Лед: какой он бывает на Земле и вне ее

«Лёд — это замороженная вода» — истина, известная каждому человеку. Ситуация обоюдоострая, поскольку вода также может быть растаявшим льдом. Если брать за основу подтвержденное знание о реальных ледниковых периодах в истории Земли, то можно предположить, что все воды — это растаявшие ледники. К тому же, вода и лёд имеют одну химическую запись: H2O. Даже определение льда однозначно — вода в твердом агрегатном состоянии.
Плотность меньше плотности воды — и это одна из важных загадок природы. Вода в твердом состоянии намного легче, чем в текучем, что попирает физические явления. Впрочем, это единственное исключение из правил.

Структура

Замерзание и таяние — процесс самостоятельной очистки воды. Природный лёд, как правило, значительно чище воды. Растущие кристаллы создают собственную решетку, вытесняя посторонние примеси обратно в жидкость.

Кристаллическая решетка напоминает соты или даже структуру драгоценного камня. Каждая молекула окружена другими, в результате формируется водородная связь. Отсюда и сетчатая структура, что приводит к понижению плотности. Известно 14 видов замершей воды. Большинство отличающихся структур образуются только при экстремально низких температурах. Потому и не встречаются на Земле, а лишь в Космосе.

Лёд оказывает большое влияние на условия существования флоры, фауны и даже деятельность человека. Именно он образует на воде плавучий покров, своеобразно защищая подводную жизнь от гибели.

Благодаря свой структуре, кристаллизованный лёд способен сохранять информацию обо всем, включая флору и фауну (он просто её замораживает), также данные о том, при каких условиях произошло замерзание. На это влияют слоистая структура льда. Именно так удалось выявить ДНК мамонтов, к примеру. Слои ледников детектируются разными годами и даже эпохами. Так было выяснено, что теплыми годами для Арктики были 1550 и 1930.

Молекулы льда кристаллизуются в форме двойной спирали при воздействии низких минусовых температур и высокого давления. При таких условиях ледяной кристалл напоминает структуру ДНК.

Происхождение

Лёд образуется на поверхности воды, сковывая её течение при понижении температуры воздуха. Начальная температура льда всего 0°С — этого достаточно, чтобы начали появляться иголки, которые образуют кристаллизованную чашу. То есть в основе происхождения льда лежит вода и минусовая температура.

Существует несколько районов на Земле, где в слоях залегает вечная мерзлота. Грунтовый лёд в таких местах оттаивает лишь на незначительную глубину. Ниже встречается подземный лёд, который также имеет два вида: современный и ископаемый. 10% процентов планеты покрыто ледниковым льдом. А на поверхности морей и океанов образуется морской лёд — но не везде, существует пресноводный вид и множество других. Все они имеют различное происхождение, в зависимости от типа воды.

Фазы льда

Достоверно неизвестно точное количество фаз льда. На сегодняшний день выявлено всего 14 основных разновидностей, некоторые из которых являются внеземными.

1. Аморфный лёд — не имеет кристаллической структуры, но существует три дополнительные формы по плотности: LDA— низкая, HDA — средняя (формируется под атмосферным давлением) и VHDA — очень высокая.
2. Лёд 1h — обычный лёд, существующий на поверхности планеты.
3. Лёд 1c — кубический лёд (похож по структуре на алмаз). Температура возникновения от -133°C до -123°C. При нагреве переходит в предыдущую стадию.
4. Лёд 2 — тригональный (температура сжатия -83 °C до -63 °C). При нагреве переходит в следующую стадию.
5. Лёд 3 — тетрагональный (образуется при −23 °C и давлении 300 МПа). Плотность выше, чем у воды.
6. Лёд 4 — метастабильный тригональный вид.
7. Лёд 5 — моноклинный (образуется охлаждении воды до -20 °C и давлении 500 МПа), сложная структура.
8. Лёд 6 — тетрагональный (возникает при охлаждении -3 °C и давлении 1,1 ГПа).
9. Лёд 7 — кубический (образуется с нарушением атомов водорода).
10. Лёд 8 — появляется при охлаждении предыдущего типа, атомы фиксируются.
11. Лёд 9 — тетрагональный метастабильный вид (из льда 3 при охлаждении -65°C до -108°C). Высокая плотность, но ниже, чем у воды.
12. Лёд 10 — симметричный вид под давлением до 70 ГПа.
13. Лёд 11 — ромбический тип.
14. Лёд 12 — тетрагональный метастабильный лёд с плотной решеткой (нагрев аморфного льда при -196°C до -90°C, но потребуется давление в 810 МПа).

