И здесь уже можно перейти ко второй категории. Под словом «лед» мы привыкли понимать твердое фазовое состояние воды. Но помимо нее замораживанию подвергаются и другие вещества. Таким образом, лед можно различать по химическому составу исходного вещества, например, углекислый, аммиачный, метановый лед и другие.

В-третьих, различают кристаллические решетки (модификации) водяного льда, образование которых обусловлено термодинамическим фактором. Вот о них-то мы и поговорим немного в этой заметке.

В статье Лед мы с вами остановились на том, как происходит перестройка структуры воды с изменением ее агрегатных состояний, и затронули кристаллическое строение обыкновенного льда. Благодаря внутреннему устройству самой молекулы воды и водородным связям, соединяющим все молекулы в упорядоченную систему, образуется гексагональная (шестиугольная) кристаллическая решетка льда. Ближайшие друг к другу молекулы (одна центральная и четыре угловых) расположены в форме трехгранной пирамиды, или тетраэдра, который лежит в основе гексагональной кристаллической модификации (илл.1 ).

Кстати , расстояние между мельчайшими частицами вещества измеряются в нанометрах (нм) или ангстремах (по имени шведского физика XIX века Андерса Йонаса Ангстрема; обозначается символом Å). 1 Å = 0,1 нм = 10−10 м.

Такое шестиугольное строение обыкновенного льда распространяется на весь его объем. Наглядно в этом можно убедиться невооруженным глазом: зимой во время снегопада поймайте снежинку на рукав одежды или на перчатку и приглядитесь к ее форме – она шестилучевая или шестиугольная. Это характерно для каждой снежинки, но при этом ни одна снежинка никогда не повторяет другую (подробнее об этом в нашей статье ). И даже крупные кристаллы льда своей внешней формой отвечают внутреннему молекулярному строению (илл.2 ).

Мы уже говорили, что переход вещества, в частности воды, из одного состояния в другое осуществляется при наличии определенных условий. Привычный лед образуется при температуре от 0°C и ниже и при давлении в 1 атмосферу (нормальное значение). Следовательно, для появления иных модификаций льда требуется изменение этих значений, и в большинстве случаев наличие низких температур и высокого давления, при которых происходит изменение угла водородных связей и реконструкция всей кристаллической решетки.

Каждая модификация льда относится к определенной сингонии – группе кристаллов, в которых элементарные ячейки обладают одной и той же симметрией и системой координат (оси XYZ). Всего же различают семь сингоний. Характеристики каждой из них представлены на иллюстрациях 3-4 . А чуть ниже дано изображение основных форм кристаллов (илл.5 )

Все модификации льда, отличающиеся от обыкновенного, были получены в лабораторных условиях. О первых полиморфных структурах льда стало известно в начале XX века стараниями ученых Густава Таммана (Gustav Heinrich Tammann) и Перси Бриджмена (Percy Williams Bridgman) . Диаграмма модификаций, составленная Бриджменом, периодически дополнялась. Новые модификации выявляли из полученных ранее. Последние изменения в диаграмму были внесены уже в наше время. На данный момент получено шестнадцать кристаллических типов льда. Каждый тип имеет свое наименование и обозначается римской цифрой.

Мы не будем вникать глубоко в физические характеристики каждого молекулярного типа водяного льда, чтобы не утомлять вас, уважаемые читатели, научными подробностями, отметим только основные параметры.

Обыкновенный лед носит наименование лед Ih (приставка «h» означает гексагональную сингонию). На иллюстрации 7 представлена его кристаллическая структура, состоящая из шестиугольных связок (гексамеров), которые отличаются по форме – одна в виде шезлонга (англ. chair-form ), другая в виде ладьи (boat-form ). Эти гексамеры формируют трехмерную секцию – два «шезлонга» находятся по горизонтали вверху и внизу, а три «ладьи» занимают вертикальное положение.

На пространственной схеме показан порядок в расположении водородных связей льда Ih , но в действительности связи выстраиваются случайным образом. Впрочем, ученые не исключают, что водородные связи на поверхности гексагонального льда более упорядочены, чем внутри структуры.

Элементарная ячейка гексагонального льда (т.е. минимальный объем кристалла, повторное воспроизведение которого в трех измерениях, образует всю кристаллическую решетку в целом) включает в себя 4 молекулы воды. Размеры ячейки составляют 4,51 Å по сторонам a,b и 7.35 Å по стороне с (сторона, или ось с на схемах имеет вертикальное направление). Углы между сторонами, как видно из иллюстрации 4: α=β = 90°, γ = 120° . Расстояние между соседними молекулами равно 2.76 Å .

Гексагональные ледяные кристаллы образуют шестиугольные пластины и столбики; верхняя и нижняя грани в них являются базовыми плоскостями, а шесть одинаковых боковых граней называются призматическими (илл.10 ).

Минимальное количество молекул воды, необходимое для начала ее кристаллизации – около 275 (±25) . В значительной степени образование льда происходит на поверхности водной массы, граничащей с воздухом, нежели внутри нее. Кристаллы крупнозернистого льда Ih медленно формируются в направлении оси с, например, в стоячей воде они растут вертикально вниз от кристаллических пластинок, или в условиях, где рост в сторону затруднен. Мелкозернистый лед, образующийся в неспокойной воде или при быстром ее замерзании, имеет ускоренный рост, направленный от призматических граней. Температура окружающей воды определяет степень разветвленности кристаллической решетки льда.

Частицы растворенных в воде веществ, за исключением атомов гелия и водорода, чьи размеры позволяют им поместиться в полостях структуры, при нормальном атмосферном давлении исключаются из кристаллической решетки, вытесняясь на поверхность кристалла или, как в случае с аморфной разновидностью (об этом дальше в статье) образуя слои между микрокристаллами. Последовательные циклы замораживания-оттаивания воды могут быть использованы для очистки ее от примесей, например, газов (дегазация).

Наряду со льдом Ih существует также лед Ic (кубическая сингония ), правда, в природе образование этой разновидности льда изредка возможно только в верхних слоях атмосферы. Искусственно лед Ic получают путем моментального замораживания воды, для чего конденсируют пар на охлажденной от минус 80 до минус 110°С металлической поверхности при нормальном атмосферном давлении. В результате опыта на поверхность выпадают кристаллики кубической формы или в виде октаэдров. Создать кубический лед первой модификации из обычного гексагонального, понижая его температуру, не получится, а вот переход из кубического в гексагональный возможен при нагревании льда Ic выше минус 80°С .

В молекулярной структуре льда Ic угол водородных связей такой же, как и у обычного льда Ih – 109.5° . А вот шестигранное кольцо, образуемое молекулами, в решетке льда Ic присутствует только в форме шезлонга.

Плотность льда Ic равна 0.92 г/см³ при давлении в 1 атм. Элементарная ячейка в кубическом кристалле имеет 8 молекул и размеры: a=b=c = 6.35 Å, а ее углы α=β=γ = 90°.

