Лёд кажется простым веществом: вода замерзает, становится твёрдой и образует привычную корку на лужах. Но в физике важно уточнять, о каком именно льде идёт речь: кристаллическом или аморфном, пресном или морском, тонком сезонном покрове или массе, накопленной в леднике. Различия между такими материалами отражаются в их структуре, плотности, температуре образования и поведении под нагрузкой.
Этот справочник объясняет основные понятия физики льда и показывает, как устроены распространённые классификации. Он также помогает не смешивать названия природных объектов с описанием состояния воды: например, снежинка, морской лёд и ледниковая масса связаны между собой, но возникают по-разному. В конце разобраны величины и единицы, которые используют при описании льда.
Что изучает физика льда
Физика льда рассматривает твёрдую воду: её молекулярное строение, превращения между состояниями, теплообмен и механические свойства. Она пересекается с гляциологией — наукой о ледниках и других природных ледяных массах, — а также с метеорологией, океанологией и материаловедением. Термин «гляциология» образован от латинского слова glacies («лёд») и греческого logos («учение»). Название «криосфера» используют для совокупности частей Земли, где вода постоянно или сезонно присутствует в замёрзшем виде.
В повседневной речи «лёд» часто означает любой замёрзший водный материал. В научном описании этого недостаточно: при одинаковой температуре лёд может различаться кристаллическим строением, примесями, пористостью и историей образования. Например, прозрачный ледяной слой после замерзания воды и спрессованный снег ледника — оба состоят преимущественно из водяного льда, но имеют разное происхождение и внутреннюю структуру.
Классификация по внутреннему строению
Кристаллический и аморфный лёд
В обычном льду молекулы воды упорядочены в кристаллическую решётку. При атмосферном давлении наиболее привычна гексагональная форма, обозначаемая Ih: именно такой лёд преобладает в природных условиях на поверхности Земли. Буква h указывает на гексагональную симметрию. Снежные кристаллы и многие виды природного льда относятся к этой форме, хотя размер кристаллов и их взаимное расположение могут заметно различаться.
Кроме Ih, существуют другие кристаллические фазы воды, возникающие при определённых сочетаниях давления и температуры. Их обозначают римскими цифрами: например, лёд II или лёд VII. Номер — это название фазы, а не простая шкала «от холодного к тёплому» или «от мягкого к твёрдому». Такие формы важны в физике высоких давлений и исследованиях планет, но обычно не встречаются в привычном земном льду при обычном атмосферном давлении.
Аморфный лёд отличается отсутствием упорядоченной кристаллической решётки на больших расстояниях. Его получают, в частности, при специальных условиях охлаждения или осаждения водяного пара; он представляет интерес для лабораторных исследований и астрофизики. Поэтому утверждение «всякий лёд — кристалл» неверно, хотя для природного льда на поверхности Земли кристаллическая форма является обычной.
Почему температура не единственный фактор
Состояние воды зависит не только от температуры, но и от давления. Это отражает фазовая диаграмма: на ней показаны области существования льда, жидкой воды и водяного пара, а также границы переходов между ними. Для чистой воды при давлении около одной атмосферы температура плавления близка к 0 °C. При изменении давления условия равновесия меняются, а растворённые вещества, например соли, дополнительно сдвигают температуру замерзания.
Вода иногда остаётся жидкой и ниже своей обычной температуры замерзания, если в ней нет подходящих центров кристаллизации и условия позволяют избежать образования льда. Это состояние называют переохлаждением. Оно не означает, что правило замерзания «перестало работать»: речь идёт о временном неравновесном состоянии, которое может нарушиться при встряхивании, контакте с кристаллом льда или другими изменениями условий.
Природный лёд: виды по происхождению
Снег, фирн и ледниковый лёд
Снег образуется в атмосфере и выпадает в виде кристаллов или их скоплений. После накопления снег постепенно уплотняется: кристаллы меняют форму, воздушные промежутки сокращаются, а слои становятся плотнее. Промежуточную стадию между снегом и ледниковым льдом называют фирном. Когда уплотнение и перекристаллизация приводят к образованию сплошной ледяной массы, материал становится ледниковым льдом.
Ледник — не просто большой кусок льда, а долговременно существующая масса, которая формируется из накопившегося снега и может перемещаться под действием силы тяжести. Термин описывает природное тело и его развитие, а не отдельную фазу воды. Поэтому ледниковый лёд обычно относится к кристаллической форме Ih, но отличается от свежего льда структурой, включениями пузырьков воздуха и историей уплотнения.
Морской и пресноводный лёд
Морской лёд возникает, когда замерзает морская вода. При формировании кристаллов большая часть растворённых солей не входит в кристаллическую решётку чистого льда и остаётся в концентрированном рассоле между кристаллами или вытесняется из растущего слоя. Поэтому морской лёд не является однородным куском чистой воды: его солёность, пористость и прочность зависят от возраста, температуры и условий роста.
Пресноводный лёд образуется из озёрной, речной или другой воды с низкой концентрацией растворённых солей. Обычно он содержит меньше рассола, чем морской лёд, однако тоже может включать пузырьки воздуха, минеральные частицы и трещины. На свойства влияют скорость замерзания, перемешивание воды, снеговая нагрузка и последующие оттепели, поэтому одно название происхождения не задаёт всех характеристик материала.
