Лед — это вода , замерзшая в твердом состоянии , обычно образующаяся при температуре 0 ° C , 32 ° F или 273,15 K или ниже . Он встречается в природе на Земле , других планетах, в объектах облака Оорта и в виде межзвездного льда . Как природное кристаллическое неорганическое твердое вещество с упорядоченной структурой, лед считается минералом . В зависимости от наличия примесей , таких как частицы почвы или пузырьки воздуха , он может казаться прозрачным или более или менее непрозрачным голубовато-белого цвета.
Практически весь лед на Земле имеет гексагональную кристаллическую структуру, обозначаемую как лед I h (произносится как «лед один h»). В зависимости от температуры и давления может существовать не менее девятнадцати фаз ( геометрий упаковки ). Наиболее распространенный фазовый переход в лед I h происходит, когда жидкая вода охлаждается ниже0 °С (273,15 К ,32 °F ) при стандартном атмосферном давлении . Когда вода быстро охлаждается ( закалка ), может образоваться до трех типов аморфного льда. Межзвездный лед в подавляющем большинстве является аморфным льдом низкой плотности (LDA), что, вероятно, делает лед LDA самым распространенным типом во Вселенной. При медленном охлаждении происходит коррелированное туннелирование протонов ниже−253,15 °С (20 К ,−423,67 °F ), что приводит к возникновению макроскопических квантовых явлений .
Лед в изобилии присутствует на поверхности Земли, особенно в полярных регионах и выше снеговой линии , где он может собираться из снега, образуя ледники и ледяные щиты . В виде снежинок и града лед является распространенной формой осадков , а также может откладываться непосредственно водяным паром в виде инея . Переход ото льда к воде происходит при таянии, а ото льда непосредственно к водяному пару — при сублимации . Эти процессы играют ключевую роль в круговороте воды на Земле и климате . В последние десятилетия объем льда на Земле сокращается из-за изменения климата . Наибольшее сокращение произошло в Арктике и горах, расположенных за пределами полярных регионов. Потеря заземленного льда (в отличие от плавающего морского льда ) является основным фактором повышения уровня моря .
Люди используют лед для различных целей уже тысячи лет. Некоторые исторические сооружения, предназначенные для хранения льда с целью охлаждения, имеют возраст более 2000 лет. До изобретения холодильной техники единственным способом безопасного хранения продуктов питания без изменения их свойств консервантами было использование льда. Достаточно прочная поверхность льда делает водные пути доступными для наземного транспорта зимой, и можно поддерживать специальные ледовые дороги . Лед также играет важную роль в зимних видах спорта .
Лед обладает регулярной кристаллической структурой, основанной на молекуле воды, которая состоит из одного атома кислорода , ковалентно связанного с двумя атомами водорода , или H–O–H. Однако многие физические свойства воды и льда контролируются образованием водородных связей между соседними атомами кислорода и водорода; хотя это слабая связь, она, тем не менее, имеет решающее значение для управления структурой как воды, так и льда. [6]
Необычным свойством воды является то, что ее твердая форма — лед, замороженный при атмосферном давлении — примерно на 8,3% менее плотная, чем ее жидкая форма; это эквивалентно объемному расширению на 9%. Плотность льда составляет 0,9167 [1] –0,9168 [2] г/см 3 при 0 °C и стандартном атмосферном давлении (101 325 Па), тогда как вода имеет плотность 0,9998 [1] –0,999863 [2] г/см 3 при той же температуре и давлении. Жидкая вода имеет наибольшую плотность, по сути 1,00 г/см 3 , при 4 °C и начинает терять свою плотность , поскольку молекулы воды начинают формировать гексагональные кристаллы льда по мере достижения точки замерзания. Это происходит из-за того, что водородные связи доминируют над межмолекулярными силами, что приводит к менее компактной упаковке молекул в твердом теле. Плотность льда немного увеличивается с понижением температуры и составляет 0,9340 г/см3 при −180 °C (93 К). [7]
Когда вода замерзает, она увеличивается в объеме (примерно на 9% для пресной воды). [8] Эффект расширения во время замерзания может быть драматичным, и расширение льда является основной причиной выветривания горных пород при замерзании-оттаивании в природе и повреждения фундаментов зданий и дорог от морозного пучения . Это также распространенная причина затопления домов, когда водопроводные трубы лопаются из-за давления расширяющейся воды при замерзании. [9]
Поскольку лед менее плотный, чем жидкая вода, он плавает, и это предотвращает замерзание водоемов снизу вверх. Вместо этого под плавающим льдом образуется защищенная среда для жизни животных и растений, которая защищает нижнюю часть от краткосрочных экстремальных погодных условий, таких как холодный ветер . Достаточно тонкий плавающий лед пропускает свет, поддерживая фотосинтез колоний бактерий и водорослей. [10] Когда морская вода замерзает, лед пронизывается заполненными рассолом каналами, которые поддерживают симпагические организмы , такие как бактерии, водоросли, веслоногие рачки и кольчатые черви . В свою очередь, они дают пищу животным, таким как криль, и специализированным рыбам, таким как лысый нототен , которыми, в свою очередь, питаются более крупные животные, такие как императорские пингвины и малые полосатики . [11]
