Как реки освобождаются ото льда

Квант 2022, №6 с. 34-36 Тег JGMV

КВАН T 2022/№6

Т.МОРОЗОВА

Процесс таяния льда на реках и озерах кажется на первый взгляд тривиальным, хотя это не совсем так. Часто весной за потеплением идет похолодание, и так происходит несколько раз, пока природа не исчерпает свои запасы холода и окончательно не пустит весну на просторы земли и воды. Во время зимних морозов на реках нарастает лед. Так, толщина льда в Днепре составляет 0,5 метра, в реках среднеевропейской равнины – порядка 1 метра, а на сибирских реках – до 1,5 метра. Чем больше морозных дней в году, тем толще лед. Заледеневшие реки открывают новые пути для передвижения от места к месту и дают своеобразный простор пешим прогулкам и путешествиям. Но когда лед начинает таять, по нему ходить становится опасно.

Лед на канале имени Москвы

Какой же лед наименее благоприятен для прогулок по нему? Самый опасный вариант – это тонкий ровный лед после резкого похолодания, когда создаются большие напряжения в материале и легко могут возникнуть трещины. То же относится и к свежеобразовавшемуся льду. Сетка неод-

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20220604

нородностей во льду при его хаотичных замерзаниях–размерзаниях с небольшими колебаниями температур создает своего рода каркас. Однако если в нем имеются пустоты, то это также представляет опасность. После таяния прибрежная полоса замерзает быстрее и в холодные весенние ночи по ней безопаснее ходить, чем по середине реки. При передвижении по льду он трещит там, где есть неоднородности и искривление рельефа. В таких местах не стоит пересекать замерзший водоем в период таяния льда и его последующего замерзания. Если ходить по льду на лыжах, то давление на него будет оказываться гораздо меньшее, чем при пешей ходьбе. Если бежать, то толчки создадут большие давление и большую опасность проломить лед. Итак, по какому льду на реке особенно опасно ходить? 1) Когда есть заметное течение реки. Чем больше сужается река, тем течение быстрее. Это непосредственно следует из уравнения неразрывности $струи^{v} 1^{S} 1_{2}^{v} S_{2}, где^{v}$ – $скорость,^{S}$ – площадь поперечного $сечения.^{2)}$ Где лед только что намерзший или после потепления, а за ним похолодания. Но тут все зависит от множества факторов. Если, например, похолодание сильное – то лед безопасен. А потепление может перемешать лед, и он плотнее замерзнет без пустот и неоднородностей. 3) В резко наступивший трескучий мороз, когда могут образовываться пустоты, трещины, а также создаваться большие напряжения во льду и возникать подледные течения. Когда лед тает постепенно, то появляется скорее снежная каша, чем лед, который может треснуть. Иными словами, при постоянном градиенте температур во время потепления лед почти не трескается в спокойных водоемах. Но на реках с большим течением треснувшие льдины появляются почти всегда – само течение не представляет возможности создать плавный градиент температур. Под мостами лед тает особо быстро ввиду наличия газов, испарений и теплых конвективных потоков. Сам лед плотнее у берега, чем на середине реки. Но не у самого-самого берега, а чуть поодаль. Реки и озера на мелководье промерзают полностью, однако когда начинается таяние, то самый край водоема быстро тает, так как абсолютная

«КВАНТ»

ДЛЯ

МЛАДШИХ

Треснувший лед на реке толщина льда на кромке воды небольшая. В середине же реки течение поддерживает более высокую температуру воды и не дает льду намерзать. В отличие от рек, озера долго размораживаются, потому что нижние слои льда не успевают прогреваться из-за большой теплоемкости. А кроме того, в озере больше воды и больше льда, следовательно, оно будет дольше размораживаться. Малое же количество воды быстрее замерзнет и быстрее растает. Также существенно быстрее освобождаются ото льда реки с течением, и чем оно больше, тем интенсивнее происходит процесс таяния. Почему снег на речке при потеплении и дальнейшем замерзании становится плотным льдом, в то время как снежные сугробы на берегах не леденеют? Все дело в том, что у воды теплоемкость и теплопроводность больше, чем у снега и льда, и вода вбирает в себя больше тепла и интенсивнее разогревает прилежащие слои. От слоя к слою тепло передается быстро, но чтобы прогреть каждый слой, энергии нужно затратить больше. Таким образом, на реке происходит плавление большей массы снега, а при похолодании – ее тотальное замерзание и превращение в лед. Гладь водоема при последующем похолодании замерзает ровно, если воды расплавилось много. По такой поверхности даже можно кататься на коньках. Но все же рано или поздно весна берет свое, и водоемы постепенно освобождаются ото льда. Талая вода особо холодная. Любители моржевания хорошо это знают – ведь в ней еще холоднее плавать, чем в проруби в бодрящий мороз. Дело в том, что замерзаю-

