نحوه استفاده کاوشگران قطبی از خواص یخ چرا یخ در آب شناور است؟ چگالی یخ و آب

بلوک‌های یخی قطبی و کوه‌های یخ در اقیانوس حرکت می‌کنند و حتی در نوشیدنی‌ها یخ هرگز به ته نمی‌رود. می توان نتیجه گرفت که یخ در آب فرو نمی رود. چرا؟ اگر در مورد آن فکر کنید، این سوال ممکن است کمی عجیب به نظر برسد، زیرا یخ جامد است و - به طور شهودی - باید سنگین تر از مایع باشد. اگرچه این جمله برای اکثر مواد صادق است، اما آب از این قاعده مستثنی است. آنچه آب و یخ را متمایز می کند پیوندهای هیدروژنی است که باعث می شود یخ در حالت جامد سبک تر از حالت مایع باشد.

سوال علمی: چرا یخ در آب فرو نمی رود؟

بیایید تصور کنیم که در درسی به نام " جهان"در کلاس سوم معلم از بچه ها می پرسد: «چرا یخ در آب فرو نمی رود؟» و بچه ها بدون دانش عمیق فیزیک شروع به استدلال می کنند. "شاید این جادو است؟" - یکی از بچه ها می گوید.

در واقع، یخ بسیار غیر معمول است. عملا هیچ ماده طبیعی دیگری وجود ندارد که در حالت جامد بتواند روی سطح مایع شناور باشد. این یکی از ویژگی‌هایی است که آب را به یک ماده غیرعادی تبدیل می‌کند و صادقانه بگویم، این چیزی است که مسیر تکامل سیاره‌ای را تغییر می‌دهد.

برخی از سیارات وجود دارند که حاوی مقادیر زیادی هیدروکربن های مایع مانند آمونیاک هستند - با این حال، هنگامی که این ماده یخ می زند، به پایین فرو می رود. علت غرق نشدن یخ در آب این است که وقتی آب یخ می زند منبسط می شود و در عین حال از چگالی آن کاسته می شود. جالب توجه است، گسترش یخ می تواند سنگ ها را بشکند - فرآیند یخبندان آب بسیار غیر معمول است.

صحبت كردن زبان علمی، در طول فرآیند انجماد، چرخه های هوازدگی سریع و معین مواد شیمیایی، آزاد شده در سطح قادر به حل کردن مواد معدنی هستند. به طور کلی، انجماد آب با فرآیندها و احتمالات زیر همراه است: مشخصات فیزیکیهیچ مایع دیگری پیشنهاد نمی شود.

چگالی یخ و آب

بنابراین، پاسخ به این سوال که چرا یخ در آب فرو نمی‌رود بلکه روی سطح شناور می‌شود این است که چگالی کمتری نسبت به مایع دارد - اما این یک پاسخ سطح اول است. برای درک بهتر، باید بدانید چرا یخ چگالی کم دارد، چرا چیزها در وهله اول شناور می شوند و چگالی چگونه باعث شناور شدن می شود.

بیایید ارشمیدس نابغه یونانی را به یاد بیاوریم که متوجه شد پس از فرو بردن یک جسم خاص در آب، حجم آب به اندازه حجم جسم غوطه ور شده افزایش می یابد. به عبارت دیگر، اگر یک ظرف عمیق را روی سطح آب قرار دهید و سپس یک جسم سنگین را در آن قرار دهید، حجم آبی که در ظرف می ریزد دقیقاً برابر با حجم جسم خواهد بود. فرقی نمی کند که جسم به طور کامل یا جزئی غوطه ور باشد.

خواص آب

آب هست ماده شگفت انگیزکه عمدتاً زندگی روی زمین را تغذیه می کند، زیرا هر موجود زنده ای به آن نیاز دارد. یکی از مهمترین خواص آب این است که در دمای 4 درجه سانتیگراد در بالاترین چگالی خود قرار دارد. بنابراین، آب گرم یا یخ چگالی کمتری نسبت به آب سرد دارد. مواد با چگالی کمتر بر روی مواد چگال تر شناور می شوند.

به عنوان مثال، هنگام تهیه یک سالاد، ممکن است متوجه شوید که روغن روی سطح سرکه است - این را می توان با این واقعیت توضیح داد که چگالی کمتری دارد. همین قانون برای توضیح اینکه چرا یخ در آب فرو نمی رود، بلکه در بنزین و نفت سفید فرو می رود نیز معتبر است. فقط این دو ماده چگالی کمتری نسبت به یخ دارند. بنابراین، اگر یک توپ بادی را داخل استخر بیندازید، روی سطح شناور می شود، اما اگر یک سنگ را در آب بیندازید، به ته می رود.

وقتی آب یخ می زند چه تغییراتی در آن اتفاق می افتد؟

دلیل غرق نشدن یخ در آب به دلیل پیوندهای هیدروژنی است که با یخ زدن آب تغییر می کند. همانطور که می دانید آب از یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن تشکیل شده است. متصل هستند پیوندهای کووالانسی، که فوق العاده قوی هستند. با این حال، نوع دیگری از پیوند که بین مولکول های مختلف تشکیل می شود، به نام پیوند هیدروژنی، ضعیف تر است. این پیوندها به این دلیل تشکیل می شوند که اتم های هیدروژن با بار مثبت به اتم های اکسیژن با بار منفی مولکول های آب مجاور جذب می شوند.

وقتی آب گرم است، مولکول‌ها بسیار فعال هستند، زیاد حرکت می‌کنند و به سرعت با دیگر مولکول‌های آب پیوند ایجاد می‌کنند و می‌شکنند. آنها انرژی لازم برای نزدیک شدن به یکدیگر و حرکت سریع را دارند. پس چرا یخ در آب فرو نمی رود؟ شیمی پاسخ را پنهان می کند.

فیزیک و شیمی یخ

با کاهش دمای آب به زیر 4 درجه سانتی گراد، انرژی جنبشی مایع کاهش می یابد، بنابراین مولکول ها دیگر حرکت نمی کنند. آنها انرژی لازم برای حرکت و شکستن و تشکیل پیوندها را به راحتی در دماهای بالا ندارند. در عوض، پیوندهای هیدروژنی بیشتری با مولکول های آب دیگر تشکیل می دهند تا ساختارهای شبکه ای شش ضلعی را تشکیل دهند.

