В поисках разумного объяснения причин осеннего ледохода я перепробовал немало гипотез: и своих, и чужих. Первое, что явилось на ум, подводный лед – это вода, в которой растворено что-то особенное. Однако физика разрушила это скороспелое предположение. Есть законы термодинамики, а они говорят, чем больше солей растворено в воде, тем ниже температура ее замерзания. Поэтому-то морская вода и замерзает только при отрицательной температуре… Физические законы не обойти.
Тут могло бы пригодиться еще одно мое «дорожное» наблюдение, но оно пригодилось не сразу, хотя тоже указывало на разгадку тайны подводного льда. Жители высоких широт не потребляют речной лед для приготовления пищи. На Севере принято брать для этого озерный лед или снег… Что же за вода такая намораживается у дна? И почему у дна, а потом всплывает на поверхность? Камни, коряги, лежащие на дне, осенью кажутся белыми от рыхлого осеннего льда. Смотришь на ветку или пень, а они будто под снегом. Под подводным снегом!
«Может быть, вечная мерзлота виной всему», – подумал я.
Нет… Не всюду всплывают осенние льдины, где есть мерзлота. И «подводный снег» не везде на Севере увидишь. Хотя, конечно, влияние мерзлоты сказывается. Не будь ее, не увидел бы осеннего ледохода. На южных реках его нет. Значит, скорее всего, мерзлота влияет на какие-то процессы, которые протекают и в несеверных реках, но протекают там слабо, почти незаметно.
Какие же это процессы? Или процесс?
Пожалуй, все-таки процесс! Фазовый переход. Ледообразование. Мерзлота убыстряет его. Поэтому мы видим осенние льдины на северных реках и не видим их на южных. Строго говоря, на юге «осенний ледоход» тоже есть, но идет он подо льдом и скрыт от взоров наблюдателя, внутриводный лед, как известно, встречается и там. На Неве, например.
Однако ответ на главный вопрос найти не удавалось, пока не предположил, а что если в речной воде находится какая-то другая вода. Та, что превращается в лед именно у дна и больше нигде. Ведь все тяжелые частички в воде стремятся вниз, ко дну, так велят им силы гравитации… Тяжелая вода? А почему бы и нет.
Тяжелая вода – это изотопная разновидность воды. В ней вместо обычного водорода (протия) присутствует его изотоп – дейтерий, а он вдвое тяжелее. Известны десятки изотопных разновидностей воды. Они различаются между собой. Теоретически можно встретить даже сотни «сортов» воды. Но только теоретически. Не все изотопы водорода и кислорода известны науке, тем более некоторые из них недолговечны. Всего у водорода может быть пять изотопов, ныне открыты два – дейтерий и тритий. Оба получаются из протия.
Значит, в природе есть протиевая (обычная), дейтериевая (тяжелая) и тритиевая (сверхтяжелая) вода. Но тритий редок, это нестабильный изотоп, поэтому сверхтяжелой воды почти не бывает. По одним расчетам выходит, ее несколько литров на планете, а по другим – несколько наперстков. В общем, не известно сколько.
Правда, метеорологи отметили, трития в природе прибавилось, особенно в 50-х годах, когда испытывали атомное оружие в атмосфере. То был тритий техногенного происхождения, он – следствие повышенной радиации.
Надо заметить, в природе дейтерий и тритий получаются из протия под воздействием радиации, но космической. Нейтрон, попадая в водную среду, может быть захвачен атомом протия… Процесс этот сложный, его изучает физика элементарных частиц, но упрощенно он выглядит именно как «захват». Получив нейтрон космического происхождения, атом протия становится тяжелее, и с этого мгновения он уже называется дейтерием. Если к нему попадет еще один нейтрон, то атом станет тяжелее, и называться будет тритием. Атомная масса у протия 1, у дейтерия 2, у трития 3.
Мировой океан, ледники, атмосферная влага – вот природные «фабрики тяжелой и сверхтяжелой воды». «Фабрики», которые работают каждый год, каждый час, каждый миг.
Если мы откроем водопроводный кран, то и там не будет однородной воды, а будет радиоизотопная смесь. Причем молекул, содержащих дейтерий (D2O и HDO), будет немного – по массе что-то около 150 граммов в пересчете на тонну простой воды… Получается, тяжелая вода всюду – в каждой капле, и каждой луже! – проблема в том, как увидеть ее.
150 граммов на тонну это уже что-то… Много или мало? Как оценить. 0,015 % – цифра невелика, чтобы говорить о ее весомости. И тем не менее. Проведем простейший опыт. В стакан с водой бросим кристаллик марганцовки, вообразив, что марганцовка имитирует тяжелую воду… Вода окрасилась, наглядный получился опыт. А ведь несколько крупиц марганцовки – это еще не 0,015 %.
