нескольких факторов:

• от ландшафта и рельефа местности;
• от особенностей речного русла и дна;
• от погоды – атмосферной температуры, ветра и его интенсивности, а также наличия туманов;
• от размера и течения реки – чем меньше водоем, тем быстрее произойдет замерзание.

Кроме того, длительность данного природного явления определяется толщиной и структурой слоя льда, а также продолжительностью холодного периода.

У горных водоемов с бурным течением сплошной ледяной покров не устанавливается. На равнинных реках также могут быть не замерзшие участки. Они называются полыньями:

Такие участки возникают в местах, где наиболее бурное течение или вода теплее, чем во всем водоеме.

Процесс образования льда

С наступлением холодной погоды, когда температура опускается ниже 0°С, начинается процесс образования ледяного слоя. Равномерность замерзания воды зависит от некоторых факторов:

1. На озерах, прудах, где нет течения, процесс происходит равномерно.
2. В безветренную и морозную погоду замерзание водоема происходит равномерно. Сначала поверхность воды как бы загустевает, затем происходит постепенное промерзание.
3. Если морозы сопровождаются ветром, замерзание начинается от берегов. Сначала образуются тонкие корки ледяного слоя. Их называют «забереги» — лед цепляется за берега, сигнализируя о начале ледостава. Далее появляются участки с тонким слоем плоских льдинок по всему руслу реки. Когда идет снег и хлопья попадают в холодную воду, они уже не тают. Движение льдинок совместно с водой и снегом приводят к образованию кашеобразного слоя. Этот процесс называется шуга – снежные хлопья, перемешанные с водой. Они плавают уже не только на поверхности, но и образуются в толще воды. Постепенно шуга превращается в ледяные участки, которые смерзаются и покрывают водоем полностью.

Окончательно период ледостава наступает, когда от берегов русло реки постепенно покрывается льдом и соединяется с заберегами. Быстрее вода замерзает у истоков, где не такое быстрое течение, а устье реки сковывается ледяным слоем в последнюю очередь.

Когда бывает ледостав

Процесс не имеет определенных временных границ. В каком месяце он наступит, зависит от того, какие особенности имеет водоем, а также от погодных условий, в том числе от количества выпавшего снега.

Ледостав характерен практически для всех водоемов России и его продолжительность увеличивается по направлению с юга на север.

В северной части страны ранний ледостав. Лед встает с конца октября и полностью покрывает водоемы к началу ноября. На южных просторах он начинается с середины ноября. В это время температура воздуха там устанавливается ниже -5°С.

Раньше всех покрываются льдом реки Таймыра. Ледостав здесь бывает уже в сентябре. Дальше процесс продвигается на юг и длится около трех месяцев. Окончательно процесс заканчивается к концу декабря.

Зоны ледостава

Длительность ледостава зависит от климата и длится от 1 до 8 месяцев. В зависимости от этого его можно разделить на зоны. Условно выделяют четыре зональности:

1. Архангельская и Мурманская области, Тюмень, республика Коми, Таймыр, Якутия, Камчатка, Амурская область, Магаданская область — здесь ледостав длится особенно долго. Сплошной ледяной покров сковывает водоемы в октябре и держится до мая.
2. Курская, Брянская, Астраханская области, Северная Осетия, южные области Приморского края, Ставропольский край — в этих местах устойчивый процесс наблюдается на реках с декабря по март.
3. Страны Балтии, Украина, Белоруссия, Азовское, Аральское и Каспийское моря — здесь продолжительность имеет краткосрочный характер. При этом лед на реках неустойчив.
4. Молдова, Средняя Азия, Закавказье — процесс ледостава здесь отсутствует или имеет нерегулярный характер. Льдом могут покрываться лишь небольшие участки рек и на непродолжительное время.

Даже имея знания о временных промежутках ледостава в конкретной его зоне точно спрогнозировать сроки замерзания рек не представляется возможным. Это связано с тем, что в каждой зоне могут наблюдаться отклонения от средних показателей. Сроки могут смещаться на время от одного месяца до трех в зависимости от погодных условий.