Когда лед тает, он поглощает столько энергии , сколько требуется для нагревания эквивалентной массы воды на 80 °C (176 °F). [12] В процессе плавления температура остается постоянной и составляет 0 °C (32 °F). При плавлении любая добавленная энергия разрывает водородные связи между молекулами льда (воды). Энергия становится доступной для увеличения тепловой энергии (температуры) только после того, как будет разорвано достаточно водородных связей, чтобы лед можно было считать жидкой водой. Количество энергии, потребляемой при разрыве водородных связей при переходе ото льда к воде, известно как теплота плавления . [12] [8]
Как и вода, лед поглощает свет в красном конце спектра преимущественно в результате обертона растяжения связи кислород–водород (O–H). По сравнению с водой это поглощение смещено в сторону немного более низких энергий. Таким образом, лед кажется синим, с немного более зеленым оттенком, чем жидкая вода. Поскольку поглощение является кумулятивным, цветовой эффект усиливается с увеличением толщины или если внутренние отражения заставляют свет проходить более длинный путь через лед. [13] Другие цвета могут появляться в присутствии поглощающих свет примесей, где примесь диктует цвет, а не сам лед. Например, айсберги , содержащие примеси (например, осадки, водоросли, пузырьки воздуха), могут казаться коричневыми, серыми или зелеными. [13]
Поскольку лед в естественной среде обычно близок к своей температуре плавления, его твердость показывает выраженные температурные колебания. В точке плавления лед имеет твердость по Моосу 2 или меньше, но твердость увеличивается примерно до 4 при температуре −44 °C (−47 °F) и до 6 при температуре −78,5 °C (−109,3 °F), точке испарения твердого диоксида углерода ( сухого льда). [14]
Большинство жидкостей при повышенном давлении замерзают при более высоких температурах, поскольку давление помогает удерживать молекулы вместе. Однако сильные водородные связи в воде делают ее другой: для некоторых давлений выше 1 атм (0,10 МПа) вода замерзает при температуре ниже 0 °C (32 °F). Лед, вода и водяной пар могут сосуществовать в тройной точке , которая составляет ровно 273,16 К (0,01 °C) при давлении 611,657 Па . [16] [17] Кельвин был определен как 1/273.16 разницы между этой тройной точкой и абсолютным нулем , [18] хотя это определение изменилось в мае 2019 года. [19] В отличие от большинства других твердых тел, лед трудно перегреть . В эксперименте лед при температуре −3 °C был перегрет примерно до 17 °C в течение примерно 250 пикосекунд . [20]
Подвергаясь более высокому давлению и различным температурам, лед может образовывать девятнадцать отдельных известных кристаллических фаз с различной плотностью, наряду с гипотетическими предложенными фазами льда, которые не наблюдались. [21] При осторожности, по крайней мере, пятнадцать из этих фаз (одним из известных исключений является лед X) могут быть восстановлены при давлении окружающей среды и низкой температуре в метастабильной форме. [22] [23] Типы различаются по их кристаллической структуре, упорядочению протонов [24] и плотности. Существуют также две метастабильные фазы льда под давлением, обе полностью водородно-неупорядоченные; это Лед IV и Лед XII. Лед XII был открыт в 1996 году. В 2006 году были открыты Лед XIII и Лед XIV. [25] Льды XI, XIII и XIV являются водородно-упорядоченными формами льдов I h , V и XII соответственно. В 2009 году лед XV был обнаружен при чрезвычайно высоких давлениях и температуре -143 °C. [26] При еще более высоких давлениях лед, как прогнозируется, превратится в металл ; по разным оценкам, это произойдет при 1,55 ТПа [27] или 5,62 ТПа. [28]
Помимо кристаллических форм, твердая вода может существовать в аморфных состояниях в виде аморфной твердой воды (ASW) различной плотности. В космическом пространстве гексагональный кристаллический лед присутствует в ледяных вулканах [29] , но в других случаях встречается крайне редко. Даже ледяные луны, такие как Ганимед, как ожидается, в основном состоят из других кристаллических форм льда. [30] [31] В межзвездной среде вода преобладает в виде аморфного льда, что делает ее, вероятно, наиболее распространенной формой воды во Вселенной. [32] ASW низкой плотности (LDA), также известная как гиперзакаленная стекловидная вода, может быть ответственна за серебристые облака на Земле и обычно образуется путем осаждения водяного пара в холодных или вакуумных условиях. [33] ASW высокой плотности (HDA) образуется путем сжатия обычного льда I h или LDA при давлениях ГПа. ASW сверхвысокой плотности (VHDA) – это HDA, слегка нагретый до 160 К при давлении 1–2 ГПа. [34]
Лед из теоретической суперионной воды может обладать двумя кристаллическими структурами. При давлении свыше 500 000 бар (7 300 000 фунтов на квадратный дюйм) такой суперионный лед примет объемно-центрированную кубическую структуру. Однако при давлении свыше 1 000 000 бар (15 000 000 фунтов на квадратный дюйм) структура может сместиться к более стабильной гранецентрированной кубической решетке. Предполагается, что суперионный лед может составлять внутреннюю часть ледяных гигантов, таких как Уран и Нептун. [35]
Лед « скользкий », потому что у него низкий коэффициент трения. Впервые этот вопрос был научно исследован в 19 веке. Предпочтительным объяснением в то время было « плавление под давлением » — то есть лезвие конька, оказывая давление на лед, расплавляло тонкий слой, обеспечивая достаточную смазку для скольжения лезвия по льду. [36] Тем не менее, исследование 1939 года Фрэнка П. Боудена и Т. П. Хьюза показало, что фигуристы испытывали бы гораздо большее трение, чем на самом деле, если бы это было единственным объяснением. Кроме того, оптимальная температура для фигурного катания составляет −5,5 °C (22 °F; 268 K) и −9 °C (16 °F; 264 K) для хоккея; тем не менее, согласно теории плавления под давлением, катание при температуре ниже −4 °C (25 °F; 269 K) было бы совершенно невозможно. [37] Вместо этого Боуден и Хьюз утверждали, что нагревание и таяние слоя льда вызвано трением. Однако эта теория недостаточно объясняет, почему лед скользкий, даже если он неподвижен при температуре ниже нуля. [36]