آنها این ساختارها را برای دور نگه داشتن مولکول های اکسیژن با بار منفی از یکدیگر تشکیل می دهند. در وسط شش ضلعی هایی که در نتیجه فعالیت مولکول ها به وجود آمده اند، جای خالی زیادی وجود دارد.

غرق شدن یخ در آب - دلایل

یخ در واقع 9 درصد کمتر از آن چگالی دارد آب مایع. بنابراین، یخ فضای بیشتری را نسبت به آب اشغال می کند. عملاً این منطقی است زیرا یخ منبسط می شود. به همین دلیل است که منجمد کردن یک بطری شیشه ای آب توصیه نمی شود - آب یخ زده می تواند ترک های بزرگی را حتی در بتن ایجاد کند. اگر یک بطری لیتری یخ و یک بطری لیتری آب دارید، بطری آب یخ سبک تر خواهد بود. مولکول ها در این نقطه بیشتر از زمانی که ماده در حالت مایع است از هم فاصله دارند. به همین دلیل است که یخ در آب فرو نمی‌رود.

با ذوب شدن یخ، ساختار کریستالی پایدار شکسته شده و متراکم تر می شود. هنگامی که آب تا 4 درجه سانتیگراد گرم می شود، انرژی می گیرد و مولکول ها سریعتر و بیشتر حرکت می کنند. به همین دلیل است که آب گرم فضای بیشتری نسبت به آب سرد می گیرد و روی آب سرد شناور می شود - چگالی کمتری دارد. به یاد داشته باشید، زمانی که در دریاچه هستید، هنگام شنا، لایه بالایی آب همیشه دلپذیر و گرم است، اما وقتی پاهای خود را عمیق تر می کنید، سردی لایه پایینی را احساس می کنید.

اهمیت فرآیند در عملکرد سیاره

با وجود این واقعیت که سوال "چرا یخ در آب فرو نمی رود؟" برای درجه 3، بسیار مهم است که بفهمیم چرا این فرآیند رخ می دهد و چه معنایی برای سیاره دارد. بنابراین، شناوری یخ پیامدهای مهمی برای حیات روی زمین دارد. در زمستان در مکان های سرد - این به ماهی ها و سایر حیوانات آبزی اجازه می دهد تا زیر پتوی یخ زنده بمانند. اگر کف دریاچه یخ زده بود، احتمال زیادی وجود دارد که کل دریاچه یخ زده باشد.

در چنین شرایطی، حتی یک موجود زنده زنده نمی ماند.

اگر چگالی یخ بیشتر از چگالی آب بود، یخ در اقیانوس‌ها غرق می‌شد و کلاهک‌های یخی که در این حالت در پایین قرار می‌گرفتند، اجازه نمی‌دادند کسی در آنجا زندگی کند. ته اقیانوس پر از یخ خواهد بود - و همه آن به چه چیزی تبدیل می شود؟ در میان چیزهای دیگر، یخ قطبی مهم است زیرا نور را منعکس می کند و سیاره زمین را از گرم شدن بیش از حد محافظت می کند.

همه می دانند که یخ آب یخ زده است، یا بهتر است بگوییم، در حالت جامد از تجمع است. ولی چرا یخ در آب فرو نمی‌رود، بلکه روی سطح آن شناور است؟

آب یک ماده غیرعادی با خواص نادر و حتی غیرعادی است. در طبیعت، بیشتر مواد با گرم شدن منبسط می شوند و وقتی سرد می شوند منقبض می شوند. به عنوان مثال، جیوه در یک دماسنج از طریق یک لوله باریک بالا می رود و افزایش دما را نشان می دهد. از آنجایی که جیوه در 39- درجه سانتیگراد یخ می زند، برای دماسنج هایی که در محیط های با دمای خشن استفاده می شوند، مناسب نیست.

آب نیز هنگام گرم شدن منبسط می شود و در هنگام سرد شدن منقبض می شود. با این حال، در محدوده خنک کننده از حدود +4 درجه سانتیگراد تا 0 درجه سانتیگراد منبسط می شود. به همین دلیل است که اگر لوله‌های آب در زمستان یخ زده و توده‌های بزرگ یخ تشکیل شده باشد، می‌توانند ترکیده شوند. فشار یخ روی دیواره های لوله به اندازه ای است که باعث ترکیدن آنها شود.

انبساط آب

از آنجایی که آب هنگام سرد شدن منبسط می شود، چگالی یخ (یعنی شکل جامد آن) کمتر از چگالی آب مایع است. به عبارت دیگر، حجم معینی از یخ کمتر از همان حجم آب وزن دارد. این با فرمول m = ρV منعکس می شود، که در آن V حجم جسم، m جرم جسم، ρ چگالی ماده است. یک رابطه معکوس بین چگالی و حجم وجود دارد (V = m/ρ)، یعنی با افزایش حجم (با سرد شدن آب)، همان جرم چگالی کمتری خواهد داشت. این خاصیت آب منجر به تشکیل یخ در سطح مخازن - حوضچه ها و دریاچه ها می شود.

فرض کنید چگالی آب 1 است. سپس چگالی یخ 0.91 خواهد بود. با تشکر از این شکل، ما می توانیم ضخامت شناور یخی که روی آب شناور است را دریابیم. به عنوان مثال، اگر یک دسته یخ دارای ارتفاع بالای آب 2 سانتی متر باشد، می توان نتیجه گرفت که لایه زیر آب آن 9 برابر ضخیم تر است (یعنی 18 سانتی متر) و ضخامت کل یخ 20 سانتی متر است.

در منطقه شمال و قطب جنوبروی زمین، آب یخ می زند و کوه های یخ را تشکیل می دهد. برخی از این کوه های یخی شناور بسیار بزرگ هستند. بزرگترین از برای انسان شناخته شده استکوه یخی با مساحت 31000 متر مربع در نظر گرفته شده است. کیلومتر که در سال 1956 در اقیانوس آرام کشف شد.

آب چگونه است حالت جامدحجم آن را افزایش می دهد؟ با تغییر ساختار آن. دانشمندان ثابت کرده اند که یخ دارای ساختار باز با حفره ها و حفره هایی است که وقتی ذوب می شوند با مولکول های آب پر می شوند.