На заметку. Уважаемые читатели, в данной статье мы неоднократно будем сталкиваться с показателями температуры и давления для того или иного типа льда. И если температурные значения, выраженные в градусах по Цельсию, всем понятны, то восприятие значений давления, возможно, для кого-то будет затруднено. В физике используются различные единицы для его измерения, но мы в нашей статье будем обозначать его в атмосферах (атм), округляя значения. Нормальное атмосферное давление составляет 1 атм, что равняется 760 мм ртутного столба, или чуть более 1 бара, или 0.1 МПа (мегапаскаль).

Как вы поняли, в частности, из примера со льдом Ic , существование кристаллических модификаций льда возможно в условиях термодинамического равновесия, т.е. при нарушении баланса температуры и давления, определяющего наличие какого-либо кристаллического вида льда, этот вид исчезает, переходя в иную модификацию. Диапазон этих термодинамических значений различается, для каждого вида он свой. Рассмотрим другие типы льда, не строго в номенклатурном порядке, а в связи с этими структурными переходами.

Лед II относится к тригональной сингонии. Он может образоваться из гексагонального типа при давлении около 3 000 атм и температуре около минус 75°С, или из другой модификации (лед V ), путем резкого снижения давления при температуре минус 35°С. Существование II типа льда возможно в условиях минус 170°С и давлении от 1 до 50 000 атм (или 5 гигапаскалей (ГПа)). По оценкам ученых, лед такой модификации, вероятно, может входить в состав ледяных спутников дальних планет Солнечной системы. Нормальное атмосферное давление и температура выше минус 113°C создают условия для перехода этого типа льда в обычный гексагональный лед.

На иллюстрации 13 показана кристаллическая решетка льда II . Видна характерная особенность структуры – своего рода, полые шестиугольные каналы, образуемые молекулярными связками. Элементарная ячейка (область, выделенная на иллюстрации ромбом) состоит из двух связок, которые смещены относительно друг друга, условно говоря, «по высоте». В результате образуется ромбоэдрическая система решетки. Размеры ячейки a=b=c = 7.78 Å; α=β=γ = 113.1°. В ячейке 12 молекул. Угол связей между молекулами (О–О–О) варьируется от 80 до 120°.

При нагреве II модификации можно получить лед III , и наоборот, охлаждение льда III превращает его в лед II . Также лед III образуется, когда температуру воды постепенно понижают до минус 23°С, увеличивая давление до 3 000 атм.
Как видно на фазовой диаграмме (илл. 6 ), термодинамические условия для стабильного состояния льда III , а также другой модификации – льда V , невелики.

Льды III и V имеют четыре тройные точки с окружающими модификациями (термодинамические значения, при которых возможно существование разных состояний вещества). Тем не менее, льды II , III и V модификаций могут существовать в условиях нормального атмосферного давления и температуры минус 170°С, а нагревание их до минус 150°С приводит к образованию льда Ic .

По сравнению с другими модификациями высокого давления, известными в настоящее время, лед III облает наименьшей плотностью – при давлении 3 500 атм. она равна 1.16 г/см³.
Лед III является тетрагональной разновидностью кристаллизованной воды, но сама структура решетки льда III имеет нарушения. Если обычно каждую молекулу окружают 4 соседние, то в данном случае этот показатель будет иметь значение 3.2, и кроме того поблизости могут находиться ещё 2 или 3 молекулы, которые не имеют водородных связей.
В пространственном построении молекулы образуют правосторонние спирали.
Габариты элементарной ячейки с 12 молекулами при минус 23°С и около 2800 атм: a=b = 6,66, c = 6,93 Å; α=β=γ = 90°. Угол водородных связей в диапазоне от 87 до 141°.

На иллюстрации 15 условно представлена пространственная схема молекулярного строения льда III . Молекулы (точки голубого цвета), распложенные ближе к зрителю, показаны крупнее, а водородные связи (линии красного цвета) соответственно толще.

А теперь, как говорится, по горячим следам, давайте сразу «перескочим» идущие после льда III в номенклатурном порядке кристаллические модификации, и скажем несколько слов о льде IX .
Этот вид льда, по сути, измененный лед III , подвергнутый быстрому глубокому охлаждению от минус 65 до минус 108°С во избежание трансформирования его в лед II . Лед IX сохраняет устойчивость при температуре ниже 133°С и давлении от 2 000 до 4 000 атм. Его плотность и структура идентична III виду, но в отличие от льда III в структуре льда IX имеется порядок в расположении протонов.
Нагревание льда IX не возвращает его к исходной III модификации, а превращает в лед II . Размеры ячейки: a=b = 6,69, c = 6,71 Å при температуре минус 108°С и 2800 атм.

Кстати , роман писателя-фантаста Курта Воннегута (Kurt Vonnegut) 1963 г. «Колыбель для кошки» строится вокруг вещества, именуемого лед-девять, который описывается как искусственно полученный материал, представляющий большую опасность для жизни, так как вода при контакте с ним кристаллизуется, превращаясь в лед-девять. Попадание даже небольшого количества этого вещества в природную акваторию, выходящую к мировому океану, грозит замерзанием всей воды на планете, что в свою очередь означает гибель всего живого. В конце концов, так все и происходит.

Лед IV представляет собой метастабильное (слабоустойчивое) тригональное образование кристаллической решетки. Его существование возможно в фазовом пространстве льдов III , V и VI модификаций. Получить лед IV можно из аморфного льда высокой плотности, медленно нагревая его, начиная от минус 130°С при постоянном давлении 8 000 атм.
Размер элементарной ромбоэдрической ячейки составляет 7.60 Å, углы α=β=γ = 70.1°. Ячейка включает в себя 16 молекул; водородные связи между молекулами асимметричные. При давлении 1 атм и температуре минус 163°С плотность льда IV равна 1.27 г/см³. Угол связей О–О–О: 88–128°.

Аналогично IV типу льда образуется и лед XII – путем нагревания высокоплотной аморфной модификации (об этом ниже) от минус 196 до минус 90°С при том же давлении 8 000 атм, но уже с более высокой скоростью.
Лед XII также метастабилен в фазовой области V и VI кристаллических типов. Является разновидностью тетрагональной сингонии.
Элементарная ячейка содержит 12 молекул, которые, благодаря водородным связям с углами 84–135°, располагаются в кристаллической решетке, образуя двойную правостороннюю спираль. Ячейка имеет размеры: a=b = 8.27, c = 4.02 Å; углы α=β=γ = 90º. Плотность льда XII составляет 1.30 г/см³ при нормальном атмосферном давлении и температуре минус 146°С. Углы водородных связей: 67–132°.