Осенний ледостав может сопровождаться ледоходом – движением льда, вызванным порывами ветра и течением. В результате могут образовываться заторы. Происходит это чаще всего на водоемах небольших размеров, имеющих слабое течение. Процесс может быть вызван потеплением. Под действием течения еще не до конца сформировавшийся лед начинает ломаться и скапливаться. С наступлением мороза льдины смерзаются и образуют торосы. Их длина может достигать трех метров.

В некоторых регионах автомобильное движение через реки возможно только в период ледостава.

Большинство рек в России начинают вскрываться ото льда в марте и полностью этот процесс заканчивается лишь в мае.

Источник

Тайна замерзания водоемов

Лёд на поверхности прудов и озёр — первый признак наступающей зимы. Толстая корка льда, по идее, должна быть тяжелее воды и опускаться на дно водоема. Но происходит все наоборот. Льдины легче, находятся на поверхности и не думают тонуть. Не было бы этого эффекта зимой, то и о катаниях на коньках не было бы и речи. Это всё ясно, но почему вода не замерзает под слоем льда?

Парадокс воды

Вода — одна из немногих субстанций в природе, которая при замерзании не сжимается, а расширяется. Соответственно при кристаллизации масса теряет в весе. Ученые рассчитали, что самую высокую плотность вода имеет при температуре +4 градуса Цельсия.

Как замерзает вода?

Практически все жидкости при охлаждении сжимаются, что приводит к сокращению их объема и увеличению концентрации. Например, твердый воск опускается на дно сосуда с расплавленным воском из-за более высокой массы. Точно так же ведет себя и вода, которую охлаждают до +4 градусов Цельсия. Она сжимается. Но после этой отметки происходит нечто странное. При дальнейшем замораживании, вода вдруг начинает расширяться и становиться менее плотной. Таким образом, лед, полученный заморозкой воды при 0 градусе Цельсия, оказывается легче незамерзшего слоя воды с температурой на 4-5 градуса выше нуля.

• 

Замерзание водоема происходит в несколько этапов:

• Вода охлаждается до +4 градусов Цельсия, становится более плотной и, соответственно, опускается на дно водоема. Теплые слои поднимаются вверх, где также охлаждаются и снова уходят на дно.
• Конвекция несколько замедляется после остужения всех слоев водоема до +4 градусов.
• Дальнейшее понижение температуры в верхней части запускает процесс расширения и уменьшения плотности слоев на поверхности. Опуститься ниже он уже не может, поэтому продолжает замерзать и кристаллизоваться.
• При нулевой температуре верхний слой превращается в лёд, а нижние слои так и остаются в жидком состоянии.

Сохранение плюсовой температуры в нижних слоях водоема дает возможность живым организмам выживать в условиях суровых зим. Ведь если бы этого эффекта не было, то вся фауна и флора погибла бы.

Разница кристаллизации воды и воска

Ледяной кубик воды имеет на поверхности небольшую выпуклость, что связано с процессом замерзания Н2О: с краев в середину. То есть вода в центре кристаллизуется в самую последнюю очередь и за счет давления выдавливает корку наружу.

Воск замерзает в точности наоборот и образует вогнутую поверхность, что связано с процессом равномерного сжатия при кристаллизации.

Уважаемые читатели!
Спасибо, что читаете наш блог! Получайте самые интересные публикации раз в месяц оформив подписку. Новым читателям предлагаем попробовать нашу воду бесплатно, при первом заказе выберите 12 бутылок (2 упаковки) минеральной воды BioVita или питьевой воды Stelmas. Операторы свяжутся с Вами и уточнят детали. Тел. 8 (800) 100-15-15

* Акция для Москвы, МО, Санкт-петербурга, ЛО

Источник

Замерзание

Замерзание — это временной промежуток нахождения водного объекта в ледовом режиме. Все водоемы по данному критерию делятся на три группы: замерзающие, незамерзающие и водоемы с неустойчивым ледоставом. Как правило, в субантарктическом и умеренном климате все водоемы относятся к замерзающей группе.

При этом процесс замерзания имеет три периода:

Первые два периода также называют осенним и весенним ледовыми явлениями. Водоемы субтропической зоны замерзают в аномальных погодных условиях, реки и озера тропического и экваториального климата не замерзают никогда.

