Словом «лёд» называют разные природные материалы: прозрачную корку на озере, солёную льдину в море, плотную массу ледника, снежинку и даже иней на стекле. Они состоят преимущественно из воды, но образуются по-разному, поэтому отличаются внутренним строением, количеством примесей и пузырьков воздуха. Чтобы понять эти различия, полезно разделять два понятия: кристаллическую фазу вещества и его природную форму. В повседневных условиях чаще всего встречается одна и та же фаза — обычный кристаллический лёд, а вид материала зависит от того, как он возник и что оказалось внутри.
- Фаза и форма — не одно и то же
- Озёрный лёд: замерзание сверху вниз
- Морской лёд: замерзание солёной воды
- Снег и ледник: последовательные стадии, но не одно состояние
- Иней, изморозь и град: разные пути к твёрдой воде
- Сравнение распространённых форм льда
- Как условия образования меняют свойства
- Коротко о главном
- FAQ
- Почему лёд плавает?
- Морской лёд солёный или пресный?
- Чем иней отличается от изморози?
Фаза и форма — не одно и то же
При обычном атмосферном давлении привычный лёд имеет гексагональную кристаллическую структуру и обозначается Ih. В ней молекулы воды соединены водородными связями; регулярное расположение молекул создаёт кристаллическую решётку. Снег, озёрная корка и ледник могут состоять преимущественно из такой же фазы, хотя внешне и по свойствам заметно различаются.
Есть и другие кристаллические фазы воды. При высоком давлении и подходящей температуре возникают структуры, отличные от обычной; среди известных обозначений — лёд II, III, V, VI и VII. Это не названия разновидностей снега или природных ледников: речь идёт о разных устройствах кристаллической решётки. В обычной погоде подобные высокобарические фазы не образуются.
Кроме кристаллического льда существует аморфный: в нём нет упорядоченной решётки на больших расстояниях. Его получают при быстром охлаждении воды или водяного пара в специальных условиях; аморфные формы важны также для исследований льда в космической среде. В повседневных природных условиях это не типичная форма льда, с которой сталкиваются на озере или во дворе.
Озёрный лёд: замерзание сверху вниз
У пресной воды есть особенность, определяющая поведение озёр зимой: её плотность максимальна примерно при 4 °C. Когда поверхность остывает, более холодная вода, достигнув этой температуры, опускается, а дальнейшее охлаждение верхнего слоя делает его менее плотным. В результате вода у поверхности может достичь точки замерзания раньше глубинной, и лёд начинает формироваться сверху.
Плотность обычного льда при температуре около 0 °C составляет примерно 0,917 г/см³, тогда как у жидкой пресной воды при той же температуре она близка к 1,000 г/см³. Поэтому лёд плавает и образует на поверхности озера покров. Такой покров замедляет теплообмен между водой и холодным воздухом, хотя его толщина и прочность зависят от погоды, течений, снега и особенностей водоёма.
Прозрачность озёрного льда связана не с тем, что он «чище» по составу во всех случаях, а прежде всего с тем, сколько в нём рассеивателей света. Если лёд растёт относительно равномерно и содержит мало пузырьков, свет проходит через него лучше. Снег, примеси, трещины и захваченный воздух усиливают рассеяние, поэтому поверхность может выглядеть белой или мутной.
Морской лёд: замерзание солёной воды
Морская вода замерзает при температуре ниже нуля по шкале Цельсия. Для воды солёностью около 35 г на килограмм ориентировочная температура замерзания составляет около −1,9 °C; фактическое значение зависит от солёности и условий. Сначала формируются кристаллы льда, в которые попадает значительно меньше растворённых солей, чем в окружающую воду.
При росте морского льда часть рассола остаётся в виде солёных включений и каналов между кристаллами. Поэтому молодой морской лёд неоднороден: в нём есть собственно ледяная матрица, рассол и воздух. Со временем рассол может перемещаться и стекать, а структура и солёность льда меняются. Морскую льдину нельзя считать просто куском пресного льда, но и равномерно солёным монолитом она обычно не является.
Именно включения рассола и особенности роста отличают морской лёд от озёрного. При сопоставимых условиях его свойства зависят не только от толщины, но и от температуры, возраста, пористости и солёности. Поэтому одно наблюдение — например, цвет или вид поверхности — не позволяет надёжно судить о прочности морского льда.
Снег и ледник: последовательные стадии, но не одно состояние
Снег образуется в атмосфере: водяной пар осаждается на ледяных кристаллах, которые растут и соединяются в хлопья. Формы снежинок зависят от условий их роста, в том числе от температуры и влажности. Выпавший снег — рыхлая совокупность кристаллов с большим количеством промежутков, заполненных воздухом, а не сплошная ледяная плита.
Под собственным весом снежные слои уплотняются, кристаллы постепенно изменяются и соединяются. Промежуточную плотную массу старого снега называют фирном; со временем дальнейшее уплотнение приводит к образованию ледникового льда. Этот переход не происходит за одинаковый срок повсюду: он зависит от накопления снега, температуры и других местных условий.