Существование дейтерия предсказал Э. Резерфорд, то было одно из выдающихся открытий, которые относятся к категории «открытий на кончике пера». А уже в 1932 году Гарольд Юри объявил миру на новогоднем собрании Американской ассоциации развития науки об открытии им тяжелого водорода – дейтерия. За это выдающееся достижение ученый был отмечен Нобелевской премией 1934 года.
Потом узнали о тяжелой воде, о ее свойствах. Оказывается, плотность ее на 10 % больше, чем обычной. Максимальная плотность бывает при температуре плюс 11 градусов.
Но самым главным отличием тяжелой воды мне показалось то, что она замерзает при положительной температуре, то есть плюс 3,81 градуса! Допустить, что именно тяжелая вода собирается в осенних льдинах, соблазнительно, не противоречило бы законам физики, фазовый переход при температуре, что на дне осенней реки, возможен. Некоторое количество льда обязательно получится.
Однако разочарование уже поджидало меня. Научная литература сообщала, что тяжелой воды (D20) в природе нет. Вернее, почти нет. Дейтерий в природной воде находится в молекулах, включающих в себя один атом кислорода, один атом протия и один атом дейтерия (НDО). У этих «гибридных» молекул свойства иные, чем у тяжелой воды, «гибриды» на 5 процентов тяжелее обыкновенной воды.
Разочарование не обескуражило, а заставило углубить поиск, расширить свои знания, не отчаиваться, идти вперед, изучать специальную литературу. И думать, думать, думать… Конечно, трудно, но надо было искать, ведь при желании можно самостоятельно освоить даже китайский язык.
Узнал, как получают тяжелую воду. Известные технологии требуют больших затрат энергии и дорогостоящего оборудования. Кстати, производительность их невелика… И вот находка, подарившая надежду.
Если сопоставить физико-химические данные (это узкоспециальный вопрос, останавливаться на нем не буду), то получится: при понижении температуры в природной воде количество молекул тяжелой воды увеличивается. А количество «гибридных» молекул, наоборот, уменьшается. Это следствие ассоциации и диссоциации молекул, то есть физического процесса, обязательного при понижении температуры. Так вещество готовится к фазовому переходу из жидкого состояния в твердое.
В реке этот процесс и начинается осенью, он изменяет водородные связи, а с ними – структуру воды: появляются удвоенные или утроенные молекулы. Это и есть процесс зарождения льда – кристаллического тела… Процесс таинственный, он разделяет водный раствор, и вода обретает свойства жидкого кристалла. Иначе говоря, она находится в некой пограничной зоне – уже не вода, но еще и не лед.
В этом процессе соединения дейтерия ведут себя, как братья в трудную пору – они объединяются. Число «гибридных» молекул уменьшается, а «чистых» дейтериевых растет! Когда созреют условия для фазового перехода, дейтериевые молекулы первыми реагируют – у дна водоема появляются кристаллы «тяжелого» льда. Эти кристаллики могут слипаться между собой и образовывать «плавающие» снежинки. Могут таять и вновь появляться в воде, более крупными кристаллами. Они не могут одного – всплыть. Потому что их плотность больше, чем плотность воды в придонной зоне водоема.
Течение понесет образовавшиеся кристаллы, «прилепит» их к ядрам сбора, то есть к корягам, камням на дне, словом, к любым преградам, встречающимся на пути. Постепенно кристаллов тяжелой воды на преградах соберется все больше, они облепят преграды и образуют белые льдины. Если преграда подвижна, то по дну реки будут кататься шары. Хрупкие ледяные шары, похожие на степное растение перекати-поле… Водолазы встречали шарообразные льдины, их катило течение замерзающей северной реки.
Почему всплывают подводные льдины? Потому, что они сложены не только из кристаллов тяжелой воды, но и простой воды, которая присутствует между хаотически намерзшими кристаллами. Такую воду называют кристаллизационной. Она и придает плавучесть подводным льдинам…
Теперь в моих рассуждениях вроде бы не было изъянов, все сложилось в мозаичную картину: фазовый переход, кристаллы, подводные льдины, состоящие из нагромождения кристаллов. Но известен ли в природе «бесформенный» лед?
Без особых надежд открываю книгу по гляциологии, чтобы узнать, какие бывают структуры льда, хотя со школы помню, лед – это кристаллическое тело. Наконец нахожу то, что не надеялся найти: «Подводный лед имеет весьма разнообразные формы. Как правило, он слагается кристаллами с хаотической ориентировкой». Эврика!
