Объединение фактов, излагаемых в физике, гидравлике, термодинамике, кристаллографии и других отраслях знаний, позволяет получить интересные заключения о содержании природных процессов.

Известно, что молекулы воды (моногидроли) объединяются в агрегаты, состоящие из   двух молекул (дигидролей) или трёх молекул (тригидролей). Если для характеристики молекулярного состояния воды ввести показатель М:Т – отношение количества моногидролей к количеству тригидролей, то можно выразить динамику молекулярного строения воды в зависимости от температуры через изменение этого коэффициента. Он изменяется от нуля (лёд) до ста (водяной пар). Незамерзшая вода при нуле градусов имеет показатель, равный 0,827.  Получается, что переход воды в лёд увеличивает долю  тригидролей в веществе. Укрупнение комплексов всегда сопровождается выделением тепла. При замерзании выделяется тепло в размере 333 кдж/кг. Такой процесс противоречит теории переохлаждения воды, которая применяется для объяснения её замерзания.

Ускорение течения воды тоже приводит к увеличению количества тригидролей и повышению температуры. Но повышение температуры, напротив, вызывает разрушение тригидролей и поглощение тепла. При температурах выше 4 ^◦С эти процессы взаимно компенсируются, хотя какая-то часть остаётся, что обнаруживается по изменению плотности воды. При температурах 4 ^◦С и ниже скорость увеличения количества  тригидролей становится больше скорости их разрушения, а молекулярное состояние воды (М:Т) попадает в область замерзания. В струе образуются дополнительно крупные молекулярные комплексы. После потери скорости течения  они кристаллизуются.

Молекулярной строение воды позволяет ей кристаллизироваться в трёх формах: тетраэдр, дипирамида и пинакоида (пластинка).  Тетраэдр это кристалл льда, состоящий только из моно-  и тригидролей. Он возникает при нулевой температуре воды и отрицательной температуре среды, контактирующей с водой. Дипирамида (игла) и пластинка образуются при положительной температуре воды, когда в воде присутствуют ещё и дигидроли. Шуга – это единичные кристаллы воды, не достигшие монолитного оледенения, так как окружены жидкими дигидролями. Шуга не тает, так как нет разницы между ними и температурой дигидролей, в потоке которых они существуют. При замерзании  увеличивается объём воды, что объясняется большей ажурностью строения  кристаллов, по сравнению со строением воды

Перечисленные положения обоснованы в книге Виталия Знаменского «Конец турбулентной диффузии» (издательство Lambert Academic Publishing. Германия, WWW.more-books.ru). Перенос переохлаждённых частиц воды от поверхности в глубину водотока, применяемый исследователями, оказывается не существующим, ввиду отсутствия турбулентности в струях водотока. Следовательно, появление шуги внутри водотока тоже стало необъяснённым.

  В предлагаемом отрывке из упомянутой книги дано описание процесса ледостава без применения переохлаждения воды  и турбулентной диффузии. Для этого автор рассмотрел ледостав, как результат самозащиты реки от промерзания. Ссылки на использованную литературу удалены.

«Под самозащитой реки подразумеваю проявление природных свойств воды и гидродинамических процессов, адекватное изменение которых  противостоит внешним воздействиям. Этим самозащита отличается от самоохраны, которая предусматривает предварительное вооружение, и устройство ограждений на всякий случай наступления опасности. Естественно, что у рек вооружения нет, и  они защищают себя, когда опасность уже  надвинулась.     

Задача разработки алгоритма самозащиты  поставлена как поиск природных механизмов сохранения естественного состояния реки, которые, тем не менее, могут наносить вред хозяйственной деятельности. Вмешательство в эти процессы может привести к уничтожению водного объекта или изменению условий жизни не только в реке, а и на части водосборной площади. С другой стороны, знание природных механизмов самозащиты облегчает использование рек с наименьшим для них ущербом. Наконец, сама постановка проблемы оказалась новой, интересной и плодотворной.  

Ледостав изучали многие. Я использую установившиеся в науке сущности самих процессов, но игнорирую объяснения с привлечением переохлаждения или с использованием турбулентной диффузии (смешения).  В толковании процессов применяю, в основном, вышеизложенные теоретические положения.