تجربه نشان می دهد که نقطه انجماد آب با افزایش فشار تقریباً یک درجه به ازای هر 130 اتمسفر کاهش می یابد.

مشخص است که در اقیانوس ها در اعماق زیاد دمای آب زیر 0 ºС است و در عین حال یخ نمی زند. این با فشار ایجاد شده توسط لایه های بالایی آب توضیح داده می شود. لایه ای از آب به ضخامت یک کیلومتر با نیرویی در حدود 100 اتمسفر پرس می کند.

مقایسه چگالی آب و یخ

آیا چگالی آب می تواند کمتر از چگالی یخ باشد و آیا این بدان معناست که در آن غرق می شود؟ جواب دادن به این سوالمثبت است که با آزمایش زیر به راحتی قابل اثبات است.

از فریزر که دمای آن 5- درجه سانتیگراد است، یک تکه یخ به اندازه یک سوم لیوان یا کمی بیشتر می گیریم. بیایید آن را در یک سطل آب با دمای +20 ºС قرار دهیم. ما چه چیزی را مشاهده می کنیم؟ یخ به سرعت فرو می رود و فرو می رود و به تدریج شروع به ذوب شدن می کند. این اتفاق می افتد زیرا آب در دمای +20 º C در مقایسه با یخ در دمای -5 º C چگالی کمتری دارد.

تغییراتی در یخ (در دما و فشار بالا) وجود دارد که به دلیل چگالی بیشتر، در آب فرو می‌روند. ما در مورد یخ به اصطلاح "سنگین" - دوتریوم و تریتیوم (اشباع شده با هیدروژن سنگین و فوق سنگین) صحبت می کنیم. علیرغم وجود همان حفره های موجود در یخ پروتیوم، در آب فرو می رود. برخلاف یخ «سنگین»، یخ پروتیوم فاقد ایزوتوپ‌های هیدروژن سنگین است و 16 میلی‌گرم کلسیم در هر لیتر مایع دارد. فرآیند تهیه آن شامل تصفیه از ناخالصی های مضر به میزان 80٪ است که به همین دلیل آب پروتیوم بهینه ترین برای زندگی انسان در نظر گرفته می شود.

معنی در طبیعت

شناور بودن یخ بر روی سطح آب نقش مهمی در طبیعت دارد. اگر آب این خاصیت را نداشت و یخ به ته می رفت، این امر منجر به یخ زدن کل مخزن و در نتیجه مرگ موجودات زنده ساکن در آن می شد.

هنگامی که هوای سرد رخ می دهد، ابتدا در دمای بالاتر از +4 ºС، آب سردتر از سطح مخزن فرو می رود و آب گرم (سبک تر) بالا می رود. به این فرآیند گردش عمودی (اختلاط) آب می گویند. هنگامی که در کل مخزن به +4 ºС می رسد، این فرآیند متوقف می شود، زیرا از سطح آب در حال حاضر در +3 ºС سبک تر از آنچه در زیر است می شود. آب منبسط می شود (حجم آن تقریباً 10٪ افزایش می یابد و چگالی آن کاهش می یابد. در نتیجه این واقعیت که لایه سردتر در بالا قرار دارد، آب روی سطح یخ می زند و پوشش یخی ظاهر می شود. یخ به دلیل ساختار کریستالی خود، هدایت حرارتی ضعیفی دارد، به این معنی که گرما را حفظ می کند. لایه یخ به عنوان نوعی عایق حرارتی عمل می کند. و آب زیر یخ گرمای خود را حفظ می کند. به لطف خواص عایق حرارتی یخ، انتقال "سرما" به لایه های پایینی آب به شدت کاهش می یابد. بنابراین، حداقل یک لایه نازک از آب تقریبا همیشه در انتهای یک مخزن باقی می ماند که برای زندگی ساکنان آن بسیار مهم است.

بنابراین، +4 ºС - دمای حداکثر چگالی آب - دمای بقای موجودات زنده در یک مخزن است.

در زندگی روزمره استفاده کنید

در بالا به احتمال ترکیدن لوله های آب در هنگام یخ زدن آب اشاره شد. برای جلوگیری از آسیب به سیستم آبرسانی در دماهای پایین، نباید هیچ وقفه ای در تامین آب گرمی که از طریق لوله های گرمایش جریان می یابد وجود داشته باشد. اگر در هوای سرد آب در رادیاتور باقی بماند، یک وسیله نقلیه در معرض خطر مشابهی قرار می گیرد.

حال بیایید در مورد جنبه دلپذیر خواص بی نظیر آب صحبت کنیم. اسکیت روی یخ برای کودکان و بزرگسالان بسیار سرگرم کننده است. آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا یخ اینقدر لیز است؟ به عنوان مثال، شیشه نیز لغزنده است و همچنین صاف تر و جذاب تر از یخ است. اما اسکیت روی آن سر نمی خورد. فقط یخ چنین خاصیت لذت بخش خاصی دارد.

واقعیت این است که تحت وزن وزن ما به تیغه نازک اسکیت فشار وارد می شود که به نوبه خود باعث فشار روی یخ و آب شدن آن می شود. در این حالت یک لایه نازک از آب تشکیل می شود که تیغه فولادی اسکیت روی آن می لغزد.

تفاوت انجماد موم و آب

آزمایشات نشان می دهد که سطح یک مکعب یخ برآمدگی خاصی را تشکیل می دهد. این به دلیل این واقعیت است که انجماد در وسط آخرین اتفاق می افتد. و در طول انتقال به حالت جامد گسترش می یابد، این برآمدگی حتی بیشتر می شود. این را می توان با سخت شدن موم، که برعکس، یک فرورفتگی ایجاد می کند، خنثی کرد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که موم پس از تبدیل شدن به حالت جامد منقبض می شود. مایعاتی که در هنگام یخ زدن به طور یکنواخت منقبض می شوند، سطحی تا حدودی مقعر تشکیل می دهند.

برای انجماد آب، سرد کردن آن تا نقطه انجماد 0 درجه سانتیگراد کافی نیست.