Из открытых на сегодняшний день модификаций водяного льда самую сложную кристаллическую структуру имеет лед V . 28 молекул составляют его элементарную ячейку; водородные связи пролегают через зазоры в других молекулярных соединениях, а некоторые молекулы образуют связи только с определенными соединениями. Угол водородных связей между соседними молекулами сильно различается – от 86 до 132°, поэтому в кристаллической решетке льда V имеется сильное напряжение и огромный запас энергии.
Параметры ячейки при условиях нормального атмосферного давления и температуры минус 175°С: a= 9.22, b= 7.54, c= 10.35 Å; α=β = 90°, γ = 109,2 °.
Лед V – это моноклинная разновидность, образуемая охлаждением воды до минус 20°С при давлении около 5 000 атм. Плотность кристаллической решетки с учетом давления 3 500 атм составляет 1.24 г/см³.
Пространственная схема кристаллической решетки льда V типа показана на иллюстрации 18 . Серым контуром выделена область элементарной ячейки кристалла.

Упорядоченное расположение протонов в структуре льда V делает его другой разновидностью, именуемой льдом XIII . Данную моноклинную модификацию можно получить в результате охлаждения воды ниже минус 143°С с добавлением соляной кислоты (HCl) для облегчения фазового перехода, создавая давление 5 000 атм. Обратимый переход от XIII типа к V типу возможен в диапазоне температур от минус 193°С до минус 153°С.
Размеры элементарной ячейки льда XIII слегка отличаются от V модификации: а= 9,24, b= 7,47, c= 10.30 Å; α=β = 90°, γ= 109,7 ° (при 1 атм, минус 193°С). Количество молекул в ячейке то же – 28. Угол водородных связей: 82–135°.

В следующей части нашей статьи мы продолжим обзор модификаций водяного льда.

До встречи на страницах нашего блога!

Вы так же можете ознакомиться с другими статьями:

Ледяные композиции в виде елочек

Новогодние ледяные композиции

Ледяной скульптурный комплекс «Двенадцат...

Двускатные ледяные горки

Ледяные цветы

Логотип «СНГП» изо льда

Приглашение на праздник Крещения Господн...

Машины изо льда

Сооружения изо льда

Ледовое оформление ТЦ Капитолий

Ледяной медведь

Ледяная скульптурная группа «Три богатыр...

Ледяной бар Chivas Regal

Ледяной бар в музее-мастерской З. Церете...

Дорога Жизни

Кирстен Стюарт во льду.

Ледяной замок в Миннесоте

Замерзшие пузыри

Лабиринт изо льда в Буффало

Ледяной показ мод

Белые медведи катаются по льду

Ледяная скульптура - Ангел

Чайка, попавшая в лед

Sub-Zero. Ледяной ниндзя

Предлагаем вашему вниманию фотографии кристаллов природной воды и воды из водопроводов крупнейших городов мира.

Природная вода

Хорошо сформированные, похожие на ювелирные украшения кристаллы образовались из воды рек, ручьев и ледников.

Кристалл сияет, как солнце. Этот источник питается талыми водами пиков Яцугатакэ – воплощенной красоты природы.

Кристалл слева образован водой из источника, расположенного на берегу озера Тюдзэндэи. Хлорирование воды по требованию местных властей привело к значительному изменению ее свойств, что показывает фотография справа.

Кристалл из Фонтана ди Треви в Италии уникален и напоминает монеты, которые туристы бросают в фонтан.

Родниковая вода богатой алмазами Тасмании порождает кристаллы, похожие на маленькие бриллианты. Грунтовые воды экологически чистой Новой Зеландии также образуют очень красивые кристаллы.

На Южном полюсе тысячелетние снега слежались в твердую массу. Кристалл этой воды также выглядит очень твердым. Вода для обеих этих проб была получена из поверхностных слоев снега и льда, поэтому она не совсем девственно чиста.

Это кристаллы из воды, которую собирали в Швейцарии.

Водопроводная вода городов мира

Получить кристаллы из водопроводной воды удается лишь в очень немногих городах мира. Все дело, по-видимому, в химической обработке воды.

Кристаллы не образуются в результате обработки воды веществами, вредящими ее природной жизнетворной силе.

Даже в Венеции, "городе на воде", водопроводная вода не может породить кристаллов. Вода швейцарского Берна в этом смысле гораздо лучше.

Как это ни удивительно, вода некоторых американских мегаполисов образует прекрасные кристаллы. Возможно, это результат мероприятий по защите воды.

Ванкуверская вода образовала относительно завершенные кристаллы – возможно, благодаря обильному стоку со Скалистых гор. Вода Сиднея смогла породить лишь какой-то кривой "бублик".

Это кристаллы из двух городов Южной Америки. Хорошие кристаллы дала вода аргентинского Буэнос-Айреса. Манаус расположен в Бразилии, на берегах изобильной реки Амазонки.

Интересные факты о воде:
- Человеческое тело в среднем на 70 % состоит из воды.

Одна из самых больших загадок воды заключается в том простом факте, что лед плавает в ней. Когда любое другое вещество переходит из жидкого состояния в твердое, его плотность возрастает и вещество становится сравнительно более тяжелым.

Если бы вода вела себя как все другие вещества и лед опускался бы на дно, то и нас с вами, возможно, не было бы. Каждый раз, когда температура опускалась бы, дно озер и океанов превращалось бы в сплошной лед и все живые существа погибали.

Вода также обладает уникальной способностью растворять другие вещества и вымывать их. Только подумайте, как много веществ может раствориться в воде и как трудно вернуть воду к ее исходному чистому состоянию.

По одной из теорий, вода имеет внеземное происхождение и она была занесена на нашу планету из космоса на кометах.

Кристаллы льда в облаках существуют в самых разных формах, из которых хорошо знают только снежинки, хотя еще бывают пластинки (толстые и тонкие), колонны (полые и цельные), иголки и пирамидальные и т.д.. Молекулы льда (воды) так устроены, что формируют гексагональную кристалическую решетку, поэтому обычно, кристалы льда растут шестиугольными.

Но идеальной формы "пластинок" и "колонн", показанной на рисунке выше, у кристаллов льда которые находятся а воздухе практически не бывает, все намного сложнее. Форма кристалла определяется условиями (температуры и влажности воздуха) при которых он образовался и вырос, см. "морфологическую схему" с сайта SnowCrystals.com :

Форма кристалла льда в зависимости от температуры и влажности.

Для изучения того, как образуется гало пока используются только самые простые две формы кристаллов, но не так давно для расчетов очень редких гало стали использовать пирамидальные формы. Пока этого достаточно (для создания почти сотни различных видов гало), хотя еще существует несколько гало без удовлетворительной теории.

