Tengeri jég portál fagyasztási folyamat a tengeri jég

A tengeri jég belső mikrostruktúrája édesvízi jég, folyékony sóoldat és gázzárványok összetett keverékéből áll, amely keverék összetétele döntően befolyásolja a tengeri jég fizikai tulajdonságait. A tengeri jég belső mikrostruktúrájának ismerete előfeltétele számos mérési módszer pontos meghatározásának, például a tengeri jég vastagságának.

Különösen a fagyás típusa határozza meg a tengeri jég mikrostruktúráját. A jégképződés előfeltétele természetesen az, hogy a tengervizet legalább fagyáspontra lehűtse a hideg levegő. Magas sótartalma miatt ez jellemzően -1,8 Celsius fok. A tengeri jég növekedésének folyamata ekkor nagymértékben függ a széltől és a hullámoktól. Ettől függetlenül, amikor a tengervíz megszilárdul, a vízmolekulák kiszorítják a sótartalmat a keletkező kristályszerkezetből. Az ezt követően tömény sóoldat (maradék folyékony tengervíz, amely erősen sós ionokkal dúsul) üregeket és üregeket képez, ami egy komplex csatornarendszer, amely végigfut a jég testén.

Fotók: M. Nicolaus

A víz (H2O) elemnek vannak olyan tulajdonságai, amelyek a tengeri jég jellemzőit is befolyásolják.
A víz az egyetlen olyan anyag a földön, amely földünk adott éghajlati viszonyai között fordul elő három szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú fázisban. A víznek ez a különleges tulajdonsága lehetővé teszi, hogy minden szférában megjelenjen. Ha a víz megváltoztatja fizikai állapotát, az energia átalakul. A fázisátmenettől függően az energia vagy megkötött (megolvad, elpárolog), vagy felszabadul (kondenzálódik, fagy). Az aggregáció és a fázisátmenetek állapota egy állapotdiagramon ábrázolható.

Ábra: A víz összesített állapotainak (az állapotdiagram nem méretarányos) és átalakulási folyamataik függősége

Táblázat: A víz összesített állapotának függvénye (az állapotdiagram nem méretarányos) és azok átalakulási folyamata [1]

[1] megváltozott: A Nyitott Egyetem „Tengervíz: összetétele, tulajdonságai és viselkedése” című kötet, 1995, 6. o.

A fagyasztási folyamat és a fagyás állapota során a tengeri jég bizonyos tulajdonságai megváltoznak. A tengervíz sótartalma különös jelentőséggel bír, mivel meghatározza a fagyás hőmérsékletét: minél sósabb a víz, annál inkább a fagyáspont van a nulla fokos határértéktől. A sótartalom befolyásolja a víz sűrűségét is.

A különböző óceánok sótartalma erősen ingadozik, és az óceán áramlása is befolyásolja. Az óceánok átlagos sótartalma 34,7 ezrelék, az átlagérték körüli eloszlás viszonylag kicsi. Az összes óceán 50 százalékának sótartalma 34,6 és 34,8 ezrelék között van. Az óceánokban a sótartalom 32 és 38 ezrelék között ingadozik. [1] Ha olyan polcokat is beleszámítanak, amelyek sótartalma viszonylag magas vagy alacsony lehet, az értékek 28 és 40/ezer között vannak.

Ezek a variációk azért merülnek fel, mert a sótartalom a párolgástól, a csapadéktól és az édesvíz kontinensektől való beáramlásától függően változhat:

Az északi és déli félteke mérsékelt szélességének perem- és mediterrán tengerein a sótartalom alacsonyabb a folyókból származó édesvízellátás és a csapadék miatt.

A szubtrópusi szélesség szélén és a Földközi-tengeren a párolgás dominál a folyóellátás és a csapadék felett, és a sótartalom néha magasabb, mint a nyílt óceánban.

Míg a Balti-tenger maximális sótartalma 20 ezrelék, a Holt-tenger akár 33 százalék sót is tartalmazhat. Általában azonban az óceánok sótartalma jóval alacsonyabb a Holt-tengerénél. A Jeges-tenger mintegy 32 ezreléket, az Északi-tenger 3,4 és 35 ezrelék között, a Földközi-tenger 39 ezrelékig, a Perzsa-öböl 40 ezrelékig és a Vörös-tenger 41 ezer ezersót tartalmaz. Az Atlanti-óceán sótartalma 34,5 és 37 ezrelék között változik.

