Невероятные факты о льде и его двеннадцати модификациях

Лед, как известно, состоит из молекул воды, содержащих два атома водорода и один – кислорода. Тем не менее, несмотря на кажущуюся простоту, он является одним из самых загадочных веществ на Земле.

Немецкий ученый Г. Тамман и американский П. В. Бриджмен еще в начале XX столетия выявили шесть разновидностей льда. Теперь уже исследовано 12 его модификаций, полученных опытным путем при различных атмосферных давлениях и температурах.
Из всех известных видов наиболее изучен обычный лед, к которому мы все привыкли. Он встречается также в виде града, инея, снега, фирна (твердого, спрессованного под собственной тяжестью снега – среднее состояние между снегом и льдом).
Обычный лед имеет уникальную особенность – он легче воды. (Его плотность равна 0,931 г/см 3в то время как плотность воды достигает 1 г/см 3.) Молекулы в его кристаллах располагаются свободно и между ними имеются зазоры. В отличие от других веществ, которые при замерзании сжимаются, вода, превращаясь в лед, расширяется примерно на десять процентов, быстро меняет плотно упакованную структуру на ажурную, рыхлую и сравнительно легкую. Поэтому обломки льда могут держаться на поверхности воды в океанах в виде гигантских айсбергов или в реках в виде небольших льдин во время весеннего ледохода. Кстати, скопление плывущих льдин на узком участке реки может привести к затору (своеобразной плотине), последующему разливу реки и наводнению, а айсберги, как известно, представляют опасность для кораблей.
Лед также вызывает обледенение морских судов и если не удалять лед с такелажа, антенн, мачт, надстроек, то центр тяжести такого корабля в конце концов окажется слишком высоко и судно перевернется. Лед, расширяясь, запросто раздавливает корабли, как это случилось, например, 13 февраля 1934 года в Чукотском море с советским пароходом «Челюскин». Тогда, как известно, была предпринята попытка пройти на пароходе за одну навигацию по Северному морскому пути из Мурманска во Владивосток.
На заре полярной авиации обледенение самолета в полете часто заканчивалось аварией из-за выхода из строя навигационных систем и радиосвязи, а также отказа двигателей. Предполагают, что именно так произошло с советским четырехмоторным дальним бомбардировщиком ДБ-А (бортовой номер Н-209), экипаж которого под руководством командира корабля Героя Советского Союза С. Леваневского в августе 1937 года попытался из Москвы долететь до Нью-Йорка через Северный полюс.


Нагромождение льда на антенных сооружениях и воздушных линиях электропередач приводит к обрыву проводов. Скажем, зимой 1998 года в столице Канады внезапно выпал необычный град, и за пару суток ледяной панцирь толщиной до 30 см покрыл дороги, здания, сооружения, опоры ЛЭП, которые под тяжестью льда и обледенелых проводов разрушались, как игрушечные. Без электроэнергии и связи остались сотни тысяч домов. Вдобавок гололед парализовал движение – автобаны, железные дороги и тротуары превратились в каток. Ежегодно из-за гололеда случаются тысячи дорожно-транспортных происшествий, часто – с человеческими жертвами.
Снежные лавины, сходящие с горных склонов, сметают все на своем пути. Многовековые деревья ломаются как спички, иногда целые селения вместе с людьми оказываются заживо погребенными под многометровым слоем снега, не говоря уже об альпинистах или горных туристах.
Поэтому лавиноопасные склоны заранее обстреливают из пушек для искусственного сброса снега и предотвращения внезапного схода лавин вблизи населенных пунктов и туристских маршрутов. В годы войны с помощью артиллерии или взрывчатки противоборствующие стороны специально устраивали сход лавин на вражеские позиции.
Град наносит огромный ущерб как сельскохозяйственным культурам, так и имуществу людей. Так, например, в 1984 году в результате выпадения крупного «ледяного дождя» в Мюнхене оказались побитыми сотни тысяч окон, витрин, пострадали более 200 тыс. автомобилей.
Есть у льда и «положительные стороны». Он образует на поверхности рек и водоемов покров, предохраняющий их от промерзания до дна (температура воды возле дна не опускается ниже +4 °C). Таким образом, подводные обитатели озер, прудов, рек, водохранилищ, морей благополучно пережидают зиму.
Безо всем привычного льда не было бы санных трасс и катков, в том числе в закрытых помещениях, а значит, не существовал бы санный и конькобежный спорт, хоккей, фигурное катание, спортивные танцы на льду. Наконец, без помощи льда продукты в морозильнике не сохранялись бы.

