Почему океаническая вода замерзает при температуре ниже нудя?

Температура замерзания воды напрямую зависит от количества растворенных в ней веществ. В то время как чистая пресная вода замерзает при $0°C$, морская вода требует более низких температур из-за высокой концентрации солей. Физико-химический механизм (Понижение температуры замерзания) В океанической воде растворено большое количество солей, преимущественно хлорида натрия ( $NaCl$). Когда соль растворяется, она распадается на ионы натрия ( $N{a}^{+}$) и хлора ( $C{l}^{-}$). Эти частицы физически мешают молекулам воды сближаться и выстраиваться в упорядоченную кристаллическую решетку льда. Этот процесс описывается следующими факторами:

• Нарушение структуры: Ионы соли притягивают молекулы воды, создавая вокруг себя «гидратные оболочки». Чтобы образовался кристалл льда, воде нужно преодолеть это притяжение и высвободиться, что требует дополнительного отбора тепловой энергии (охлаждения).
• Энтропия: Наличие растворенных частиц увеличивает беспорядок в системе. Замерзание — это процесс упорядочивания, и системе с высокой энтропией (соленой воде) требуется более низкая температура, чтобы этот порядок установился.

Зависимость от солености Средняя соленость Мирового океана составляет примерно 35 промилле (35 грамм соли на 1 кг воды). При таком показателе морская вода начинает замерзать при температуре около $-1,9°C$. Если соленость выше, температура замерзания опускается еще ниже. Эту зависимость можно выразить упрощенной формулой: $T_f\approx -0,054\cdot S$где $T_f$ — температура замерзания в градусах Цельсия, а $S$ — соленость в промилле. Особенности процесса замерзания в океане Процесс превращения океанической воды в лед отличается от замерзания пресного озера:

1. Вытеснение соли (Брине): Когда лед начинает формироваться, кристаллическая решетка «выталкивает» ионы соли, так как они не вписываются в структуру льда. В результате образуется чистый лед с вкраплениями очень концентрированного солевого раствора (рассола).
2. Плотность: В отличие от пресной воды, которая достигает максимальной плотности при $\mathrm{+4}°C$, типичная морская вода становится плотнее вплоть до самой точки замерзания. Это заставляет холодную воду постоянно опускаться вниз, замедляя образование льда на поверхности, так как сначала должен охладиться значительный слой воды.

Сводная таблица сравнения

Я могу рассчитать точную температуру замерзания для конкретного значения солености или объяснить, как соленость влияет на плотность океанических течений.