Замерзание происходит при понижении температуры до 0ºС. Данный параметр актуален для пресной воды. С повышением солености на 1% процент, он снижается на 0,054ºС.

Процесс замерзания начинается с осенних ледовых явлений, когда на поверхности водоемов возникают первые ледяные образования, осенний ледоход, появление заберегов и т.п. Замерзание оканчивается в период ледостава, когда поверхность водоема приобретает плотный ледяной покров. Как только средняя дневная температура осенью пересекает 0°С, начинается процесс замерзания, который вначале сводится к снижению температуры верхнего слоя воды до температуры замерзания.

Процесс замерзания на реке начинается с образования сало – небольших кусков ледяной пленки, которые выглядят как кристаллизованные тонкие иглы, плавающие на поверхности воды. Сало плавает в реке от 3 до 8 дней, после чего начинают образовываться забереги. Данные образования характеризуются статичным расположением ледяных фрагментов и появляются в местах со слабым течением.

Далее с охлаждением более глубоких слоев воды образовывается внутриводный лед. Он представляет собой прозрачную ледяную пленку, которая все еще покрывается жидкой водой. Постепенно скопления внутреннего льда начинают движение по течению реки, образуя шугу. К ней нередко добавляются более объемные куски льда из заберегов.

Когда температура воды опустится еще ниже, шуга начинает вставать, образуя большие площади ледяного покрова. С каждым днем площадь и толщина льда увеличиваются, отходя все дальше от берегов. В этот период происходит осенний ледоход, который полностью прекращается в период ледостава.

При одинаковых температурных и климатических условиях, замерзание прудов и озер происходит раньше, чем замерзание рек. Это объясняется отсутствием сильных течений мешающих ледоставу.

Источник

ФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ЛЬДА

Ледовый режим водоема — это циклы покрытия акватории льдом, неизменный каждый год. На водоемах Ленинградской области ледовый режим состоит из трех фаз: замерзание, ледостав и вскрытия водоёмов.

Для возникновения льда в водоёмах необходимо:
— небольшое переохлаждение воды, температура должна быть чуть ниже 0 °С, начиная с сотых долей и ниже;
— наличие ядер кристаллизации, которыми могут являться снежинки, льдинки, минеральные и органические взвеси;
— турбулентное перемешивание для отвода выделяющегося при кристаллизации тепла. Если перемешивания нет, то процесс кристаллизации прекращается.

В водоёмах образуется лед поверхностный и глубинный (внутриводный), кристаллизующийся не только на взвеси, но и на микроорганизмах, частицах песка, гальке и т. д. Температура замерзания снижается с глубиной и с увеличением минерализации.

К факторам, определяющим возможность образования ледовых явлений, относят:
• интенсивность теплоотдачи поверхности водоёма с наступлением холодов;
• величину теплоемкости водоема. Чем больше объём водной массы в водоёме, и чем он глубже, тем длительнее процесс его охлаждения;
• интенсивность перемешивания, связанная с транзитными течениями. Чем более проточен водоем, тем интенсивнее вынос тепла из глубинных слоёв к поверхности, в атмосферу.

Очень важным фактором образования ледяного покрова на водоёмах и наступления ледостава служит ветер. Чем сильнее ветер, тем интенсивнее теплоотдача в атмосферу вследствие испарения и турбулентного теплообмена с морозным воздухом. Перемешивание слоев воды ветром и волнами усиливает теплообмен и вынос теплых глубинных вод к поверхности, что тормозит процесс льдообразования. Интенсивное перемешивание увеличивает толщину слоя воды, в котором возможно образование ледяных кристаллов, всплывающих к поверхности воды (лёд имеет плотность на 10 % меньшую по сравнению с плотностью воды). Ветровое волнение разрушает образовавшиеся ледяные корки, чем замедляет формирование ледяного покрова.

Замерзание водоёмов.

