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 О °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.
Тут могло бы пригодиться еще одно мое «дорожное» наблюдение, но оно пригодилось не сразу, хотя тоже указывало на разгадку тайны подводного льда. Жители высоких широт не потребляют речной лед для приготовления пищи. На Севере принято брать для этого озерный лед или снег… Что же за вода такая намораживается у дна? И почему у дна, а потом всплывает на поверхность? Камни, коряги, лежащие на дне, осенью кажутся белыми от рыхлого осеннего льда. Смотришь на ветку или пень, а они будто под снегом. Под подводным снегом!
«Может быть, вечная мерзлота виной всему», – подумал я.
Нет… Не всюду всплывают осенние льдины, где есть мерзлота. И «подводный снег» не везде на Севере увидишь. Хотя, конечно, влияние мерзлоты сказывается. Не будь ее, не увидел бы осеннего ледохода. На южных реках его нет. Значит, скорее всего, мерзлота влияет на какие-то процессы, которые протекают и в несеверных реках, но протекают там слабо, почти незаметно.
Какие же это процессы? Или процесс?
Пожалуй, все-таки процесс! Фазовый переход. Ледообразование. Мерзлота убыстряет его. Поэтому мы видим осенние льдины на северных реках и не видим их на южных. Строго говоря, на юге «осенний ледоход» тоже есть, но идет он подо льдом и скрыт от взоров наблюдателя, внутриводный лед, как известно, встречается и там. На Неве, например.
Однако ответ на главный вопрос найти не удавалось, пока не предположил, а что если в речной воде находится какая-то другая вода. Та, что превращается в лед именно у дна и больше нигде. Ведь все тяжелые частички в воде стремятся вниз, ко дну, так велят им силы гравитации… Тяжелая вода? А почему бы и нет.
Тяжелая вода – это изотопная разновидность воды. В ней вместо обычного водорода (протия) присутствует его изотоп – дейтерий, а он вдвое тяжелее. Известны десятки изотопных разновидностей воды. Они различаются между собой. Теоретически можно встретить даже сотни «сортов» воды. Но только теоретически. Не все изотопы водорода и кислорода известны науке, тем более некоторые из них недолговечны. Всего у водорода может быть пять изотопов, ныне открыты два – дейтерий и тритий. Оба получаются из протия.
