И все-таки удивился ли кто по-настоящему этому творению природы? Думаю, нет. Утверждать так позволяет поиск, который я провел в Библиотеке имени В. И. Ленина, а также мои беседы с гидрологами и физиками. Откуда берутся странные льдины? Какова природа осеннего ледохода? Никто не объяснил.
В поисках ответа пришлось вспоминать забытые курсы наук, которые читали нам на лекциях в МГУ. Физика, гидрология, гляциология, криология… Давно ж это было. Осенние льдины для меня, географа-экономиста, стали своеобразным хобби. Хобби, которым не похвастаешься, как марками или спичечными коробками, но не менее интересным и увлекательным… Я стал коллекционировать знания: искать и коллекционировать.
Итак, белые льдины, выныривающие со дна… Природа летнего ледохода известна. За зиму сибирская стужа промораживает до дна, два-три метра глубины – морозу нипочем, всю реку скует к весне. Сам видел на БАМе, как бурили лед на реке, он был в три метра толщиной. А подо льдом жила река, глубиной всего-то сантиметров десять – двадцать. Весной эту промерзшую реку зальют талые воды, со склонов окрестных сопок побегут ручьи, а сойдутся они как раз на реке, оставив внизу, под собой, лед. Через месяц-полтора прогреется река, зимний лед, подтаяв, всплывет на поверхность и вскоре растает на долгой дороге в Арктику. Лето все-таки.
А вот природу осеннего ледохода объяснить не просто. Осенью температура на дне реки положительная, этой температуры мало, чтобы вода превратилась в лед… Стоп. А как же белые льдины? Они появляются именно в этих условиях.
Обращаюсь к литературе: «Для образования подводного, или внутриводного, льда необходимо определенное переохлаждение воды, наличие ядра кристаллизации и удаление теплоты агрегатного перехода воды в лед», – прочитал я в университетском учебнике… Признаюсь, ничего из этого объяснения не понял, оно бессмысленно.
…Здесь делаю отступление, чтобы объяснить читателям простую истину, вода – самое распространенное на Земле вещество! – очень слабо изучена. Ее свойства порой приводят ученых в замешательство. Так, если удалить из воды ядра кристаллизации (а ими могут быть любые вкрапления, даже микробы), то она не замерзнет и при температуре в минус двадцать градусов.
На этом ее редкостном свойстве остановлюсь чуть подробнее.
При температуре плюс четыре градуса вода имеет абсолютную плотность, то есть в этот момент она самая тяжелая. Но с дальнейшим понижением температуры плотность ее начинает уменьшаться, вода становится легче, а в стадии льда – совсем легкой, поэтому лед плавает. В реке или озере у дна зимой температура всегда положительная, самая высокая, там скапливается рыба и другая живность, а она знает, где теплая вода в реке! Даже в сильнейший мороз на дне будут сохраняться массы сравнительно теплой воды…
Еще штрих, который тоже нельзя сбросить со счетов в дальнейших рассуждениях, – приблизительность количественных характеристик. «Около четырех градусов…», «почти» – эти слова не делают чести исследователю, но без них не обойтись. Лабораторной чистоты в природе не бывает. Если быть точным, то максимальную плотность воды наблюдают при температуре плюс 3,98 градуса, однако таких условий в реке нет. Почему? Потому что там не дистиллированная вода.
Река это всегда раствор, где-то он одного состава, где-то другого. А если природная вода – раствор, то согласно законам термодинамики неизбежна сдвижка физико-химических характеристик, вернее их количественных значений. Отсюда приблизительность, пусть на сотые, а порой и десятые доли градуса. В том нет ничего страшного, считаем же мы время с точностью до минуты, и устраивает, хотя есть секунды, о которых редко кто говорит, разве что на спортивных соревнованиях.
Однако продолжу свою мысль. Река или озеро, даже если они лежат на мерзлоте, со дна не смогут замерзнуть еще и потому, что по теплоемкости вода не знает себе равных среди других природных веществ. И это еще одна неожиданность в ее свойствах.
Дно согревает сама река! Донный грунт, точнее, поверхность соприкосновения воды и грунта, всегда имеет положительную температуру. Если б было иначе, то северные реки текли по ледяному желобу, чего в природе не наблюдается. Наблюдают другое. Когда озеро или река входят в соприкосновение с подземным льдом на берегу или у дна, лед тает.