Основные формы кристаллов льда:

• шестиугольные правильные
  • плоские призмы (размер основания больше высоты) — "пластинки" (plate)
  • колоннообразные (длина-высота больше основания) — "колонны" (column)
• шестиугольные неправильной формы
  • скошеные, неправильной формы
  • с вкраплениями, plates with inner structures decorated plates
• пирамидальные
  • plate, плоские пирамидальные
  • column, колоннообразные пирамидальные
• другие (иногда моделируют гало с помощью других форм, например, кубических, либо склееных нескольких 6-ти угольных)

Кроме формы кристаллов для образования гало важно то, как они расположены в воздухе:
произвольно или упорядочено, парят или вращаются.

Всего с учетом формы и ориентации выделяют следующие основные условия формирования гало:

• Не упорядоченые кристаллы
  • Произвольно ориентированные шестиугольные кристаллы
  • Случайно ориентированные пирамидальные кристаллы
• Упорядоченные кристаллы
  • Горизонтально ориентированные колоннообразные кристаллы
  • Горизонтально ориентированные плоские призмы
  • Ориентированные плоские пирамидальные кристаллы
  • Ориентированные колоннообразные пирамидальные кристаллы
• Сложно упорядоченые кристаллы (двойная ориентация)
  • Ориентация Парри (горизонтально ориентированные колоннообразные кристаллы с дополнительным условием — горизонтальность боковых граней)
  • Ориентация Ловица (горизонтально ориентированные "пластинки" с дополнительным условием — вращение вокруг вертикальной оси)

При наблюдении, в отдельном облаке могут оказаться кристаллы одной формы (если облако образовалось все сразу при одних условиях), либо множество кристаллов разных форм (например, 10% пластинок, 89% колонн и 1% пирамидальных пластинок). Кроме того, все кристаллы могут летать, крутиться, планировать совершенно независимо друг от друга. По яркости разных форм гало можно оценить примерное присутствие тех или иных форм кристаллов и попытаться смоделировать то, что вы видели на небе с помощью симулятора.

Пример

Ниже показаны расчеты наблюдения, если в воздухе присутствуют сразу несколько типов и ориентаций кристаллов.

1) высота солнца — 15 градусов, случайные обычные и пирамидальные кристаллы, они же присутствуют в колоннообразном виде и виде плоских призм, в ориентации Парри и Ловица:

2) те же условия, цент схемы — зенит:

3) те же условия, высота солнца — 35 градусов:

4) высота солнца 55 градусов:

Природа - великий математик. Стоит разглядеть любую молекулу, кристалл, атом, увидеть стройную систему ДНК, как станет понятно - строгие геометрические формы - конек творца нашего мира. И, если уж на то пошло, одно из самых ярких доказательств тому являются кристаллы льда - обыкновенные снежинки.

Впервые описал снежинки как кристаллы строгой формы немецкий ученый Иоганн Кеплер в трактате «О шестиугольных снежинках» (1611 г). В 1635 году снежинками заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, который впоследствии написал главу о снежинках, включенные им впоследствии в «Опыт о метеорах». С изобретением микроскопа в середине 17 века представления о формах снежинок расширилось. В 1898 году Уилсон Бентли - фермер из американского штата Вермонт - опубликовал свой полувековой труд о снежных кристаллах в журнале «Харперс мэгэзин». Это была научная бомба. В 15 лет мальчик получил в подарок микроскоп, через три года он прикрепил к нему фотоаппарат и 50 лет фотографировал снежинки, делая до 300 снимков за зиму. К концу жизни Бентли коллекция насчитывала более 5000 экземпляров. Именно он доказал, что в мире нет ни одной одинаковой снежинки.

Означает ли это, что мы теперь знаем о снежинках все? Вовсе нет. На самом деле, сейчас вопросов осталось даже больше, чем в самом начале изучения. Мало того, еще в Советском Союзе появилась целая наука - гляциология. Изначально гляциология (от латинского слова «гляциес», означающего холод, лед) считалась чисто описательной наукой о ледниках, и только о ледниках. В шестидесятых годах среди гляциологов СССР разгорелась дискуссия о том, считать или не считать снег и снежный покров предметом гляциологии. В настоящее время «снеговедение» - признанная отдельная ветвь в гляциологии во всем мире.

Условия образования и формирования кристаллов льда в естественных условиях

Снег - чудеснейшая особенность нашей планеты. Он образуется на всех континентах в огромных количествах. Ежегодно снегом покрывается до 130 миллионов квадратных километров - четвертая часть всей поверхности Земли вместе с океанами. Миллиарды «невесомых» снежинок способны повлиять даже на скорость вращения Земли. Только в августе, в период наименьшей заснеженности Земли, когда снегом покрыто 8,7 % всей поверхности планеты, снежный покров весит 7400 миллиардов тонн. А к концу зимы в северном полушарии масса сезонного снега достигает 13.500 миллиардов тонн. Но снег оказывает влияние на Землю не только своим весом. Снежный покров отражает в космос почти 90 % солнечной радиации. Свободная от снега суша отражает только 10, максимум 20 %.

Всем известно, что снег образуется не на земной поверхности, а в высоких слоях атмосферы. Облака состоят из мелких снежинок и переохлажденных капель воды, и поэтому даже дожди, жидкие осадки могут иметь своим прямым предшественником атмосферный снег.

Снежинка - это замороженный кристалл воды (кристалл льда), имеющий форму шестилучевого многогранника. Кристаллы образуются в замороженных облаках при их переходе из парообразного состояния в замороженную, кристаллическую, твёрдую фазу. На возникновение и рост водных кристаллов - снежинок, напрямую оказывает свое непосредственное влияние, температура и влажность окружающего воздуха.

Давайте для начала разберемся с облаками. Облака возникают при конденсации водяного пара в атмосфере, когда образуются либо капельки воды, либо кристаллы льда. При подъеме воздух попадает в слои все более низкого давления. Воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно на 10° С. Если воздух с относительной влажностью ок. 50 % поднимется более чем на 1 км, начнется образование облака. То есть высота образования облаков разная для каждого места земли, в зависимости от влажности воздуха.

Облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые) состоят почти исключительно из воды, их основания располагаются примерно до высоты 2000 м. Облака, стелющиеся по земной поверхности, называются туманом.

Основания облаков среднего яруса (высококучевых и высокослоистых) находятся на высотах от 2000 до 7000 м. Эти облака имеют температуру от 0° С до –25° С и часто представляют собой смесь капель воды и ледяных кристаллов.

Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые) обычно имеют нечеткие очертания, так как состоят из ледяных кристаллов. Их основания располагаются на высотах более 7000 м, а температура ниже –25° С.

Если ледяные кристаллы внутри облака слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными в восходящем потоке воздуха, они выпадают в виде снега. Если нижние слои атмосферы достаточно теплые, снежинки тают и выпадают на землю дождевыми каплями. Даже летом в умеренных широтах дожди обычно зарождаются в форме льдинок. И даже в тропиках дожди, выпадающие из кучево-дождевых облаков, начинаются с ледяных частичек. Убедительным доказательством того, что лед в облаках существует даже летом, служит град.

