"Природа", №01-03, 1925 год, стр. 55-74

О донном льде.

Проф. В. Я. Альтберг.

За последнее десятилетие ни в одной стране в мире не уделяли явлению донного льда бо́льшего внимания, нежели в России. В виду того, что это явление причиняет серьезные осложнения, здесь были организованы в течение ряда лет систематические наблюдения в природе и экспериментальные исследования в лабораторных условиях. К постановке таких изысканий в особенности побудил случай экстраординарного замерзания р. Невы не сверху, как обыкновенно, но снизу (со дна), имевший место 14 декабря 1914 г., когда весь Ленинград оказался лишенным воды, вследствие обмерзания приемных труб (d = 48") водопровода, расширенные концы которых, снабженные железными решетками (d = 2 м.), заложены посреди Невы (на дне), на большой глубине в 20 м. с нарочитой целью предохранения их от обмерзания. По свидетельству опускавшихся водолазов, все дно реки и все находившиеся там предметы водопроводного оборудования (цепи, трап, решетки и пр.) оказались покрытыми мощным слоем рыхлого льда в ¾ м. толщины ¹).

Общественное самоуправление города тогда же обратилось в Центральную Физическую Обсерваторию с предложением выяснить природу донного льда и условия особых случаев замерзания р. Невы. Об объеме произведенных с тех пор работ по этому вопросу можно судить хотя бы потому, что одних температурных (точных) измерений воды в реках, преимущественно в холодный период времени, произведено было несколько тысяч, из которых значительная часть сделана в ночное время, в виду необходимости иметь для более интересных периодов, когда образуется донный лед, полные циклы наблюдений над всеми метеорологическими элементами и в особенности над температурою воды, непрерывный ход которой (в течение дня и ночи) получался за целые недели и более.

Таким образом, были получены впервые особенно полные и обстоятельные сведения о температурном режиме в реках, о чем до сих пор имелись лишь отрывочные и весьма скудные данныя, в особенности для ледоходного и вообще для зимнего времени. Наряду с этим в лаборатории Обсерватории произведено было несколько сот опытов по воспроизведению явления в искусственных условиях с целью выяснения главных факторов, играющих решающую роль. Наконец, для того, чтобы дополнить характеристику усилий, направленных на разрешение проблемы, представлявшей загадку для многих поколений, я могу отметить, что в Ленинграде за последнее десятилетие состоялось более 50 заседаний различных Комиссий, посвященных специально этому вопросу. Из этого можно также заключить, что донный лед играет в нашей стране далеко немаловажную роль, которая еще более возрасла теперь, когда государство проявило стремление к использованию водной энергии страны.

Накопленный таким образом весьма обширный материал наблюдений в природе, результаты многочисленных опытов в лаборатории, вскрытые новые обстоятельства и особенности явления, наконец, сопоставления этих данных с результатами исследований выдающихся немецких физиков (Pasohen’a, Rubens’a и др.), касающихся лучепоглощательных свойств воды, дали основания для полного пересмотра существовавших до сих пор воззрений и для замены, в виду оказавшейся несостоятельности их, представлениями более простыми и лучше согласующимися с данными опыта. О достигнутых результатах и о выводах, к которым они привели, мною было опубликовано в ряде русских научных журналов в течение 1916—1924 г. ²).

За недостатком места в настоящей статье ³) я вынужден буду ограничиться лишь некоторыми общими соображениями, касающимися наиболее существенных моментов, интересующего нас явления, отсылая к моим оригинальным статьям тех, кто пожелал бы подробнее ознакомиться с произведенными опытами и наблюдениями и с фактическими данными. По этой же причине я не имею возможности останавливаться здесь на истории развития различных толкований природы явления и беспочвенных споров по этому поводу, отмечу лишь, что до сих пор преобладали два взгляда, высказанные еще в давнее время, примерно сто лет тому назад.

Согласно первому взгляду лед образуется на дне благодаря охлаждению последнего, вследствие предполагаемого излучения тепла сквозь воду. Сторонниками этой идеи были: M’Keever, Farquharson (1844), Assmann (1888), Н. Barnes (1906) и W. Coblentz (1908). Этот взгляд был преобладающим в течение многих десятилетий. Однако мои опыты по воспроизведению явления в лабораторных условиях (1916 г.) заставили усумниться в правильности такого взгляда. Когда же выяснилось, что он стоит в явном противоречии с точно установленными свойствами воды, его пришлось отвергнуть, как несостоятельный и ошибочный взгляд. Он покоился на произвольном и никакими фактами неподкрепленном допущении необыкновенной будто бы прозрачности воды для некоторой категории тепловых волн. В свое время и в другом месте я показал, что такое допущение в корне неверно ⁴).