При интенсивном теплообмене и охлаждении вод водоема, но при отсутствии ветра и перемешивания верхних слоем воды образуются первичные кристаллики льда в виде мелких иголочек. Когда вода покрыта ими, кажется, что на её поверхности разлит растопленный жир. Такое состояние водно- кристаллизованной смеси называют «сало». При продолжающемся морозе и безветрии кристаллики смерзаются. Образуется однородный прозрачный кристаллический лед, толщина которого довольно быстро увеличивается. За ясную и морозную ночь толщина такого льда может достичь 2-3 см. При этом, как правило, весь небольшой водоём замерзает единовременно. На крупных озёрах в такую погоду обычно покрываются льдом только мелководные заливы.

Кристаллический лёд в начале зимы наиболее прочный и при толщине 5 см выдерживает вес человека, а при 10 см — снегохода. В озёрах, покрывшихся льдом в морозную, штилевую погоду, подо льдом сохраняется обратная стратификация с относительно тонким подлёдным слоем воды, охлажденной до 0 °С. Если замерзание водоёма происходило в ветреную погоду с перемешиванием и более интенсивной теплоотдачей с водной поверхности, средняя температуры воды в водоеме зимой меньше.

При даже слабом ветре замерзание водоёма начинается с береговых отмелей, выхолаживающейся быстрее из-за малой глубины. Первичные кристаллики сбиваются к урезу и смерзаются, образуя полосы кристаллического льда — забереги, примёрзшие к береговому склону. С усилением мороза забереги расширяются, а открытая поверхность воды сокращается. На крупных и глубоких озёрах и водохранилищах замерзание длительно и проходит разновременно в разных районах.

В формировании ледяного покрова принимают участие всплывающие комья внутриводного льда (шуга) обычно грязно-белого цвета, снежура, образующаяся из снега во взволнованной, ещё не замерзшей водной поверхности. Неровность такого покрова увеличивается, если сильный ветер и колебания поверхности водоёма взламывают ещё не окрепший лед. Он дробится, и трущиеся друг о друга его кусочки превращаются в блинчатый лёд — дискообразные льдинки с выпуклым белым краем смерзшихся ледяных крошек.

Штормовым ветром взламывается и уже достаточно прочный лёд, льдины надвигаются одна на другую и смерзаются в торосы с наступлением менее ветреной, но морозной погоды. На нагонных участках пологого берега из битого льда, шуги и частиц донного грунта в шторм образуются береговые ледяные валы.

Структура и деформации ледяною покрова.

Ледостав — период неподвижного ледяного покрова. В Ладожском озёре в теплую зиму с малой суммой отрицательных температур воздуха площадь ледяного покрова не превышает 50% площади акватории. В такие зимы теплозапас его водной массы наименьший вследствие особенно интенсивной теплоотдачи с большой открытой водной поверхности. В умеренно холодные зимы почти 100 %-ная покрытость льдом продолжается всего 2 месяца, а в суровые зимы она длится почти 3 месяца.

Скорость нарастания кристаллического слоя льда (вследствие кристаллизации воды на его нижней поверхности) зависит от его теплопроводности и того, насколько интенсивны теплопотери с ледяного покрова в атмосферу при морозе. Чем ниже температура воздуха и продолжительнее морозная погода, тем больше намерзает льда снизу, тем всё более толстым становится кристаллический лед на водоёме, увеличивается теплоизоляция воды под ним.

Как правило, ледяной покров неоднороден и имеет двух- или трёхслойную структуру и покрыт слоем снега неравномерной толщины и плотности. Под весом снега лёд прогибается, трескается, из трещин, рыбацких лунок и майн на лёд вытекает вода, смачивает нижний слой снега и в мороз замерзает. Так образуется водно-снеговой лёд, менее плотный и малопрозрачный белёсого цвета из-за включения пузырьков воздуха и пыли.

В оттепели талая вода с подтаивающего снежного покрова в последующие морозы превращается в снеговой лёд. Он по физическим свойствам сходен с водно-снеговым льдом, но отличается по химическому составу, подобному составу атмосферных осадков. Лёд этих двух видов имеет меньшую теплопроводность и отражающую способность, чем кристаллический лёд, что замедляет утолщение ледяного покрова.

Деформации ледового покрова.