В очень чистом воздухе капельки воды действительно не замерзают до температур около - 30, –40° С. Для образования ядра будущей снежинки необходимы мельчайшие примеси, на которые уже «намерзнет» снежинка. В роли таких ядер могут выступать, например, мельчайшие глинистые частички, они приобретают особенное значение при температурах ниже –10°–15° С. Снегообразование вызывают и искусственно, распылив в воздухе ионы серебра. Одно время считалось, что частые снегопады могут служить доказательством загрязненности воздуха и, соответственно, окружающей среды в регионе. Однако сейчас это утверждение уже опровергнуто

Однако есть и еще один любопытный факт. Ученых из Франции и США открыли, что основным «ядром» снежинок во всем мире служат… бактерии. Причем не просто бактерии, а, чаще всего, одна бактерия - Pseudomonas syringae. Эти палочковидные бактерии заражают большое количество растений, в том числе и сельскохозяйственных. Сейчас разработано множество средств, истребляющих бактерию, вредящую сельскому хозяйству. Не повлияет ли ее уничтожение на климат и снегообразование? Вопрос риторический.

Интересно, что ядром снежинок могут выступать и водяные пары. С этим связано такое явление, как выпадение снега в комнатах. Если в очень жарко натопленном и влажном помещении зимой, при низкой температуре, резко распахнуть дверь, то в комнате пойдет снег. Такое явление было описано в Санкт-Петербургских ведомостях за 1773 год. На балу, где собралось слишком много народа, было очень душно и некоторые дамы стали падать в обморок. Тогда один из гусар выбил окно и в помещении пошел снег. Причиной его стали водяные пары от дыхания множества людей. С этим же явлением связан пар изо рта в холодную погоду. Или иней вокруг рта от дыхания.

Классическим примером образования снежинок с ядром от мельчайших водяных паров можно назвать мой опыт с … мыльными пузырями. Проводить его можно только при температуре ниже 27 градусов. Если пускать мыльные пузыри при температуре выше 27 градусов, то пузырь спокойно долетит до земли и, возможно, даже замерзнет в ледяной шарик. Но! Если пускать мыльные пузыри при температуре от -20 градусов, то они разлетаются на снежные хлопья в воздухе, не успевая приземлиться. Под микроскопом можно рассмотреть и мельчайшие кристаллы льда, образованные от дыхания.

Классификация кристаллов льда и условия их образования

Было предложено несколько классификаций снежных кристаллов. Одна из систем, которой часто пользуются для классификации снежных осадков, была предложена Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологических наук в 1951 г. Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки - призмы; звезды - кристаллы, имеющие древовидную, ветвящуюся структуру; столбики и иглы; неправильные кристаллы.

Существует и более развернутая классификация, при которой каждый тип из вышеперечисленных подразделяется на несколько видов, которые в свою очередь делятся на разновидности. Всего отмечается около 80 разновидностей.

1. Пластинки: Самые простые из снежинок - плоские шестиугольные призмы.
2. Звезды. 6 лучей
3. Столбики. Полые внутри, могут иметь форму карандаша.
4. Иглы. Длинные и тонкие кристаллы, иногда состоят из нескольких веточек.
5. Пространственные дендриты. Объемные снежинки, образуются при срастании нескольких кристаллов.
6. Увенчанные столбики. Образуются в случае, если столбики попадают в иные условия, и кристаллы меняют направление роста. (Фото № 8)
7. Неправильные кристаллы. Самый распространенный тип. Образуется при повреждении снежинки.

Решив убедиться на практике в правильности данной классификации, я попыталась сопоставить свои фотографии снежинок с приведенными образцами.

Как выяснилось путем долгих проб и ошибок, фотографирование снежинок - процесс очень муторный и вовсе не такой простой. Обычный фотоаппарат просто не вытягивает подобное расширение. С помощью микроскопа удается рассмотреть несколько снежинок, но при этом необходимо работать с цифровым микроскопом на улице (а это значит, нужно подключать его через удлинители), перед работой надо охладить стекло и микроскоп, чтобы снежинки не таяли сразу, надо отрегулировать подсветку микроскопа, чтобы избежать таяния снежинок. И при всем при этом держать подальше руки и дышать в другую сторону. При этом оказалось совершенно невозможным поместить в обьектив микроскопа только одну снежинку. Пришлось помещать несколько, а это немного смазало чистоту эксперимента. Тем не менее, на сделанных мной фотографиях можно разглядеть отдельные элементы следующих видов кристаллов льда:

1) Самые распространенные среди моих фотографий - неправильные кристаллы. Объясняется это сложностью отделения снежинок друг от друга, так что по большому счету, я получала снежинки уже в сцепленном виде.

2) Но и в этих неправильных кристаллах можно было разглядеть: Столбики

4) Пластины

К сожалению, из-за того, что имеющееся оборудование не позволяло сфотографировать снежинки по отдельности, почти все полученные результаты - это сцепление нескольких снежинок. Так что понять, сколько из них являются реальными пространственными дендритами, а какие получились уже позже не представляется возможности.

Как видите, сделанные мной фотографии практически полностью подтверждают установленную классификацию снежинок. Мало того, в природных условиях существуют целые большие кристаллы, которые формируются также по принципу снежинок. Найти такие кристаллы возможно только в пещерах, в условиях вечной мерзлоты.

Метаморфозы кристаллов льда

Если в прошлой главе я привела примеры полученных типов снежинок, то в этой хотели бы рассмотреть взаимосвязь вида снежинки от температурного режима, времени и физического воздействия. Все исследования проводились с начала зимы 2015 года.

В зависимости от температуры окружающей среды

Первый снег недаром называют самым красивым. В большинстве случаев, первый снег - это даже не снежинки, а рыхлые большие снежные хлопья, которые практически моментально тают. В этом году, например, первый снег лежал около 5 часов, прежде чем растаять. А вот второй, выпавший через неделю - уже смог пролежать почти четыре дня. Первые пушистые большие хлопья снега состоят из нескольких снежинок, сцепленных между собой. По нашим подсчетам, это, обычно, от двух, до, максимум, четырех. Причем преобладают среди них секторные звезды.

Такие хлопья снега выпадают при температуре близкой к нулю. Это, так называемые, мокрый снег. Чем ниже температура, тем более мелкий и «нелипкий» снег. Меняется и форма снежинок. От красивых правильных звездочек к пластинкам и неправильным столбикам и кристаллам.