В арсенале защитных процессов у реки имеется мало возможностей: закрытие поверхности контакта с окружающими средами и увеличение глубины водотока.

1.    Самозащита реки ограничением потерь тепла

Рисунок 1. Алгоритм самозащиты реки ограничением потерь тепла через поверхности контакта с окружающими средами

1.1.                     Самозащита кристаллическим  льдом (рис. 1)

Похолодание воздуха и испарение воды с её поверхности приводит к снижению температуры поверхностного слоя прибрежных вод до нуля. Когда температура поверхности воды достигнет нуля  градусов, а воздух будет иметь температуру ниже нуля, в поверхностном слое воды произойдёт мгновенное объединение всех моногидролей с дигидролями так, что создадутся молекулы льда. Возникнет прибрежный лёд (забереги). При сильном морозе вся акватория покроется тонким льдом. Выделенная теплота льдообразования согреет воду. Лёд изолирует поверхность воды от холодного воздуха. Если толщина льда не достаточна для подъёма температуры нижней поверхности льда до нуля, то продолжится процесс оледенения следующего слоя воды. Толщина льда увеличится. 

Процесс завершится после того, как температура нижней поверхности льда станет равной нулю. Температура поверхности воды, контактирующая  со льдом, также установится равной нулю. Положение центров кристаллизации на нижней поверхности льда стационарно, поэтому образуется кристаллический лёд столбчатой структуры, лежащий на воде в заберегах и на плёсах

Теперь небольшое временное повышение температуры воздуха или воды выше нуля не существенно изменит толщину льда, так как недостаточны перепады температур между льдом и примыкающими средами.

            Наращивание толщины льда, продолжается примерно половину зимы до перехода минимальные температуры воздуха. Толщина льда может не увеличиваться при накоплении снежного покрова на льду. Процесс ускоряется по мере потери теплопроводности льда, вследствие уменьшения его толщины за счёт испарения с поверхности и изменения его плотности.

1.2.                     Самозащита шуговым льдом (рис. 1)

При температуре нижней поверхности льда ниже нуля, состав воды по площади контакта со льдом изменится. Все моногидроли в зоне охлаждения будут связаны с дигидролями. На нижнюю поверхность льда нарастёт  слой оледеневшей шуги, но кристаллизация произойдёт по центрам, имеющимся в шуге, поэтому лёд не будет полностью прозрачным. Более глубокий слой шуги отогреется выделенным теплом или, по крайней мере, сохранит свои свойства шуги.

1.3.                     Самозащита донным льдом (рис. 1)

Когда температура поверхности грунта будет ниже нуля, слой шуги, лежащей на нём, заледенеет - образуется донный лёд, защищающий водоток от промерзания со дна. Частицы грунта оказываются вмерзшими в лёд. Донный лёд будет нарастать вверх по плоскости контакта с водой.

Условия для охлаждения дна могут возникнуть от поглощения тепла шугой. Но и в этом случае грунт промерзает не позже образования донного льда и крепит лёд до своего оттаивания.

Самозащита работает до момента появления положительных температур дна. Глубинное тепло постепенно восстанавливает положительную температуру дна и лёд всплывает среди зимы. Теперь он не нужен на дне, так как угрозы промерзания нет. 

Такой лёд уносит вверх частицы грунта, на котором он был закреплён. Его структура подобна структуре шугового льда, и он, после всплывания может примерзать ко льду, накрывающему воду, с включениями воздуха и воды, так как его поверхность не совпадает с плоскостью низа верхнего льда.

2.               Самозащита изменением глубины водотока

Самозащита предотвращает перемерзание водотока увеличением его глубины  двумя способами: осенним затором и зажором.

2.1.          Осенний затор (рис. 2)

Рисунок 2. Алгоритм защиты реки осенним затором

Если начало зимы суровое, то возникает угроза промерзания реки до дна. Наиболее возможный участок промерзания --- верховая часть плёса.