Последующие исследования показали, что молекулы льда на границе не могут должным образом связываться с молекулами массы льда под ними (и, таким образом, могут свободно перемещаться, как молекулы жидкой воды). Эти молекулы остаются в полужидком состоянии, обеспечивая смазку независимо от давления на лед, оказываемого любым объектом. Однако значимость этой гипотезы оспаривается экспериментами, показывающими высокий коэффициент трения для льда с использованием атомно-силовой микроскопии . [37] Таким образом, механизм, контролирующий фрикционные свойства льда, по-прежнему является активной областью научных исследований. [38] Всеобъемлющая теория трения льда должна учитывать все вышеупомянутые механизмы для оценки коэффициента трения льда о различные материалы как функции температуры и скорости скольжения. Исследования 2014 года показывают, что фрикционный нагрев является наиболее важным процессом в большинстве типичных условий. [39]
Термин, который в совокупности описывает все части поверхности Земли, где вода находится в замороженном виде, называется криосферой . Лед является важным компонентом глобального климата, особенно в отношении круговорота воды. Ледники и снежные покровы являются важным механизмом хранения пресной воды; со временем они могут сублимироваться или таять. Таяние снега является важным источником сезонной пресной воды. [40] [41] Всемирная метеорологическая организация определяет несколько видов льда в зависимости от происхождения, размера, формы, влияния и т. д. [42] Клатратные гидраты представляют собой формы льда, которые содержат молекулы газа, заключенные в его кристаллической решетке. [43] [44]
Лед, который можно найти в море, может быть в форме дрейфующего льда , плавающего в воде, припая, прикрепленного к береговой линии, или якорного льда , если он прикреплен к морскому дну. [45] Лед, который откалывается (откалывается) от шельфового ледника или прибрежного ледника, может стать айсбергом. [46] Последствия откалывания льда приводят к образованию рыхлой смеси снега и льда, известной как ледяной меланж . [47]
Морской лед формируется в несколько стадий. Сначала на поверхности воды скапливаются мелкие кристаллы миллиметрового масштаба, образуя так называемый ледяной лед . По мере того, как они становятся несколько больше и более однородными по форме и покрытию, поверхность воды сверху начинает выглядеть «маслянистой», поэтому эту стадию называют льдом-смазкой . [48] Затем лед продолжает слипаться и затвердевать в плоские сплоченные куски, известные как льдины . Льдины являются основными строительными блоками морского ледяного покрова, и их горизонтальный размер (определяемый как половина их диаметра ) резко варьируется: наименьший измеряется сантиметрами, а наибольший — сотнями километров. [49] Говорят, что область, которая покрыта льдом более чем на 70% своей поверхности. [50]
Полностью сформированный морской лед может быть сжат течениями и ветрами, образуя торосы высотой до 12 метров (39 футов). [51] С другой стороны, активная волновая деятельность может уменьшить морской лед до небольших, правильной формы кусков, известных как блинчатый лед . [52] Иногда ветер и волновая деятельность «шлифуют» морской лед до идеально сферических кусков, известных как ледяные яйца . [53] [54]
Крупнейшими ледяными образованиями на Земле являются два ледяных щита , которые почти полностью покрывают крупнейший остров мира, Гренландию , и континент Антарктиду . Эти ледяные щиты имеют среднюю толщину более 1 км (0,6 мили) и существуют уже миллионы лет. [55] [56]
Другие крупные ледяные образования на суше включают ледяные шапки , ледяные поля , ледяные потоки и ледники . В частности, регион Гиндукуша известен как «Третий полюс» Земли из-за большого количества ледников, которые он содержит. Они покрывают площадь около 80 000 км 2 (31 000 кв. миль) и имеют общий объем от 3 000 до 4 700 км 3 . [40] Эти ледники называют «азиатскими водонапорными башнями», потому что их талая вода попадает в реки, которые обеспечивают водой примерно два миллиарда человек. [41]
Вечная мерзлота относится к почве или подводным отложениям , которые постоянно остаются ниже 0 °C (32 °F) в течение двух или более лет. [57] Лед в вечной мерзлоте делится на четыре категории: поровый лед, жильный лед (также известный как ледяные клинья), погребенный поверхностный лед и внутриосадочный лед (от замерзания подземных вод). [58] Одним из примеров образования льда в районах вечной мерзлоты является наледь — слоистый лед, который образуется в арктических и субарктических долинах ручьев. Лед, замороженный в русле ручья, блокирует нормальный сток грунтовых вод и вызывает повышение местного уровня грунтовых вод, что приводит к сбросу воды поверх замерзшего слоя. Затем эта вода замерзает, заставляя уровень грунтовых вод повышаться дальше и повторять цикл. Результатом является слоистое отложение льда, часто толщиной в несколько метров. [59] Снежная линия и снежные поля — это два связанных понятия, в том смысле, что снежные поля накапливаются поверх и исчезают до точки равновесия (снеговой линии) в ледяном отложении. [60]