Кстати, мало кто знает, что реки и озера на Севере «блуждают». Вечномерзлый грунт разрушается от воздействия тепла водной массы, особенно летом, мерзлые берега подтаивают и осыпаются. На несколько метров за лето может сместиться озеро в тундре. А то и вовсе исчезнуть, если на его пути встретится подземная жила льда. Такие случаи зафиксированы в литературе, этот процесс называется термокарстовым…
А теперь, получив дополнительные сведения о свойствах воды, вернемся к подводному льду.
Продолжаю цитировать учебник: «При возникновении подводного льда замерзающий приземный слой воды может охлаждаться за счет теплопроводности подстилающей горной породы, если она имеет отрицательную температуру…»
После этой фразы у меня возникло подозрение в достоверности предлагаемого текста. Налицо явное нарушение физического закона: якобы более легкая масса воды (то есть нарождающийся лед) должна быть у дна. Как раз нет!.. Неприемлемо и утверждение о теплопроводности горной породы – грунт в точке соприкосновения с речной водой не может иметь отрицательную температуру, тогда, повторяю, реки бы текли по ледяному желобу.
Чтобы хоть как-то объяснить механизм подводного ледообразования, автор учебника откровенно игнорирует законы природы. В частности, говорит о кристаллах льда, которые, по его мнению, опускаются на дно, хотя лед легче воды, из которой он образовался. Вот на порожистой реке – да, такое возможно. Там кристаллики шуги намораживаются на придонных камнях из-за турбулентности потока (на перекатах вода захватывает пузырьки морозного воздуха и охлаждается быстрее). Это так… Ну, а если река спокойная? Или в озере? Там турбулентности нет! Почему же кристаллы льда должны опускаться на дно?
Они и не опускаются, шуга плавает на поверхности. Сам видел.
Прочитанный текст удивил своими натяжками, а надежность «натянутого» объяснения сродни карточному домику: только дунь. И неудивительно, объяснение, как выяснилось, построено на результатах опытов, проведенных в 1938 году, налицо желание понять увиденное с помощью известных тогда теорий и доказательств… К сожалению, и в других литературных источниках даются те же объяснения, основанные на тех же опытах 30-х годов, но в чуть иной трактовке. Вот одно из них:
«Для образования льда в толще речной воды недостаточно определенного ее переохлаждения и энергичного перемешивания, необходимо еще, чтобы поверхность воды была свободна ото льда – через нее тепло будет уходить в атмосферу». Ну, это слишком вольно, все-таки физика наука, требующая уважения. Подобные объяснения природных явлений, по-моему, что игра в шахматы не по правилам: ферзя берут «за фук».
В водоемах переохлаждение воды бывает редко и самое большее на сотую долю градуса, так уж устроена матушка-природа на планете Земля, за этой сотой следует ледообразование, фазовый переход воды из жидкого в кристаллическое состояние. В лаборатории – да, после тщательнейшей подготовки, можно наблюдать переохлажденную воду. В природе – нет!..
Знакомство с зарубежной литературой не принесло удовлетворенности. Зарубежные авторы, правда, корректнее, они не фантазируют, как наши, а придерживаются мнения, что «причины появления подводного льда не выяснены».
Как видим, не все просто с образованием донного льда, который за рубежом называют якорным. «По-видимому, наиболее правдоподобной является теория, по которой якорный лед возникает в результате переохлаждения камней и грунта на дне реки и быстрого излучения ими тепла в ясные холодные ночи (при отсутствии льда на поверхности воды). Охлаждаясь при этом до 0 °С, частицы грунта и камни становятся ядрами кристаллизации льда. За одну ночь на дне реки может нарасти огромное количество якорного льда. Утром, когда начинает светить солнце, благодаря действию его тепла этот лед может оторваться от дна. Лед всплывает на поверхность…»
Чем не устроило меня это объяснение? Кроме уже упомянутых возражений? Осенью солнце на Севере совсем не теплое и мало его, чтобы река, тем более замерзающая, ощутила какое-то воздействие. Лед со дна всплывает и при солнце, и в пасмурную погоду, и даже вечером, когда температура воздуха минус двадцать градусов… Опять неточности?
Кстати, почему кто-то решил, что якорный лед нарастает за одну ночь? Нет. Процесс этот идет несколько дней, его можно наблюдать!.. И я согласился с мнением, природа внутриводного льда все-таки действительно не выяснена.
В поисках разумного объяснения причин осеннего ледохода я перепробовал немало гипотез: и своих, и чужих. Первое, что явилось на ум, подводный лед – это вода, в которой растворено что-то особенное. Однако физика разрушила это скороспелое предположение. Есть законы термодинамики, а они говорят, чем больше солей растворено в воде, тем ниже температура ее замерзания. Поэтому-то морская вода и замерзает только при отрицательной температуре… Физические законы не обойти.