آب مخلوط با نمک

افزودن نمک خوراکی به آب نقطه انجماد آن را کاهش می دهد. به همین دلیل است که در زمستان به جاده ها نمک پاشیده می شود. آب شوردر دمای 8- درجه سانتیگراد و کمتر یخ می زند، بنابراین تا زمانی که دما حداقل به این نقطه کاهش نیابد، یخ زدن رخ نمی دهد.

مخلوط یخ و نمک گاهی اوقات به عنوان یک "مخلوط خنک کننده" برای آزمایش های دمای پایین استفاده می شود. هنگامی که یخ ذوب می شود، گرمای نهان مورد نیاز برای تبدیل را از محیط اطراف خود جذب می کند و در نتیجه آن را خنک می کند. این کار آنقدر گرما را جذب می کند که دما می تواند به کمتر از -15 درجه سانتیگراد برسد.

حلال جهانی

آب خالص (فرمول مولکولی H 2 0) رنگ، طعم و بو ندارد. مولکول آب از هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. وقتی مواد دیگری (محلول و نامحلول در آب) وارد آب می شود، آلوده می شود و به همین دلیل است که آب مطلقاً خالص در طبیعت وجود ندارد. تمام موادی که در طبیعت وجود دارند می توانند به درجات مختلف در آب حل شوند. توسط آنها تعیین می شود خواص منحصر به فرد- حلالیت در آب بنابراین، آب یک "حلال جهانی" در نظر گرفته می شود.

ضامن دمای پایدار هوا

آب به دلیل ظرفیت گرمایی بالا به آرامی گرم می شود، اما با این وجود، فرآیند خنک سازی بسیار کندتر اتفاق می افتد. این امکان را فراهم می کند زمان تابستانسال ها برای انباشت گرما در اقیانوس ها و دریاها. انتشار گرما در زمستان اتفاق می افتد، به همین دلیل در طول سال تغییر شدیدی در دمای هوا در قلمرو سیاره ما وجود ندارد. اقیانوس ها و دریاها منبع اصلی و طبیعی گرمای روی زمین هستند.

کشش سطحی

نتیجه

این واقعیت که یخ غرق نمی شود، اما روی سطح شناور می شود، با چگالی کمتر آن در مقایسه با آب توضیح داده می شود (چگالی ویژه آب 1000 کیلوگرم بر متر مکعب، یخ - حدود 917 کیلوگرم در متر مکعب). این تز نه تنها برای یخ، بلکه برای هر جسم فیزیکی دیگری نیز صادق است. به عنوان مثال، چگالی یک قایق کاغذی یا یک برگ پاییزی بسیار کمتر از چگالی آب است که شناور بودن آنها را تضمین می کند.

با این حال، خاصیت آب برای داشتن چگالی کمتر در حالت جامد در طبیعت بسیار نادر است، به استثنای قانون کلی. فقط فلز و چدن (آلیاژی از آهن فلزی و کربن غیرفلزی) خواص مشابهی دارند.

- کوچکترین اقیانوس روی زمین از نظر مساحت، واقع بین اوراسیا و آمریکای شمالی. مساحت 14.75 میلیون متر مربع. کیلومتر، عمق متوسط ​​1225 متر، بیشترین عمق 5527 متر در دریای گرینلند. حجم آب 18.07 میلیون کیلومتر مربع است.

این اقیانوس با آب و هوای خشن، فراوانی یخ و اعماق نسبتا کم متمایز است. زندگی در آنجا کاملاً به تبادل آب و گرما با اقیانوس های همسایه بستگی دارد.

اقیانوس منجمد شمالی کوچکترین اقیانوس زمین است. کم عمق ترین است. اقیانوس در مرکز قطب شمال قرار دارد که تمام فضای اطراف را اشغال می کند قطب شمالاز جمله اقیانوس، بخش های مجاور قاره ها، جزایر و مجمع الجزایر.

بخش قابل توجهی از پهنه اقیانوس را دریاها تشکیل می دهند که بیشتر آنها حاشیه ای و تنها یکی داخلی است. جزایر زیادی در اقیانوس وجود دارد که در نزدیکی قاره ها قرار دارند.

تاریخچه اکتشاف اقیانوس. اکتشاف اقیانوس منجمد شمالی، داستان موفقیت های قهرمانانه نسل های بسیاری از ملوانان، مسافران و دانشمندان از تعدادی از کشورها است. در زمان های قدیم، مردم روسیه - پومورها - با قایق ها و قایق های چوبی شکننده سفر می کردند. آنها زمستان را در گرومانت (اسپیتسبرگن) گذراندند و به سمت دهانه اوب رفتند. آنها ماهیگیری می کردند، حیوانات دریایی را شکار می کردند و شرایط کشتیرانی در آب های قطبی را به خوبی می دانستند.

انگلیسی ها و هلندی ها با استفاده از اطلاعات سفرهای روسیه سعی کردند کوتاه ترین مسیرها را از اروپا به کشورهای شرق (چین و هند) بیابند. در نتیجه سفر ویلم بارنتس در پایان قرن شانزدهم. نقشه ای از بخش غربی اقیانوس تهیه شد.

مطالعه سیستماتیک سواحل اقیانوس با اکسپدیشن بزرگ شمالی (1733-1743) آغاز شد. شرکت کنندگان در آن یک شاهکار علمی به دست آوردند - آنها راه رفتند و ساحل را از دهانه Pechora تا تنگه برینگ ترسیم کردند.

اولین اطلاعات در مورد ماهیت مناطق دور قطبی اقیانوس جمع آوری شد اواخر نوزدهم V. در طول رانش فرام نانسن و سفر به قطب در آغاز قرن بیستم. G. Sedova در اسکله «St. فوکا."

امکان عبور از اقیانوس در یک ناوبری در سال 1932 توسط اکسپدیشن یخ شکن Sibiryakov ثابت شد. شرکت کنندگان این اکسپدیشن به رهبری او.

کشور ما روش های جدیدی برای مطالعه این اقیانوس ابداع کرده است. در سال 1937، اولین ایستگاه قطبی "قطب شمال" (SP-1) بر روی یک شناور یخ در حال حرکت تاسیس شد. چهار کاوشگر قطبی به رهبری I.D. Papanin یک رانش قهرمانانه روی یک شناور یخی از قطب شمال به دریای گرینلند انجام دادند.