Лед, образующийся на движущейся воде, как правило, менее однороден и стабилен, чем лед, образующийся на спокойной воде. Заторы льда (иногда называемые «ледяными плотинами»), когда скапливаются обломки льда, представляют наибольшую опасность на реках. Заторы льда могут вызвать наводнения, повредить сооружения на реке или около нее, а также повредить суда на реке. Заторы льда могут привести к полной остановке некоторых объектов гидроэнергетики . Ледяная плотина — это препятствие, вызванное движением ледника, которое может привести к образованию прогляциального озера . Сильные потоки льда на реках также могут повредить суда и требуют использования ледокольного судна для обеспечения возможности навигации. [61] [62]
Ледяные диски — это круглые образования льда, плавающие на речной воде. Они формируются в вихревых течениях , а их положение приводит к асимметричному таянию, что заставляет их непрерывно вращаться с низкой скоростью. [63] [64]
Лед образуется на спокойной воде у берегов, тонким слоем распространяясь по поверхности, а затем вниз. Лед на озерах обычно бывает четырех типов: первичный, вторичный, наложенный и агломерированный. [65] [66] Сначала образуется первичный лед. Вторичный лед образуется под первичным льдом в направлении, параллельном направлению теплового потока. Наложенный лед образуется поверх поверхности льда из-за дождя или воды, которая просачивается через трещины во льду, который часто оседает, когда загружен снегом. Толчок льда происходит, когда движение льда, вызванное расширением льда и/или действием ветра, происходит в той степени, что лед выталкивается на берега озер, часто вытесняя осадок, который составляет береговую линию. [67]
Шельфовый лед образуется, когда плавающие куски льда, гонимые ветром, скапливаются на наветренном берегу. Этот вид льда может содержать большие воздушные карманы под тонким поверхностным слоем, что делает особенно опасным хождение по нему. [68] Еще одна опасная форма гнилого льда для пешего перехода — свечной лед, который развивается в колоннах, перпендикулярных поверхности озера. Поскольку у него нет прочной горизонтальной структуры, у провалившегося человека нет ничего, за что можно было бы ухватиться, чтобы выбраться. [69]
Кристаллы снега образуются, когда замерзают крошечные переохлажденные облачные капли ( диаметром около 10 мкм ) . Эти капли способны оставаться жидкими при температурах ниже −18 °C (255 K; 0 °F), потому что для замерзания несколько молекул в капле должны случайно собраться вместе, чтобы сформировать структуру, похожую на структуру в ледяной решетке; затем капля замерзает вокруг этого «ядра». Эксперименты показывают, что это «гомогенное» зародышеобразование облачных капель происходит только при температурах ниже −35 °C (238 K; −31 °F). [70] В более теплых облаках в капле (или в контакте с ней) должна присутствовать аэрозольная частица или «ледяное ядро», чтобы действовать как ядро. Наше понимание того, какие частицы создают эффективные ледяные ядра, скудно — что мы знаем, так это то, что они очень редки по сравнению с теми ядрами конденсации облаков, на которых образуются жидкие капли. Глина, пустынная пыль и биологические частицы могут быть эффективными, [71] хотя в какой степени неясно. Искусственные ядра используются при засеивании облаков . [72] Затем капля растет путем конденсации водяного пара на ледяных поверхностях. [73]
Ледяной шторм — это тип зимнего шторма, характеризующийся ледяным дождем , который образует ледяную корку на поверхностях, включая дороги и линии электропередач . В Соединенных Штатах четверть зимних погодных явлений приводит к образованию гололеда, и коммунальные службы должны быть готовы минимизировать ущерб. [74]
Град образуется в грозовых облаках , когда переохлажденные капли воды замерзают при контакте с ядрами конденсации , такими как пыль или грязь . Восходящий поток шторма сдувает градины в верхнюю часть облака. Восходящий поток рассеивается, и градины падают вниз, обратно в восходящий поток, и снова поднимаются вверх. Град имеет диаметр 5 миллиметров (0,20 дюйма) или более. [75] В коде METAR GR используется для обозначения более крупного града, диаметром не менее 6,4 миллиметра (0,25 дюйма), а GS — для меньшего. [76] Камни размером 19 миллиметров (0,75 дюйма), 25 миллиметров (1,0 дюйм) и 44 миллиметра (1,75 дюйма) являются наиболее часто регистрируемыми размерами града в Северной Америке. [77] Градины могут вырасти до 15 сантиметров (6 дюймов) и весить более 0,5 килограмма (1,1 фунта). [78] В крупных градинах скрытое тепло , выделяемое при дальнейшем замерзании, может расплавить внешнюю оболочку градины. Затем градина может подвергнуться «мокрому росту», когда жидкая внешняя оболочка собирает другие более мелкие градины. [79] Градины покрываются слоем льда и становятся все больше и больше с каждым подъемом. Как только градина становится слишком тяжелой, чтобы поддерживаться восходящим потоком шторма, она падает из облака. [80]
Град образуется в сильных грозовых облаках, особенно с интенсивными восходящими потоками, высоким содержанием жидкой воды, большой вертикальной протяженностью, крупными каплями воды и там, где значительная часть облачного слоя находится ниже точки замерзания 0 °C (32 °F). [75] Градообразующие облака часто можно узнать по их зеленой окраске. [81] [82] Скорость роста максимальна при температуре около −13 °C (9 °F) и становится исчезающе малой намного ниже −30 °C (−22 °F), поскольку переохлажденные капли воды становятся редкими. По этой причине град наиболее распространен в континентальных внутренних районах средних широт, поскольку образование града значительно более вероятно, когда уровень замерзания находится ниже высоты 11 000 футов (3400 м). [83] Вовлечение сухого воздуха в сильные грозы над континентами может увеличить частоту града, способствуя испарительному охлаждению, которое снижает уровень замерзания грозовых облаков, давая граду больший объем для роста. Соответственно, град на самом деле менее распространен в тропиках, несмотря на гораздо более высокую частоту гроз, чем в средних широтах, потому что атмосфера над тропиками, как правило, теплее на гораздо большей глубине. Град в тропиках выпадает в основном на больших высотах. [84]
