河水、海水结冰的差异

河北省定兴县第三中学（072650） 孟志三

河水、海水结冰的差异

河北省定兴县第三中学（072650） 孟志三

我们都知道，在地球的中高纬度地区，河水和海水都会有不同程度的结冰现象。但是二者结冰的现象却不尽相同。每到初冬时节，当冷空气频繁袭来，河水水温降到0℃以下后，陆地上浅的河水、池塘（或淡水湖）的表面很快就会出现结冰现象。当水温继续下降到一定程度后，江河甚至会普遍封冻。然而此时，广阔的海洋表面可能还会照样潮起潮落，波涛汹涌。随着温度再进一步降低，海水可能才会出现结冰的现象。由此可见，河水结冰比海水结冰要容易的多。一般条件下，河水在0℃时就会结冰。这个温度就是水的冰点。但是海水的冰点却是一个不确定的温度。这是因为，海水结冰不但和气温有关，而且还与海水自身的性质有关。在相同的压力下，海水中盐度越大，海水的冰点就越低；反之，海水中盐度越小，海水的冰点就越高。实际上，不同海区的海水中所含的盐分也是不同的。通常，海水的冰点低于河水，并且随着海水盐度的增加，其冰点还会进一步降低。当表层海水趋向于结冰温度时，密度就会增大，这些大密度的表层海水将会因重力而下沉，引起水的垂直对流。当表层海水开始结冰后，析出盐分会使邻近水层的盐度增大，使邻近的海水的冰点再次下降。因此，海水只有混合均匀，从表层到深层的各深度的水温接近冰点时，海面才会凝固结冰。可见，海水结冰不像河水那样容易。生活中，如果有机会尝尝海水结的冰，就会发现海冰是不咸的。而且，海冰与我们通常所讲的淡水冰，并不完全一样。这是因为海冰在冰组织内的小空隙中藏有一定量的盐水，也就是说，海冰中含有某种程度的盐分。

习惯上，水的冰点也称为凝固点，即液态水和固态冰可以平衡共存时的温度。通常是指水由液体转化为固体时的温度或由固体转化为液体时的温度，即由固到液或由液到固的临界点。河水的冰点在1个标准大气压下为0℃，而海水的冰点却是一个不确定的温度（如前所述，这是因为海水结冰除了与压力有关外，还与海水中盐含量的多少有关系）。河水结冰时，河水表面受冷，密度加大，水温降到4℃时，由于表面水的密度达到最大，便开始下沉，而下层水被迫上升，这样就产生了上、下垂直对流现象。这种对流现象一直持续到上、下层的水温都达到4℃时为止。此后，表面温度继续下降，但表面的冷水不再往下沉，到了冰点就开始结冰。

通常海水结冰分两种情况。实际监测表明，盐度较小的海水（通常是指盐度小于24．7‰的海水），在上、下层海水都冷却到最大密度时的温度以后，只要表面海水再冷却到冰点就可以结冰了。结冰情况与河水基本上相同，所差的是冰点比河水低，结冰会稍难一些；但是盐度较大的海水（通常是指盐度大于24．7‰的海水），结冰情况与河水有很大差异，因为它的最大密度值的温度在冰点以下，海水越冷就会越重，表面海水虽然冷却到了冰点，但此时表面海水密度变大，还要下沉，所以是不能马上结冰的，只有当上、下层海水都冷却到冰点以后，再继续冷却，海面才能结冰。由于世界大洋海水的盐度一般高于24．7‰，而且海洋的深度又都很大，所以海水不容易结冰。而这种海水一旦结冰，表层冰和深层冰的形成几乎是同时开始的，有时深层冰和底层冰甚至比表层冰还要多，也就是说，海水是从上到下一起结冰的。

一般来说，海水结冰的速度越快，海冰中的盐度就越大。就像河水结冰的密度小于河水自身的密度一样，海冰的密度也小于海水，海冰的密度约为0．92克/立方厘米。因此，海冰也会漂浮在海面上。根据阿基米德定律，冰没入海洋中的深度是由它的密度决定的。对于几何形状较为规则的海冰，水上部分约为其总高度的六分之一，例如露出水面的高度为50厘米，则可以大致推出其水下沉没的深度约250厘米。这就是远洋船员们经常把海冰比作隐形杀手的原故，如果不远离那个看起来不大的冰山，就有可能使轮船撞到半隐蔽的巨大冰山，导致船毁人亡的悲剧。

海水结冰时通常需要三个条件，即：①气温比水温低，水中的热量持续散失；②相对于水开始结冰时的温度，已有少量的过冷却现象；③水中有悬浮微粒、雪花等杂质凝结核。海冰初生时，呈针状或薄片状冰晶；进一步冻结后，成为漂浮于海面的冰皮或冰饼；海面布满这种冰后，便向厚度方向延伸，形成覆盖海面的白冰。按运动状态，海洋中的冰大致可分为固定冰和流冰两大类。固定冰是指与海岸、海底或岛屿冻结在一起的海冰，能随海面升降，从海面向外可延伸数米或数百千米。流冰漂浮在海面，随着海面风向和洋流向各处移动。

需要指出的是，世界海水平均盐度在35‰左右，这种盐度下海水的冰点大约在-2℃左右。但实际上海水温度即使降低到-2℃，由于表面海水的密度和下层海水的密度并不均匀，造成海水垂直对流交换，也会妨碍海冰的形成。此外，海水还受洋流、波浪和潮汐等因素的影响，在温度不太低的情况下，海水结冰将变得比较困难。