Portál morského ľadu proces zmrazovania morského ľadu

Vnútorná mikroštruktúra morského ľadu pozostáva z komplexnej zmesi sladkovodného ľadu, kvapalnej soľanky a plynných inklúzií, pričom zloženie tejto zmesi má rozhodujúci vplyv na fyzikálne vlastnosti morského ľadu. Poznanie vnútornej mikroštruktúry morského ľadu je predpokladom presného určenia mnohých metód merania, napríklad hrúbky morského ľadu.

Najmä typ zamrznutia určuje mikroštruktúru morského ľadu. Predpokladom pre tvorbu ľadu je samozrejme to, aby bola morská voda chladená studeným vzduchom ochladená minimálne na bod mrazu. Vďaka vysokému obsahu solí je to zvyčajne -1,8 stupňa Celzia. Procesy rastu morského ľadu potom veľmi závisia od vetra a vĺn. Bez ohľadu na to, keď morská voda stuhne, molekuly vody vytlačia obsah soli z výslednej kryštalickej štruktúry. Následne koncentrovaná soľanka (zvyšná tekutá morská voda, ktorá je silne obohatená iónmi soli) vytvára dutiny a kaverny, komplexný systém kanálov, ktorý preteká telom ľadu.

Fotografie: M. Nicolaus

Element voda (H2O) má niektoré vlastnosti, ktoré tiež ovplyvňujú vlastnosti morského ľadu.
Voda je jedinou látkou na Zemi, ktorá sa za daných klimatických podmienok našej Zeme vyskytuje v troch chemických skupenstvách (fázach) pevnom, kvapalnom a plynnom. Táto zvláštna vlastnosť vody umožňuje jej výskyt vo všetkých sférach. Ak voda zmení svoj fyzický stav, energia sa premení. V závislosti na fázovom prechode je energia buď viazaná (topí sa, odparuje sa), alebo sa uvoľňuje (kondenzuje, zmrazuje). Stavy agregácie a fázových prechodov je možné znázorniť v stavovom diagrame.

Obrázok: Závislosť agregátnych stavov vody (stavový diagram nie je v mierke) a ich transformačné procesy

Tabuľka: Závislosť agregátnych stavov vody (stavový diagram nie je v mierke) a ich konverzných procesov [1]

[1] zmenené z: The Open University, zväzok „Morská voda: jej zloženie, vlastnosti a správanie“, 1995, s. 6

Počas procesu zmrazovania a stavu zmrazovania sa menia určité vlastnosti morského ľadu. Slanosť morskej vody má mimoriadny význam, pretože určuje teplotu mrazu: čím je voda slanšia, tým je bod mrznutia ďalej od limitu nulového stupňa. Obsah soli ovplyvňuje aj hustotu vody.

Slanosť rôznych oceánov silne kolíše a je ovplyvnená aj oceánskymi prúdmi. Priemerný obsah solí v oceánoch je 34,7 promile, pričom distribúcia okolo strednej hodnoty je relatívne malá. 50 percent všetkých oceánov má slanosť medzi 34,6 a 34,8 promile. Obsah solí v oceánoch kolíše medzi 32 a 38 promile. [1] Ak sú zahrnuté šelfové moria, ktorých slanosť môže byť relatívne vysoká alebo nízka, hodnoty sú medzi 28 a 40 promile.

Tieto variácie vznikajú, pretože slanosť sa môže meniť v závislosti od odparovania, zrážok a prítoku sladkej vody z kontinentov:

V okrajových a stredomorských moriach miernych šírok severnej a južnej pologule je slanosť nižšia v dôsledku prívodu sladkej vody z riek a zrážok.

V okrajových a stredomorských moriach subtropických zemepisných šírok prevažuje odparovanie nad zásobovaním riek a zrážkami a slanosť je niekedy vyššia ako v otvorenom oceáne.

Zatiaľ čo Baltské more má maximálny obsah soli 20 promile, Mŕtve more môže obsahovať až 33 percent soli. Všeobecne však platí, že slanosť oceánov je hlboko pod úrovňou Mŕtveho mora. Severný ľadový oceán obsahuje asi 32 promile, Severné more 3,4 až 35 promile, Stredozemné more až 39 promile, Perzský záliv až 40 promile a Červené more až 41 promile solí. Slanosť Atlantiku sa pohybuje medzi 34,5 a 37 promile.