В ледниковом льду могут сохраняться пузырьки воздуха, захваченные при уплотнении снега. Их количество и распределение влияют на внешний вид: пузырьки рассеивают свет, тогда как более однородные участки выглядят прозрачнее. В толще ледника со временем могут накапливаться слои, отражающие разные периоды снегопадов и уплотнения.
Синеватый оттенок массивного льда связан с тем, как свет взаимодействует с толщей материала: красная часть спектра поглощается сильнее, а до глаза может возвращаться больше синего света. Тонкий лёд часто кажется бесцветным, а лёд с множеством пузырьков — белёсым, потому что свет многократно рассеивается. Поэтому «голубой ледник» и «белый снег» отличаются не обязательно химическим составом, а прежде всего масштабом и внутренней структурой.
Иней, изморозь и град: разные пути к твёрдой воде
Иней появляется, когда водяной пар осаждается непосредственно в виде кристаллов льда на достаточно холодной поверхности. Это отличается от замерзания капель жидкой воды: при образовании инея переход идёт из газообразного состояния сразу в твёрдое. Поэтому иней может покрывать траву, ветки или стекло узорами, форма которых зависит от поверхности и условий охлаждения.
Изморозь часто возникает иначе: переохлаждённые капли тумана или облака сталкиваются с холодным предметом и замерзают на нём. На ветру такие отложения могут нарастать с одной стороны, образуя заметный слой. Внешне изморозь и иней похожи, но отличаются механизмом формирования — осаждением пара или замерзанием капель.
Град формируется в грозовых облаках, где сильные восходящие потоки переносят капли воды в области с отрицательной температурой. Капля или ледяное ядро обрастает новыми слоями, пока остаётся в облаке; при падении на землю получается градина. Слоистость градины может отражать разные этапы её роста, но её наличие и выраженность не одинаковы у каждого града.
Сравнение распространённых форм льда
| Материал | Как образуется | Что особенно влияет на свойства |
|---|---|---|
| Озёрный лёд | Замерзание пресной воды у поверхности | Пузырьки, трещины, снег и примеси |
| Морской лёд | Замерзание солёной воды | Рассол, солёность, пористость и возраст |
| Снег | Рост и соединение атмосферных ледяных кристаллов | Форма кристаллов, рыхлость и уплотнение |
| Ледниковый лёд | Длительное уплотнение снега и фирна | Слои, пузырьки и неоднородность массы |
| Иней | Осаждение водяного пара на холодной поверхности | Температура поверхности и условия роста кристаллов |
| Град | Нарастание льда на каплях или ледяных ядрах в облаке | Условия роста и время пребывания в облаке |
Как условия образования меняют свойства
Различия между природными видами льда удобно свести к четырём факторам. Первый — исходная вода: пресная она или солёная. Второй — путь замерзания: из жидкости, пара или в результате постепенного уплотнения снега. Третий — скорость роста кристаллов и температура. Четвёртый — то, что оказалось между кристаллами: воздух, рассол, пыль или другие примеси.
- Пузырьки воздуха и трещины обычно усиливают рассеяние света и делают лёд менее прозрачным.
- Соли влияют на температуру замерзания и могут оставаться в рассоле внутри морского льда.
- Снег создаёт рыхлую структуру, которая со временем уплотняется, если на неё давят новые слои.
- Повторное нарастание льда в облаке может создавать слоистое строение градины.
Эти признаки помогают объяснить внешний вид, но не дают простой универсальной шкалы прочности. Например, прозрачность не гарантирует безопасность льда: трещины, течение, локальный приток воды и неодинаковая толщина могут быть незаметны с поверхности. Для оценки ледовой обстановки важны измерения и местные условия, а не только цвет или тип льда.
Коротко о главном
Большинство привычных природных форм состоит из обычного кристаллического льда Ih, но это не делает их одинаковыми. Озёрный лёд растёт из пресной воды, морской удерживает рассол, снег состоит из свободных кристаллов, а ледник возникает при длительном уплотнении снежных слоёв. Иней появляется из водяного пара, а град нарастает в облаках. Различия в происхождении, пузырьках, солях и пористости объясняют, почему лёд бывает прозрачным, белым, голубоватым или неоднородным.
FAQ
Почему лёд плавает?
При замерзании вода образует кристаллическую решётку, и плотность обычного льда становится меньше плотности жидкой воды при близкой температуре. Поэтому кусок льда держится на поверхности. Это свойство также способствует образованию поверхностного ледяного покрова на пресных водоёмах.
Морской лёд солёный или пресный?
Он содержит рассол и солевые включения, но соль распределена в нём неравномерно. При образовании ледяных кристаллов большая часть солей остаётся в окружающей воде, а часть рассола задерживается внутри льда. Со временем рассол может перемещаться, поэтому свойства морского льда меняются.
Чем иней отличается от изморози?
Иней образуется, когда водяной пар осаждается на холодной поверхности в виде кристаллов. Изморозь обычно нарастает при замерзании капель переохлаждённого тумана или облака. Внешне эти отложения могут быть похожи, но механизм их образования различен.