Зимой лёд как любое твёрдое тело при охлаждении сжимается. Сжатие больше у верхней поверхности льда, где зарождаются морозные трещины. Нижняя поверхность льда крепко примерзает на мелководьях к грунтам вблизи уреза, поэтому с усилением мороза в трещинах происходит разрыв ледяного покрова, и в расширяющихся до 1-2 м трещинах образуется на воде корка молодого льда. При потеплении лед расширяется, трещины сдвигаются, вызывая торошение молодого льда. Торосы порой достигают высоты 0,5-1,5 м.

Кроме термических деформаций ледяного покрова на озёрах происходят и динамические деформации, вызванные сейшами (стоячими волнами, возникающими в замкнутых или частично замкнутых водоёмах) на открытой воде. На Ладожском озере неоднократно возникало по три трещины вдоль продольной оси и поперёк под действием многоузловой сейши, когда наибольшие изгибы ледяного покрова происходят в прибрежной зоне. При сильном морозе достаточно небольшого изгиба ледяного поля над пучностью сейши, чтобы он треснул.

Таяние льда в водоёмах.

Разрушение ледяного покрова, т. е. вскрытие замерзашего водоема, включает три стадии:

I стадия — таяние снежного покрова. Талая вода пропитывает снег, он темнеет, снижается величина отражающей способности поверхности водоёма, увеличивается поглощение суммарной солнечной радиации, что ускоряет таяние. Вода накапливается на льду, протаивают вдольбереговые трещины, заполняющиеся талой водой. Увеличение расхода воды в притоках приводит к подъему уровня воды в водоёме. Ледяной покров, освободившийся от снега, всплывает. Талая вода с него уходит под лёд. Вдоль берегов образуются закраины у скалистых крутых берегов и более широкие — на мелководьях.

II стадия — активное таяние ледяного покрова. Оно происходит на его верхней поверхности вследствие поглощения льдом солнечной радиации (большая величина радиационного баланса) и турбулентного теплообмена с более тёплым воздухом.

Подтаивает и нижняя поверхность льда вследствие конвективного перемешивания подлёдной воды с нижележащим слоем, нагретым днем проникающей сквозь лед солнечным излучением. Локально оно интенсифицируется динамическим перемешиванием в приустьевых зонах, куда поступают воды притоков. Плотностные течения, несущие теплоту и распространяющиеся из этих зон в подледном слое из-за малой минерализации и плотности вод речного половодья, усиливают подтаивание снизу ледяного покрова. Стаивание льда сверху и снизу уменьшает толщину ледяного покрова примерно на 30 %.

Одновременно таяние происходит внутри пористого водноснегового и прозрачного кристаллического слоев. Оно начинается вокруг содержащихся во льду частиц ионного состава. Образующиеся капли внутрилёдной солоноватой талой воды, поглощающие солнечное излучение, вызывают протаивание вертикальных канальцев диаметром 0,1-1,0 мм между ледяными кристаллами. Это увеличивает рассеяние и поглощение солнечного света в толще льда и ускоряет таяние. Канальца расширяются до 5 мм и более в диаметре, и внутрилёдная вода стекает под лёд, происходит его обессоливание.

Прочность ледяного поля уменьшается настолько, что любая даже небольшая на него нагрузка — ветровое пульсирующее давление сверху или сейшевые колебания воды снизу — разрывает ослабевшие связи между кристаллами льда. Лед рассыпается на отдельные кристаллы диаметром до 5-7 см и длиной 20-30 см и более. В эту стадию выход на лёд крайне опасен.

III стадия — таяние возникающих полей ледяных иглообразных кристаллов и еще не раздробленных льдин. Оно происходит обычно быстро благодаря резкому снижению альбедо смеси воды и ледяных кристаллов, их механическому дроблению волнением и трением друг о друга. Из-за поглощения льдом солнечного излучения весной для его таяния и разрушения в водоёме достаточна в 5 раз меньшая сумма положительных температур воздуха, чем сумма её отрицательных значений зимой для формирования толщи ледяного покрова.

Вскрытие малых озёр, прудов и водохранилищ происходит практически одновременно на всей их акватории. В целом сроки начала ледостава и очищения ото льда озёр и водохранилищ — более поздние, чем на реках. Их запаздывание тем значительнее, чем больше размеры водоёма и меньше его проточность.

Источник