برای مطالعه اقیانوس، آنها اکنون از هواپیماهایی استفاده می کنند که بر روی شناورهای یخی فرود می آیند و یک بار مشاهدات انجام می دهند. تصاویر از فضا اطلاعاتی در مورد تغییرات در وضعیت جو بر روی اقیانوس و حرکت یخ ارائه می دهند.

در نتیجه همه این مطالعات، مقدار زیادی از مواد در مورد ماهیت اقیانوس منجمد شمالی جمع آوری شده است: در مورد آب و هوا، جهان ارگانیک. ساختار توپوگرافی پایین مشخص شد، جریان های پایین مورد مطالعه قرار گرفتند.

بسیاری از اسرار طبیعت اقیانوس منجمد شمالی در حال حاضر شناخته شده است، اما هنوز چیزهای زیادی باید توسط نسل های آینده، از جمله، شاید، برخی از شما، کشف شود.

توپوگرافی پایین ساختار پیچیده ای دارد. بخش مرکزی اقیانوس توسط رشته کوه ها و گسل های عمیق عبور می کند. بین پشته ها فرورفتگی ها و حوضه های اعماق دریا وجود دارد. یکی از ویژگی های بارز اقیانوس قفسه بزرگ است که بیش از یک سوم از سطح اقیانوس را تشکیل می دهد.

ویژگی های آب و هوایی با موقعیت قطبی اقیانوس تعیین می شود. توده های هوای قطب شمال بر آن غالب است. مه در تابستان زیاد است. توده های هوای قطب شمال بسیار گرمتر از توده های هوایی تشکیل شده بر فراز قطب جنوب هستند. دلیل این امر ذخیره گرمایی در آبهای اقیانوس منجمد شمالی است که دائماً توسط گرمای آبهای اقیانوس اطلس و تا حدی اقیانوس آرام دوباره پر می شود. بنابراین، به اندازه کافی عجیب، اقیانوس منجمد شمالی خنک نمی شود، اما به طور قابل توجهی مناطق زمینی وسیع نیمکره شمالی را گرم می کند، به ویژه در ماه های زمستان.

تحت تأثیر بادهای غربی و جنوب غربی از اقیانوس اطلس شمالی، جریان قدرتمندی از آب های گرم جریان اقیانوس اطلس شمالی وارد اقیانوس منجمد شمالی می شود. در امتداد سواحل اوراسیا، آب ها از غرب به شرق حرکت می کنند. در سراسر اقیانوس از تنگه برینگ تا گرینلند، آب در جهت مخالف حرکت می کند - از شرق به غرب.

بیشترین ویژگی مشخصهماهیت این اقیانوس وجود یخ است. تشکیل آنها با دمای پایین و شوری نسبتاً کم توده‌های آب سطحی مرتبط است که توسط مقدار زیادی آب رودخانه‌ای که از قاره‌ها جاری می‌شود، نمک زدایی می‌شوند.

انتقال یخ به اقیانوس های دیگر دشوار است. بنابراین، یخ چند ساله با ضخامت 2-4 متر یا بیشتر در اینجا غالب است. بادها و جریان ها باعث حرکت و فشرده شدن یخ و تشکیل هُموک می شوند.

بخش عمده ای از موجودات موجود در اقیانوس ها جلبک ها هستند که می توانند در آب سرد و حتی روی یخ زندگی کنند. دنیای ارگانیکفقط در منطقه اقیانوس اطلس و در قفسه نزدیک دهانه رودخانه ها غنی است. پلانکتون در اینجا تشکیل می شود، جلبک ها در کف رشد می کنند و ماهی ها (کاد، ناواگا، هالیبوت) زندگی می کنند. نهنگ ها، فوک ها و شیر دریایی ها در اقیانوس زندگی می کنند. قطب شمال محل سکونت خرس های قطبی و پرندگان دریایی است که سبک زندگی استعماری دارند و در سواحل زندگی می کنند. کل جمعیت "مستعمرات پرندگان" غول پیکر در اقیانوس تغذیه می کنند.

دو منطقه طبیعی در اقیانوس منجمد شمالی وجود دارد. مرز کمربند قطبی (منطقه قطبی) در جنوب تقریباً با لبه فلات قاره منطبق است. این عمیق ترین و خشن ترین قسمت اقیانوس با یخ در حال حرکت پوشیده شده است. در تابستان، یخ ها با لایه ای از آب مذاب پوشیده می شوند. این کمربند برای موجودات زنده نامناسب است.

بخشی از اقیانوس مجاور خشکی متعلق به کمربند زیر قطبی (زیربارکتیک) است. اینها عمدتاً دریاهای اقیانوس منجمد شمالی هستند. طبیعت اینجا چندان خشن نیست. در تابستان، آب ساحل عاری از یخ است و به شدت توسط رودخانه ها نمک زدایی می شود. آب های گرم اقیانوس اطلس که در اینجا نفوذ می کند شرایطی را برای توسعه پلانکتون ایجاد می کند که ماهی ها از آن تغذیه می کنند.

انواع فعالیت های اقتصادی در اقیانوس. اقیانوس منجمد شمالی برای کشورهایی که سواحل آنها توسط آب های آن شسته می شود از اهمیت استثنایی برخوردار است. طبیعت خشن اقیانوس جستجو برای مواد معدنی را دشوار می کند. اما ذخایر نفت و گاز طبیعی قبلاً در قفسه دریاهای کارا و بارنتز در سواحل آلاسکا و کانادا اکتشاف شده است.

ثروت بیولوژیکی اقیانوس اندک است. در منطقه اقیانوس اطلس ماهی می گیرند و جلبک دریایی می گیرند و فوک ها را شکار می کنند. تولید نهنگ در اقیانوس به شدت محدود است.

