池塘和湖泊會結冰，海為什麼不容易結冰？
― 變冷的海水不會停在表面，而是往下沉
「因為海水是鹹的」這個答案，只對了一半。鹽只會讓結冰溫度降低約 2℃。真正有影響的，是變冷的海水會變重而下沉。因此海不能只有表面變冷，得連很深的地方一起冷下來，才有辦法開始結冰。
寒冬的早晨，公園的池塘結了一層薄冰。附近田裡的水窪，也凍成了白色。
同一天到海邊去，海面一如往常地捲起波浪。明明氣溫同樣在零度以下，卻完全看不到冰。
如果小朋友問你：「為什麼海不會結冰？」你會怎麼回答？只說「因為是鹹的」，就漏掉了重要的另一半。
海不容易結冰，只有 2 個理由
水裡溶了東西，就比較不容易結冰。一般海水開始結冰的溫度不是 0℃，而是大約 −1.9℃。
在池塘裡，變冷的水會浮在表面直接結冰。在海裡，變冷的水會變重而下沉，和下面的水交換位置。海要結冰，整個混合在一起的水層都得冷透才行。
第 1 點很多人都知道。但如果只差 2℃，寒冷地區的海每年冬天應該都會輕易結冰。影響比較大的是第 2 點。
池塘是從「蓋子」開始結冰，海則要等「整個鍋子」都冷下來
純水有個有點特別的性質。冷卻的時候，在 4℃ 最重，再冷下去反而會變輕。
冬天的池塘，會先整體冷卻到 4℃ 左右。之後表面的水就算再變冷，因為比較輕，也不會下沉。表面形成一層薄薄的冷水，只有這一層會降到 0℃ 而結冰。要結冰的只有「蓋子」那一部分就夠了。
但是，只要溶進了鹽，情況就不同了。鹽越多，水最重的溫度就越低。鹽分超過約 2.5％，這個溫度就會低於結冰溫度。一般海水的鹽分約 3.5％，明顯超過了這個分界。
也就是說，海水直到快要結冰之前，都維持著「越冷越重」的狀態。表面變冷的水馬上下沉，下方稍微溫暖的水則升上來。拖動圖 1 的滑桿，就能看到這個交換的分界。
海在結冰之前，發生了什麼事？
冷風吹過海面，變冷的海水會下沉，下方的水則升上來。這種交換會一直持續到鹽分或溫度急遽變化的深度。到那裡為止的水層稱為「混合層」，依地點和季節不同，據說厚度從數十公尺到數百公尺不等。
在池塘裡，要冷卻的只有表面薄薄一層。在海裡，卻得把深 100 公尺的水整個冷卻到 −1.9℃，表面才會結冰。需要冷卻的水量，多得天差地遠。圖 2 把池塘和海的差別並排畫出來。
即使如此，北極、南極的海，以及北海道的鄂霍次克海沿岸，海還是會結冰。在鄂霍次克海，大河流入的淡水在表面形成一層鹽分較低的水層。這層淡水的下方鹽分會急遽變濃，因此據說混合的深度被壓得很淺。需要冷卻的水較少，所以北海道沿岸被認為是北半球能看到流冰的最南邊地區之一。
海水結冰時，是水分子先排列成冰，大部分的鹽會被擠到外面。所以海冰（海冰）的鹽分比原本的海水低得多。被擠出來的濃鹽水很重，會往下沉。這被認為是推動全球深海洋流的力量之一。
總結
海不容易結冰，有兩個理由：鹽讓結冰溫度降到約 −1.9℃，以及變冷的海水會下沉。池塘只要表面一層薄薄的水變冷就能結冰。但海必須把一路混合到深處的整個水層都冷透，表面才結得出冰。「因為是鹹的」只是入口，真正的答案是「因為變冷的水會下沉」。
池塘，只要蓋子變冷就會結冰。
海，要整個鍋子都變冷才結得了冰。
純水在 4℃ 最重，這在湖裡會造成什麼樣的季節變化，詳見〈湖水為什麼一到秋天，上下層就會對調？〉。鹽讓結冰溫度下降的原理，請看〈在冰上撒鹽，為什麼會比 0℃ 還冷？〉；海為什麼是鹹的，也請看〈海水為什麼是鹹的？〉。
- 準備 2 個形狀相同的杯子，一個只裝水，另一個裝 200mL 的水和略多於 1 小匙的鹽（約 7g，濃度和海水差不多）。
- 把 2 杯並排放進冷凍庫，每 30 分鐘看一次表面。純水應該會先從表面開始結冰。
- 鹽水結冰後，舔一點快融化的冰。最先融出來的水是鹹的，而剩下的冰有時鹹味比想像中淡。
杯子很淺，無法重現海那樣深層的混合。能確認的是「結冰溫度會下降」和「鹽會被擠出冰」這 2 點。要吃進冷凍庫裡的東西時，請使用乾淨的杯子和食用鹽。
給想知道更多的人 ― 用語、算式、與課本的關聯明確標示內容屬於國中自然到大學專業課程的哪個程度
- 國中國中自然課會學到的範圍
- 高中高中「化學」「地球科學」會學到的範圍
- 高中＋高中的進階內容，或課本專欄的內容
- 大學高中不會學，大學專業課程（海洋物理學、物理化學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教，研究者目前還在探究的議題
國中用語：這個現象有名字
- 凝固點下降：水中溶了東西，開始結冰的溫度（凝固點）就會下降的現象。
- 最大密度的溫度：水最重（密度最大）的溫度。純水約為 4℃。
- 混合層：從海面往下，因變冷的水下沉或波浪而上下充分混合的那一層。
- 海冰：海水結凍形成的冰。離開岸邊漂流的稱為流冰。