Снежный покров, укрывающий землю, защищает растения от вымерзания зимой. Рыхлый снег иногда почти на 90 % состоит из воздушной прослойки, которая прекрасно предохраняет растительность от холода. Снег также дает возможность скользить лыжам, саням.
Эскимосы используют снежные кирпичи из фирна для строительства круглых домиков – иглу. В таком жилище можно переждать непогоду, если в пути застала пурга – внутри иглу сохраняется плюсовая температура воздуха, даже если снаружи –40 °C.
Ну и, наверное, самый главный «плюс» льда – это то, что снег и лед, которыми покрыта пятая часть суши Земли, прежде всего являются запасом пресной воды, без которой невозможна жизнь человека. Из общего количества пресной воды на нашей планете (35 млн км^) почти 70 % ее (около 30 млн км^) заключено в горных ледниках и в ледниковых покровах Арктики и Антарктиды, где толщина ледяного панциря достигает порой четырех километров.
Огромные массы льда со скоростью примерно десять метров в год соскальзывают с антарктических гор в океан, разламываются и в виде гигантских айсбергов «путешествуют» по океанам. Горные ледники на остальных континентах тоже очень медленно сползают со склонов, постепенно тают и дают начало многим рекам.
В последние годы на фотографиях, сделанных со спутников, в Антарктиде ученые обнаружили реки изо льда, шириной в десятки километров, которые двигаются со скоростью около 500 м в год. Некоторые из них внезапно застывают на месте. Исследователи пока не находят ответа, почему эти ледяные реки текут и, тем более – по какой причине останавливаются. Вот вам еще одна загадка льда. Ученые высказывают опасение, что когда-нибудь из-за глобального потепления на планете в океан соскользнет столько льда, что его уровень поднимется до шести-восьми метров и многие портовые города окажутся затопленными.
С помощью льда можно очищать воду. Для этого зимой металлическую емкость с водопроводной, да и колодезной или родниковой водой выставляют на мороз, а летом помещают в морозильник. Следует помнить, что при полном замерзании лед, расширяясь, может деформировать дно емкости. Как только вода покроется ледяной корочкой, ее нужно слить в другую посуду, а лед выбросить, в том числе и тот, что образовался на стенках, памятуя, что первым замерзает грязная вода. Затем эту уже частично очищенную воду снова нужно выставить на мороз и дождаться, пока основная масса воды замерзнет и останется только незамерзшая вода в центре емкости. Ее тоже нужно вылить в унитаз – это дейтериевая вода и вода с примесями твердых частичек, тяжелых металлов и других вредных веществ. Она замерзает в центре емкости в последнюю очередь. Оставшийся прозрачный ледяной круг с отверстием посредине является очищенной на 98 % водой. Если она замерзла полностью, то необходимо горячей водой вымыть непрозрачную середину льда с вредными примесями, чтобы образовался ледяной «бублик». Этот лед можно растопить и использовать для приготовления пищи или просто пить талую воду по мере ее таяния. Прошедшая глубокую очистку талая вода является структурированной и благоприятно влияет на все системы организма, а значит, укрепляет здоровье.