Рис. 1.
(увеличенное изображение)

Спектры поглощения воды (рис. 1), построенные на основании исследований Paschen’a, Rubens’a, Aschkinass’a, Яковлева и др., неопровержимо доказывают невозможность излучения тепла дном реки в мировое пространство, так как радиация холодного тела (соответствующая температуре 0°) полностью поглощается водою уже в тончайших слоях. Более длинные волны (> 20 µ.) по данным Drude поглощаются еще значительно сильнее, так что нет решительно никаких оснований для допущения существования каких-то особенно проницательных для воды тепловых волн. В дополнение к этому кривые Schmidt’a (рис. 2) показывают распределение по спектру энергии солнечных лучей, прошедших сквозь слой воды различной толщины. На глубине 100 см. спектр заканчивается уже на λ = 1.1µ, более длинные волны полностью поглощаются.

В виду этого теория донного льда, построенная на ложном допущении, не может быть признана правильной.

Рис. 2.
(увеличенное изображение)

Другой взгляд основан на предположении невозможности перехода воды в лед без предварительного переохлаждения ее, каковое, мол, трудно ожидать в придонной области реки. Поэтому еще Гей-Люссак отвергал самую возможность образования льда на дне, куда, по его мнению, он просто заносится с поверхности. Исходная предпосылка Гей-Люссака о невозможности переохлаждения воды в реке оказалась однако неверной и потому теория, лишенная почвы под ногами, едвали заслуживала бы большого внимания, если бы эту точку зрения не выдвинул в недавнее время J. Aitken. Поэтому на ней придется в дальнейшем остановиться несколько подробнее, отметивши здесь только то, что произведенные Aitken’oм опыты нельзя признать убедительными и доказывающими правильность идеи, положенной в основу теории.

То обстоятельство, что оба взгляда не были проверены на опыте и базировались на произвольных допущениях, противоречащих притом твердо установленным фактам, делало необходимым подойти к вопросу именно с опытной стороны. После того, как в 1915 г. мне удалось воспроизвести явление донного льда в лабораторных условиях, главное внимание было направлено на то, чтобы, пользуясь возможностью экспериментировать при известных и наперед задаваемых условиях, выяснить те основные факторы, которые играют в данном случае решающую роль.

При первоначальных опытах по замораживанию перемешиваемой воды в малых резервуарах, выставляемых на мороз, выяснилось, что в воде после того, как температура ее опускалась примерно на 0°,1C ниже нуля обыкновенно появлялись сначала еле заметные тонкие круглые пластинки в 1—2 мм. в диаметре совершенно прозрачные и с зеркальною поверхностью с обеих сторон. Перелив часть воды с такими элементами в химический стакан, можно было наблюдать эа их постепенным ростом, по мере медленного поднятия их вверх. Сохраняя свою круглую форму, они увеличивались до 7—8 мм. в диаметре и при благоприятных условиях могли увеличиваться в размерах еще больше. (Рис. 3).

Рис. 3. Элементы донного льда.

Из многочисленных опытов выяснилось, что превращение воды в лед практически происходит при температуре не в точности равной 0°, но несколько низшей. Лед появляется в воде, охлаждаемой в открытом сосуде на морозе, лишь после того, как она предварительно слегка переохладится. Такое предварительное переохлажение, хотя бы и весьма незначительное, всего на несколько сотых долей градуса, является необходимым и, как увидим дальше, существенным условием превращения жидкой фазы в твердую. При условии охлаждения воды в комнате при помощи охладительных смесей ее удается переохладить значительно сильнее (на несколько градусов ниже 0°). Объясняется это тем, что в первом случае вода не предохранена от эаноса из атмосферы кристаллика льда, присутствие какового в воде препятствует переходу ее в состояние сильного переохлаждения. Оттого в реках никогда не наблюдается сколько-нибудь значительного переохлаждения.