Кроме того, ведутся исследования в других фазах. Основное отличие заключается именно в химической структуре и условиях для образования льдов.

Классификация

Разновидности льда характеризуют сразу по нескольким признакам: форма, возраст, происхождение, подвижность и ряду других.

По происхождению бывают следующими:

• морские;
• пресноводные (они же речные);
• материковые (они же глетчерные).

Процесс образования достаточно прост: морские — в море, речные — в реках, могут выносить потоком в открытое морское пространство. Материковые — плавающие ледники, их обломки и, в особенности, айсберги.

Следующий признак — возраст, здесь виды льда различаются так:

• молодой лёд (иглы, сало, снежура и многое другое);
• поверхностный — кристаллический лёд;
• нилас — эластичная ледяная корка на поверхности морской воды;
• серый (15 см толщины) — вода с примесями, такой вид не является полностью очищенным;
• белый (более 30 см) — процесс очищения полностью произошел;
• 1-летний, 2-летний — не тающий в течение этого периода;
• многолетний (либо паковый — арктический, промерзает не менее, чем на 3 метра);
• вечный лёд — не тающий совсем, такие ледники залегают глубоко под землей.

Различаются они по тому, как двигаются. Есть неподвижные — вроде ледяного покрова Арктики и Антарктики. Это сплошной покров, закрепленный на суше, либо примерзший к чему-то и не тающий. Он буквально припаивается, постепенно разрастаясь — отсюда ещё одно название «припай». Также есть стамух (фактически айсберг, севший на мель) и береговой вал.

Следующий вид — плавучий, дрейфующий тип льдов. Он постоянно движется по воде, передвигаясь под внешним влиянием — ветром и течениями. Такая форма преобладает, они дополнительно классифицируются по размерам: на ледяные поля разного размера, мелкобитный лёд.

Материковые появляются в результате сколов массивных частей припая. Край называется ледниковым барьером, а съехавший и плавающий — языком. К ним же относятся айсберги (толщина льда достигает десятков метров), острова льда (свыше 30км в диаметре).

Свойства

Основная масса бесцветна. Совсем прозрачный лёд характерен для пресноводных водоемов. Ярчайший пример — лёд на озере Байкал. Намерзшие глыбы абсолютно чистые и прозрачные. Морской и речной обычно имеют белый цвет с легким синеватым оттенком, а речной также имеет — грязный серый цвет, к тому же такие льды быстро тают.

Цвет льда напрямую зависит от окружающей обстановки. Так, лёд в воде кажется синим, потому что принято считать, что вода имеет именно такой оттенок.

Следующее свойство — блеск, похожий на стекло. Он также может порезать кожу человека. Основные массы не имеют спаек, вода буквально замерзает в монолитную массу без швов.

Минерал насчитывает более 14 модификаций, уже приведенных выше. На Земле встречается только два первых вида. Связано это с экстремально низкими температурами и высоким давлением, что свойственно другим планетам. Температура льда также может различаться: на вершинах гор она равна 0 градусов, тогда как самыми теплыми являются гренландские — 28 градусов.

Другая особенность — расширение массы замерзающий воды при образовании кристаллической решетки. Именно это свойство спасает флору и фауну во время зимы, не позволяя промерзать водоемам до самого дна. Возможно образование сосулек — длинных ледяных полотен до самого дна, но они никак не влияют на окружение.

Уникальность талой воды также не заканчивается на молекулярном уровне. Так, к примеру, талая вода будет довольно чистой и пригодной для питья. Поскольку образование льда является естественным очистителем для воды.

Существуют планеты, которые полностью покрывает горячий лед (например, Gliese 436 b). Разумеется, всё на уровне предположений — никто достоверно не знает. Предположительная температура на приведенной планете держится в 300°C, но сила давления настолько высока, что воду попросту сжимает и удерживает в твердом состоянии.