Ледяная крупа ( код METAR PL [76] ) — это форма осадков, состоящая из небольших полупрозрачных шариков льда, которые обычно меньше градин. [85] Эту форму осадков Национальная метеорологическая служба США также называет «мокрым снегом» . [86] (В британском английском «мокрый снег» относится к смеси дождя и снега .) Ледяная крупа обычно образуется вместе с замерзающим дождем, когда влажный теплый фронт оказывается между более холодными и более сухими атмосферными слоями. Там капли дождя замерзают и уменьшаются в размерах из-за испарительного охлаждения. [87] Так называемые снежные крупы, или снежная крупа , образуются, когда несколько капель воды замерзают на снежинках, пока не образуется мягкая шарообразная форма. [88] Так называемая « алмазная пыль » (код METAR IC [76] ), также известная как ледяные иглы или ледяные кристаллы, образуется при температурах, приближающихся к −40 °C (−40 °F) из-за смешивания воздуха с немного более высокой влажностью сверху с более холодным воздухом у поверхности. [89]
По мере того, как вода капает и снова замерзает, она может образовывать на земле висящие сосульки или сталагмитоподобные структуры. [90] На наклонных крышах накопление льда может привести к образованию ледяной плотины , которая препятствует нормальному стоку талой воды и потенциально приводит к разрушительным протечкам. [91] В более общем плане, водяной пар, оседающий на поверхностях из-за высокой относительной влажности , а затем замерзающий, приводит к различным формам атмосферного обледенения или инея . Внутри зданий это можно увидеть в виде льда на поверхности неизолированных окон. [92] Изморозь является обычным явлением в окружающей среде, особенно в низинных районах, таких как долины . [93] В Антарктиде температуры могут быть настолько низкими, что электростатическое притяжение увеличивается до такой степени, что иней на снегу слипается, когда его раздувает ветер, в шары, похожие на перекати -поле, известные как юкимаримо . [94]
Иногда капли воды кристаллизуются на холодных предметах в виде изморози , а не глазури. Мягкий изморозь имеет плотность от четверти до двух третей от плотности чистого льда [95] из-за высокой доли захваченного воздуха, который также делает мягкий изморозь белой. Твердый изморозь плотнее, прозрачнее и с большей вероятностью появляется на кораблях и самолетах. [96] [97] Холодный ветер, в частности, вызывает то, что известно как адвективный изморозь , когда он сталкивается с предметами. Когда он случается с растениями, он часто наносит им вред. [98] Существуют различные методы защиты сельскохозяйственных культур от заморозков — от простого их покрытия до использования ветровых машин. [99] [100] В последние десятилетия ирригационные разбрызгиватели были откалиброваны для распыления ровно такого количества воды, чтобы заранее создать слой льда, который будет формироваться медленно и, таким образом, избегать внезапного температурного шока для растений, и не быть настолько толстым, чтобы нанести ущерб своим весом. [99]
Абляция льда относится как к его таянию , так и к его растворению . [101]
Плавление льда влечет за собой разрыв водородных связей между молекулами воды. Упорядоченность молекул в твердом теле нарушается до менее упорядоченного состояния, и твердое тело плавится, превращаясь в жидкость. Это достигается за счет увеличения внутренней энергии льда сверх точки плавления . Когда лед тает, он поглощает столько энергии, сколько потребовалось бы для нагрева эквивалентного количества воды на 80 °C. При плавлении температура поверхности льда остается постоянной и составляет 0 °C. Скорость процесса плавления зависит от эффективности процесса энергообмена. Поверхность льда в пресной воде плавится исключительно за счет свободной конвекции со скоростью, которая линейно зависит от температуры воды, T ∞ , когда T ∞ меньше 3,98 °C, и сверхлинейно, когда T ∞ равна или больше 3,98 °C, причем скорость пропорциональна (T ∞ − 3,98 °C) α , где α = 5/3 для T ∞ намного больше 8 °C, и α = 4/3 для промежуточных температур T ∞ . [102]
В соленых условиях окружающей среды растворение, а не таяние, часто вызывает абляцию льда. Например, температура Северного Ледовитого океана , как правило, ниже точки плавления тающего морского льда. Фазовый переход из твердого состояния в жидкое достигается путем смешивания молекул соли и воды, аналогично растворению сахара в воде, хотя температура воды намного ниже точки плавления сахара. Однако скорость растворения ограничена концентрацией соли и поэтому медленнее, чем таяние. [103]
Лед издавна ценился как средство охлаждения. В 400 г. до н. э. в Иране персидские инженеры уже разработали методы хранения льда в пустыне в летние месяцы. Зимой лед перевозили из водоемов и близлежащих гор в больших количествах для хранения в специально спроектированных, естественно охлаждаемых холодильниках , называемых яхчал (что означает хранилище льда ). Яхчалы представляли собой большие подземные помещения (до 5000 м3 ) с толстыми стенами (не менее двух метров у основания), сделанными из особого типа раствора, называемого сарудж, из песка, глины, яичных белков, извести, козьей шерсти и золы. Раствор был устойчив к передаче тепла, помогая сохранять лед достаточно холодным, чтобы не растаять; он также был непроницаем для воды. Яхчалы часто включали в себя кяриз и систему ветроуловителей , которые могли понижать внутреннюю температуру до холодного уровня даже в летнюю жару. Одним из применений льда было создание охлажденных угощений для королевской семьи. [104] [105]