Обыкновенно предполагалось и в руководствах физики со времен Blagden’a (1788 г.) отмечалось, что вода может быть переохлаждена при условии, если она охлаждается весьма медленно и при этом находится в совершенно спокойном состоянии. Однако нужно иметь в виду, что существенным моментом является вовсе не медленность охлаждения и вовсе не спокойное состояние воды, а нечто другое, ибо опыты показали, что вода всегда может быть переохлаждена очень быстро, в течение даже нескольких минут, при том без какой-либо надобности оставлять ее непременно в спокойном состоянии, наоборот, она может быть при этом энергично перемешиваема и чем энергичнее тем даже лучше, и тем не менее она всегда и неизменно может быть охлаждена на несколько градусов ниже 0° при условии полного предохранения ее от соприкосновения с твердой фазой своей. Это является существенно важным условием, в то время, как медленность охлаждения и спокойное состояние являются лишь второстепенными обстоятельствами.

Далее, многочисленные и тщательно поставленные опыты показали, что переохлаждение может быть достигнуто не только при отсутствии льда, но также и при наличии его, с тем однако отличием, что эффект в последнем случае ничтожно мал (измеряется обыкновенно сотыми или даже тысячными долями градуса), зато может сохраняться долго, в течение многих часов, а в реках даже в течение суток и более. Вообще можно сказать, что вода до превращения в лед всегда переходит предварительно в переохлажденное состояние, более заметное при отсутствии твердой фазы и ничтожно малое и нелегко обнаруживаемое при наличии таковой.

Эти результаты лабораторных опытов, в полном согласии с которыми оказались результаты наблюдений в природе, представляют новое и важное дополнение к известным законам переохлаждения, давно установленным Blagden’oм, дополнение, проливающее свет на некоторые особенности ледяной проблемы и облегчающее их объяснение.

Естественным является теперь вопрос, почему вода до обращения в лед должна переходить предварительно в состояние хотя бы слабого переохлаждения. Из новых учений о кристаллизации (Tammann, Lehmann и др.) мы знаем, что процесс этот возникает не во всей массе жидкости сплошь, но лишь в отдельных точках внутри, где образуются сначала ядра или центры, вокруг которых только и происходит в дальнейшем кристаллизация, в то время как в остальной жидкости никакой кристаллизации не происходит. Ядра же эти образуются лишь при температурах более низких, чем точка плавления. Отсюда понятна необходимость переохлаждения, без которого кристаллизация даже и возникнуть вообще не может. В случае воды переохлаждение, необходимое для образования ядер, очень мало; оно измеряется, повидимому, сотыми долями градуса.

Рассматриваемое здесь переохлаждение необходимо для возникновения кристаллизации, но одного этого условия конечно недостаточно для того, чтобы раз начавшийся процесс мог продолжаться. Для этого необходимо обратить внимание на тепловые условия.

Известно, что переход вещества из одного аггрегатного состояния в другое неразрывно связан с изменением внутренней энергии системы, так как каждая из двух соседних фаз, находящихся при температуре перехода из одной фазы в другую (точке плавления или точке испарения), обладают различной по величине внутренней энергией, разность между которыми представляет так называемую скрытую теплоту. В виду этого для превращения одной фазы в другую, например, жидкой в твердую, недостаточно одного понижения температуры до точки плавления, необходимо дальнейшее отнятие тепла, соответствующее скрытой теплоте. Для воды это составляет 80 калорий на каждый грамм жидкости.

Следовательно, условиями, необходимыми для продолжения кристаллизации, являются не столько переохлаждение воды, важное для возникновения кристаллизации, сколько факторы, обеспечивающие сильную теплопотерю воды. Факторы, обусловливающие калорическую сторону процесса, являются поэтому решающими и определяющими самый характер кристаллизации (бурный или медленный).

По выяснении лабораторным путем условий превращения воды в лед, необходимо было произвести аналогичные изыскания в природных условиях. С этой целью в течение ряда лет были организованы, сначала Обсерваторией, затем Рос. Гидрологич. Институтом, систематические циклы наблюдений, включающие не только донный лед, но и все метеорологические и гидрологические элементы. Наблюдения производились на p.p. Неве и Свири, отчасти на Ладожском озере.

В нашем распоряжении имелись, кроме метеорологических приборов и самописцев, еще следующие приборы:

1) Выписанный из Лондона электрический термограф Календера (точность измерения 0°.02 С).

