Лёд

Лёд — это вода в твёрдом агрегатном состоянии, характеризующаяся кристаллической структурой. При нормальном атмосферном давлении лёд образуется при температуре 0 °C и ниже. Является распространённым природным минералом (разновидность — глетчерный лёд) и горной породой (мономинеральная осадочная порода). Обладает аномальными физическими свойствами, в частности, меньшей плотностью, чем жидкая вода, что позволяет ему плавать на её поверхности.

Физические и химические свойства

Кристаллическая структура

В обычных условиях лёд кристаллизуется в гексагональной сингонии (модификация Ih). Каждая молекула воды связана водородными связями с четырьмя соседними молекулами, образуя ажурную решётку с пустотами. Это объясняет меньшую плотность льда (около 917 кг/м³ при 0 °C) по сравнению с водой (около 1000 кг/м³). При высоких давлениях существуют другие кристаллические модификации льда (II, III, V, VI, VII и др.), а также аморфный лёд.

Фазовые переходы

• Плавление: при 0 °C (101,3 кПа) с поглощением теплоты (334 кДж/кг).
• Сублимация (возгонка): переход из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкую фазу, возможен при температурах ниже 0 °C и низком давлении.
• Режеляция: способность льда смерзаться под давлением при температурах, близких к точке плавления.

Оптические свойства

Лёд прозрачен для видимого света, но сильно поглощает инфракрасное излучение. В больших массах (ледники, айсберги) приобретает голубой или синий цвет из-за избирательного поглощения длинноволновой части спектра и рассеяния коротковолновой. Белый цвет снега и мелкозернистого льда обусловлен многократным отражением света от граней кристаллов и пузырьков воздуха.

Механические свойства

Лёд — хрупкий материал при ударных нагрузках, но проявляет пластичность (текучесть) под длительным воздействием нагрузки, особенно при температурах, близких к точке плавления. Это свойство определяет движение ледников. Прочность на сжатие составляет 5–25 МПа, на растяжение — значительно ниже (1–3 МПа).

Распространение в природе

Лёд является одной из важнейших составляющих криосферы Земли. Его общая масса на планете оценивается примерно в 30 млн км³.

Материковые ледники

Крупнейшие массивы льда сосредоточены в ледниковых щитах Антарктиды (около 26 млн км³) и Гренландии (около 2,9 млн км³). Толщина антарктического ледяного покрова в среднем составляет 2–2,5 км, максимальная — более 4,8 км. Лёд в этих щитах образовался из спрессованного снега и содержит изотопные и газовые включения, позволяющие реконструировать климат прошлого (палеоклимат).

Морской лёд

Образуется при замерзании морской воды. В отличие от пресноводного, морской лёд содержит включения рассола, что снижает его температуру замерзания (до −1,8 °C при солёности 35‰) и механическую прочность. Площадь морского льда в Арктике подвержена сезонным колебаниям: минимальная — в сентябре, максимальная — в марте. В последние десятилетия наблюдается устойчивое сокращение площади и толщины арктического морского льда, что связывают с глобальным потеплением.

Айсберги

Крупные глыбы льда, отколовшиеся от ледников или шельфовых ледников. Около 90% объёма айсберга находится под водой. Наибольшие айсберги (столовые) откалываются от шельфовых ледников Антарктиды и могут достигать сотен километров в длину. Айсберги представляют опасность для судоходства, что стало причиной гибели «Титаника» в 1912 году.

Подземный лёд

Встречается в многолетнемёрзлых породах (криолитозоне) в виде ледяных жил, линз, прослоев. В России зона многолетней мерзлоты занимает около 65% территории. Подземный лёд может быть сингенетическим (образующимся одновременно с вмещающей породой) или эпигенетическим (внедряющимся в уже сформировавшуюся породу).

Классификация природных льдов

По происхождению и условиям образования выделяют:

• Атмосферный лёд: иней, изморозь, град, ледяные иглы, гололёд.
• Водный лёд: речной, озёрный, морской.
• Глетчерный (ледниковый) лёд: образуется из фирна (спрессованного зернистого снега) в результате метаморфизма.
• Подземный лёд: пластовый, жильный, повторно-жильный.

Применение

Холодильная техника и хранение

Лёд традиционно используется для охлаждения продуктов и напитков. В промышленности применяется искусственный лёд, получаемый в льдогенераторах. Сухой лёд (твёрдая углекислота) используется для создания низких температур и охлаждения при транспортировке скоропортящихся грузов, но не относится к водному льду.

Строительство

В северных регионах (Россия, Канада, США) лёд используется для строительства временных сооружений — иглу (эскимосские куполообразные хижины из снежных блоков), ледовых переправ, дорог (автозимники). В России ежегодно прокладываются ледовые переправы через реки Сибири и Дальнего Востока. В XX веке существовали проекты строительства ледяных авианосцев (проект «Хабаккук»), которые не были реализованы.

Спорт и развлечения

Лёд является основой для зимних видов спорта: хоккей, фигурное катание, конькобежный спорт, кёрлинг. Для этих целей заливаются искусственные катки. Ледовые скульптуры и города (например, фестиваль «Ледовая Москва», «Снежная королева» в Красноярске) являются популярной формой искусства.

Научные исследования

Керны льда из ледников Антарктиды и Гренландии используются для изучения климата прошлого (состав атмосферы, концентрация парниковых газов, температура). В России такие исследования проводятся на станции «Восток» в Антарктиде, где в 2012 году было пробурено скважина до подлёдного озера Восток.

Опасности, связанные со льдом

• Гололёд и гололедица: налипание льда на проводах, дорогах, деревьях приводит к авариям и повреждениям инфраструктуры.
• Ледяные заторы: скопление льда в руслах рек во время весеннего ледохода вызывает наводнения (например, на реках Северной Двине, Лене, Амуре).
• Лавины: сход снежных масс, содержащих ледяные кристаллы, представляет угрозу в горных районах (Хибины, Кавказ, Алтай).
• Обрушение льда: падение сосулек и наледей с крыш зданий — распространённая причина травматизма в городах России в зимний период.

Лёд в культуре и мифологии

В русской культуре лёд ассоциируется с зимой, холодом, смертью и одновременно — с чистотой и нетленностью. Образ льда присутствует в сказках («Снежная королева» Х. К. Андерсена, «Морозко»), в поэзии (А. С. Пушкин, Ф. И. Тютчев), в живописи (И. И. Шишкин, «На севере диком»). В православной традиции Крещение Господне связано с освящением воды и погружением в прорубь (иордань). В современной массовой культуре лёд — частый элемент фэнтези (ледяные маги, заклинания, ледяные драконы).

Источники

• Войтковский К. Ф. Механические свойства льда. — М.: Изд-во АН СССР, 1960.
• Котляков В. М. Гляциологический словарь. — Л.: Гидрометеоиздат, 1984.
• Патерсон У. С. Б. Физика льда. — М.: Мир, 1984.
• Хоббс П. В. Лёд. — М.: Мир, 1976.
• Шумский П. А. Основы структурного ледоведения. — М.: Изд-во АН СССР, 1955.
• IPCC, 2021: Climate Change 2021: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Sixth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.