[1] J. Krauss, A tengeri meteorológia és az okeanográfia alapjai, Salzwasserverlag, Paderborn, 2011, 172. o.

A tengervízben oldott sók miatt a fagyáspont alacsonyabb, mint az édesvíznél. A különféle víztestek fagyáspontjának hőmérséklete édesvíz esetén 0 Celsius fok és az Antarktisz sós polcvizének -1,9 Celsius fok között változik. A legtöbb, 34,5 ezrelék sótartalmú óceán esetében a tengeri jég fagyási és képződési folyamata -1,86 Celsius-fokos hőmérsékleten kezdődik. A sarki óceánok gyakran édesebbek, mint az „átlagos” tengervízek, részben az alacsonyabb párolgási sebesség miatt. 25-30 ezrelék sótartalom esetén a víz -1,35 Celsius fok vagy -1,62 Celsius fok hőmérsékleten fagy meg. [1] Ezek a sótartalom jellemzők a tengervízre alacsony szélességeken. Ha azonban a víz hőmérséklete a megfelelő fagyáspont alá csökken, megindul a víz kristályosodási folyamata.

A fagyáspont és a különböző sótartalmú maximális sűrűség kapcsolata nagy jelentőséggel bír a jég keletkezéséhez a tengeren.

Ábra: A fagyáspont és a legnagyobb sűrűségű hőmérséklet függése. Zöld = a maximális sűrűség hőmérséklete, kék = a fagyáspont csökkenése

A sók és a poláris vízmolekulák közötti kölcsönhatások miatt a víz kristályosodása nulla Celsius-fok alatti hőmérsékleten is megakadályozható. Minél sósabb a víz, annál alacsonyabban süllyed a fagyáspont és annál nagyobb a sűrűsége. A fagyáspont-depresszió lineáris és függ a tengervíz sótartalmától (kék egyenes vonal).

A fagyásponthoz hasonlóan a maximális sűrűség hőmérséklete is lineárisan változik a víz sótartalmától függően (zöld egyenes vonal).

De a sótartalom növekedésével a maximális sűrűség hőmérséklete sokkal jobban csökken, mint a fagyáspont. Ez oda vezet, hogy mindkét egyenes körülbelül -1,3 Celsius fokos hőmérsékleten és 25 and sótartalom mellett keresztezi egymást. Ha a sótartalom tovább növekszik, a felszínen képződő jég nehezebbé válik, mint az alatta lévő víztömegek, és a mélységbe kell süllyednie. Ez azt jelentené, hogy ott jégtömegek halmozódtak fel.

Mivel azonban a benne lévő sók egy része kicsapódik a tengervíz fagyasztási folyamata során, ami a tengeri jég fajsúlyának csökkenését eredményezi, ez nem történik meg. [2]

Ezenkívül a sótartalom miatt a tengervíz elveszíti a sűrűség-rendellenességek sajátosságait. Míg szinte minden folyadék fagyáskor összehúzódik, ezáltal növeli sűrűségét, a víz megszilárdulva tágul. Tiszta víz esetén a sűrűség maximum 4 Celsius fok, azaz fagypont felett van, így 4 Celsius fok alatti hőmérsékletű és alacsonyabb sűrűségű hideg víz marad a felszínen. A nehezebb 4 Celsius-fokos hideg víz mindig az aljára süllyed, melegebb vagy hidegebb (az évszaktól függően) vízrétegek felett. Ez az oka annak, hogy az állóvíz mindig felülről fagy le, és a mélyvíz soha nem fagy meg.
Az óceánokban a hiányzó sűrűség-anomália a víztömegek némileg eltérő rétegződéséhez vezet. A leghidegebb vizet az alsó végén lévő vízoszlopba sorolják.

Amíg a fagypont még nem érte el, a tengervíz sűrűsége a hűtési folyamat során folyamatosan növekszik, és egyre nehezebbé válik. Ez a tengervíz instabil rétegződését és ezáltal a felszíni víz konvektív keveredését eredményezi. A felszínen lehűlt víz mélyebb területekre süllyed, miközben a még meleg felszíni víz felemelkedik - hogy a hideg levegő lehűtse és végül elsüllyedjen.

[1] S. Marshall, The Cryosphere, Princeton University Press, 2012, 105. o
[2] P. Tardent, Meeresbiologie, 3. változatlan kiadás, Thieme-Verlag, 176–177.