2) Набор ртутных термометров высшей чувствительности (точность измерения 0°.002 С).

3) Специально сконструированный прибор для точных измерений температуры воды непосредственно в реке как в дневное, так и в ночное время (точность измерения 0°.002 С). Определение поправок всех приборов и самые измерения в реке производились со всеми необходимыми и достаточными предосторожностями для обеспечения надежности показаний, соответствующих точности приборов.

Кроме того в нашем распоряжении находился один пароход, баржи и штат водолазов. Систематические температурные измерения производились в различных точках речного профиля (поперечного и продольного). В наиболее интересные периоды наблюдения производились ежечасно в течение круглых суток. Приемник термографа опущен был в реку на глубину 12 метр., так что прибор давал непрерывную запись температуры придонного слоя воды.

На основании собранного таким образом обширного материала наблюдений, можно было придти к следующим заключениям относительно температурных условий в реке. Распределение температуры по глубине можно считать однородным лишь в первом приближении. При более точных промерах оказывается, что распределение температуры представляет довольно пеструю картину. В виду недостаточно основательного перемешивания всех слоев воды, в различных точках профиля наблюдаются обыкновенно легкие уклонения температуры в ту или другую сторону от среднего ее значения, доходящие иногда до 0°,4 С. Уклонения эти (положительные и отрицательные) распределяются по профилю самым прихотливым образом, без какой-либо закономерности, нередко даже вопреки статически-устойчивому распределению плотностей, так как менее плотные слои оказываются расположенными ниже более плотных. Картина такого распределения температуры с течением времени подвергается непрерывному изменению, в виду непостоянства турбулентного состояния реки.

Осенью, по мере приближения температуры к 0°, амплитуда уклонений постепенно убывает и измеряется уже сотыми долями градуса. Такая неоднородность (второго порядка) сохраняется даже и во время ледохода, причем отрицательные уклонения относятся к слоям переохлажденной воды. Непосредственными наблюдениями было установлено, что слои с переохлажденной водой могут быть обнаружены на различных глубинах, не исключая придонного слоя.

В периоды, когда вода в реке бывала переохлаждена, можно было наблюдать зарождение мелких чешуек льда повсюду внутри воды и на поверхности подводных предметов (Рис.4), а также и на выступах дна. Эти элементы льда были совершенво тождественны том, какие наблюдались в лабораторных условиях. При этом переохлажденное состояние воды в реке подобно тому, как и в лабораторных условиях, не уничтожалось, но могло сохраняться в течение многих часов, даже в течение целых суток, несмотря на присутствие льда в воде и несмотря даже на непрерывное выделение все новых порций его. Это важное обстоятельство было подтверждено с несомненностью многократными наблюдениями в течение целого ряда лет.

Рис. 4. Термометр вместе с оправой, покрытые донным льдом.

Таким образом наблюдения в природе оказались в полном согласии с результатами лабораторных опытов, как в отношении самого факта переохлаждения воды ⁵), так и в отношении порядка его величины, а также в отношении возможности сохранения такого состояния в течение долгого времени, притом при наличии твердой фазы, а также при непрерывном образовании новых порций ее.

Имея в виду вышеизложенные результаты и высказанные в связи с этим соображения, необходимо теперь остановиться на высказанном в 1917 г. взгляде Aitken’а ⁶), пытающегося воскресить древнюю теорию Гей-Люссака, высказанную 90 лет тому назад, когда сведения не только о донном льде, но и о процессах кристаллизации вообще были крайне скудны. Несмотря на то, что предположения Гей-Люссака о невозможности переохлаждения в реке опровергнуты наблюдениями, Aitкеn отвергает возможность образования льда на дне на том основании, что, по его мнению, переход воды в лед возможен только после предварительного сильного переохлаждения воды в несколько градусов; так как такого сильного переохлаждения в придонной области нельзя ожидать, то поэтому лед образоваться там не может, — он просто заносится с поверхности. Опыт и наблюдения показали неосновательность предположения Aitken’a: для перехода воды в лед вовсе не требуется столь сильного переохлаждения, достаточно даже ничтожного переохлаждения при условии соприкосновения воды с твердой фазой.

Если же исходная предпосылка Aitken’a неверна, то неверен также и сделанный им вывод, тем более, что он не объясняет целого ряда фактов, противоречащих его теории. Факты же эти следующие:

1) В закупоренных и опущенных на дно реки бутылках и батометрах находили лед, который не мог быть занесен с поверхности.

