Procesul de înghețare a portalului de gheață marină a gheții marine

Microstructura internă a gheții marine constă dintr-un amestec complex de gheață de apă dulce, saramură lichidă și incluziuni de gaze, prin care compoziția acestui amestec are o influență decisivă asupra proprietăților fizice ale gheții marine. Cunoașterea microstructurii interne a gheții marine este o condiție prealabilă pentru determinarea exactă a multor metode de măsurare, cum ar fi grosimea gheții marine.

Tipul de înghețare determină în special microstructura gheții marine. Condiția prealabilă pentru formarea gheții este, desigur, ca apa de mare să fie răcită până la cel puțin punctul de îngheț de către aerul rece. Datorită conținutului său ridicat de sare, acesta este de obicei de -1,8 grade Celsius. Procesele de creștere a gheții marine depind apoi foarte mult de vânt și valuri. Indiferent de acest lucru, atunci când apa de mare se solidifică, moleculele de apă deplasează conținutul de sare din structura cristalină rezultată. Saramura concentrată ulterior (apa de mare lichidă rămasă, care este puternic îmbogățită cu ioni de sare) formează cavități și caverne, un sistem complex de canale care trece prin corpul gheții.

Fotografii: M. Nicolaus

Elementul apă (H2O) are unele proprietăți care influențează și caracteristicile gheții marine.
Apa este singura substanță de pe pământ care apare în condițiile climatice date ale pământului nostru în cele trei stări chimice (faze) solide, lichide și gazoase. Această proprietate specială a apei îi permite să apară în toate sferele. Dacă apa își schimbă starea fizică, energia este convertită. În funcție de tranziția de fază, energia este fie legată (topire, evaporare), fie eliberată (condensare, înghețare). Stările de agregare și tranzițiile de fază pot fi prezentate într-o diagramă de stare.

Figura: Dependența stărilor agregate ale apei (diagrama de stare nu la scară) și a proceselor de transformare a acestora

Tabel: Dependența stărilor agregate ale apei (diagrama de stare nu la scară) și a proceselor de transformare a acestora [1]

[1] modificat din: The Open University, volumul „Apa de mare: compoziția, proprietățile și comportamentul său”, 1995, p. 6

În timpul procesului de îngheț și a stării de îngheț, anumite proprietăți ale gheții marine se schimbă. Salinitatea apei de mare are o importanță deosebită, deoarece determină temperatura de îngheț: cu cât apa este mai sărată, cu atât punctul de îngheț este mai mare de la limita de zero grade. Conținutul de sare influențează și densitatea apei.

Salinitatea diferitelor oceane fluctuează puternic și este influențată și de curenții oceanici. Conținutul mediu de sare în oceane este de 34,7 la mie, distribuția în jurul valorii medii fiind relativ mică. 50 la sută din toate oceanele au o salinitate cuprinsă între 34,6 și 34,8 la mie. Conținutul de sare din oceane fluctuează între 32 și 38 la mie. [1] Dacă sunt incluse mările de raft, a căror salinitate poate fi relativ mare sau scăzută, valorile sunt cuprinse între 28 și 40 la mie.

Aceste variații apar deoarece salinitatea poate varia în funcție de evaporare, precipitații și fluxul de apă dulce de pe continente:

În mările marginale și mediteraneene ale latitudinilor temperate ale emisferelor nordice și sudice, salinitatea este mai mică ca urmare a aprovizionării cu apă dulce din râuri și precipitații.

În mările marginale și mediteraneene ale latitudinilor subtropicale, evaporarea predomină asupra aprovizionării și precipitațiilor fluviale, iar salinitatea este uneori mai mare decât în oceanul deschis.

În timp ce Marea Baltică are un conținut maxim de sare de 20 la mie, Marea Moartă poate conține până la 33% sare. În general, însă, salinitatea oceanelor este cu mult sub cea a Mării Moarte. Oceanul Arctic conține aproximativ 32 la mie, Marea Nordului între 3,4 și 35 la mie, Marea Mediterană până la 39 la mie, Golful Persic la 40 la mie și Marea Roșie până la 41 la mie de săruri. Salinitatea Atlanticului variază între 34,5 și 37 la mie.

