河水、海水結冰的差異

河北省定興縣第三中學（072650） 孟志三

河水、海水結冰的差異

河北省定興縣第三中學（072650） 孟志三

我們都知道，在地球的中高緯度地區，河水和海水都會有不同程度的結冰現象。但是二者結冰的現象卻不盡相同。每到初冬時節，當冷空氣頻繁襲來，河水水溫降到0℃以下后，陸地上淺的河水、池塘（或淡水湖）的表面很快就會出現結冰現象。當水溫繼續下降到一定程度后，江河甚至會普遍封凍。然而此時，廣闊的海洋表面可能還會照樣潮起潮落，波濤洶涌。隨著溫度再進一步降低，海水可能才會出現結冰的現象。由此可見，河水結冰比海水結冰要容易的多。一般條件下，河水在0℃時就會結冰。這個溫度就是水的冰點。但是海水的冰點卻是一個不確定的溫度。這是因為，海水結冰不但和氣溫有關，而且還與海水自身的性質有關。在相同的壓力下，海水中鹽度越大，海水的冰點就越低；反之，海水中鹽度越小，海水的冰點就越高。實際上，不同海區的海水中所含的鹽分也是不同的。通常，海水的冰點低于河水，并且隨著海水鹽度的增加，其冰點還會進一步降低。當表層海水趨向于結冰溫度時，密度就會增大，這些大密度的表層海水將會因重力而下沉，引起水的垂直對流。當表層海水開始結冰后，析出鹽分會使鄰近水層的鹽度增大，使鄰近的海水的冰點再次下降。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時，海面才會凝固結冰。可見，海水結冰不像河水那樣容易。生活中，如果有機會嘗嘗海水結的冰，就會發現海冰是不咸的。而且，海冰與我們通常所講的淡水冰，并不完全一樣。這是因為海冰在冰組織內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。

習慣上，水的冰點也稱為凝固點，即液態水和固態冰可以平衡共存時的溫度。通常是指水由液體轉化為固體時的溫度或由固體轉化為液體時的溫度，即由固到液或由液到固的臨界點。河水的冰點在1個標準大氣壓下為0℃，而海水的冰點卻是一個不確定的溫度（如前所述，這是因為海水結冰除了與壓力有關外，還與海水中鹽含量的多少有關系）。河水結冰時，河水表面受冷，密度加大，水溫降到4℃時，由于表面水的密度達到最大，便開始下沉，而下層水被迫上升，這樣就產生了上、下垂直對流現象。這種對流現象一直持續到上、下層的水溫都達到4℃時為止。此后，表面溫度繼續下降，但表面的冷水不再往下沉，到了冰點就開始結冰。

通常海水結冰分兩種情況。實際監測表明，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的溫度以后，只要表面海水再冷卻到冰點就可以結冰了。結冰情況與河水基本上相同，所差的是冰點比河水低，結冰會稍難一些；但是鹽度較大的海水（通常是指鹽度大于24．7‰的海水），結冰情況與河水有很大差異，因為它的最大密度值的溫度在冰點以下，海水越冷就會越重，表面海水雖然冷卻到了冰點，但此時表面海水密度變大，還要下沉，所以是不能馬上結冰的，只有當上、下層海水都冷卻到冰點以后，再繼續冷卻，海面才能結冰。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，所以海水不容易結冰。而這種海水一旦結冰，表層冰和深層冰的形成幾乎是同時開始的，有時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冰的。

一般來說，海水結冰的速度越快，海冰中的鹽度就越大。就像河水結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，海冰也會漂浮在海面上。根據阿基米德定律，冰沒入海洋中的深度是由它的密度決定的。對于幾何形狀較為規則的海冰，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。這就是遠洋船員們經常把海冰比作隱形殺手的原故，如果不遠離那個看起來不大的冰山，就有可能使輪船撞到半隱蔽的巨大冰山，導致船毀人亡的悲劇。

海水結冰時通常需要三個條件，即：①氣溫比水溫低，水中的熱量持續散失；②相對于水開始結冰時的溫度，已有少量的過冷卻現象；③水中有懸浮微粒、雪花等雜質凝結核。海冰初生時，呈針狀或薄片狀冰晶；進一步凍結后，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。按運動狀態，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、海底或島嶼凍結在一起的海冰，能隨海面升降，從海面向外可延伸數米或數百千米。流冰漂浮在海面，隨著海面風向和洋流向各處移動。

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大約在-2℃左右。但實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，造成海水垂直對流交換，也會妨礙海冰的形成。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，海水結冰將變得比較困難。