Кстати, горячая вода замерзает раньше, чем холодная (так называемый «эффект Мпембы», названный по имени танзанийского школьника, который в 1960-х годах первым заметил, что если упаковку сока подержать на солнцепеке, а затем поместить его в морозильник для получения фруктового льда, то сок замерзает гораздо быстрее, чем холодная упаковка). Лед очень долго хранил этот свой секрет – объяснение парадоксу ученые нашли лишь в 1990-х годах. В ходе многочисленных экспериментов они установили, что при нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются и вода, лишенная газов, замерзает быстрее.
Понижением температуры и атмосферного давления исследователи в лабораторных условиях получили новые модификации льда. Среди них – так называемый аморфный лед. Его открыли американские ученые А. Делсемм и А. Венджер в 1969 году в астрофизическом центре при университете в Толедо (штат Огайо, США). Во время эксперимента в глубоком вакууме при температуре –173 °C водяной пар, оседая на твердом теле, образовал аморфный лед (не имеющий кристаллического строения), внешним видом напоминающий стекло. Отдельные молекулы замерзшей воды в нем не упорядочены, как у льда в обычных условиях. Тем не менее, структура такого аморфного льда оказалась более компактной, чем льда кристаллического. Этот лед имеет плотность 2,32 г/см*. Не исключено, что такие или сходные формы льда могут входить в состав комет или образовываться на поверхности других планет Солнечной системы.
Существует даже гипотеза, что жизнь на Земле зародилась именно благодаря космическому льду. Ее выдвинул профессор физики Л. Френк из университета штата Айова (США) в 1981 году, после того, как он увидел фотоснимки, сделанные со спутника в верхних слоях атмосферы. На фотографиях виднелись непонятные черные точки. Эксперты списали это на дефект пленки, а профессор Френк предположил, что фотокамера зафиксировала многочисленные снежные кометы весом в десятки тонн, несущиеся на Землю. По мнению американского физика, эти гигантские глыбы льда, попав в атмосферу, испаряются. Но не исключено, что миллионы лет назад крошечные осколки космического льда, который мог иметь в своем составе какие-то живые клетки, все же достигли земной поверхности. Другие ученые всерьез такую гипотезу не приняли. И лишь в 1997 году Л. Френку удалось зафиксировать с помощью самой современной фотоаппаратуры светящиеся следы от тех самых ледяных мини-комет, которые очень часто стремятся в направлении Земли.

Ученым удалось при давлении почти в 21 тыс. кгс/см 2получить лед, который имеет температуру +76 °C (или +78 °C, по другим данным). Это так называемый «горячий лед», прикоснувшись к которому, можно получить ожог. Прямо «лед и пламень» в одном веществе! Это ли не загадка природы?
По мнению академика В. И. Вернадского, такая модификация льда может встречаться в космическом пространстве. Сейчас ученые выяснили, что «горячим льдом» иногда забиты магистральные газопроводы. Но как он там образовывается? Ответа пока нет.
По словам исследователей, еще один вид льда плавится лишь при температуре +400 °C. (По другим данным – при +190 °C). При всей своей необычности вполне вероятно, что он встречается во Вселенной и в глубинных слоях земной коры, но об этом пока можно судить лишь предположительно. Однако для того, чтобы обнаружить «сверхгорячий» лед, не нужно забираться так далеко. Ученые предполагают, что огромные давления, которые нужны для его образования, теоретически могут развиваться в трущихся деталях крупных механизмов, например в подшипниках очень мощных турбин электростанций. И если в смазке для подшипников оказываются малейшие следы воды, она превращается в сверхтвердый лед, что крайне отрицательно действует на подшипники и быстро их разрушает. Как с этим бороться – пока не ясно.
Снег, по сравнению со льдом, более изучен. Снежинки зарождаются в облаках, конденсируясь из водяных паров в виде крохотных капелек. Они остывают до температуры ниже 0 °C и, сталкиваясь с пылинками, образуют всем нам знакомые шестиконечные снежинки. (Впрочем, изредка встречается и 12-конечная и даже 18-конечная их форма.) Но среди них не встретить двух совершенно одинаковых, отчасти потому, что снег по пути к земной поверхности проходит несколько разных температурных режимов и каждая снежинка превращается в уникальное творение природы.