В XVI–XVII веках в Англии процветали отрасли, в которых низменные районы вдоль устья Темзы затапливались зимой, а лед собирали в тележках и хранили в межсезонье в изолированных деревянных домах в качестве запаса для ледника, который часто располагался в больших загородных домах и широко использовался для сохранения свежей рыбы, пойманной в далеких водах. Это, как утверждается, было скопировано англичанином, который видел то же самое в Китае. Лед импортировался в Англию из Норвегии в значительных масштабах еще в 1823 году. [106]
В Соединенных Штатах первый груз льда был отправлен из Нью-Йорка в Чарльстон, Южная Каролина , в 1799 году, [106] и к первой половине 19-го века сбор льда стал крупным бизнесом. Фредерик Тюдор , который стал известен как «Ледяной король», работал над разработкой лучших изоляционных продуктов для дальних перевозок льда, особенно в тропики; это стало известно как торговля льдом. [107]
Между 1812 и 1822 годами, по указанию Ллойда Хескета Бэмфорда Хескета , был построен замок Грайх с 18 большими башнями, одна из которых называется «Ледяная башня». Ее единственной целью было хранение льда. [108]
Триест отправлял лед в Египет , Корфу и Занте ; Швейцария — во Францию; а в Германию иногда поставляли лед из баварских озер. [106] С 1930-х годов и вплоть до 1994 года здание венгерского парламента использовало лед, собранный зимой с озера Балатон , для кондиционирования воздуха. [109]
Ледяные дома использовались для хранения льда, образовавшегося зимой, чтобы лед был доступен круглый год, а ранний тип холодильника , известный как ледяной ящик, охлаждался с помощью блока льда, помещенного внутрь него. Во многих городах летом была регулярная служба доставки льда . Появление технологии искусственного охлаждения сделало доставку льда устаревшей. [110]
Лед по-прежнему собирают для мероприятий по созданию ледяных и снежных скульптур . Например, для Харбинского международного фестиваля ледяных и снежных скульптур каждый год используют пилу с замёрзшей поверхности реки Сунгари . [111]
Самый ранний известный письменный процесс искусственного получения льда описан в трудах арабского историка Ибн Абу Усайбии XIII века в его книге «Китаб Уюн аль-анба фи табакат-аль-атибба», посвященной медицине, в которой Ибн Абу Усайбиа приписывает этот процесс еще более древнему автору, Ибн Бахтавайхи, о котором ничего не известно. [112]
В настоящее время лед производится в промышленных масштабах для использования, включая хранение и переработку продуктов питания, химическое производство, смешивание и отверждение бетона, а также потребительский или упакованный лед. [113] Большинство коммерческих ледогенераторов производят три основных типа фрагментированного льда: чешуйчатый, трубчатый и пластинчатый, используя различные методы. [113] Крупногабаритные ледогенераторы могут производить до 75 тонн льда в день. [114] В 2002 году в Соединенных Штатах насчитывалось 426 коммерческих компаний по производству льда, с общей стоимостью поставок в 595 487 000 долларов США. [115] Домашние холодильники также могут производить лед с помощью встроенного ледогенератора , который обычно делает кубики льда или дробленый лед. Первое такое устройство было представлено в 1965 году компанией Frigidaire . [116]
Образование льда на дорогах является распространенной зимней опасностью, а черный лед особенно опасен, потому что его очень трудно увидеть. Он одновременно очень прозрачен и часто образуется именно в затененных (и, следовательно, более прохладных и темных) местах, то есть под путепроводами . [117]
Всякий раз, когда идет ледяной дождь или снег, температура которого близка к точке таяния, на окнах транспортных средств обычно образуется лед. Часто снег тает, снова замерзает и образует фрагментированный слой льда, который эффективно «приклеивает» снег к окну. В этом случае замерзшую массу обычно удаляют скребками для льда . [118] Тонкий слой кристаллов льда может также образовываться на внутренней поверхности окон автомобиля в достаточно холодную погоду. В 1970-х и 1980-х годах некоторые автомобили, такие как Ford Thunderbird, могли быть модернизированы с помощью подогреваемых лобовых стекол. Эта технология вышла из моды, поскольку была слишком дорогой и подверженной повреждениям, но обогреватели заднего стекла дешевле в обслуживании и поэтому более распространены. [119]
В достаточно холодных местах слои льда на поверхности воды могут стать достаточно толстыми для строительства ледовых дорог . Некоторые правила указывают, что минимальная безопасная толщина составляет 4 дюйма (10 см) для человека, 7 дюймов (18 см) для снегохода и 15 дюймов (38 см) для автомобиля легче 5 тонн. Для грузовиков эффективная толщина меняется в зависимости от нагрузки - например, для транспортного средства с общим весом 9 тонн требуется толщина 20 дюймов (51 см). В частности, ограничение скорости для транспортного средства, движущегося по дороге, которая соответствует ее минимальной безопасной толщине, составляет 25 км/ч (15 миль/ч), увеличиваясь до 35 км/ч (25 миль/ч), если толщина дороги в 2 или более раз больше минимального безопасного значения. [120] Известен случай, когда железная дорога была построена на льду. [121]
Самой известной ледовой дорогой была Дорога жизни через Ладожское озеро . Она действовала зимой 1941–1942 и 1942–1943 годов, когда это был единственный сухопутный маршрут, доступный Советскому Союзу для снятия блокады Ленинграда немецкой группой армий «Север» . [122] : 76–80 Грузовики перевезли в город сотни тысяч тонн грузов, и сотни тысяч мирных жителей были эвакуированы. [123] Теперь это объект Всемирного наследия . [124]