Интересно, что в 1940-е годы (1942–1947) были начаты исследования связи между формами кристаллов и температурой внутри облаков. Одно из первых подробных исследований форм ледяных кристаллов на различных высотах было выполнено с самолета ученым Вейкманом. Анализ данных показал, что при температуре ниже -25 °С преобладающей формой кристаллов является гексагональная призма. Она характерна для перистых облаков и облаков среднего яруса. При переходе от облаков верхнего яруса к облакам среднего и нижнего ярусов, то есть в область более высоких температур, призмы постепенно заменяются толстыми, а затем тонкими гексагональными пластинками. Они обычно наблюдаются при температуре выше -20 °С. При температуре от -10 °С до -20 °С преобладают кристаллы звездчатой формы. В виде таблицы это выглядит так:

Таблица 1

Сравнение фотографий, сделанных при разном температурном режиме, в моем случае выявили немного другие результаты:

Так, при температуре от -2 до -8 градусов преобладали пластинки и секторные звезды. Возможно, почти полное отсутствие игл объясняется тем, что они просто не долетали до поверхности земли, тая в воздухе.

От -10 до -20 звездчатые дендриты.

От -20 до -40 - неправильные кристаллы, состоящие из призм-пластинок.

Таблица 2

Таблица собственных наблюдений

Как видите, результаты, полученные высоко в облаках и на земле разительно отличаются друг от друга. Объяснений может быть несколько:

1) При падении снежинка деформируется, испытывая на себе разницу температур в разных слоях атмосферы

2) Самые хрупкие игольчатые и трубчатые снежинки просто не долетают до земли.

В зависимости от времени

Температурный режим - не единственное, что меняет снежинку. Меняет ее время. Чем дольше лежит снег, чем больше он утрамбовывается, тем меньше в нем остается от первоначальных кристаллов льда. С этим фактором связана такая величина как плотность снега.

Плотность снега непостоянная величина.

Плотность сухого снега - 10–20 кг/м3, влажного - 100–300 кг/м3. Уплотненный (лежалый) снег частично утрачивает свою первичную структуру в основном за счет оседания под влиянием собственного веса, температуры и ветра. Плотность лежалого снега - 200–600 кг/м3. Старый снег - полностью утрачивает первоначальную структуру и форму кристаллов, преобразовывается в более или менее крупные зерна.

Измерения проводят следующим образом. На ровном участке цилиндр снегомера погружается зазубренным концом строго вертикально в снег до соприкосновения с подстилающей поверхностью. Если попадаются снежные корки, лёгким подкручиванием цилиндра их прорезают. Когда труба достигнет почвы, записывают высоту снежного покрова по шкале. Затем с одного бока цилиндра отгребается снег, и под нижний конец цилиндра подводится специальная лопаточка. Вместе с ней цилиндр вынимают из снега и переворачивают нижним концом вверх. Очистив цилиндр от снега снаружи, подвешивают его к крючку весов. Весы уравновешивают при помощи подвижного груза и записывают число делений по линейке снегомера.

Плотность снега определяется как отношение веса пробы к её объёму, по формуле:

р - плотность пробы снега, г/см³;

G - вес пробы, в граммах;

S - приёмная площадь цилиндра, см²;

H - высота пробы снега, см.

Кроме описанного выше весового снегомера, где пробу снега взвешивают, существуют также объёмные снегомеры, не имеющие приспособлений для взвешивания. В этих снегомерах взятую пробу снега растапливают и измеряют мензуркой или дождемерным стаканом объём образовавшейся воды. Такие приборы применяются обычно на стационарных постах и станциях. Таким же способом пытались измерить плотность снега и мы.

Таблица 3

Таблица собственных измерений плотности снега в Якутске

В зависимости от физического воздействия

Когда я пробовала сфотографировать одну снежинку, я поломала огромное их количество. Обычно снежинки имеют размер около пяти миллиметров и вес порядка одного миллиграмма. Кстати, самый большой снежный кристалл естественного происхождения, когда-либо зафиксированный человеком, был в диаметре 38 см при толщине 20 см. Гигантские снежинки выпали в городе Форт-Кео, штат Монтана, в 1887 году. Об этом в 1915 году сообщил «Monthly Weather Review». Снежинки диаметром около 30 см были замечены в Сибири, а снежные хлопья диаметром до 10 см могли увидеть все жители Москвы в 1944 году.

При каждой поломки каждая снежинка издает неслышимый нашему уху звук. Но если снежинок одновременно ломается очень много, то вы этот звук услышите - это ни что иное, как скрип снега у вас под ногами. Скрип, хруст снега можно услышать только при сильной минусовой температуре, при этом, чем температура окружающий среды ниже, тем громче скрип кристалликов льда. Объясняется это просто - на холоде снежинки становятся хрупче и более твердыми. Таким образом, ломаясь, кристаллы снега издают соответствующий звук. Однако звук этот настолько тихий, что услышать его человек не в состоянии. Но когда ломаются сразу тысячи снежинок, а ученые подсчитали - в одном кубическом метре снега находится около трехсот пятидесяти снежинок, они издают звук, который можно услышать.

Если рассмотреть акустический спектр скрипа снега, то можно определить два его максимума. Это 250–400 Гц при температуре воздуха от -6 до -15 градусов Цельсия и 1000–1600 Гц при температуре ниже -15.Таким образом, наступая на морозе на снег, люди слышат соответствующий хруст. Но есть и еще одна причина, по которой снег скрипит будто сам по себе. Объясняется это трением снежинок друг об друга и их смещением относительно друг друга. В результате кристаллики также повреждаются, и появляется хруст.

Снег и экология окружающей среды.

Всем известно, что снег возле обочин оживленных трасс становится грязно-серым. Это не просто грязь. Это различные вредные примеси, тяжелые металлы и т. д., которые накапливаются в воздухе и оседают на снег. Таким образом, произведя анализ проб снега можно совершенно точно сделать заключение об экологии района, где этот снег был собран.

Такие исследования вот уже много лет проводятся в Якутске с Институте Мерзлотоведения СО РАН. Еще с 1982 года лабораторией геохимии (В. Н. Макаров, Н. Ф. Федосеев и др.) исследована динамика химических элементов и соединений в снежном покрове города Якутска и его окрестностей. Составлен “Геохимический атлас Якутска” (1985) с серией карт показывающих распределение химических элементов в снежном покрове и почвах города. (прил. № 1)

Основной объем загрязнения снегового покрова на территории Якутска привносят взвешенные вещества (пыль). К этому можно добавить использование песка в зимнее время для обработки дорожного полотна. Но все-таки основную роль в уровне загрязнения снега играет транспорт. Вдоль оживленных трасс просто залежи нефтепродуктов, формальдегида, метанола. В снеге же накапливается один из самых вредных металлов - свинец.

Чтобы представить себе примерный уровень загрязнения снегового покрытия в городе Якутске, я отобрала несколько проб и провела несколько измерений.

Как отбираются пробы? Чтобы не «загрязнить» пробы различными посторонними элементами, отбирать их надо, соблюдая специальную технологию. Лучше всего это делать с помощью новых одноразовых полиэтиленовых пакетиков, чистого пластикового совка или стаканчика. При этом нельзя касаться или собирать снег руками или варежками. При сборе снега стараются взять его с поверхности, чтобы внизу пробы не попала почва.