2) На дне рек и озер находили большие, в несколько дюймов пластинки совершенно чистого и прозрачного льда, которые, в виду их размеров и меньшей плотности, чем вода, явно не могли быть занесены с поверхности.

3) Опущенные на дно корзины покрывались пластинчатым льдом, характер примерзания которого свидетельствовал о том, что он выкристаллизовался на месте.

4) В колодцах Ленинградского водопровода рамы с сетками оказывались иногда затянутыми сплошь пленкой прозрачного льда, каковая, в виду значительных размеров ее (са. 2 м.²), безусловно не могла быть занесена с поверхности, но образовалась на месте, на что указывал также и характер обмерзания сетки с обеих сторон.

Эти факты, необъяснимые с точки зрения Aitken’a, легко и естественно могут быть объяснены, если исходить из современных воззрений о кристаллизации и из новых результатов произведенных лабораторных опытов. Сомневаться в факте внутренней кристаллизации и настаивать на заносе льда с поверхности можно лишь по недоразумению. Опыты показали, что при наличии твердой фазы и при условии отнятия от жидкости тепла, кристаллизация происходит вопреки мнения Aitken’a, но в полном согласии с учением Tammann’a, при любой степени переохлаждения. С другой стороны, наблюдения неопровержимо установили факт переохлаждения в реках не только на поверхности, но и в более глубоких слоях, не исключая также и придонного.

Поэтому в настоящее время нет никаких препятствий на пути к установлению правильного взгляда на природу донного льда, взамен господствовавших до сих пор двух взаимно исключающих точек зрения, не обоснованных фактами и базировавшихся на произвольных допущениях.

Для того, чтобы несостоятельность обеих точек зрения выступила с особенной рельефностью и стала вполне очевидной для всех, был проделан еще один опыт (из целого ряда других) по воспроизведению донного льда в лабораторной обстановке при условиях, гарантирующих безусловную невозможность, как заноса льда с поверхности, так и участия лучеиспускания со дна. Постановка опыта была следующая. Стеклянный сосуд с водою, экраном и камнями на дне его устанавливался на один или двое суток в холодном помещении, температура которого колебалась в узких пределах между 0° и —0°,1 С, что проверялось при помощи установленного здесь термографа. После того, как содержимое сосуда принимало температуру в несколько сотых долей градуса ниже 0°, через трубку вносился в нижнюю половину сосуда кусочек льда, затем некоторое время вода перемешивалась мешалкой и оставлялась потом в покое. Вскоре можно было заметить на поверхности камней сначала появление отдельных элементов льда, подобных описанным выше, постепенное увеличение их размеров и затем массовое обрастание камней слоем рыхлого льда, словно мхом.

Из этого опыта явствует с полной очевидностью, что образование донного льда происходит действительно in situ на поверхности камней без какого-либо участия льда с поверхности (какового там не было вовсе), а также без участия теплового излучения, так как температура стен помещения и сосуда с камнями была одинакова.

Результаты многолетних наблюдений в природе показывают, что в реках в придонной области могут осуществиться температурные условия подобные тем, какие имели место в вышеописанном опыте. С наступлением переохлажденного состояния в реке стоит одному только кристаллику попасть из атмосферы в воду, как он даст повод к зарождению внутри переохлажденной воды очень многих ядер кристаллизации, которые, попадая в нижележащие слои, дадут повод к образованию там новых партий ядер и т. д., пока такой процесс заражения воды не распространится до дна, где образовавшиеся точно таким же образом ядра на поверхности дна и служат теми центрами, вокруг которых затем и продолжается кристаллизация, приводящая, в зависимости от того или иного сочетания весьма различных факторов, либо к образованию пластинчатого льда, либо рыхлого на подобие мха, либо льда плотной зернистой структуры. Таким образом один кристаллик из атмосферы, попавший в переохлажденную воду, заражает ее всю и делает способной к кристаллизации. Ostwald нашел, что для этой цели достаточно одной сотой мгр. вещества.

Выше уже отмечалось, что при наличии твердой фазы кристаллизация может начаться при сколь угодно слабых переохлаждениях, но для продолжения кристаллизации необходимо, помимо переохлаждения, прежде всего и главным образом отнятие от воды тепла, соответствующего скрытой теплоте. Без этого невозможна длительная кристаллизация в воде с ничтожным переохлаждением.