[1] J. Krauss, Základy námornej meteorológie a oceánografie, Salzwasserverlag, Paderborn, 2011, s. 172

Vďaka soliam rozpusteným v morskej vode je bod tuhnutia nižší ako v sladkej vode. Teplota bodu mrazu rôznych vodných plôch sa pohybuje medzi 0 stupňov Celzia pre sladkú vodu a -1,9 stupňa Celzia pre slanú poličkovú vodu Antarktídy. Pre väčšinu oceánov so slanosťou 34,5 promile začína proces zamŕzania a formovania morského ľadu pri teplote -1,86 stupňa Celzia. Polárne oceány sú často sladšie ako „priemerná“ morská voda, čiastočne kvôli nižšej miere odparovania. Pri obsahu solí 25 až 30 promile voda zamŕza pri teplotách -1,35 stupňa Celzia alebo -1,62 stupňa Celzia. [1] Tieto hladiny slanosti sú charakteristické pre morskú vodu v nízkych zemepisných šírkach. Ak však teplota vody klesne pod zodpovedajúci bod mrazu, začne sa kryštalizačný proces vody.

Vzťah medzi bodom mrazu a maximálnou hustotou s rôznou slanosťou má veľký význam pre tvorbu ľadu na mori.

Obrázok: Závislosť bodu tuhnutia a teploty najväčšej hustoty. Zelená = teplota maximálnej hustoty, modrá = zníženie bodu tuhnutia

Vďaka interakciám medzi soľami a molekulami polárnej vody je zabránené kryštalizačnému procesu vody už pri teplotách pod 0 stupňov Celzia. Čím je voda slanejšia, tým nižší bod mrazu klesá a tým vyššia je jej hustota. Depresia bodu mrazu je lineárna a závisí od slanosti morskej vody (modrá čiara).

Podobne ako bod mrazu sa aj teplota maximálnej hustoty mení lineárne v závislosti od slanosti vody (zelená priamka).

Ale so zvyšujúcim sa obsahom solí teplota maximálnej hustoty klesá oveľa viac ako teplota bodu mrazu. To vedie k tomu, že obe priamky sa pretínajú pri teplote približne -1,3 stupňa Celzia a obsahu solí 25 ‰. Ak by obsah soli naďalej stúpal, ľad tvorený na povrchu by bol ťažší ako vodné masy pod ním a musel by sa ponoriť do hlbín. To by znamenalo, že sa tam hromadili masy ľadu.

Pretože sa však niektoré zo solí v nich obsiahnutých zrážajú počas procesu zmrazovania morskej vody, čo vedie k zníženiu špecifickej hmotnosti morského ľadu, nestalo sa tak. [2]

Morská voda navyše kvôli obsahu solí stráca osobitosť anomálie hustoty. Zatiaľ čo takmer všetky kvapaliny sa pri zmrazení zmršťujú, čím sa zvyšuje ich hustota, voda po stuhnutí expanduje. V čistej vode je maximálna hustota 4 stupne Celzia, teda nad teplotou bodu mrazu, takže na povrchu zostane studená voda s teplotami pod 4 stupne Celzia a nižšou hustotou. Ťažšia studená voda o 4 stupne Celzia vždy klesne ku dnu, teplejšia alebo chladnejšia voda (v závislosti od ročného obdobia) sa nad ňu prevrství. To je dôvod, že stojaca sladká voda vždy zamŕza zhora a hlboká voda nikdy nezamŕza.
Nedostatok anomálie hustoty v oceánoch vedie k trochu odlišnej stratifikácii vodných hmôt. Najchladnejšia voda je klasifikovaná vo vodnom stĺpci na dolnom konci.

Pokiaľ ešte nebol dosiahnutý bod mrazu, hustota morskej vody sa počas procesu ochladzovania neustále zvyšuje a stáva sa ťažšou. To má za následok nestabilné vrstvenie morskej vody a tým konvekčné zmiešanie povrchovej vody. Voda ochladená na povrchu klesá do hlbších oblastí, zatiaľ čo stále teplá povrchová voda stúpa - ochladzuje sa studeným vzduchom a nakoniec klesá tiež.