Для того, чтобы увидеть хотя бы примерную картину уровня загрязнения в городе, я выбрала следующие районы города:

 202 микрорайон, двор СШ № 33, где я учусь. Теоретически, 202 должен быть по уровню загрязнения на предпоследнем месте перед загородным участком Хатынг-Юряха. Рядом со школой, конечно, есть дорога. Но она не сквозная, имеет только въезд на территорию школы. И проба отобрана во дворе школы, в ста метрах от дороги и стоянки.

 район ТЭЦ (Теплоэлектростанция). Был выбран нами из-за опасений многих горожан, что технические выборсы с ТЭЦ, сопровождающиеся сильным гулом, загрязняют экологию и опасны для проживающих рядом.

Тем не менее, как уверяют сами специалисты, уровень загрязнения вокруг их здания соответствует всем нормам.

 улица Орджоникидзе. Одна из самых оживленных городских трасс. И, судя по теории, должна быть и одной из самых загрязненных на пробах.

 район Аэропорта. Оживленный район города, имеет разветвленную транспортную сеть. Проба была взята возле жилого дома, в 230 метрах от ближайщей крупной трассы.

 район Хатын-Юряха. Эта проба должна стать фоновой, то есть наиболее чистой. Потому что взята за городом, где нет оживленного потока машин, не разбрасывают песок и практически нет пыли.

Чем больше уровень загрязнение воды, а в нашем случае растаявшего снега, тем больше она минерализована. Соответственно, тем больше в ней ионов и тем больше электропроводность. С помощью миллиамперметра и источника тока я замерила все пробы, включая чистую питьевую воду «Аква». Полученные данные полностью подтвердили предварительные выводы

Электропроводность проб

Вода «Аква» - 0

Хатын-Юрях - 0,5 мА

Район ТЭЦ - 1 мА

202 мкр., 33 школа - 1мА

Район Аэропорта - 1,2мА

Ул.Орджоникидзе - 1,2мА

Как видим, самым чистым действительно оказался снег с Хатын-Юряха. За ним следует и район ТЭЦ и 202 микрорайон. Так что жильцам районы теплоэнергостанции нечего особо опасаться. А вот от двора школы я ожидала большего результата. Жилой двор в районе аэропорта оказался по уровню электропроводимости на одном уровне с районом улицы Орджоникидзе. Что тоже вызывает ряд вопросов. Чтобы ответить на них, было решено отдать такие же пробы на несколько экспертиз. Кстати, пробу с улицы Орджоникидзе можно было отличить невооруженным взглядом, снег был грязный, серого цвета. Самая чистая на вид проба оказалась с Хатын-Юряхского шоссе.

Определить уровень загрязненности снега мы решили несколькими способами: в школе, с помощью вольтметра, в лаборатории Института Мерзлотоведения СО РАН, в лаборатории «Республиканского информационно-аналитический центра экологического мониторинга.

Таблица 4

ГБУ РС(Я) «РИАЦЭМ»:

Показатели	Ул. Орджоникидзе	Район аэропорта	202 мкр.	Район ТЭЦ
Взвешенные вещества
Марганец
кремнекислота
формальдегид
Бенз(а)пирен

Загрязнение атмосферы города техногенными выбросами приводит к характерным изменениям химического состава снежного покрова.

По рассчитанным суммарным показателям загрязнения (Zc) снежного покрова районы улицы Орджоникидзе и район аэропорта относится к среднему уровню загрязнения, районы 202 микрорайона и ТЭЦ к низкому уровню загрязнения. (

Институт Мерзлотоведения:

Из официальных заключений: Основной объем загрязнения снегового покрова на территории г. Якутск привносят взвешенные вещества (пыль). По данному показателю наиболее загрязненной является проба, отобранная в районе улицы Орджоникидзе, что обусловлено интенсивным движением транспорта, использованием песка в зимнее время обработки дорожного покрова. Транспорт играет основную роль в загрязнении снегового покрова. Так наибольшие концентрации нефтепродуктов, формальдегида и метанола фиксируются в районе улицы Орджоникидзе и аэропорта.

В пробах было обнаружено: формальдегид, метанол, кремнекислота, бензапирен, мышьяк, свинец, железо, медь, цинк, марганец. Судить об уровне загрязнения можно даже по одному элементу - свинцу. Чем больше свинца в пробах, тем опасней экологическая ситуация в регионе.

Итак, школьный опыт с миллиамперметром и источником тока оказался практически также эффективен, как выводы двух профессиональных лабораторий.

Заодно было решено проверить радиоактивность снега. А вернее, впитывает ли снег радиацию? Для этого опыта мне пригодился большой кусок минерала - чароит, который добывается в Якутии. Красивый поделочный минерал грешит повышенным радиационным фоном. Вот и мой камень показывает превышенный радиационный фон в 23мкр в час. Измеряла я с помощью бытового домашнего приборы, измеряющего радиационный фон. Позже этот камень я положила на сутки в снег и измерила потом уже только снег. Прибор показал 20 мкр. в час. До этого контакта снег показывал 16 мкр. в час. Из чего можно сделать вывод, что снег (вода) впитывает в себя радиацию, при контакте с радиоактивным излучением.

Конечно, после этой зимы я стала знать о снеге гораздо больше, чем могла себе представить раньше. А уж о том, как сложно сделать фотографии снежинок, знает теперь вся моя семья, отморозившая в совокупности 8 пальцев минимум. Даже несчастный цифровой микроскоп с LED-экраном соглашался работать на холоде только пять минут, после чего выключался. Однако всех нас так захватило это исследование, что мы совершенно точно будем продолжать его и дальше. Тем более, что кристаллы льда все еще хранят в себе огромное количество тайн.

Лёд - минерал с хим. формулой H 2 O , представляет собой воду в кристаллическом состоянии.
Химический состав льда: Н — 11,2%, О — 88,8%. Иногда содержит газообразные и твердые механические примеси.
В природе лёд представлен, главным образом, одной из нескольких кристаллических модификаций, устойчивой в интервале температур от 0 до 80°C, имеющей точку плавления 0°С. Известны 10 кристаллических модификаций льда и аморфный лёд. Наиболее изученным является лёд 1-й модификации - единственная модификация, обнаруженная в природе. Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного и др.), а также в виде снега, инея и т.д.