ШКОЛЬНИКОВ

щий на поверхности водоема лед образуется из очищенной воды приповерхностных слоев, из которой весь осадок ушел на дно. Очень чистую воду можно охладить до температуры $^{40}$ q C. В этой связи можно провести такой эксперимент: на небольшом морозе отстоявшуюся родниковую воду в бутылке взболтать, и она меньше чем за минуту замерзнет – примеси повысят ее температуру замерзания. Соленая вода, в силу своих физико-химических свойств, замерзает при $3 q^{C}$ . Намерзание льда происходит неравномерно, особенно в солнечный день, из-за того, что на краях проруби лед охлаждает воду и намерзающие льдины и не дает растаять тому льду, что плавит солнце (в отличие от середины проруби). В итоге возникают касательные напряжения, и лед поднимается дугой. Снежный наст на берегах рек дифференцируется в отдельные вертикальные льдинки, и они имеют структуры, похожие на

Прорубь с дугообразным льдом, не прилегающим плотно к ее середине

КВАН T 2022/№6

сталактиты и сталагмиты в пещерах. Появляются трещины и разломы пластов. В низинах снег тает медленнее, происходит деструктурирование снега и намерзшего льда. Весной возникают постоянные колебания температур от плюса к минусу. В итоге размерзшийся снег снова замерзает, превращаясь в ледяную фрактальную структуру из множества мелких ледышек неправильной формы.

Вертикальные льдинки

Сам по себе снег очень хороший теплоизолятор. И даже когда вокруг резко теплеет, он хранит в себе холод. Более того, даже достигнув равновесия с окружающим воздухом, снег не может растаять очень быстро, так как для этого его нужно не только нагреть, но и расплавить (суммируются количества теплоты плавления и нагревания). На берегу при таянии снега образуется вода, которая уходит в грунт. Снег же не дает прогреться внутрилежащим слоям. Поэтому при похолодании и последующем потеплении гладь реки становится ледяной, а снежные сугробы на берегах остаются непоколебимыми по своей структуре. Однако при общем потеплении и они постепенно тают и уменьшаются, уходя в грунт или стаивая на лед реки. Чем глубже река у берегов, тем меньше по ее краям сугробы. Также они могут давать трещины и разбиваться на пласты – это зависит от грунта. Сама структура льда формируется в зависимости от грунта. Внутри льда могут быть линзы и другие образования. Песчаный грунт очень плотный и практически не пропускает частицы воды, а глиняный пропускает. Поэтому когда вода замерзает, глиняные почвы упрочняются, а когда лед начинает таять, вода быстро уходит через их поры в грунт.

Если бы у реки не было песчаного русла, она бы быстро обмелела. Помимо этого, при замерзании лед расширяется и грунт вспучивается. Также при резком морозе замерзающий лед может давать трещины при расширении. Таким образом, получается, что опасно ходить по льду не только во время оттепели, но и когда резко ударяют морозы.

Трещины снежного пласта на берегу

Почему некоторые речки зимой мелеют и показывают свои песчаные берега, покрытые снегом? Здесь происходят два процесса: во-первых, испарение воды и последующий унос испарившихся масс, которые, в отличие от других сезонов, не возвращаются в водоем и выпадают осадками равномерно по всей земле, а во-вторых, уход воды в грунт и его промерзание. Интенсивность второго процесса зависит от типа грунта и глубины реки. Весной снег тает, и вода с берегов стекает в речку, где она возвращается в прежний объем. У рек часто бывают крутые берега, которые постепенно подмываются течением, да и сама река обычно течет в самом низком месте, стекая с окрестных берегов. Летом осадки стекают в реку с окрестных берегов, а зимой нет, поэтому испарения и не возвращаются. Весной испарения и талые снега не идут в облака не только из-за холодных ночей, но и потому, что растительность вбирает в себя влагу. Но иногда в особенно солнечный день влага может выпадать отдельными капельками, не собираясь в облака и дожди. В заключение отметим, что талая вода стекает в реку или под землю, образуя структуру из льдинок. В итоге уровень воды в водоеме повышается. Вот почему с приходом весны идет так называемая большая вода.