A sók oldhatósága a tengervízben annak hőmérsékletétől és a megfelelő ionkoncentrációtól függ. Ha a hőmérséklet csökken, a tengervíz egy része megfagy és a sótartalom nő. A tengeri jég összetételének a hőmérséklettől való függése fázisdiagramon mutatható ki.
A tengeri jég és tulajdonságainak jobb megértése érdekében hasznos a tengeri jég fázisdiagramjának általános megértése. Itt az óceánban különböző hőmérsékleteken és nyomásokon létező különböző fázisok (jég, sóoldat és szilárd sók) száma és összetétele látható. Ilyen fázisdiagram nélkül nem lehetne meghatározni a különböző fázisokat és azok relatív térfogatát ismert tengeri sótartalmú és hőmérsékletű jégmintákban.
Vizsgáljuk meg először a sós víz egyszerűbb fázisdiagramját, amely csak asztali sót tartalmaz, amelyben a NaCl feloldódik H2O-ban.

Ábra: Só (NACL) és víz keverékének fázisdiagramja (részlet) [1]

Ha az oldat sókoncentrációja nulla százalék, akkor a víz tiszta és 0 Celsius fokon fagy. Ha a konyhasót 10 Celsius fokos hőmérsékleten keveri a tiszta vízbe, addig oldódik, amíg el nem éri a 27 százalék körüli sótartalmat (az ábra 1. pontja).

Most mi történik, ha ezt a 27 százalékos sóoldatot lehűtjük? A szilárd só lassan elválik az oldatból, és az oldat –21 Celsius-fokon lefagy (az ábra 2. pontja). Fagyasztáskor a két szilárd anyag elválik, vegyes jég- és sókristályokat talál.

Valami hasonló történik, ha z. B. A 10 százalékos sóoldatot (az ábra 3. pontja) lehűtjük 10 Celsius fokról. Amikor a hőmérséklet eléri a –7 ° C-ot (az ábra 4. pontja), jégkristályok válnak el az oldattól, miközben az oldatban megmaradó só koncentrálódik. Csak –21 Celsius fok és 23,3% m/m sókoncentráció esetén (az ábra 5. pontja) fagy meg az egész rendszer különálló jég- és sókristályokkal.

A diagram középső részén csak egy fázis van (folyékony homogén sóoldat), a másik három területen két fázis van: jobb oldalon folyékony sóoldat sókristályokkal, bal oldalon folyékony sóoldat jégkristályokkal és alul szilárd anyag jégből és Sókristályok.

Tehát amikor a tengervízből származó jég fagyni kezd, a víz aránya az oldatban csökken, és a fagyáspont tovább csökken. Ez a folyamat csak addig folytatódik, amíg az oldat sóval telítődik. A folyékony sóoldat legalacsonyabb hőmérséklete -21 Celsius fok. Ezen a hőmérsékleten a só a jéggel együtt kristályosodni kezd az oldatból (NaCl * 2 H2O formában). A fagyasztott oldat ezután külön NaCl * 2 H2O kristályok és jégkristályok keveréke, azaz nem só és víz homogén keveréke. A sós víz fázisdiagramjának ez a formája az úgynevezett eutektikát írja le. A fázisdiagramot az jellemzi, hogy folyadék és két különböző szilárd fázis létezik a szilárd-folyadék átmenethez.

A nagyon különböző sókból álló tengeri jég esetében egy ilyen fázisdiagram természetesen bonyolultabbnak tűnik. A kalcium-karbonát –2,2 Celsius fok hőmérsékleten csapódik le. Ez a hőmérséklet csökkenésével más sók esetében is folytatódik. Az oldat speciális sóinak csapadékhőmérséklete -8,2 Celsius-fok nátrium-szulfátnál, -22,9 Celsius-fok nátrium-kloridnál, -36 Celsius-fok KCl-nál és -54 Celsius-fok CaCl-nál.

Maga a fázisdiagram nem tartalmaz közvetlen információt az egyes fázisok sajátos térbeli elrendezéséről a „tengeri jég” rendszeren belül, például a tengeri jég mikrostruktúrájáról. A természetes tengeri jég esetében ez két fő tényezőtől függ: a jég növekedési környezetétől és a jég-víz határréteg határfeltételeitől, valamint a vizsgált jégréteg helyszíni hőmérsékletétől és kémiai összetételétől. Ez utóbbi nagy jelentőséggel bír a tengeri jég tulajdonságainak számos területén, például a jég, a sóoldat, a sók és a gázzárványok közötti fizikai különbségek szempontjából.

[1] Forrás megváltozott: C. Clarke, A jégkrém tudománya, RSC Publishing, 2. kiadás, 2012, 29–30.