راه های زیادی برای کشف قطب شمال وجود دارد. مجتمع های علمی خودکار - ایستگاه های هواشناسی و اقیانوس شناسی، شناورهای تعادل جرم، که در یخ منجمد می شوند و امکان تعیین افزایش یا تغییر جرم پوشش یخ را فراهم می کنند (به هر حال، چنین شناور روی SP-37 کار می کند) - جمع آوری داده ها را بسیار تسهیل می کند، اما محدودیت های خود را دارد. البته، وسوسه انگیز است که در دفتر بنشینید در حالی که داده ها از طریق ارتباطات ماهواره ای از یک سیستم، به عنوان مثال، ایستگاه های هیدرولوژیکی خودکار - پهلوگیری یا شناورهای شناور می رسند. اما در یک سال، بیش از 50٪ از چنین شناورهای (بسیار گران قیمت) معمولاً از بین می روند - در این منطقه، شرایط کار حتی برای تجهیزاتی که مخصوص این کار طراحی شده اند به دلیل پویایی میدان های یخ (همه زدن، فشرده سازی) بسیار دشوار است.

راه دیگر برای به دست آوردن اطلاعات علمی از طریق سنجش از دور زمین است. ماهواره های علمی (متاسفانه نه روسیه) امکان به دست آوردن اطلاعات در مورد شرایط یخ را در محدوده مرئی، فروسرخ، رادار و مایکروویو فراهم می کنند. این داده ها عمدتاً برای اهداف کاربردی استفاده می شود: برای هدایت کشتی ها، برای جستجوی شناورهای یخ مناسب برای ایستگاه های رانش. در خود ایستگاه های رانش، آنها در کار کمک می کنند - به عنوان مثال، در SP-36 از آنها برای تعیین محل مناسب برای ساخت باند استفاده شد. با این حال، اطلاعات ماهواره باید با مقایسه آن با مشاهدات واقعی تأیید شود - ضخامت یخ به طور مستقیم اندازه گیری شده، سن آن (هنوز امکان اندازه گیری مستقیم این داده ها از یک ماهواره وجود ندارد).

ایستگاه های علمی (که قبلاً مسکونی شده اند) را می توان با انجماد کشتی ها در یخ نیز قرار داد (این روش توسط Fridtjof Nansen آزمایش شد). گاه به گاه، چنین پروژه هایی انجام می شود، نمونه هایی از قایق بادبانی فرانسوی تارا یا پروژه آمریکایی-کانادایی SHEBA که شامل یک کشتی در حال حرکت در دریای بوفورت است. پروژه مشابهی برای یخ شکن هسته ای آرکتیکا در نظر گرفته شد اما در نهایت به دلایل مختلف رها شد. با این حال، کشتی های یخ زده تنها پایگاه خوبی برای زندگی پرسنل علمی و تامین انرژی برای مجموعه علمی است. برای جمع‌آوری داده‌های علمی، مردم همچنان باید به سمت یخ بروند تا تأثیرات خارجی را حذف کنند. علاوه بر این، انجماد کشتی ها گران است (و حواس کشتی ها را از کار اصلی خود منحرف می کند).


ولادیمیر چورون می گوید: «به نظر من، یخ رانش یک سکوی باربر طبیعی است که هم برای میزبانی یک مجتمع علمی و هم برای زندگی مردم در آن بهینه ترین بستر است. "این به شما امکان می دهد برای مدت طولانی حرکت کنید و داده های علمی خالص را بدون هیچ گونه تأثیر خارجی به دست آورید. البته افراد روی یخ از مقداری آسایش محروم هستند، اما به نام علم باید این را تحمل کنیم. البته به دست آوردن داده های علمی باید به صورت جامع و با استفاده از تمام ابزارهای موجود - ایستگاه های رانش، اکتشافات هوایی، رصد ماهواره ای، شناورهای خودکار و شناورهای اعزامی علمی انجام شود.

ولادیمیر چورون به Popular Mechanics توضیح می دهد: «برنامه علمی SP-36 بسیار گسترده و موفق بود. این شامل مشاهدات هواشناسی، هواشناسی و هیدرولوژیکی و همچنین مطالعاتی در مورد خواص پوشش یخ و برف بود. اما تحقیقات مربوط به یونوسفر و میدان مغناطیسیزمین‌هایی که در زمان شوروی در ایستگاه‌های رانش مورد توجه قرار می‌گرفتند، اکنون به ایستگاه‌های قطبی ثابت در سرزمین اصلی و جزایر منتقل شده‌اند.

هوا

آغاز کار ایستگاه با لحظه رسمی برافراشتن پرچم روسیه بر فراز اتاق مشخص نمی شود. به طور رسمی، ایستگاه رانش کار خود را از لحظه ارسال اولین گزارش هواشناسی به AARI و از آنجا به شبکه جهانی هواشناسی آغاز می کند. همانطور که می دانیم، "منطقه قطبی آشپزخانه آب و هوا است"، این داده ها اطلاعات بسیار ارزشمندی را در اختیار هواشناسان قرار می دهد. مطالعه باریک (فشار، سرعت و جهت باد در ارتفاعات مختلف) و پروفایل های دمای جو با استفاده از کاوشگرها تا ارتفاع 30 کیلومتری نه تنها برای پیش بینی آب و هوا استفاده می شود - این داده ها بعداً می توانند برای اهداف علمی اساسی استفاده شوند، مانند به عنوان مدل های اصلاح کننده فیزیک جو، و برای موارد کاربردی - به عنوان مثال، پشتیبانی از پروازهای هواپیما. هواشناسان و هواشناسان مسئول همه این داده ها هستند.

کار یک هواشناس ممکن است ساده به نظر برسد - گرفتن داده های هواشناسی و ارسال آن به Roshydromet. برای این کار مجموعه ای از حسگرها بر روی دکل آب و هوای 10 متری قرار گرفته اند که سرعت و جهت باد، دما و رطوبت، دید و فشار را اندازه گیری می کند. تمام اطلاعات، از جمله از سنسورهای از راه دور (دمای برف و یخ، شدت تابش خورشید)، به ایستگاه هواشناسی جریان می یابد. اگرچه داده ها از راه دور از ایستگاه گرفته می شود، اما همیشه نمی توان بدون مراجعه به سایت هواشناسی اندازه گیری کرد. فنجان بادسنج ها و محافظ تشعشع غرفه هواشناسی، جایی که سنسورهای دما و رطوبت در آن قرار دارند، یخ می زنند، آنها باید از یخ زدگی پاک شوند (برای دسترسی به بالای دکل، دومی "شکستنی" است. مهندس هواشناس SP-36، ایلیا بابکوف، توضیح می‌دهد. A در طول فصل ذوب، طناب‌ها باید دائماً تقویت شوند تا دکل ثابت بماند. علاوه بر این، ایستگاه برای کار در چنین شرایط یخبندان شدید، زیر - 40 درجه سانتیگراد طراحی نشده است، بنابراین ما یک دستگاه گرمایشی در آنجا نصب کردیم - یک لامپ رشته ای معمولی 40 وات. البته ایستگاه هایی برای چنین دماهای پایینی طراحی شده اند، اما دقت کمتری دارند.»