國中高中用算式確認：海水的結冰溫度，以及冷卻所需的天數
首先，用算式求出海水的結冰溫度會降到多低。接著，估算把混合層冷卻 1℃ 需要幾天。
| 用符號寫 | ΔT ＝ Kf × m （加上 Q ＝ M × c × Δθ） |
| 用文字寫 | 結冰溫度的下降幅度 ＝ 由溶劑種類決定的常數 × 每 1kg 水中溶解的粒子數（莫耳）。冷卻所需的熱 ＝ 水的質量 × 比熱 × 降低的溫度 |
| 這個式子從哪來 | 溶解的粒子會稀釋水分子「結冰的容易程度」，這個效果與溶質的種類無關，只由粒子數決定（稀薄溶液的性質）。熱的式子則來自能量守恆 |
| 水的凝固點下降常數 Kf | 1.86 ℃・kg/mol |
| 海水中溶解的粒子（離子）總量 m | 每 1kg 水約 1.0 莫耳 |
| 混合層的厚度（此處的假設） | 100 m |
| 1 立方公尺海水的質量 | 約 1000 kg |
| 水的比熱 c | 約 4200 J/(kg・℃) |
| 寒冬強烈寒氣下從海面散失的熱（此處的假設） | 每平方公尺每秒 200 J |
| 結冰溫度的下降幅度 | 1.86 × 1.0 ＝ 1.86（℃） |
| 1 平方公尺海面下方混合層的水質量 | 100 × 1000 ＝ 100000（kg） |
| 把這些水冷卻 1℃ 所需帶走的熱 | 100000 × 4200 ＝ 420000000（J） |
| 所需時間（秒） | 420000000 ÷ 200 ＝ 2100000（秒） |
| 換算成天數 | 2100000 ÷ 86400 ≒ 24（天） |
結冰溫度是 0 − 1.86，也就是約 −1.9℃，和實際海水的值相符。而且厚 100m 的混合層，即使在強烈寒氣下，冷卻 1℃ 也要花 3 週以上。池塘表面幾公分的水，一晚就可能結冰。這個水量的差距，就是「海不容易結冰」的真相。
高中高中＋由粒子數決定的性質，與隨鹽改變的密度
高中凝固點下降和沸點上升、滲透壓一樣，都是「依數性質」之一。它的大小不取決於溶了什麼，而是由粒子數決定。食鹽在水中會分成 2 個離子，所以效果大約是相同莫耳數砂糖的 2 倍。
高中＋圖 1 的 2 條線，都是隨鹽分大致成比例下降的近似。結冰溫度每 1％ 鹽分約降 0.54℃，水最重的溫度每 1％ 約降 2.2℃。後者的斜率較大，所以 2 條線在鹽分約 2.5％、約 −1.3℃ 處相交。
大學海冰的形成與溫鹽環流
在海洋物理學中，海面冷卻造成的下沉被當作「對流」處理，混合層的深度由冷卻強度、風和鹽分層的結構決定。像鄂霍次克海這種表層鹽分低的海，密度的落差（鹽躍層）會把對流壓在淺處。海冰形成時被擠出的濃鹽水（鹵水）會下沉，在南極周邊等地成為深層水的來源。這是被稱為「溫鹽環流」的全球海洋環流的一部分。
📖 算式的推導與更進階的內容：凝固點下降（維基百科） ／ 溫鹽環流（維基百科）
研究目前還不清楚的事
- 海冰減少後，深海的洋流會怎麼變。 海冰形成的量減少，下沉的濃鹽水也會減少。深層環流會減弱多少，目前正透過觀測和計算兩方面研究。
- 鄂霍次克海海冰的未來。 長期來看，流冰量被認為有減少的趨勢，但每年的變動也很大，河水和風的變化會造成什麼影響，研究仍在持續。
- 冰中的鹽水通道。 海冰裡會留下像網眼一樣細細的鹽水通道。這些通道的形狀如何影響熱和生物的生活，目前還沒有很詳細的了解。
所以這篇文章的內容，也只是「就目前所知範圍內的說明」。尤其是海冰與氣候的關係，是今後數值可能改變的領域。
與課本的關聯（依程度分類）
| 程度 | 科目、單元 | 對應本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然・狀態變化與密度 | 水在 4℃ 最重、變冷的水會下沉 |
| 高中 | 化學・稀薄溶液的性質 | 用凝固點下降的式子算出 −1.9℃ |
| 高中＋ | 地球科學・海洋的構造 | 混合層、隨鹽分改變的最大密度溫度 |
| 大學 | 海洋物理學 | 對流、鹽躍層、溫鹽環流 |
| 研究 | 氣候與海冰的研究 | 海冰減少與深層環流 |
| ― | 與生活的連結 | 冬天的海邊風景、流冰觀光、冷凍庫實驗 |
- 維基百科（日文版）「凝固点降下」（凝固點下降）
- 維基百科（日文版）「海氷」（海冰）
- 維基百科（日文版）「流氷」（流冰）
- 維基百科（日文版）「熱塩循環」（溫鹽環流）
- 国立天文台（National Astronomical Observatory of Japan，日本國立天文台）編《理科年表》丸善出版（海水的物性）
※本文是為一般讀者所寫的科學解說。文中的數值只是幫助理解原理的概略估計。混合層的厚度與從海面散失的熱，會依地點、季節和天氣而大幅改變。