Làm thế nào các dòng sông không còn băng

34

KVAN T 2022/Số 6

Làm thế nào các dòng sông không còn băng

T. MOROZOVA

Quá trình tan băng trên sông hồ thoạt nhìn có vẻ tầm thường, mặc dù điều này không hoàn toàn đúng. Thông thường vào mùa xuân, sự nóng lên kéo theo sự làm mát, và điều này xảy ra nhiều lần cho đến khi thiên nhiên cạn kiệt nguồn dự trữ lạnh và cuối cùng giải phóng mùa xuân vào vùng đất và nước rộng lớn. Trong những đợt sương giá mùa đông, băng tích tụ trên sông. Do đó, độ dày băng ở Dnieper là 0,5 mét, ở các con sông ở Đồng bằng Trung Âu - khoảng 1 mét và trên sông Siberia - lên tới 1,5 mét. Càng có nhiều ngày băng giá trong năm, băng càng dày. Những dòng sông đóng băng mở ra những con đường mới để di chuyển từ nơi này sang nơi khác và cung cấp không gian độc đáo để đi bộ và du lịch. Nhưng khi băng bắt đầu tan, việc đi trên đó trở nên nguy hiểm.

Băng trên kênh Moscow

Lớp băng nào ít thuận lợi nhất cho việc đi bộ trên đó? Lựa chọn nguy hiểm nhất là lớp băng mỏng, mịn sau một đợt lạnh đột ngột, khi lực căng lớn được tạo ra trong vật liệu và có thể dễ dàng xuất hiện các vết nứt. Điều tương tự cũng áp dụng cho băng mới hình thành. The mesh is uneven

DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20220604

Sự không đồng nhất của băng trong quá trình đóng băng và rã đông hỗn loạn với những dao động nhiệt độ nhỏ tạo ra một loại khung. Tuy nhiên, nếu có khoảng trống trong đó thì điều này cũng gây nguy hiểm. Sau khi tan chảy, dải ven biển đóng băng nhanh hơn và vào những đêm xuân lạnh giá, đi dọc theo nó sẽ an toàn hơn là đi dọc giữa sông. Khi di chuyển trên băng, nó sẽ bị nứt ở những nơi có sự bất thường và độ cong của bức phù điêu. Ở những nơi như vậy, bạn không nên băng qua vùng nước đóng băng trong thời gian băng tan và đóng băng sau đó. Nếu bạn đi trên băng trên ván trượt, áp lực lên nó sẽ ít hơn nhiều so với khi đi bộ. Nếu bạn chạy, những cú sốc sẽ tạo ra áp lực lớn hơn và nguy cơ làm vỡ băng sẽ lớn hơn. Vậy loại băng nào trên sông đặc biệt nguy hiểm khi đi trên đó? 1) Khi có dòng sông đáng chú ý. Sông càng thu hẹp thì dòng chảy càng nhanh. Điều này trực tiếp suy ra từ phương trình liên tục $струи^{v} 1^{S} 1_{2}^{v} S_{2}, где^{v}$ – $скорость,^{S}$ – diện tích ngang $сечения.^{2)}$ Nơi băng vừa đóng băng hoặc sau khi ấm lên, sau đó nguội đi. Nhưng tất cả phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Ví dụ, nếu đợt lạnh nghiêm trọng thì băng vẫn an toàn. Và sự nóng lên có thể trộn lẫn băng, và nó sẽ đóng băng dày đặc hơn mà không có khoảng trống và không đồng nhất. 3) Trong đợt sương giá gay gắt, khi các khoảng trống và vết nứt có thể hình thành, đồng thời tạo ra ứng suất lớn trong băng và phát sinh dòng chảy dưới băng. Khi băng tan dần, nó tạo ra bùn chứ không phải băng có thể nứt. Nói cách khác, với độ dốc nhiệt độ không đổi trong quá trình nóng lên, băng hầu như không bị nứt ở các vùng nước tĩnh lặng. Nhưng trên những con sông có dòng chảy lớn, các tảng băng nứt hầu như luôn xuất hiện - bản thân dòng chảy không tạo cơ hội tạo ra một gradient nhiệt độ trơn tru. Dưới những cây cầu, băng tan đặc biệt nhanh chóng do sự hiện diện của khí, hơi và dòng đối lưu ấm. Bản thân băng gần bờ dày đặc hơn ở giữa sông. Nhưng không phải ở ngay bờ biển mà ở xa hơn một chút. Sông và hồ ở vùng nước nông đóng băng hoàn toàn, nhưng khi bắt đầu tan chảy, rìa của hồ chứa sẽ nhanh chóng tan chảy, vì nhiệt độ tuyệt đối