بالای 10 متر مساحت کار هواشناسان است. سرگئی اووچینیکوف، مهندس هواشناسی پیشرو SP-36 توضیح می دهد: «ما لایه های بالایی جو را با استفاده از کاوشگرهای هواشناسی مطالعه می کنیم. - کاوشگر جعبه ای به وزن 140 گرم است که به یک بالون متصل است - توپی با حجم حدود 1.5 متر مکعب پر از هیدروژن که به دست می آید. شیمیاییدر یک ژنراتور گاز فشار بالا - از پودر فروسیلیکون، سود سوزآور و آب. این کاوشگر دارای یک گیرنده GPS داخلی، یک فرستنده تله متری، و همچنین سنسورهای دما، فشار و رطوبت است. هر دو ثانیه، کاوشگر اطلاعات را همراه با مختصات خود به ایستگاه دریافت کننده زمینی ارسال می کند. مختصات کاوشگر امکان محاسبه حرکت، سرعت و جهت باد آن را در ارتفاعات مختلف فراهم می کند (ارتفاع با روش فشارسنجی تعیین می شود). برق این کاوشگر توسط یک باتری پر از آب تامین می شود که ابتدا برای چند دقیقه در آب نگه داشته می شود (جلیقه نجات با چراغ های اضطراری مجهز به منابع انرژی مشابه هستند).

کاوشگرها هر روز در ساعت 0 و 12 به وقت گرینویچ پرتاب می شوند، اگر شرایط جوی اجازه دهد در بادهای شدید، کاوشگر به سادگی به زمین میخکوب می شود. در کمتر از یک سال، 640 رهاسازی انجام شد، سرگئی اوچینیکوف می گوید: «ارتفاع متوسط ​​28770 متر، حداکثر سرعت صعود کاوشگر در حدود 300 متر در دقیقه بود یک ساعت و نیم، بالون در حین بالابر متورم می شود و سپس می ترکد و کاوشگر روی زمین می افتد. درست است، تقریباً یافتن آن غیرممکن است، بنابراین دستگاه یکبار مصرف است، هرچند گران است.

اب

سرگئی کوزمین، اقیانوس‌شناس SP-36، می‌گوید: «تاکید اصلی در کار ما بر روی اندازه‌گیری پارامترهای جریان، دما، هدایت الکتریکی و چگالی آب است. سال های گذشتهناوگان ابزار به طور قابل توجهی به روز شده است و اکنون می توانیم نتایجی را با دقت بالا به دست آوریم که مطابق با سطح جهانی است. ما اکنون از ابزارهای پروفایل استفاده می کنیم که به ما امکان می دهد سرعت جریان را با استفاده از اثر داپلر عرضی در چندین لایه اندازه گیری کنیم.

ما عمدتاً جریان های اقیانوس اطلس را مطالعه کردیم که مرز بالایی آن در عمق 180-220 متری و هسته آن 270-400 متر است. علاوه بر مطالعه جریان‌ها، مطالعه روزانه ستون آب با استفاده از یک کاوشگر که هدایت الکتریکی و دما را هر شش روز اندازه‌گیری می‌کرد، ارائه شد، مطالعاتی در عمق 1000 متری برای «تسخیر» آب‌های اقیانوس اطلس انجام شد. یک بار در هفته کاوشگر تا حداکثر طول کابل - 3400 متر برای مطالعه لایه های عمیق دریا پایین می آید. سرگئی کوزمین توضیح می دهد: «در برخی مناطق، یک اثر زمین گرمایی را می توان در لایه های عمیق مشاهده کرد.»

وظیفه اقیانوس شناسان در SP-36 همچنین شامل جمع آوری نمونه برای تجزیه و تحلیل بعدی توسط هیدروشیمی ها بود. سرگئی می گوید: «سه بار در طول زمستان - در بهار، تابستان و پاییز - یک هسته یخی برداشتیم که سپس در دمای اتاق ذوب شد، آب حاصل از فیلتر عبور داده شد و دوباره منجمد شد. - هم فیلتر و هم یخ به طور ویژه برای تجزیه و تحلیل بعدی بسته بندی شدند. نمونه برف و آب زیر یخبندان به همین ترتیب جمع آوری شد. نمونه‌های هوا نیز با استفاده از یک آسپیراتور گرفته شد که هوا را از طریق چندین فیلتر که کوچکترین ذرات را در خود نگه می‌داشتند، پمپ می‌کرد. قبلاً از این طریق می‌توانستیم برای مثال گرده برخی از گونه‌های گیاهی را که از کانادا و تایگا روسی به مناطق قطبی پرواز می‌کنند، شناسایی کنیم.

چرا جریان ها را مطالعه کنیم؟ سرگئی پاسخ می دهد: "با مقایسه با داده های انباشته شده در سال های گذشته، روند آب و هوا را می توان تعیین کرد." - چنین تحلیلی به عنوان مثال، درک رفتار یخ در اقیانوس منجمد شمالی را ممکن می سازد، که نه تنها از نقطه نظر اساسی، بلکه از نقطه نظر کاملاً کاربردی نیز بسیار مهم است - به عنوان مثال، زمانی که در حال توسعه منابع طبیعیقطب شمال".

