Замерзание (физич. географ. и метеорол.)

Физики и химики исследуют переход самых разнообразных тел из жидкого в твердое состояние при очень различных температурах. Для физич. географии и метеорологии имеет значение лишь вода (с водяными растворами солей), как тело очень распространенное на земном шаре и переходящее в твердое состояние при давлениях и температурах, встречаемых в земной атмосфере, водах и земной коре. В большей части источников, рек, проточных озер и отчасти и в земной коре вода встречается хотя и не в чистом виде, но с примесями столь малыми, что физические свойства этих вод, обыкновенно наз. пресными, существенно не отличаются от свойств чистой воды. Очень важно то, что вода замерзает при 0° и имеет наибольшую плотность около 4° Ц. Это значительно способствует З. пресных вод, стоячих или находящихся в слабом движении. При температурах выше 4° вода тем легче, чем теплее, а при температурах ниже 4°, обратно, — чем холоднее вода, тем она легче; холодная вода остается наверху и, следовательно, легко замерзает. Поэтому большие пресноводные озера (напр. Ладога, Онега, Байкал), с лишком на 9/10 наполненные водой около 4°, могут замерзать сплошь зимою. Ветры, разводя волнение, замедляют сплошное замерзание; они разбивают лед — и перемешивают слои воды между собою, т. е. наиболее холодную верхнюю с более теплой нижележащей. Чем глубже водоем, тем больше волнение при той же силе ветра. Малые озера иногда в одну ночь замерзают сплошь, а оз. Байкал лишь 3 месяца после того, как средняя температура окружающего воздуха опустилась ниже 0°.

На быстро текущих реках З. идет недружно и долго задерживается тем, что течение перемешивает слои воды и не дает верхнему слою остыть до 0°. На таких реках часто лед образуется не сверху (сало), а сначала на дне, затем льдины всплывают, мелкие соединяются между собою и т. д. Это явление — образование придонного льда — не вполне еще разъяснено. Иные думают, что происходит охлаждение дна через лучеиспускание сквозь воду. Часто старались найти зависимость между временем З. рек, озер и т. д. и суммами средних суточных температур воздуха ниже 0° от начала морозов до дня З. (см. Рыкачева "Вскрытие и замерзание вод в России"), но очевидно, что точного соответствия быть не может: теплоемкость воздуха настолько мала сравнительно с теплоемкостью воды, что он оказывает заметное влияние главным образом на неглубокие водоемы и то при сильном ветре. Гораздо важнее для З. лучеиспускание поверхности воды. Поэтому при прочих равных условиях воды быстрее замерзают в ясную погоду, чем в пасмурную и туманную. Раз на водоеме образовался лед и в особенности после того, как он покрылся снегом, эти тела, как дурные проводники тепла, защищают воду от охлаждения, и дальнейшее З. ее идет медленнее. В воде морей и непроточных озер настолько много солей, что они значительно видоизменяют физические свойства воды. В морях решительно преобладает хлористый натрий (поваренная соль); состав солей морской воды почти одинаков везде, различаясь только их количеством; чем более солей, тем ниже точка З. раствора. Но замерзание морской воды замедляется и тем, что, начиная с количества солей около 2 1/3%, точка З. ниже, чем температура наибольшей плотности раствора (среднее количество солей в морской воде около 3 1/2%), следовательно, более холодная вода опускается. Это очень затрудняет З. морской воды с поверхности, а если оно происходит, то потому, что: 1) нередко верхние слои содержат менее солей, чем остальные; они остаются наверху, даже когда холоднее, что особенно бывает осенью, после таяния льда и приноса большого количества пресной воды реками, 2) при очень сильных и холодных ветрах с материка вода остывает очень быстро, и образуется лед; 3) при падении снега на поверхности соленой воды образуются, как известно, смеси температурой значительно ниже 0°. На морях сев. полушария образуется более льда, чем на морях южного, вследствие того, что первые более окружены материками и островами и получают большее количество пресной речной воды. Некоторые из русск. морей имеют соленость менее 2 1/3%, чем еще облегчается З. их зимой: всего меньше соленость Балтийского моря, затем Азовского и Черного. Мала также соленость Карского моря и особенно Обской губы, сев. части Японского м. (близ устья Амура), но соленость этих морей очень изменчива, потому что они соединены с открытыми солеными морями довольно широкими рукавами: когда ветер с моря, соленость быстро возрастает. Многие большие озера, напр. Каспий и Арал, по составу воды приближаются к морям и имеют соленость значительно менее океанской, чем облегчается их З. При З. соленой воды происходит соединение части солей со льдом и отчасти механическое включение, отчасти выделение остальных солей. Лед, образовавшийся из соленой воды, тает при той же, ниже 0°, температуре, при которой образовался (на океанах около -1°). На океанах, кроме морского льда (ледяных солей, нем. Eisfelder), есть еще лед в виде ледяных гор (нем. Eisberge), образовавшийся из обломков ледников и тающий при 0°, как всякий пресноводный лед.