[1] J. Krauss, Fundamentals of Meteorology and Oceanography, Salzwasserverlag, Paderborn, 2011, p. 172

Datorită sărurilor dizolvate în apa mării, punctul de îngheț este mai mic decât în apa dulce. Temperatura punctului de îngheț al diferitelor corpuri de apă variază între 0 grade Celsius pentru apa dulce și -1,9 grade Celsius pentru apa sărată a raftului din Antarctica. Pentru majoritatea oceanelor cu o salinitate de 34,5 la mie, procesul de înghețare și formare a gheții marine începe la o temperatură de -1,86 grade Celsius. Oceanele polare sunt adesea mai dulci decât apa de mare „medie”, parțial datorită ratelor mai mici de evaporare. Pentru un conținut de sare de 25 până la 30 de părți la mie, apa îngheață la temperaturi de -1.35 grade Celsius sau -1.62 grade Celsius. [1] Aceste niveluri de salinitate sunt caracteristice apei de mare la latitudini joase. Cu toate acestea, dacă temperatura apei scade sub punctul de îngheț corespunzător, începe procesul de cristalizare a apei.

Relația dintre punctul de îngheț și densitatea maximă cu salinitate diferită este de o mare importanță pentru formarea gheții pe mare.

Figura: Dependența punctului de îngheț și a temperaturii cu cea mai mare densitate. Verde = temperatura densității maxime, albastru = scăderea punctului de îngheț

Datorită interacțiunilor dintre săruri și moleculele de apă polară, procesul de cristalizare a apei este prevenit chiar și la temperaturi sub zero grade Celsius. Cu cât apa este mai sărată, cu atât se scufundă punctul de îngheț și este mai mare densitatea acesteia. Depresiunea punctului de îngheț este liniară și depinde de salinitatea apei de mare (linie dreaptă albastră).

Similar punctului de îngheț, temperatura densității maxime se schimbă și liniar, în funcție de salinitatea apei (linia dreaptă verde).

Dar, odată cu creșterea conținutului de sare, temperatura densității maxime scade mult mai mult decât cea a punctului de îngheț. Acest lucru duce la faptul că ambele linii drepte se intersectează la o temperatură de aproximativ -1,3 grade Celsius și un conținut de sare de 25 ‰. Dacă conținutul de sare ar continua să crească, gheața formată la suprafață ar fi mai grea decât masele de apă de dedesubt și ar trebui să se scufunde în adâncuri. Acest lucru ar însemna că mase de gheață se adunau acolo.

Cu toate acestea, întrucât unele dintre sărurile conținute în acestea precipită în timpul procesului de înghețare a apei de mare, ceea ce duce la o reducere a greutății specifice a gheții marine, acest lucru nu se întâmplă. [2]

În plus, datorită conținutului de sare, apa de mare pierde caracteristica specială a anomaliei densității. În timp ce aproape toate lichidele se contractă atunci când îngheață, crescând astfel densitatea lor, apa se extinde atunci când se solidifică. În apa pură, densitatea maximă este de 4 grade Celsius, adică peste temperatura punctului de îngheț, astfel încât apa rece cu temperaturi sub 4 grade Celsius și densități mai mici rămâne la suprafață. Cea mai grea apă rece de 4 grade Celsius se scufundă întotdeauna pe straturile inferioare, mai calde sau mai reci (în funcție de sezon). Acesta este motivul pentru care apa proaspătă în picioare îngheață întotdeauna de sus și apa adâncă nu îngheță niciodată.
Lipsa anomaliei de densitate în oceane duce la o stratificare oarecum diferită a maselor de apă. Cea mai rece apă este clasificată în coloana de apă de la capătul inferior.

Atâta timp cât punctul de îngheț nu a fost încă atins, densitatea apei de mare crește continuu în timpul procesului de răcire și astfel devine mai grea. Acest lucru are ca rezultat o stratificare instabilă a apei de mare și astfel o amestecare convectivă a apei de suprafață. Apa răcită la suprafață se scufundă în regiuni mai adânci, în timp ce apa de suprafață încă caldă crește - pentru a fi răcită de aerul rece și, în final, pentru a se scufunda.