[1] S. Marshall, The Cryosphere, Princeton University Press, 2012, s. 105
[2] P. Tardent, Meeresbiologie, 3. nezmenené vydanie, Thieme-Verlag, s. 176-177

Rozpustnosť solí v morskej vode závisí od jej teploty a príslušnej koncentrácie iónov. Ak teplota klesne, časť morskej vody zamrzne a zvýši sa slanosť. Túto závislosť zloženia morského ľadu od teploty je možné znázorniť vo fázovom diagrame.
Pre lepšie pochopenie morského ľadu a jeho vlastností je užitočné všeobecné pochopenie fázového diagramu morského ľadu. Zobrazuje sa počet a zloženie rôznych fáz (ľad, soľanka a pevné soli), ktoré existujú v oceáne pri rôznych teplotách a tlakoch. Bez takéhoto fázového diagramu by nebolo možné určiť rôzne fázy a ich relatívny objem vo vzorkách morského ľadu so známou slanosťou a teplotou.
Najprv zvážime jednoduchší fázový diagram pre slanú vodu, ktorá obsahuje iba kuchynskú soľ, v ktorej je NaCl rozpustený v H2O.

Obrázok: Fázový diagram zmesi soli (NACL) a vody (výňatok) [1]

Ak má roztok koncentráciu soli 0 percent, voda je čistá a pri teplote 0 stupňov Celzia zamrzne. Ak do čistej vody vmiešate kuchynskú soľ pri teplote 10 stupňov Celzia, rozpustí sa, až kým sa nedosiahne obsah soli okolo 27 percent (bod 1 na obrázku).

Čo sa stane, keď sa tento 27-percentný soľný roztok ochladí? Tuhá soľ sa pomaly oddeľuje z roztoku a roztok zamŕza pri teplote –21 stupňov Celzia (bod 2 na obrázku). Pri zmrazovaní sa dve pevné látky oddelia, nájdete zmiešané kryštály ľadu a soli.

Niečo podobné sa stane, keď z. B. 10-percentný soľný roztok (bod 3 na obrázku) sa ochladí z 10 stupňov Celzia. Po dosiahnutí teploty –7 ° C (bod 4 na obrázku) sa od roztoku oddelia ľadové kryštály, zatiaľ čo soľ zostávajúca v roztoku sa skoncentruje. Iba pri teplote –21 stupňov Celzia a koncentrácii solí 23,3% m/m (bod 5 na obrázku) zamrzne celý systém s oddeleným ľadom a soľnými kryštálmi.

V strednej oblasti diagramu je iba jedna fáza (tekutý homogénny soľný roztok), v ďalších troch oblastiach sú dve fázy: vpravo tekutý soľný roztok s kryštálmi soli, vľavo tekutý soľný roztok s ľadovými kryštálmi a pod pevnou látkou vyrobenou z ľadu a Kryštály soli.

Takže keď ľad z morskej vody začne zamŕzať, podiel vody v roztoku klesá a bod mrazu sa stále znižuje. Tento proces pokračuje iba dovtedy, kým nie je roztok nasýtený soľou. Najnižšia teplota pre tekutý soľný roztok je -21 stupňov Celzia. Pri tejto teplote začne soľ kryštalizovať z roztoku (ako NaCl * 2 H20) spolu s ľadom. Zmrazený roztok je potom zmesou samostatných kryštálov NaCl * 2 H20 a ľadových kryštálov, to znamená nie je to homogénna zmes soli a vody. Táto forma fázového diagramu slanej vody popisuje tzv. Eutektikum. Fázový diagram je charakterizovaný skutočnosťou, že pre prechod pevná látka-kvapalina existuje kvapalná a dve rôzne pevné fázy.

Pre morský ľad, ktorý sa skladá z veľmi odlišných solí, vyzerá takýto fázový diagram, samozrejme, komplikovanejšie. Uhličitan vápenatý sa vyzráža pri teplote –2,2 stupňa Celzia. Takto to pokračuje aj pri ďalších soliach, keď teploty klesajú. Zrážacie teploty špeciálnych solí roztoku sú -8,2 stupňa Celzia pre síran sodný, -22,9 stupňa Celzia pre chlorid sodný, -36 stupňov Celzia pre KCl a -54 stupňov Celzia pre CaCl.

Samotný fázový diagram neobsahuje žiadne priame informácie o konkrétnom priestorovom usporiadaní jednotlivých fáz v systéme „morského ľadu“, napríklad o mikroštruktúre morského ľadu. V prípade prírodného morského ľadu to závisí od dvoch hlavných faktorov: prostredia, v ktorom ľad rastie, a okrajových podmienok v hraničnej vrstve ľadu a vody, ako aj teploty in situ a chemického zloženia uvažovanej ľadovej vrstvy. Posledná zmienka má veľký význam pre celý rad vlastností morského ľadu, ako sú fyzikálne rozdiely medzi ľadom, soľankou, soľami a plynnými inklúziami.

[1] Zdroj zmenený z: C. Clarke, The science of ice cream, RSC Publishing, 2. vydanie, 2012, s. 29-30