برف

برنامه تحقیقات ویژه هواشناسی شامل چندین بخش بود. ساختار پوشش برف و یخ، خواص ترموفیزیکی و تشعشعی آن - یعنی نحوه انعکاس و جذب تابش خورشیدی مورد مطالعه قرار گرفت. سرگئی شوتیلین، هواشناس، توضیح می‌دهد: «واقعیت این است که برف بازتاب‌پذیری بالایی دارد و با توجه به این ویژگی، برای مثال در تصاویر ماهواره‌ای، بسیار شبیه یک لایه ابر است. - به خصوص در فصل زمستان که دمای هوا در هر دو مکان چندین ده درجه زیر صفر است. من خواص ترموفیزیکی برف را بسته به دما، باد، ابری و تابش خورشیدی مطالعه کردم. همچنین میزان نفوذ تابش خورشید (البته در طول روز قطبی) از طریق برف و یخ به اعماق مختلف (از جمله در آب) اندازه گیری شد. مورفولوژی برف و خواص ترموفیزیکی آن نیز مورد مطالعه قرار گرفت - دما در اعماق مختلف، چگالی، تخلخل، و ترکیب کسری کریستال ها در لایه های مختلف. این داده ها، همراه با ویژگی های تشعشع، به روشن شدن توصیف پوشش برف و یخ در مدل های سطوح مختلف - هر دو مدل آب و هوای جهانی و منطقه ای کمک می کند.

در طول روز قطبی، اندازه گیری تشعشعات فرابنفش به سطح زمین انجام شد و در طول شب قطبی، غلظت ها با استفاده از آنالایزرهای گاز بررسی شد. دی اکسید کربنازن و متان سطح زمین که انتشار آنها در قطب شمال ظاهراً با فرآیندهای زمین شناسی مرتبط است. به گفته سرگئی شوتیلین، با استفاده از یک آنالایزر گاز ویژه، می توان داده های منحصر به فردی در مورد جریان دی اکسید کربن و بخار آب از طریق سطح برف و یخ به دست آورد: "پیش از این، مدلی وجود داشت که بر اساس آن آب ذوب شده از ساحل به اقیانوس افتاد، اقیانوس پوشیده از یخ شد و در زیر آن فرآیندهای بی هوازی اتفاق افتاد. و پس از آزاد شدن سطح از یخ، جریانی از دی اکسید کربن وارد جو شد. ما متوجه شدیم که جریان در جهت مخالف می رود: وقتی یخ وجود ندارد، به اقیانوس می رود و وقتی یخ وجود دارد، به جو می رود! با این حال، این ممکن است به منطقه نیز بستگی داشته باشد - به عنوان مثال، اندازه‌گیری‌های SP-35، که به سمت جنوب و دریاهای قفسه در نیمکره شرقی نزدیک‌تر شد، با فرضیه فوق مطابقت دارد. بنابراین تحقیقات بیشتری مورد نیاز است."

یخ در حال حاضر بیشترین توجه را به خود جلب کرده است، زیرا نشانگر واضحی از فرآیندهای در حال وقوع در قطب شمال است. بنابراین مطالعه آن از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. اول از همه، این یک ارزیابی از تعادل توده یخ است. در تابستان ذوب می‌شود و در زمستان رشد می‌کند، بنابراین اندازه‌گیری‌های منظم ضخامت آن با استفاده از میله‌های اندازه‌گیری در یک مکان تعیین‌شده، تخمین سرعت ذوب یا رشد یخ را ممکن می‌سازد، و سپس می‌توان از این داده‌ها برای اصلاح انواع مختلف استفاده کرد. مدل های تشکیل یخ چند ساله ولادیمیر چورون می گوید: "در SP-36، محل دفن زباله مساحت 80x100 متر را اشغال کرد و از اکتبر تا مه 8400 تن یخ روی آن رشد کرد." "می توانید تصور کنید که چقدر یخ روی کل یخ به ابعاد 5x6 کیلومتر رشد کرده است!"

ما همچنین چندین هسته یخ جوان و پیر گرفتیم که در AARI مورد بررسی قرار خواهند گرفت. ترکیب شیمیایینیکیتا کوزنتسوف، محقق یخ SP-36، می گوید، خواص مکانیکی، مورفولوژی. این اطلاعات می تواند برای اصلاح مدل های مختلف آب و هوایی و همچنین، به عنوان مثال، برای مقاصد مهندسی، از جمله برای ساخت یخ شکن ها استفاده شود.

علاوه بر این، در SP-36، مطالعاتی در مورد فرآیندهای عبور امواج مختلف در داخل انجام شد یخ دریا: امواجی که در هنگام برخورد شناورهای یخ و همچنین عبور از محیط دریایی به داخل یخ ایجاد می شوند. این داده‌ها با استفاده از لرزه‌سنج‌های بسیار حساس ثبت می‌شوند و متعاقباً برای مدل‌های کاربردی تعامل یخ با مواد جامد. به گفته محقق برجسته مهندس یخ SP-36، لئونید پانوف، این امکان ارزیابی بارهای موجود بر روی سازه های مهندسی مختلف - کشتی ها، سکوهای حفاری و غیره - را از نقطه نظر مقاومت در برابر یخ فراهم می کند: "شناخت ویژگی ها از برهم کنش یخ با امواج، می توان خواص قدرت یخ را محاسبه کرد، به این معنی که دقیقاً کجا شکسته می شود. چنین روش‌هایی امکان تشخیص از راه دور عبور ترک‌ها و هوموکینگ در مناطق خطرناک، به عنوان مثال، نزدیک خطوط لوله نفت و گاز را ممکن می‌سازد.

استراحتگاه نیست

وقتی از ولادیمیر پرسیدم که چگونه تغییرات آب و هوایی جهانی (یعنی - گرم شدن کره زمینهنگام کار در یک ایستگاه رانش، او در پاسخ فقط لبخند زد: "البته، مساحت یخ و ضخامت آن در قطب شمال کاهش یافته است - این کاملاً ثبت شده است. واقعیت علمی. اما در یک ایستگاه دریفت، در فضای محلی شناور یخ، گرمایش زمین به هیچ وجه احساس نمی شود. به طور خاص، در این زمستان ما حداقل دمای ده سال گذشته (47.3- درجه سانتیگراد) را ثبت کردیم. باد خیلی قوی نبود - حداکثر تندبادها 19.4 متر بر ثانیه بود. اما به طور کلی زمستان از فوریه تا آوریل بسیار سرد بود. بنابراین، با وجود گرم شدن کره زمین، قطب شمال گرمتر، دنج تر یا راحت تر نشده است. اینجا هنوز هم به همان اندازه سرد است، بادهای سرد همچنان می وزد، یخ همچنان همان اطراف است. و هنوز امیدی نیست که چوکوتکا به زودی به یک استراحتگاه تبدیل شود.

دیمیتری مامونتوف