[1] S. Marshall, The Cryosphere, Princeton University Press, 2012, p. 105
[2] P. Tardent, Meeresbiologie, ediția a treia nealterată, Thieme-Verlag, pp. 176-177

Solubilitatea sărurilor în apa de mare depinde de temperatura acesteia și de concentrația ionică respectivă. Dacă temperatura scade, o parte din apa de mare îngheață și salinitatea crește. Această dependență a compoziției gheții marine de temperatură poate fi arătată într-o diagramă de fază.
Pentru a înțelege mai bine gheața de mare și proprietățile sale, este utilă o înțelegere generală a diagramei de fază a gheții de mare. Acolo se arată numărul și compoziția diferitelor faze (gheață, saramură și săruri solide) care există în ocean la diferite temperaturi și presiuni. Fără o astfel de diagramă de fază, nu ar fi posibil să se specifice diferitele faze și volumul relativ al acestora în probele de gheață de mare cu o salinitate și temperatură cunoscute.
Să luăm în considerare mai întâi o diagramă de fază mai simplă pentru apa sărată, care conține doar sare de masă, adică în care NaCl este dizolvat în H2O.

Figura: Diagrama fazelor amestecului de sare (NACL) și apă (extras) [1]

Dacă soluția are o concentrație de sare de zero procente, apa este pură și îngheață la 0 grade Celsius. Dacă amestecați sarea de masă în apa pură la o temperatură de 10 grade Celsius, aceasta se dizolvă până când se atinge un conținut de sare de aproximativ 27% (punctul 1 din figură).

Ce se întâmplă acum când această soluție salină de 27% este răcită? Sarea solidă se separă încet din soluție și soluția îngheață la –21 grade Celsius (punctul 2 din figură). Când înghețați, cele două substanțe solide se separă, veți găsi cristale mixte de gheață și sare.

Ceva similar se întâmplă când z. B. Soluția salină de 10% (punctul 3 din figură) este răcită de la 10 grade Celsius. Când temperatura a atins –7 ° C (punctul 4 din figură), cristalele de gheață se separă de soluție, în timp ce sarea rămasă în soluție este concentrată. Doar la –21 grade Celsius și o concentrație de sare de 23,3% m/m (punctul 5 din figură) întregul sistem îngheață cu cristale separate de gheață și sare.

În zona de mijloc a diagramei există o singură fază (soluție de sare omogenă lichidă), în celelalte trei zone există două faze: în dreapta o soluție de sare lichidă cu cristale de sare, în stânga o soluție de sare lichidă cu cristale de gheață și dedesubt un material solid din gheață și Cristale de sare.

Deci, când gheața din apa de mare începe să înghețe, proporția de apă din soluție scade și punctul de îngheț continuă să scadă. Acest proces continuă numai până când soluția este saturată cu sare. Cea mai scăzută temperatură pentru o soluție salină lichidă este de -21 grade Celsius. La această temperatură, sarea începe să cristalizeze din soluție (sub formă de NaCI * 2 H2O) împreună cu gheața. Soluția înghețată este apoi un amestec de cristale separate de NaCI * 2 H2O și cristale de gheață, adică nu un amestec omogen de sare și apă. Această formă a diagramei de fază a apei sărate descrie așa-numitul eutectic. Diagrama fazelor se caracterizează prin faptul că există un lichid și două faze solide diferite pentru tranziția solid-lichid.

Pentru gheața de mare, care constă din săruri foarte diferite, o astfel de diagramă de fază pare, desigur, mai complicată. Carbonatul de calciu precipită la o temperatură de –2,2 grade Celsius. Acest lucru continuă și pentru alte săruri pe măsură ce temperaturile scad. Temperaturile de precipitații ale sărurilor speciale ale soluției sunt de -8,2 grade Celsius pentru sulfatul de sodiu, -22,9 grade Celsius pentru clorura de sodiu, -36 grade Celsius pentru KCl și -54 grade Celsius pentru CaCl.

O diagramă de fază în sine nu conține nicio informație directă despre dispunerea spațială specifică a fazelor individuale în cadrul sistemului „gheață de mare”, de exemplu despre microstructura gheții de mare. În cazul gheții marine naturale, acest lucru depinde de doi factori principali: mediul în care crește gheața și condițiile limită la stratul limită gheață-apă, precum și temperatura in situ și compoziția chimică a stratului de gheață în cauză. Acesta din urmă are o mare importanță pentru o serie de proprietăți de gheață marină, cum ar fi pentru diferențele fizice dintre gheață, saramură, săruri și incluziuni de gaze.

[1] Sursa modificată din: C. Clarke, Știința înghețatei, editura RSC, ediția a II-a, 2012, pp.29-30