35

“Lượng tử”

VÌ

TRẺ HƠN

Băng nứt trên sông; độ dày của băng ở mép nước mỏng. Ở giữa sông, dòng chảy duy trì nhiệt độ nước cao hơn và ngăn băng đóng băng. Không giống như sông, hồ mất nhiều thời gian để rã đông vì các lớp băng phía dưới không có thời gian ấm lên do khả năng sinh nhiệt cao. Hơn nữa, trong hồ có nhiều nước và nhiều băng hơn nên thời gian rã đông sẽ lâu hơn. Một lượng nhỏ nước sẽ đóng băng nhanh hơn và tan nhanh hơn. Ngoài ra, các con sông được giải phóng khỏi băng nhanh hơn nhiều theo dòng chảy và sông càng lớn thì quá trình tan chảy càng diễn ra dữ dội. Tại sao tuyết trên sông, khi ấm lên và đóng băng thêm, lại trở thành lớp băng dày đặc, trong khi những bông tuyết trên bờ không đóng băng? Vấn đề là nước có nhiệt dung và độ dẫn nhiệt lớn hơn tuyết và băng, đồng thời nước hấp thụ nhiều nhiệt hơn và làm nóng các lớp liền kề mạnh hơn. Nhiệt được truyền nhanh chóng từ lớp này sang lớp khác, nhưng cần tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để làm nóng từng lớp. Do đó, một khối lượng lớn tuyết tan trên sông và khi trời lạnh hơn, nó đóng băng hoàn toàn và biến thành băng. Trong quá trình làm mát tiếp theo, bề mặt của bình chứa sẽ đóng băng đều nếu có nhiều nước tan chảy. Bạn thậm chí có thể trượt trên bề mặt như vậy. Nhưng sớm hay muộn, mùa xuân cũng phải gánh chịu hậu quả và các vùng nước dần dần được giải phóng khỏi băng. Nước tan đặc biệt lạnh. Những người hâm mộ bơi lội mùa đông biết rõ điều này - xét cho cùng, bơi trong đó thậm chí còn lạnh hơn so với trong một hố băng giữa làn sương giá dày đặc. Vấn đề là, tôi đang lạnh cóng…

TRẺ EM HỌC SINH

Băng trên bề mặt hồ chứa được hình thành từ nước tinh khiết của các lớp gần bề mặt, từ đó tất cả trầm tích đã chìm xuống đáy. Nước rất sạch có thể được làm lạnh đến nhiệt độ $^{40}$ q C. Về vấn đề này, bạn có thể tiến hành thí nghiệm sau: trong điều kiện sương giá nhẹ, lắc nước suối đã lắng trong chai và nó sẽ đóng băng sau chưa đầy một phút - tạp chất sẽ làm tăng điểm đóng băng của nó. Nước muối, do tính chất hóa lý của nó, đóng băng ở $3 q^{C}$. Sự đóng băng xảy ra không đồng đều, đặc biệt là vào những ngày nắng, do ở rìa hố băng băng làm lạnh nước và đóng băng các tảng băng và không cho băng mà mặt trời làm tan chảy (không giống như ở giữa hố băng). Kết quả là ứng suất cắt xuất hiện và băng dâng lên theo hình vòng cung. Lớp vỏ tuyết trên bờ sông phân hóa thành những mảnh băng thẳng đứng riêng biệt và có cấu trúc tương tự như

Một hố băng có băng hình vòng cung không khít chặt vào giữa

36

KVAN T 2022/Số 6

nhũ đá và măng đá trong hang động. Các vết nứt và gãy xuất hiện trong các lớp. Ở vùng đất thấp, tuyết tan chậm hơn và xảy ra hiện tượng phân hủy tuyết và băng đóng băng. Vào mùa xuân có sự dao động nhiệt độ không đổi từ cộng sang âm. Kết quả là tuyết tan chảy lại đóng băng, biến thành một cấu trúc fractal băng giá gồm nhiều mảnh băng nhỏ có hình dạng bất thường.