Поэтому решающими факторами, определяющими характер кристаллизации (бурный или медленный), являются те, которые обеспечивают унос теплоты кристаллизации и интенсивную теплоотдачу воды вообще.

В прежних теориях обыкновенно не обращалось внимания на калорическую сторону проблемы, являющуюся в действительности весьма важной, в виду того, что в ней, повидимому, лежит ключ к пониманию многих особенностей донного льда, объяснить каковые прежние теории оказывались не в состоянии. Так Smellie и Watt ⁷), давая обзор современного положения вопроса о донном льде в дополнение к вопросу, поставленному еще в первой половине прошлого века (почему в реках лед образуется то на поверхности, то на дне), ставят новый вопрос о причине редкости этого явления для некоторых водоемов, в частности например: для о. Lochrutton (на юге Шотландии) — всего один случай (в 1917 г.) за последние 45 лет, несмотря на то, что бывали зимы гораздо более суровые и более продолжительные, чем в 1917 г. Дальше мы увидим, что не суровость и продолжительность зимы являются решающими моментами, а нечто другое.

С выяснением редкости этого явления, мне пришлось иметь дело применительно к Ленинградскому водопроводу, берущему воду из р. Невы. Здесь можно было также отметить редкость случаев грандиозного образования донного льда, повлекших за собою прекращение водоснабжения Ленинграда. Таких случаев за последние 40 лет было всего два, а именно 8 декабря 1894 г. и 14 декабря 1914 г. ⁸) Анализ всей совокупности обстоятельств, при которых произошли эти случаи, приводит к заключению, что лишь редкое, имевшее место только в упомянутые годы и дни, совпадение во времени всех благоприятных обстоятельств, обеспечивших особенно мощную теплопотерю реки, привело к образованию льда по всему дну Невы и к закупорке водопровода. Главным обстоятельством было внезапное очищение Невы от льда в районе водопровода, благодаря случившимся именно накануне упомянутых дат заторам льда выше водопровода. Благодаря тому, что обнажение Невы случилось при погоде, особо благоприятной для сильного охлаждения и при условии подготовленности реки к выделению льда, создалась редко случающаяся в этом районе обстановка, аналогичная той, какая создается ежегодно в порожистых участках северных рек и благодаря которой донный лед образуется там ежегодно. Такому редкому совпадению по времени всех необходимых условий, имевшему место только в упомянутые годы, обязана редкость замерзания Невы снизу, каковое случается на той же реке в районе Ивановских порогов ежегодно, потому что совокупность необходимых условий там осуществляется ежегодно.

Обнажение реки в ледоходный период важно потому, что оно вызывает резкое изменение калорического режима в смысле значительного увеличения теплопотери, которая при наличии льда чрезвычайно ослаблена ⁹) и не может достигнуть сколько-нибудь значительных размеров даже при самой суровой погоде. Во время ледохода решающим фактором, определяющим мощность теплопотери является не столько суровость погоды, сколько степень обнажения реки. Наличие одной только суровой погоды еще не обеспечивает максимума теплопотери, который достигается только при условии полного обнажения (очищения от льда) водной поверхности.

Ярким и убедительным по своей доказательности примером важной роли факта обнажения реки может служить зима 1924—26 г., примечательная тем, что Нева в некоторых частях своих оставалась открытой в течение всей зимы (чрезвычайно редкий случай), благодаря чему ряд фабрик и заводов именно в эту зиму и только в эту зиму испытывал большие затруднения и перебои в работе, вследствие закупорки приемных труб своих водопроводов. Не даром через всю литературу о донном льде красной нитью проходит неизменное указание наблюдателей, что на дне образуется лед лишь тогда, когда его нет на поверхности. С другой стороны, всем известен факт ежегодного образования донного льда на северных реках, именно в порожистых и незамерзших в течение зимы участках. Поэтому и для озер фактором, обеспечивающим интенсивную теплопотерю и благоприятствующим образованию донного льда, является, помимо суровой погоды, сильный ветер, дующий именно с берега, уносящий поэтому в озеро лед из прибрежной полосы и обнажающий вследствие этого поверхность воды. Такую роль ветра мне удалось проверить для Ладожского озера, на котором донный лед образовывался при суровой погоде преимущественно в периоды, когда дул ветер с берега на озеро (например — в южной части озера при южном ветре ¹⁰).