Для судов лед представляет две различные опасности. Во-первых, брызги и ледяной дождь могут привести к образованию ледяного нароста на надстройке судна, достаточного для того, чтобы сделать его неустойчивым, потенциально вплоть до опрокидывания . [125] Раньше члены экипажа были вынуждены вручную срезать ледяные наросты. После 1980-х годов более распространенным стало распыление антиобледенительных химикатов или растапливание льда с помощью шлангов с горячей водой/паром. [126] Во-вторых, айсберги — большие массы льда, плавающие в воде (обычно образующиеся, когда ледники достигают моря) — могут быть опасны, если их ударит судно во время движения. Айсберги стали причиной затопления многих кораблей, самым известным из которых является « Титаник» . [127]
Для гаваней вблизи полюсов отсутствие льда, в идеале круглый год, является важным преимуществом. Примерами являются Мурманск (Россия), Петсамо (Россия, бывшая Финляндия) и Вардё (Норвегия). Гавани, которые не свободны ото льда, открываются с помощью специализированных судов, называемых ледоколами. [128] Ледоколы также используются для открытия путей через морской лед для других судов, поскольку единственной альтернативой является поиск отверстий, называемых « полыньи » или « проходы ». Широкое производство ледоколов началось в 19 веке. Более ранние конструкции просто имели усиленные носы в форме ложки или диагонали, чтобы эффективно дробить лед. Более поздние конструкции прикрепляли передний гребной винт под выступающим носом, поскольку типичные задние гребные винты были неспособны эффективно управлять судном через лед [128]
Для самолетов лед может представлять ряд опасностей. Когда самолет поднимается, он проходит через слои воздуха с различной температурой и влажностью, некоторые из которых могут способствовать образованию льда. Если лед образуется на крыльях или поверхностях управления, это может отрицательно сказаться на летных качествах самолета. В 1919 году во время первого беспосадочного перелета через Атлантику британские летчики капитан Джон Олкок и лейтенант Артур Уиттен Браун столкнулись с такими условиями обледенения — Браун выходил из кабины и несколько раз поднимался на крыло, чтобы удалить лед, покрывавший воздухозаборники двигателя самолета Vickers Vimy, на котором они летели. [131]
Одной из уязвимостей, вызванных обледенением, которая связана с поршневыми двигателями внутреннего сгорания, является карбюратор . Поскольку воздух всасывается через карбюратор в двигатель, локальное давление воздуха понижается, что вызывает адиабатическое охлаждение. Таким образом, во влажных условиях, близких к температуре замерзания, карбюратор будет холоднее и будет иметь тенденцию к обледенению. Это заблокирует подачу воздуха в двигатель и приведет к его отказу. В период с 1969 по 1975 год было зафиксировано 468 таких случаев, что привело к 75 потерям самолетов, 44 смертельным случаям и 202 серьезным травмам. [132] Таким образом, были разработаны нагреватели воздухозаборника карбюратора . Кроме того, поршневые двигатели с впрыском топлива изначально не требуют карбюраторов. [133]
Реактивные двигатели не подвержены обледенению карбюратора, но на них может влиять влага, которая изначально присутствует в реактивном топливе, замерзая и образуя кристаллы льда, которые потенциально могут засорить топливозаборник двигателя. Для решения этой проблемы используются подогреватели топлива и/или противообледенительные добавки. [134]
Лед играет центральную роль в зимнем отдыхе и во многих видах спорта, таких как катание на коньках , тур-коньках , хоккей с мячом , подледная рыбалка , ледолазание , керлинг , брумбол и гонки на бобслеях , санях и скелетоне . Многие из различных видов спорта, в которые играют на льду , привлекают международное внимание каждые четыре года во время зимних Олимпийских игр . [135]
Небольшие лодкообразные суда могут быть установлены на лопастях и передвигаться по льду с помощью парусов . Этот вид спорта известен как ледовый яхтинг , и он практикуется на протяжении столетий. [136] [137] Другой автомобильный вид спорта — это гонки на льду , где водители должны развивать скорость на льду озера, одновременно контролируя занос своего транспортного средства (в некотором смысле похоже на гонки по грунтовой дороге ). Этот вид спорта даже был модифицирован для катков . [138]
Выбросы парниковых газов в результате деятельности человека нарушают энергетический баланс Земли и, таким образом, вызывают накопление тепла . [150] Около 90% этого тепла добавляется к тепловому содержанию океана , 1% удерживается в атмосфере, а 3-4% идет на таяние основных частей криосферы. [150] В результате в период с 1994 по 2017 год по всему миру было потеряно 28 триллионов тонн льда. [149] Сокращение площади арктического морского льда стало причиной самой большой потери (7,6 триллиона тонн), за которой следует таяние шельфовых ледников Антарктиды (6,5 триллиона тонн), отступление горных ледников (6,1 триллиона тонн), таяние ледяного покрова Гренландии (3,8 триллиона тонн) и, наконец, таяние ледяного покрова Антарктиды (2,5 триллиона тонн) и ограниченные потери морского льда в Южном океане (0,9 триллиона тонн). [149]