Различается удельная теплоемкость воды и льда в зависимости от температуры в интервале от 0 до -100°C. Снижение приводит к тому, что параметр значительно уменьшается, но теплопроводность и плотность, напротив, возрастает. Теплоемкость льда меньше в два раза, чем у воды, потому он может оставаться холодным, даже при высоких температурах (пример — гренландские теплые льды). Но их плотность будет близка к массе воды.

Таким образом, свойства льда не изучены в полной мере и могут предполагаться в лабораторных условиях.

Лёд и его разновидности

Существует дополнительная градация по разновидностям:

• атмосферный — твердый вид атмосферных осадков (снег, иней, град и даже туман);
• ледяная вода — также разновидность минерала, поскольку в неё присутствуют кристаллы;
• водяной покров — в воде, на её поверхности или прямо в массе (донный, внутриводный, ледяной);
• подземный — первичный и вторичный, относится к многолетним и вечным типам;
• ледниковый, соответственно, ледник.

Кроме того, разработан искусственный лёд. К нему также относятся разные типы поверхностей и разновидностей. Например, хоккейный лёд — специальное покрытие, максимально подходящее для игры. Сюда же относится материал покрытия для конькобежных видов спорта, фигурного катания и т.д.

Существует другая, сублимированная формула льда (CO2 — диоксид углерода), которая позволяет миновать жидкую фазу и сразу перейти в водяной пар. Таким образом достигается охлаждение пищевых продуктов, проводятся испытания и лабораторные исследования. Называется разновидность — синтетический или же сухой лёд.

Существует ещё много разновидностей: от цветного до обычного кубического льда, который легко делается в холодильнике.

Морфология

Природный лёд — это минерал, имеющий массу разновидностей. Часто это естественное скопление мелких частиц, перешедших из фазы жидкости. Но есть и виды, образованные вследствие сублимации. В целом, это масса, а именно кристаллы встречаются редко — сталактиты, сталагмиты. Наиболее яркий пример — Кунгурская ледяная пещера.

Ледяные забереги — полосы покрова, который образуется на границе между водой и воздухом. При этом основная часть воды не промерзает. Однако, начинаясь от берегов, они могут полностью срастаться на середине водоема, образуя сплошное полотно. Объем льда при этом может достигать как нескольких см, так и много метров.

Применение

Помимо очевидного применения для сохранения продуктов и проведения исследований, лёд применяется в качестве способа спасти жизнь. В 1980-х годах была разработана технология гидросмеси, или получившая название в медицине — «ледяная кровь». Суть в том, что соленая жидкая суспензия охлаждает трубы в здании. Такой же принцип был применен к людям — состав помогает увеличить время на спасение человека.

Также минерал некоторые народы используют для постройки жилища — иглы. Но только в приполярных районах, где он не растает. Используется способность льда проводить тепло.

Секреты льда

Суть в том, что при замерзании образуются полости, где остается воздух. Отсюда меньший вес и плотность. Из-за этих кубиков воздуха лёд и плавает на поверхности воды. Кроме того, в лёд может вмерзнуть газ или большое количество воздуха. Именно по этой причине айсберги по большей части находятся под водой на 90%, а на 10% — сверх. Объем, который скрывает масса воды, может поражать воображение — и всё из-за содержания соли, которая увеличивает плотность воды. Вроде огромная масса должна тонуть, но всё равно выталкивается на поверхность.

Также объем воды увеличивается при замерзании практически на 10%, что опять-таки происходит из-за образования кристаллической решетки, которая имеет полости воздуха.

Лед на земле, в океане, в космосе

Везде встречается разный вид минерала. Различие заключается в основном в том, насколько большое давление и температура замерзания. Водород и кислород можно найти по всему космосу, потому и лёд есть практически везде — даже там, где не доказано. Многие планеты состоят из льда даже в пределах Солнечной системы. Другиеинтересные факты в основном связаны с землей, как с наиболее изученным пространством. Так, к примеру, существует «волосяной лёд» — на деревьях при условиях влажного воздуха и низкой температуры. Лёд на земле и в океане может считаться минералом, а вот в холодильнике — нет.

(Пока оценок нет)

Загрузка...