Зависимость толщины льда от времени и других условий теоретически исследована Стефаном; он нашел, что она пропорциональна квадратному корню времени замерзания. Он же на основании многих наблюдений полярных экспедиций нашел коэффициент теплопроводности полярного морского льда k = 0,0042 (см. "Wiedemans Annalen", т. XLII, стр. 269. Много данных о толщине полярных льдов и пр. у Weyprecht, "Die Metamorphosen des Polareises"). З. воды происходит и в земной коре и имеет большое влияние на нее. Вода расширяется при замерзании, поэтому, замерзая в трещинах скалы, она мало-помалу измельчает их. Швейцарские геологи заметили, что в полосе гор, где чаще всего переходы от температуры выше 0° к температ. ниже 0° и обратно, измельчение и распадение скал идет быстрее, чем в нижней горной полосе, где морозы реже, и в верхней, где температура ниже 0° решительно преобладает. Замерзание способствует измельчению и разрыхлению плотных глинистых и суглинистых почв, и сельские хозяева часто оставляют почву в глыбах на зиму, чтобы способствовать этому процессу. Это увеличивает поверхность излучения и соприкосновения с воздухом и, следовательно, увеличивает промерзание. Относительно замерзания почвы или его отсутствия можно отличить 5 полос на земном шаре. 1) Почва никогда не охлаждается ниже 0°, и следовательно, не замерзает. Это тропический пояс, кроме гор, и более теплая часть умеренного пояса, особенно вблизи моря. 2) Почва промерзает сверху на более или менее долгий срок, но на небольшой глубине (обыкновенно менее сажени) температура всегда выше 0°. Большая часть умеренного пояса, в Скандинавии до 71° с. ш., горы тропиков и теплой части умеренного пояса. 3) На некоторой глубине есть слой постоянно мерзлой почвы, или мерзлоты, сверху оттаивает небольшой слой летом. Больш. часть Вост. Сибири и часть Канады. Здесь, следовательно, большая часть почвы находится постоянно в мерзлом состоянии и лишь самая верхняя часть оттаивает. 4) Почва, или верхняя часть земной коры, постоянно мерзлая. На южно-полярном материке и на очень высоких горах и более низких широтах, где поверхность защищена от солнечных лучей. 5) Температура верхних слоев почвы опускается ниже 0°, но она не замерзает, а остается в рыхлом, не связанном состоянии, что зависит от отсутствия или слишком малого количества воды в почве. В таком состоянии часто бывают гальковые или крупнозернистые песчаные почвы даже не в очень сухих климатах, а в пустынях, наприм. равнин Туркестана, нагорий и гор Центральной Азии, Северной Америки (между Скалистыми горами и Сьеррой-Невадой), высокого нагорья Неру и Боливии, в таком состоянии находятся даже глинистые почвы.

См. Вскрытие, Иней, Лед, Мерзлота почвы, Растворы. О замерзании отдельных рек, озер, морей — см. соответствующие статьи, напр. Волга (см.).

А. Воейков.