河水、海水結(jié)冰的差異

河北省定興縣第三中學(xué)（072650） 孟志三

河水、海水結(jié)冰的差異

河北省定興縣第三中學(xué)（072650） 孟志三

我們都知道，在地球的中高緯度地區(qū)，河水和海水都會(huì)有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。但是二者結(jié)冰的現(xiàn)象卻不盡相同。每到初冬時(shí)節(jié)，當(dāng)冷空氣頻繁襲來，河水水溫降到0℃以下后，陸地上淺的河水、池塘（或淡水湖）的表面很快就會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。當(dāng)水溫繼續(xù)下降到一定程度后，江河甚至?xí)毡榉鈨觥Ｈ欢藭r(shí)，廣闊的海洋表面可能還會(huì)照樣潮起潮落，波濤洶涌。隨著溫度再進(jìn)一步降低，海水可能才會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰的現(xiàn)象。由此可見，河水結(jié)冰比海水結(jié)冰要容易的多。一般條件下，河水在0℃時(shí)就會(huì)結(jié)冰。這個(gè)溫度就是水的冰點(diǎn)。但是海水的冰點(diǎn)卻是一個(gè)不確定的溫度。這是因?yàn)?，海水結(jié)冰不但和氣溫有關(guān)，而且還與海水自身的性質(zhì)有關(guān)。在相同的壓力下，海水中鹽度越大，海水的冰點(diǎn)就越低；反之，海水中鹽度越小，海水的冰點(diǎn)就越高。實(shí)際上，不同海區(qū)的海水中所含的鹽分也是不同的。通常，海水的冰點(diǎn)低于河水，并且隨著海水鹽度的增加，其冰點(diǎn)還會(huì)進(jìn)一步降低。當(dāng)表層海水趨向于結(jié)冰溫度時(shí)，密度就會(huì)增大，這些大密度的表層海水將會(huì)因重力而下沉，引起水的垂直對(duì)流。當(dāng)表層海水開始結(jié)冰后，析出鹽分會(huì)使鄰近水層的鹽度增大，使鄰近的海水的冰點(diǎn)再次下降。因此，海水只有混合均勻，從表層到深層的各深度的水溫接近冰點(diǎn)時(shí)，海面才會(huì)凝固結(jié)冰?？梢姡ＫY(jié)冰不像河水那樣容易。生活中，如果有機(jī)會(huì)嘗嘗海水結(jié)的冰，就會(huì)發(fā)現(xiàn)海冰是不咸的。而且，海冰與我們通常所講的淡水冰，并不完全一樣。這是因?yàn)楹１诒M織內(nèi)的小空隙中藏有一定量的鹽水，也就是說，海冰中含有某種程度的鹽分。

習(xí)慣上，水的冰點(diǎn)也稱為凝固點(diǎn)，即液態(tài)水和固態(tài)冰可以平衡共存時(shí)的溫度。通常是指水由液體轉(zhuǎn)化為固體時(shí)的溫度或由固體轉(zhuǎn)化為液體時(shí)的溫度，即由固到液或由液到固的臨界點(diǎn)。河水的冰點(diǎn)在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為0℃，而海水的冰點(diǎn)卻是一個(gè)不確定的溫度（如前所述，這是因?yàn)楹ＫY(jié)冰除了與壓力有關(guān)外，還與海水中鹽含量的多少有關(guān)系）。河水結(jié)冰時(shí)，河水表面受冷，密度加大，水溫降到4℃時(shí)，由于表面水的密度達(dá)到最大，便開始下沉，而下層水被迫上升，這樣就產(chǎn)生了上、下垂直對(duì)流現(xiàn)象。這種對(duì)流現(xiàn)象一直持續(xù)到上、下層的水溫都達(dá)到4℃時(shí)為止。此后，表面溫度繼續(xù)下降，但表面的冷水不再往下沉，到了冰點(diǎn)就開始結(jié)冰。

通常海水結(jié)冰分兩種情況。實(shí)際監(jiān)測(cè)表明，鹽度較小的海水（通常是指鹽度小于24．7‰的海水），在上、下層海水都冷卻到最大密度時(shí)的溫度以后，只要表面海水再冷卻到冰點(diǎn)就可以結(jié)冰了。結(jié)冰情況與河水基本上相同，所差的是冰點(diǎn)比河水低，結(jié)冰會(huì)稍難一些；但是鹽度較大的海水（通常是指鹽度大于24．7‰的海水），結(jié)冰情況與河水有很大差異，因?yàn)樗淖畲竺芏戎档臏囟仍诒c(diǎn)以下，海水越冷就會(huì)越重，表面海水雖然冷卻到了冰點(diǎn)，但此時(shí)表面海水密度變大，還要下沉，所以是不能馬上結(jié)冰的，只有當(dāng)上、下層海水都冷卻到冰點(diǎn)以后，再繼續(xù)冷卻，海面才能結(jié)冰。由于世界大洋海水的鹽度一般高于24．7‰，而且海洋的深度又都很大，所以海水不容易結(jié)冰。而這種海水一旦結(jié)冰，表層冰和深層冰的形成幾乎是同時(shí)開始的，有時(shí)深層冰和底層冰甚至比表層冰還要多，也就是說，海水是從上到下一起結(jié)冰的。

一般來說，海水結(jié)冰的速度越快，海冰中的鹽度就越大。就像河水結(jié)冰的密度小于河水自身的密度一樣，海冰的密度也小于海水，海冰的密度約為0．92克/立方厘米。因此，海冰也會(huì)漂浮在海面上。根據(jù)阿基米德定律，冰沒入海洋中的深度是由它的密度決定的。對(duì)于幾何形狀較為規(guī)則的海冰，水上部分約為其總高度的六分之一，例如露出水面的高度為50厘米，則可以大致推出其水下沉沒的深度約250厘米。這就是遠(yuǎn)洋船員們經(jīng)常把海冰比作隱形殺手的原故，如果不遠(yuǎn)離那個(gè)看起來不大的冰山，就有可能使輪船撞到半隱蔽的巨大冰山，導(dǎo)致船毀人亡的悲劇。

海水結(jié)冰時(shí)通常需要三個(gè)條件，即：①氣溫比水溫低，水中的熱量持續(xù)散失；②相對(duì)于水開始結(jié)冰時(shí)的溫度，已有少量的過冷卻現(xiàn)象；③水中有懸浮微粒、雪花等雜質(zhì)凝結(jié)核。海冰初生時(shí)，呈針狀或薄片狀冰晶；進(jìn)一步凍結(jié)后，成為漂浮于海面的冰皮或冰餅；海面布滿這種冰后，便向厚度方向延伸，形成覆蓋海面的白冰。按運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，海洋中的冰大致可分為固定冰和流冰兩大類。固定冰是指與海岸、海底或島嶼凍結(jié)在一起的海冰，能隨海面升降，從海面向外可延伸數(shù)米或數(shù)百千米。流冰漂浮在海面，隨著海面風(fēng)向和洋流向各處移動(dòng)。

需要指出的是，世界海水平均鹽度在35‰左右，這種鹽度下海水的冰點(diǎn)大約在-2℃左右。但實(shí)際上海水溫度即使降低到-2℃，由于表面海水的密度和下層海水的密度并不均勻，造成海水垂直對(duì)流交換，也會(huì)妨礙海冰的形成。此外，海水還受洋流、波浪和潮汐等因素的影響，在溫度不太低的情況下，海水結(jié)冰將變得比較困難。