tảng băng thẳng đứng

Bản thân tuyết là chất cách nhiệt rất tốt. Và ngay cả khi xung quanh đột nhiên ấm lên, nó vẫn giữ cái lạnh bên trong. Hơn nữa, ngay cả khi đã đạt đến trạng thái cân bằng với không khí xung quanh, tuyết không thể tan rất nhanh, vì để làm được điều này, nó không chỉ cần được làm nóng mà còn phải tan chảy (lượng nhiệt tan chảy và sưởi ấm được tổng hợp). Trên bờ, khi tuyết tan, nước hình thành, thấm vào lòng đất. Tuyết không cho phép các lớp bên dưới ấm lên. Do đó, với nhiệt độ lạnh hơn và sự nóng lên sau đó, bề mặt sông trở nên băng giá và những đám tuyết trên bờ vẫn giữ nguyên cấu trúc không thể lay chuyển. Tuy nhiên, với sự nóng lên chung, chúng dần dần tan chảy và trở nên nhỏ hơn, chìm xuống lòng đất hoặc tan chảy trên băng sông. Sông càng sâu gần bờ thì tuyết càng nhỏ dọc theo mép sông. Chúng cũng có thể nứt và vỡ thành từng lớp - điều này phụ thuộc vào đất. Bản thân cấu trúc băng được hình thành tùy thuộc vào đất. Có thể có thấu kính và các hình dạng khác bên trong băng. Đất cát rất đặc và thực tế không cho phép các hạt nước đi qua, trong khi đất sét thì có. Vì vậy, khi nước đóng băng, đất sét cứng lại và khi băng bắt đầu tan, nước nhanh chóng chảy qua các lỗ rỗng của chúng vào đất.

Nếu sông không có lòng cát, nó sẽ nhanh chóng trở nên cạn. Ngoài ra, khi băng đóng băng, nó nở ra và đất phồng lên. Ngoài ra, trong những đợt sương giá nghiêm trọng, băng đóng băng có thể bị nứt khi nó nở ra. Vì vậy, việc đi lại trên băng không chỉ trong thời gian tan băng mà còn khi sương giá tấn công mạnh là rất nguy hiểm.

Các vết nứt trên lớp tuyết trên bờ

Tại sao một số con sông trở nên cạn vào mùa đông và có bờ cát phủ đầy tuyết? Ở đây diễn ra hai quá trình: thứ nhất là sự bốc hơi của nước và sau đó là sự loại bỏ các khối bốc hơi, không giống như các mùa khác, không quay trở lại bể chứa và rơi ra dưới dạng mưa đều khắp trái đất, và thứ hai là mất nước vào lòng đất và đóng băng. Cường độ của quá trình thứ hai phụ thuộc vào loại đất và độ sâu của sông. Vào mùa xuân, tuyết tan và nước từ bờ sông chảy vào sông, nơi nó trở lại thể tích trước đó. Sông thường có bờ dốc bị dòng chảy cuốn trôi dần, bản thân sông thường chảy ở nơi thấp nhất, chảy từ bờ xung quanh xuống. Vào mùa hè, lượng mưa chảy vào sông từ bờ xung quanh, nhưng vào mùa đông thì không, nên lượng bốc hơi không quay trở lại. Vào mùa xuân, sự bốc hơi và tuyết tan không lên mây không chỉ vì đêm lạnh mà còn do thảm thực vật hấp thụ độ ẩm. Nhưng đôi khi vào một ngày đặc biệt nắng, hơi ẩm có thể rơi thành từng giọt riêng biệt mà không tích tụ thành mây và mưa. Để kết luận, chúng tôi lưu ý rằng nước tan chảy vào sông hoặc dưới lòng đất, tạo thành cấu trúc của các tảng băng trôi. Kết quả là mực nước trong hồ chứa tăng lên. Đó là lý do tại sao khi mùa xuân đến, cái gọi là nước dâng cao lại xuất hiện.