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Кристаллическая структура льда похожа на структуру : каждая молекула Н 2 0 окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76Α и размещенных в вершинах правильного тетраэдра. В связи с низким координационным числом структура льда является ажурной, что влияет на его плотность (0,917). Лед имеет гексагональную пространственную решётку и образуется путём замерзания воды при 0°С и атмосферном давлении. Решётка всех кристаллических модификаций льда имеет тетраэдрическое строение. Параметры элементарной ячейки льда (при t 0°С): а=0,45446 нм, с=0,73670 нм (с - удвоенное расстояние между смежными основными плоскостями). При понижении температуры они меняются крайне незначительно. Молекулы Н 2 0 в решётке льда связаны между собой водородными связями. Подвижность атомов водорода в решётке льда значительно выше подвижности атомов кислорода, благодаря чему молекулы меняют своих соседей. При наличии значительных колебательных и вращательных движений молекул в решётке льда возникают трансляционные соскоки молекул из узла пространственной их связи с нарушением дальнейшей упорядоченности и образованием дислокаций. Этим объясняется проявление у льда специфических реологических свойств, характеризующих зависимость между необратимыми деформациями (течением) льда и вызвавшими их напряжениями (пластичность, вязкость, предел текучести, ползучесть и др.). В силу этих обстоятельств ледники текут аналогично сильно вязким жидкостям, и, таким образом, природные льды активно участвуют в круговороте воды на Земле. Кристаллы льда имеют относительно крупные размеры (поперечный размер от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров). Они характеризуются анизотропией коэффициента вязкости, величина которого может меняться на несколько порядков. Кристаллы способны к переориентации под действием нагрузок, что влияет на их метаморфизацию и скорости течения ледников.

СВОЙСТВА

Лёд бесцветен. В больших скоплениях он приобретает синеватый оттенок. Блеск стеклянный. Прозрачный. Спайности не имеет. Твердость 1,5. Хрупкий. Оптически положительный, показатель преломления очень низкий (n = 1,310, nm = 1,309). В природе известны 14 модификаций льда. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии и обозначающегося как лёд I , образуются в условиях экзотических - при очень низких температурах (порядка -110150 0С) и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. Например, при температуре ниже –110 °С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров - это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

МОРФОЛОГИЯ

В природе лёд — очень распространенный минерал. В земной коре существует несколько разновидностей льда: речной, озёрный, морской, грунтовый, фирновый и глетчерный. Чаще он образует агрегатные скопления мелкокристаллических зерен. Известны также кристаллические образования льда, возникающие сублимационным путем, т. е. непосредственно из парообразного состояния. В этих случаях лед имеет вид скелетных кристаллов (снежинки) и агрегатов скелетного и дендритного роста (пещерный лёд, изморозь, иней и узоры на стекле). Крупные хорошо огранённые кристаллы встречаются, но очень редко. Н. Н. Стуловым описаны кристаллы льда северо-восточной части России, встреченные на глубине 55-60 м. от поверхности, имеющие изометрический и столбчатый облик, причем длина наибольшего кристалла равнялась 60 см., а диаметр его основания - 15 см. Из простых форм на кристаллах льда выявлены только грани гексагональной призмы (1120), гексагональной бипирамиды (1121) и пинакоида (0001).
Ледяные сталактиты, называемые в просторечии «сосульки», знакомы каждому. При перепадах температур около 0° в осенне-зимние сезоны они растут повсеместно на поверхности Земли при медленном замерзании (кристаллизации) стекающей и капающей воды. Они обычны также в ледяных пещерах.
Ледяные забереги представляют собой полосы ледяного покрова из льда, кристаллизующегося на границе вода-воздух вдоль краёв водоёмов и окаймляющие края луж, берега рек, озёр, прудов, водохранилищ, и тп. при незамерзающей остальной части водного пространства. При их полном срастании на поверхности водоёма образуется сплошной ледяной покров.
Лёд образует также параллельно-шестоватые агрегаты в виде волокнистых прожилков в пористых грунтах, а на их поверхности — ледяные антолиты.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Лёд образуется в основном в водных бассейнах при понижении температуры воздуха. На поверхности воды при этом появляется ледяная каша, сложенная из иголочек льда. Снизу на неё нарастают длинные кристаллики льда, у которых оси симметрии шестого порядка размещаются перпендикулярно к поверхности корочки. Соотношения между кристаллами льда при разных условиях образования показаны на рис. Лед распространен всюду, где имеется влага и где температура опускается ниже 0° С. В некоторых районах грунтовый лед оттаивает только на незначительную глубину, ниже которой начинается вечная мерзлота. Это так называемые районы вечной мерзлоты; в областях распространения многолетнемерзлых пород в верхних слоях земной коры встречаются так называемые подземные льды, среди которых различают современный и ископаемый подземный лёд. Не менее 10% всей площади суши Земли покрывают ледники, слагающая их монолитная ледяная порода носит название ледниковый лёд. Ледниковый лёд образуется в основном из скопления снега в результате его уплотнения и преобразования. Ледниковый покров занимает около 75% площади Гренландии и почти всю Антарктиду; самая большая мощность ледников (4330 м.) – установлена близ станции Бэрд (Антарктида). В центральной Гренландии толщина льда достигает 3200 м.
Месторождения льда общеизвестны. В местностях с холодной долгой зимой и коротким летом, а также в высокогорных районах образуются ледяные пещеры со сталактитами и сталагмитами, среди которых наиболее интересными являются Кунгурская в Пермской области Приуралья, а также пещера Добшине в Словакии.
В результате замерзания морской воды образуется морской лёд. Характерными свойствами морского льда являются солёность и пористость, которые определяют диапазон его плотности от 0,85 до 0,94 г/см 3 . Из-за такой малой плотности льдины возвышаются над поверхностью воды на 1/7-1/10 своей толщины. Морской лёд начинает таять при температуре выше -2,3° С; он более эластичен и труднее поддается раздроблению на части, чем лёд пресноводный.

ПРИМЕНЕНИЕ

В конце 1980-х годов лаборатория Аргонн разработала технологию изготовления ледяной гидросмеси (Ice Slurry), способной свободно течь по трубам различного диаметра, не собираясь в ледяные наросты, не слипаясь и не забивая системы охлаждения. Солёная водяная суспензия состояла из множества очень мелких ледяных кристалликов округлой формы. Благодаря этому сохраняется подвижность воды и, одновременно, с точки зрения теплотехники она представляет собой лёд, который в 5-7 раз эффективнее простой холодной воды в системах охлаждения зданий. Кроме того, такие смеси перспективны для медицины. Опыты на животных показали, что микрокристаллы смеси льда прекрасно проходят в довольно мелкие кровеносные сосуды и не повреждают клетки. «Ледяная кровь» удлиняет время, в течение которого можно спасти пострадавшего. Скажем, при остановке сердца это время удлиняется, по осторожным оценкам, с 10-15 до 30-45 минут.
Использование льда в качестве конструкционного материала широко распространено в приполярных регионах для строительства жилищ - иглу. Лёд входит в состав предложенного Д. Пайком материала Пайкерит, из которого предлагалось сделать самый большой в мире авианосец.

Лед (англ. Ice) — H 2 O

КЛАССИФИКАЦИЯ

Strunz (8-ое издание)	4/A.01-10
Nickel-Strunz (10-ое издание)	4.AA.05
Dana (8-ое издание)	4.1.2.1
Hey’s CIM Ref.	7.1.1