Наледь, изморозь и гололёд
Некоторые названия описывают не запас льда, а процесс и форму отложения. Изморозь появляется, когда водяной пар осаждается или замерзает на холодных поверхностях; её рыхлая или кристаллическая структура зависит от условий. Гололёд обычно связан с замерзанием переохлаждённых капель на поверхности, например на дороге или проводах. Наледь — более широкое бытовое и техническое обозначение ледяного нароста, который может возникать из-за замерзания воды на поверхности.
Не следует смешивать гололёд и гололедицу: первое слово обозначает ледяное отложение, возникающее при осаждении замерзающих капель, а второе обычно называют тонкий лёд на поверхности земли или дорожного покрытия после замерзания воды. В профессиональных описаниях конкретный механизм образования уточняют отдельно, поскольку внешне похожие ледяные слои могут иметь разное строение и по-разному влиять на сцепление и нагрузку.
Величины и единицы измерения
Описание льда требует нескольких измеряемых величин. У каждой есть своя единица СИ, а некоторые области применяют также специальные практические обозначения. Например, толщину ледяного покрова указывают в метрах или сантиметрах, тогда как солёность морской воды нередко выражают практической шкалой солёности, а не единицей СИ. Важно вместе с числом сообщать, что именно измеряли и каким способом.
| Величина | Единица | Что показывает |
|---|---|---|
| Температура | кельвин (K); в прикладных описаниях также °C | Тепловое состояние льда или среды |
| Толщина | метр (м) | Расстояние между поверхностями ледяного слоя |
| Плотность | килограмм на кубический метр (кг/м³) | Массу единицы объёма материала |
| Давление | паскаль (Па) | Нагрузку на единицу площади |
| Удельная теплота плавления | джоуль на килограмм (Дж/кг) | Энергию для плавления единицы массы без изменения температуры в ходе фазового перехода |
| Солёность | практическая шкала солёности; для массовой доли — безразмерная величина | Содержание растворённых солей в воде или рассоле |
Для ориентира, плотность чистого льда около температуры плавления составляет примерно 917 кг/м³, тогда как максимальная плотность жидкой пресной воды близка к 1000 кг/м³ и достигается примерно при 4 °C. Разница объясняет, почему обычный лёд плавает на воде. Удельная теплота плавления льда составляет приблизительно 334 кДж/кг: при плавлении требуется значительное количество энергии, даже если температура смеси во время перехода почти не меняется.
Эти справочные значения нельзя механически переносить на любой природный образец. Пузырьки воздуха, соли, трещины и температура изменяют измеряемые свойства. Кроме того, метод и место измерения важны: толщина покрова в одной точке не обязательно представляет всё озеро, а плотность пористого снега не равна плотности сплошного льда.
Как читать классификации без путаницы
- Фаза говорит о молекулярном строении и условиях существования: например, Ih — обычный гексагональный лёд.
- Происхождение описывает процесс образования: пресноводный, морской, снеговой или ледниковый лёд.
- Форма отложения обозначает внешний вид или способ накопления: изморозь, гололёд, наледь.
- Состояние и качество уточняют пористость, трещиноватость, содержание примесей и прочность конкретного образца.
Эти признаки могут сочетаться, а не исключать друг друга. Например, ледниковый лёд может быть гексагональным по кристаллической структуре, пресным по происхождению воды и пузырьковатым по строению. Поэтому корректное описание часто включает несколько характеристик одновременно: где лёд образовался, из какой воды, какова его структура и какие параметры измерены.
Частые вопросы
Почему лёд обычно плавает?
При замерзании вода формирует структуру, в которой молекулы в среднем занимают больше объёма, чем в жидкой воде у температуры плавления. Поэтому плотность обычного льда меньше плотности жидкой воды, и он держится на поверхности. Это объяснение относится к привычным условиям; при высоком давлении существуют другие фазы льда с иными свойствами.
Морской лёд солёный или пресный?
Он содержит соль, но не так, как однородный раствор: значительная часть рассола сосредоточена в промежутках и включениях между кристаллами льда. При старении и изменении температуры рассол может перемещаться или вытекать, поэтому состав морского льда меняется со временем. Его нельзя считать ни полностью пресным, ни равномерно солёным материалом.
Все ли виды льда обозначают римскими цифрами?
Нет. Римские цифры используют для обозначения определённых кристаллических фаз воды, прежде всего в физике высокого давления. Названия природных типов — например, морской лёд или фирн — классифицируют материал по происхождению и состоянию, а не по номеру кристаллической фазы.
Что нужно указать при измерении толщины?
Следует сообщить единицу измерения, место и время замера, а также уточнить, какой слой учитывался: лёд, снег на льду или общая толщина покрова. Для неоднородного участка полезны несколько измерений, поскольку трещины, течение воды, снеговая нагрузка и местные условия создают различия даже на небольшом расстоянии. Само число без контекста может дать неполное представление о состоянии ледяного покрова.