На скоростном участке выше плёса всегда образуется лёд, имеющий неравномерно расположенную толщину. В нём существует множество центров критического механического напряжения. Такой лёд при падении уровня воды обрушивается с разделением на куски разной величины.

Движение водотока подо льдом аналогично движению воды в трубе: вода течёт под напором с увеличенными потерями его за счёт ледового покрытия. При разрушении льда происходит переход к безнапорному течению, что вызывает сброс потерь, приводящий к  скачку расхода воды в начале ледового хода.

Скачок уровня воды в начале ледохода  набрасывает груды обломков на прочный ледовый покров, что прогибает лёд.  Уменьшение сечения водотока на входе под лёд и повышение уровня воды перед кромкой льда создаёт препятствие перемещению воды и льда. Происходит затор.

Выше затора создаётся повышенная глубина воды, затапливается часть скоростной струи или вся она. На этом участке, затем, образуется лёд более равномерной толщины и без обилия центров напряжения, что обеспечивает самозащиту реки на весь зимний период.

На рис. 3 показано положение льда в весеннем заторе (по И.Я. Лисеру). Осенний затор отличается тем, что состоит из смеси битого льда разных размеров и шуги.

Замечено, что при мягкой осени, поскольку в подъёме уровня для реки нет необходимости, ледоход внедряется в тиховодный участок без создания затора, но заполняя в нём полосу битым льдом и торосами.

Самозащита срабатывает только при действительной угрозе существованию водотока.

Рисунок 3. Положение уровней воды и ледового покрытия при весеннем заторе. 1 --- вода, 2 --- ледовое покрытие, А --- сжатое сечение, Б - дополнительная глубина воды}

2.2. Зажор (рис. 4)

Зажор возникает, когда на участке образования шуги скорость возникновения тригидролей больше скорости их транспортирования за пределы участка.

     По фарватеру течёт наиболее быстрая часть водотока (струя).  При температуре воды ниже 4 °C и возрастающей скрости течения  резко возрастает процесс  объединения моногидролей с дигидролями в тригидроли. Показатель М:Т в струе входит в область замерзания, хотя температура воды выше нуля.

Объём воды становится больше, чем даже при нуле градусов. Предположив, что плотность воды приблизится к половине плотности льда, получим увеличение объёма (расхода) на 4 --- 5 процентов. С момента потери из струи части расхода в нём появляются элементы шуги, которые делают воду до предела насыщенной взвесями. Возрастают потери энергии на сопротивление движению. Кроме того, живое сечение уменьшается отложениями шуги на поверхности дна. Водоток выходит из русла. Повышается глубина водотока.

Рисунок 4.  Алгоритм самозащиты зажором

Подъём уровня воды захватывает часть быстротока. Это уменьшает прирост тригидролей и, следовательно, сокращает прирост уровня воды. Процесс прекращается, когда прирост тригидролей и их отвод за пределы участка станут равными или когда его прервут морозы.

Возросший расход и вязкость шуговой воды вызовут аналогичные процессы на ниже расположенных участках реки. На них высота подъёма уровня зависит от ширины русла. В узком русле подъём уровня достигает нескольких метров. В широком русле подъём пропорционально меньше.

При достижении шуговым потоком кромки льда происходит заброс шуговой воды на прочное ледовое покрытие, где она быстро замерзает. Молекулярный состав шуговой воды подготовлен к замерзанию, так как выделил часть тепла при создании триолей. В шуговой воде при замерзании выделяется меньше тепла, чем без шуги и процесс ускоряется. Лёд быстро наращивается над местом, которому может угрожать промерзание до дна. Это повышает уровень воды. Дополнительный напор ускоряет её движение подо льдом.

Кривая поверхности льда на участке зажора отличается от кривой подпора при заторе, так как причиной подъёма уровня на всей длине распространения зажора служит возросший расход водотока и многократно возросшее сопротивление движению.

Итогом зажора является более мощный ледовый покров при возникшем высоком уровне водотока, что предотвращает замерзание воды до дна и способствует созданию льда равномерной толщины». 

Виталий Знаменский,

Заслуженный мелиоратор России