Регеляция льда: физическое явление, эксперименты и роль в движении глетчеров

Введение в явление регеляции. Регеляция льда представляет собой уникальное физическое явление, при котором лед под давлением плавится, а при снятии нагрузки вновь замерзает. Этот процесс лежит в основе множества природных и лабораторных феноменов. Данный научный текст посвящен экспериментальной демонстрации регеляции и ее фундаментальной роли в гляциологии, в частности, в формировании и движении ледников (глетчеров). Понимание данного принципа позволяет объяснить как простые опыты, так и масштабные природные процессы.

Подготовка ледяного стержня для эксперимента. Для наглядной демонстрации явления необходим ледяной стержень удобной формы. Его изготовление начинается с заполнения широкой стеклянной трубки длиной около 15 см водой. Оба конца трубки герметично закрываются пробками. Затем трубка помещается в охлаждающую смесь, состоящую из двух килограммов мелкодробленого льда или снега и одного килограмма поваренной соли (NaCl). В течение получаса вода в трубке полностью кристаллизуется. Для извлечения образовавшегося ледяного стержня трубку кратковременно опускают в холодную воду, чтобы подтаять лед у стенок.

Рисунок 35: Схематическое изображение ледяного стержня, закрепленного в штативе.

Механика проведения опыта с проволокой. Извлеченный кристалл льда горизонтально закрепляют в штативе, например, с помощью доски с отверстием. На середину стержня накидывают тонкую цветочную проволоку, к которой подвешивают груз массой примерно 5 кг. При толщине стержня 2.5 см и диаметре проволоки 0.25 мм площадь контакта составляет около 10 кв. мм. Это создает давление порядка 50 кг на квадратный сантиметр. Под таким значительным давлением лед под проволокой плавится, что является следствием аномалии плотности воды и особенностей фазовой диаграммы H₂O.

Наблюдение процесса регеляции в действии. Врезаясь в лед, проволока постепенно проходит насквозь, и груз опускается на стол. Ключевое наблюдение: ледяной стержень при этом не разделяется на две части. Отрезанный сегмент остается прочно соединенным с основной массой. Это происходит благодаря вторичному замерзанию (регеляции). Вода, образовавшаяся под проволокой из-за высокого давления, сразу же замерзает позади нее, где давление нормализуется. Таким образом, лед непрерывно восстанавливает свою целостность позади движущейся проволоки.

Физическое объяснение феномена регеляции. Объяснение явления кроется в принципе Ле Шателье и особенностях тройной точки воды. Повышенное давление смещает точку равновесия между твердой и жидкой фазами в сторону жидкости, понижая температуру плавления льда. После снятия давления система стремится вернуться к равновесию, и вода кристаллизуется. Данный процесс не является мгновенным и зависит от теплообмена с окружающей средой. Именно регеляция объясняет, почему ледники ведут себя как пластичные тела, а снег слипается в снежки.

Влияние температуры на эффективность регеляции. Эффективность регеляции напрямую зависит от температуры льда. Чем холоднее лед, тем большее давление требуется для его плавления при данной температуре. При температуре, близкой к 0 °C, для инициации плавления достаточно умеренного давления, что объясняет легкость лепки снежков во время оттепели. Для очень холодного снега (например, при -10 °C и ниже) давления, создаваемого руками человека, уже недостаточно для запуска процесса регеляции, и снег остается рыхлым.

Роль регеляции в формировании снежков и фирна. Классический пример бытовой регеляции — лепка снежка. При сжатии снежинки в руках точки их контакта испытывают локальное повышение давления, что приводит к подтаиванию. При прекращении давления вода замерзает, кристаллы льда срастаются, и рыхлый снег превращается в связывающую массу. В природных условиях многократное повторение циклов таяния и замерзания под давлением вышележащих слоев превращает снег в плотный фирн, а затем и в глетчерный лед.

Регеляция как основа пластичности и движения глетчеров. Глетчеры (ледники) обязаны своей способностью к пластическому течению именно явлению регеляции. В толще ледника, где давление достигает огромных величин, лед в отдельных микрополостях может плавиться. При изменении напряжения сдвига или перемещении массы эта вода мигрирует и вновь кристаллизуется в зонах с меньшим давлением. Этот непрерывный процесс перекристаллизации придает леднику свойства вязкопластичного тела, позволяя ему медленно «течь» под действием силы тяжести, заполняя долины.

Рисунок 36: Схематическое изображение движения глетчера в горной долине, иллюстрирующее пластическое течение льда.

Адаптация ледника к руслу долины. При движении в сужающихся участках долины в теле ледника возникают колоссальные внутренние напряжения. В местах наибольшего давления (например, у берегов или на перегибах ложа) происходит локальное плавление льда. Высвобожденная вода перемещается в области с меньшим напряжением, где снова замерзает. Благодаря этому механизму ледник адаптирует свою форму к рельефу, подобно медленному, но мощному потоку. Таким образом, регеляция является ключевым процессом, определяющим динамику ледников.

Практическое и научное значение изучения регеляции. Изучение регеляции имеет важное прикладное значение. Оно объясняет смерзание грунта с фундаментами, принципы работы ледовых переправ и процессы морозного пучения грунтов. В гляциологии понимание этого явления позволяет моделировать движение ледников, прогнозировать их реакцию на изменение климата и оценивать запасы пресной воды. Эксперименты с регеляцией, подобные описанному, наглядно демонстрируют фундаментальные законы термодинамики и физики фазовых переходов в доступной форме.

Заключение. Явление регеляции льда служит ярким примером взаимосвязи между давлением, температурой и фазовым состоянием вещества. От простого лабораторного эксперимента с проволокой и ледяным стержнем до грандиозного движения горных и покровных ледников — везде действует один и тот же физический принцип. Его понимание раскрывает механизмы многих природных явлений и подтверждает универсальность законов физики, управляющих как малыми, так и глобальными процессами на нашей планете.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.