Резюмируя вышеизложенное, приходится сказать, что:

1) В виду значительности скрытой теплоты для воды (80 калорий), переход жидкой фазы в твердую неразрывно связан с необходимостью отнятия от воды соответственно больших количеств тепла. Факторы, регулирующие процесс теплоотдачи, управляют поэтому процессом образования льда.

2) Возникновение кристаллизации обусловленно предварительным созданием в воде необходимых условий, без чего превращение в лед не происходит даже при условии понижения температуры ниже 0° и перехода воды в переохлажденное состояние, из какового она легко может быть выведена путем внесения затравки (кусочка льда).

3) Опыты показали, что при условии предохранения воды от соприкосновения с твердой фазой, она может быть всегда переохлаждена на несколько градусов ниже 0° (без необходимости при этом медленного охлаждения и без необходимости обеспечения спокойного состояния ее), в противном случае она может быть переохлаждена лишь весьма незначительно (<—0°,1 С).

4) В реках вода естественно не может быть предохранена от соприкосновения с твердой фазой, поэтому здесь возможно лишь весьма слабое переохлаждение, каковое оказывается однако вполне достаточным для возникновения кристаллизации (наблюдениями подтверждено).

5) Кристаллизация в слабо переохлажденной жидкости происходит не сплошь во всей массе, но только в тех точках ее, где предварительно образуются ядра, вокруг которых только и происходит дальнейшая кристаллизация (Tammann).

6) По исследованиям Tammann’а ядра образуются только в переохлажденной жидкости, поэтому только в такой жидкости может возникнуть кристаллизация вообще. Последнее обстоятельство подтверждается лабораторными опытами и наблюдениями в природе. В виду этого переохлаждение представляет безусловно необходимое условие для возникновения кристаллизации вообще, и так как оно при благоприятных обстоятельствах выполняется в различных точках речного профиля, не исключая также и придонной области, то здесь имеется полная возможность для образования ядер, каковые в действительности и образуются и дают начало для кристаллизации вокруг этих центров, продолжающейся затем с большею или меньшею интенсивностью, в зависимости от интенсивности уноса теплоты кристаллизации и общей теплоотдачи реки.

7) Если при наступлении благоприятных условий образовавие льда на поверхности воды по каким-либо причинам внешнего порядка (тем не менее) затруднено, то элементы льда во множестве образуются внутри воды, на поверхности подводных предметов, в частности на выступах дна, одним словом повсюду, где имеется возможность для образования ядер.

8) Один кристаллик из атмосферы, попавший в переохлажденную воду заражает ее всю и делает способной к кристаллизации. W. Ostwald нашел, что для этой цели достаточно примерно одной сотой мгр. твердой фазы.

9) Отсутствие льда на поверхности именно гарантирует (при благоприятной погоде) максимальную теплопотерю воды, и упомянутый процесс массового выделения льда внутри ее становится при этих условиях фактически неизбежным. Напротив, благоприятное состояние одной лишь погоды, при наличии ледяного покрова, чрезвычайно ослабляющего теплоотдачу, не обеспечивает интенсивной теплопотери. Поэтому обнаженность реки (или озера) играет выдающуюся роль и во многих случаях решает вопрос, образуется ли лед на дне или нет.

10) Там, где такое совпадение по времени всех необходимых обстоятельств случается редко, там и массовое образование донного льда наблюдается редко (Нева в районе Ленинграда, о. Lochrutton на юге Шотландии). Наоборот, где такое совпадение случается ежегодно, например, в порогах северных рек, там это явление обычно и происходит ежегодно (в течение всей зимы).

11) В свете развитых здесь представлений природа донного льда и ряд его особенностей находят себе естественное объяснение, подтвержденное также и на опыте и стоящее в полном согласии с учением об аггрегатных состояниях и о процессах кристаллизации.

12) Господствовавшие до сих пор два взгляда на донный лед, исключающие друг друга, не в состоянии объяснить ряда фактов и особенностей донного льда, при этом они основаны на произвольных допущениях, не только не проверенных на опыте, но стоящих в полном противоречии с твердо установленными положениями в науке. Поэтому они являются излишними и, в виду своей несостоятельности, подлежащими замене более удовлетворительной теорией.