池塘和湖泊會結冰，海為什麼不容易結冰？
― 冷卻的海水不會留在表面，而是往下沉
「因為海水是鹹的」這個答案，只對了一半。鹽只會讓結冰溫度下降約2℃。真正有影響的是，冷卻的海水會變重而下沉。因此海不只表面，連深處也要一起冷下來，才能開始結冰。
隆冬的早晨，公園的池塘結了一層薄冰。附近田裡的水窪，也凍得一片白。
同一天到海邊，海面和平常一樣波浪起伏。氣溫同樣在零下，卻看不到任何冰。
如果孩子問你：「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個原因
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，冷卻的水會浮在表面直接結冰。在海裡，冷卻的水變重後會下沉，和下方的水交換位置。海要結冰，整個混合在一起的水層都得冷透。
第1點很多人都知道。但只差2℃的話，寒冷地區的海每年冬天都應該輕易結冰。影響更大的是第2點。
池塘先結出「蓋子」，海要等「整個鍋子」都冷下來
純水有個特別的性質。降溫時，水在4℃最重，再冷下去反而會變輕。
冬天的池塘，會先整體冷到4℃左右。之後表面的水即使繼續變冷，因為比較輕，也不會下沉。表面形成一層薄薄的冷水層，只有這一層降到0℃而結冰。要結冰的只有「蓋子」的部分就夠了。
可是，溶了鹽之後情況就不同了。鹽越多，水最重的溫度就越低。鹽分超過約2.5％時，那個溫度會比結冰溫度還低。一般海水的鹽分約為3.5％，明顯超過這個分界。
也就是說，海水直到快結冰前，都維持「越冷越重」。在表面冷卻的水馬上下沉，下方稍微溫暖的水則升上來。拉動圖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？
冷風吹冷海面後，冷卻的海水會下沉，下方的水則升上來。這種交換會持續到鹽分或溫度急遽改變的深度。到這個深度為止的水層稱為「混合層」，依地點和季節不同，據說厚度從幾十公尺到幾百公尺都有。
在池塘，要冷卻的只有表面薄薄一層。在海裡，得把深100公尺的水整個冷到−1.9℃，表面才會結冰。需要冷卻的水量，多了好幾個數量級。圖2把池塘和海的差別並排畫出來。
即使如此，北極和南極的海，還有北海道的鄂霍次克海沿岸，海還是會結冰。在鄂霍次克海，從大河流入的淡水會在表面形成一層鹽分較低的水層。這層淡水下方的鹽分會急遽變濃，因此據說混合的深度被壓得很淺。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端地區之一。
海水結冰時，只有水分子先排列成冰，大部分的鹽會被擠到外面。因此海冰（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2個原因：鹽讓結冰溫度降到約−1.9℃，以及冷卻的海水會下沉。池塘只要表面薄薄一層變冷就會結冰。但海要把一路混合到深處的整個水層都冷透，表面才能結出冰。「因為是鹹的」只是入口，真正的答案是「因為冷水會下沉」。
池塘，只要蓋子變冷就會結冰。
海，要等整個鍋子都變冷才結得了冰。
純水在4℃最重，這在湖裡會帶來什麼樣的季節變化，請看「湖水為什麼到了秋天，上下層會對調？」。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？」，海水為什麼是鹹的，也可以看「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）。
- 把兩個杯子並排放進冷凍庫，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，剩下的冰有時會比想像中不鹹。
杯子很淺，無法重現海那樣的深層混合。能確認的只有「結冰溫度會下降」和「鹽會被擠出冰外」這2點。要吃冷凍庫裡的東西時，請使用乾淨的杯子和食用鹽。
想知道更多的人 ― 名詞、算式與課本的連結從國中理化到大學專業課程，明確標示是哪個程度的內容
- 國中國中理化會學到的範圍
- 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
- 大學高中不會學到，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作「定論」來教，是目前研究者正在探討的內容
國中名詞：這個現象有名字
- 凝固點下降：水中溶了東西後，開始結冰的溫度（凝固點）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：從海面到因冷水下沉或波浪而上下充分混合的深度為止的水層。
- 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，和冷卻所需的天數
首先用算式求出海水的結冰溫度會降到多少。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 ＝ 由水的種類決定的常數 × 每1kg水中溶解的粒子數（莫耳）。冷卻所需的熱 ＝ 水的質量 × 比熱 × 要降低的溫度 |
| 這個算式的來源 | 溶解的粒子會稀釋水分子「容易結冰的程度」，效果與溶解物的種類無關，只取決於粒子數（稀薄溶液的性質）。熱的算式則來自能量守恆 |
| 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・℃) |
| 隆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的質量 | 100 × 1000 ＝ 100000（kg） |
| 把這些水冷卻1℃所要帶走的熱 | 100000 × 4200 ＝ 420000000（J） |
| 所需時間（秒） | 420000000 ÷ 200 ＝ 2100000（秒） |
| 換算成天 | 2100000 ÷ 86400 ≒ 24（天） |
結冰溫度是 0 − 1.86，也就是約−1.9℃，和實際海水的值吻合。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。池塘表面的幾公分，一個晚上就可能結冰。這種水量的差距，就是「海不容易結冰」的真相。
高中高中＋由粒子數決定的性質，與隨鹽而變的密度
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。大小不取決於溶解的是什麼，而是由粒子數決定。食鹽在水中會分成2個離子，所以比相同莫耳數的砂糖約有2倍的效果。
高中＋圖1的2條線，都是近似與鹽分成正比下降的簡化。結冰溫度每1％鹽分約下降0.54℃，最重的溫度每1％約下降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、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）會把對流壓得很淺。海冰形成時被擠出的濃鹽水（鹽水滷）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」的全球海洋循環的一部分。
📖 算式的推導，以及更進一步的內容：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，目前正由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，河水與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小的鹽水通道。它的形狀如何影響熱與生物的生活，目前還不清楚細節。
換句話說，這篇文章的內容也是「就目前所知範圍內的說明」。尤其海冰與氣候的關係，是今後數值還可能改變的領域。
與課本的連結（依程度）
| 程度 | 科目・單元 | 在本文的哪裡 |
|---|---|---|
| 國中 | 理化・狀態變化與密度 | 水在4℃最重、冷卻的水會下沉 |
| 高中 | 化學・稀薄溶液的性質 | 用凝固點下降公式算出−1.9℃ |
| 高中＋ | 地球科學・海洋的構造 | 混合層、隨鹽分而變的最大密度溫度 |
| 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 | 冬天的海邊景色、流冰觀光、冷凍庫實驗 |
- 維基百科（日文）「凝固点降下」
- 維基百科（日文）「海氷」
- 維基百科（日文）「流氷」
- 維基百科（日文）「熱塩循環」
- 國立天文台（国立天文台）編《理科年表》丸善出版（海水的物性）
※本文是寫給一般讀者的科學解說。文中的數值是用來理解原理的參考值與概算。混合層的厚度與從海面散失的熱，會因地點、季節、天氣而有很大差異。