Помимо морского льда (который уже вытесняет воду из-за закона Архимеда ), эти потери являются основной причиной повышения уровня моря (ПУМ), и ожидается, что они усилятся в будущем. В частности, таяние Западно-Антарктического ледяного щита может существенно ускориться, поскольку плавучие шельфовые ледники будут потеряны и больше не смогут поддерживать ледники. Это вызовет плохо изученные процессы нестабильности морского ледяного щита , которые затем могут увеличить ПУМ, ожидаемый к концу века (от 30 см (1 фут) до 1 м ( 3+1 ⁄ 2 фута), в зависимости от будущего потепления), на десятки сантиметров больше. [151] : 1302
Потеря льда в Гренландии и Антарктиде также приводит к образованию большого количества пресной талой воды , что нарушает атлантическую меридиональную опрокидывающую циркуляцию (AMOC) и опрокидывающую циркуляцию Южного океана соответственно. [152] Эти две половины термохалинной циркуляции очень важны для глобального климата. Продолжение высоких потоков талой воды может вызвать серьезное нарушение (вплоть до точки «коллапса») любой из циркуляций или даже обеих из них. Любое из этих событий можно считать примером переломных моментов в климатической системе , поскольку его будет крайне сложно обратить вспять. [152] Как правило, не ожидается, что AMOC рухнет в течение 21-го века, в то время как существуют лишь ограниченные знания о циркуляции Южного океана. [151] : 1214
Другим примером переломного момента, связанного со льдом, является таяние вечной мерзлоты. В то время как органическое содержимое вечной мерзлоты вызывает выбросы CO2 и метана, когда она оттаивает и начинает разлагаться, [152] таяние льда разжижает землю, заставляя все, что построено над бывшей вечной мерзлотой, рушиться. К 2050 году экономический ущерб от такой потери инфраструктуры, как ожидается, составит десятки миллиардов долларов. [153]
В будущем Северный Ледовитый океан , вероятно, потеряет фактически весь свой морской лед в течение по крайней мере нескольких сентября (конец сезона таяния льда), хотя часть льда снова замерзнет зимой. То есть, сентябрь без льда, вероятно, будет происходить раз в 40 лет, если глобальное потепление составит 1,5 °C (2,7 °F), но будет происходить раз в 8 лет при 2 °C (3,6 °F) и раз в 1,5 года при 3 °C (5,4 °F). [155] Это повлияет на региональный и глобальный климат из-за обратной связи между льдом и альбедо . Поскольку лед хорошо отражает солнечную энергию, устойчивый морской ледяной покров снижает локальные температуры. Как только этот ледяной покров растает, более темные воды океана начнут поглощать больше тепла, что также поможет растопить оставшийся лед. [158]
Глобальные потери морского льда в период с 1992 по 2018 год, почти все из которых произошли в Арктике, уже оказали такое же воздействие, как 10% выбросов парниковых газов за тот же период. [159] Если бы весь арктический морской лед исчезал каждый год в период с июня по сентябрь ( полярный день , когда постоянно светит Солнце), температура в Арктике увеличилась бы более чем на 1,5 °C (2,7 °F), в то время как глобальная температура увеличилась бы примерно на 0,19 °C (0,34 °F). [154]
К 2100 году по крайней мере четверть горных ледников за пределами Гренландии и Антарктиды растает, [161] и фактически все ледяные шапки на неполярных горах, вероятно, будут потеряны примерно через 200 лет после того, как глобальное потепление достигнет 2 °C (3,6 °F). [156] [157] Западно-Антарктический ледяной щит крайне уязвим и, скорее всего, исчезнет, даже если потепление не будет продолжаться, [162] [163] [164] [165] хотя может пройти около 2000 лет, прежде чем его потеря будет полной. [156] [157] Гренландский ледяной щит, скорее всего, будет потерян при устойчивом потеплении от 1,7 °C (3,1 °F) до 2,3 °C (4,1 °F), [166] хотя для его полной потери потребуется около 10 000 лет. [156] [157] Наконец, для полного таяния ледяного покрова Восточной Антарктиды потребуется не менее 10 000 лет, что требует потепления на 5 °C (9,0 °F) – 10 °C (18 °F). [156] [157]
Если бы весь лед на Земле растаял, это привело бы к повышению уровня моря примерно на 70 м (229 футов 8 дюймов), [167] при этом около 53,3 м (174 фута 10 дюймов) пришлось бы на Восточную Антарктиду. [56] Из-за изостатического отскока свободная ото льда земля в конечном итоге стала бы на 301 м (987 футов 6 дюймов) выше в Гренландии и на 494 м (1620 футов 9 дюймов) в Антарктиде, в среднем. Области в центре каждого массива суши стали бы на 783 м (2568 футов 11 дюймов) и 936 м (3070 футов 10 дюймов) выше соответственно. [168] Влияние на глобальные температуры от потери Западной Антарктиды, горных ледников и Гренландского ледяного щита оценивается в 0,05 °C (0,090 °F), 0,08 °C (0,14 °F) и 0,13 °C (0,23 °F) соответственно, [154] в то время как отсутствие Восточно-Антарктического ледяного щита приведет к повышению температур на 0,6 °C (1,1 °F). [156] [157]
Твердые фазы нескольких других летучих веществ также называются льдами ; обычно летучее вещество классифицируется как лед, если его точка плавления или сублимации лежит выше или около 100 К (−173 °C; −280 °F) (при стандартном атмосферном давлении). Наиболее известным примером является сухой лед , твердая форма диоксида углерода . Его точка сублимации/осаждения происходит при 194,7 К (−78,5 °C; −109,2 °F). [169]
«Магнитный аналог» льда также реализуется в некоторых изолирующих магнитных материалах, в которых магнитные моменты имитируют положение протонов в водяном льду и подчиняются энергетическим ограничениям, аналогичным правилам льда Бернала-Фаулера , возникающим из геометрического расстройства конфигурации протонов в водяном льду. Эти материалы называются спиновым льдом . [170]
Подогрев карбюратора — это противообледенительная система, которая подогревает воздух до того, как он попадет в карбюратор, и предназначена для поддержания температуры топливовоздушной смеси выше точки замерзания, чтобы предотвратить образование льда в карбюраторе.