1.2 Форма нахождения и образование льда

Лед является весьма распространенным материалом, встречающимся в природных условиях. В земной коре существует несколько разновидностей льда:

• озерный;

• речной;

• морской;

• фирновый;

• глетчерный;

• грунтовый.

Чаще лед создает агрегатное множество мелкокристаллических зерен. Не менее известны кристаллы льда, образующиеся сублимационным путем (из пара). В этом случае лед примет вид снежинок, а также инея, изморози и пещерного льда. Реже встречаются большие кристаллы льда, имеющие великолепную огранку. Мы все знакомы с ледяными сталактитами, которые чаще называются «сосульками». Сталактиты растут буквально по всей поверхности нашей планеты. Это процесс связан с медленной кристаллизацией (замерзанием) стекающей или капающей воды даже при незначительной разнице температур около нулевой отметки. Обычно это происходит в осенне-зимний период. «Сосульки» часто встречаются в ледяных пещерах. Ледяное покрывало из ледяных заберегов можно увидеть на краях водоемов, граничащих «воздух-вода». Идеальный пример – замерзающая лужа, края которой покрыты коркой льда, а середина поверхности не тронута морозом.

Образование льда происходит чаще всего в водоемах при снижении температуры воздуха. На поверхности воды образуется ледяная пленка, состоящая из иголочек льда. Снизу ледяная пленка обрастает кристалликами льда вытянутой формы.

Лед будет всегда, где есть вода и температура воздуха снижается ниже нулевой отметки. В некоторых регионах лед в грунте оттаивает только на небольшой глубине, в более глубоких слоях – вечная мерзлота. Ледники покрывают более 10% площади нашей планеты.

Ледниковым льдом называется ледяная монолитная порода. Ледники появляются в результате уплотнения и дальнейшего преобразования скоплений снега. Практически вся Антарктида занята ледовым покровом, а в Гренландии льдом покрыто около 75% всей площади. Самая большая толщина ледников около 4330 метров установлена в Антарктиде вблизи станции Бэрд. В центральной Гренландии толщина льда составляет 3200 метров.

Местонахождение льда известно многим. В основном лед появляется в местах с очень долгой зимой и непродолжительным летом. В горах часто можно увидеть ледниковые пещеры со сталактитами и сталагмитами. Самая интересная для изучения и исследования пещера в Пермской области – Кунгурская, а также пещера Добшине в Словакии.

Морской лед имеет характерные признаки – соленость и большую пористость. Плотность морского льда от 0,85 до 0,94 г/см3 и является достаточно малой по сравнению с плотностью пресного льда. Именно по этой причине льдины, образующиеся в морях и океанах возвышаются на 1/7 – 1/10 всей своей толщины над водой. Морской лед тает при температуре в минус 2,3 оС. Лед такого типа очень сложно раздробить, зато он более эластичен, нежели пресноводный.

2.1 Фазы льда

На данный момент известно 17 фаз льда:

• Аморфный лёд - не обладает кристаллической структурой. Он существует в трех формах: аморфный лёд низкой плотности (LDA), образующийся при атмосферном давлении и ниже, аморфный лёд высокой плотности (HDA) и аморфный лёд очень высокой плотности (VHDA), образующийся при высоких давлениях. Лёд LDA получают очень быстрым охлаждением жидкой воды («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW), или конденсацией водяного пара на очень холодной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW), или путём нагрева высокоплотностных форм льда при нормальном давлении («LDA»).

• Лёд Ih - Обычный гексагональный кристаллический лёд. Практически весь лёд на Земле относится ко льду Ih, и только очень малая часть — ко льду Ic.

• Лёд Ic - Метастабильный кубический кристаллический лёд. Атомы кислорода расположены как в кристаллической решётке алмаза.

• Его получают при температуре в диапазоне от −133 °C до −123 °C, он остаётся устойчивым до −73 °C, а при дальнейшем нагреве переходит в лёд Ih. Он изредка встречается в верхних слоях атмосферы.

• Лёд II - Тригональный кристаллический лёд с высокоупорядоченной структурой. Образуется изо льда Ih при сжатии и температурах от −83 °C до −63 °C. При нагреве он преобразуется в лёд III.

• Лёд III - Тетрагональный кристаллический лёд, который возникает при охлаждении воды до −23 °C и давлении 300 МПа. Его плотность больше, чем у воды, но он наименее плотный из всех разновидностей льда в зоне высоких давлений.

• Лёд IV - Метастабильный тригональный лёд. Его трудно получить без нуклеирующей затравки

• Лёд V - Моноклинный кристаллический лёд. Возникает при охлажении воды до −20 °C и давлении 500 МПа. Обладает самой сложной структурой по сравнению со всеми другими модификациями.

• Лёд VI - Тетрагональный кристаллический лёд. Образуется при охлажении воды до −3 °C и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация.

• Лёд VII - Кубическая модификация. Нарушено расположение атомов водорода; в веществе проявляется дебаевская релаксация. Водородные связи образуют две взаимопроникающие решётки.

• Лёд VIII - Более упорядоченный вариант льда VII, где атомы водорода занимают, очевидно, фиксированные положения. Образуется изо льда VII при его охлаждении ниже 5 °C.

• Лёд IX - Тетрагональная метастабильная модификация. Постепенно образуется изо льда III при его охлаждении от −65 °C до −108 °C, стабилен при температуре ниже −133 °C и давлениях между 200 и 400 МПа. Его плотность 1,16 г/см³, то есть, несколько выше, чем у обычного льда.

• Лёд X - Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.

• Лёд XI - Ромбическая низкотемпературная равновесная форма гексагонального льда. Является сегнетоэлектриком.

• Лёд XII - Тетрагональная метастабильная плотная кристаллическая модификация. Наблюдается в фазовом пространстве льда V и льда VI. Можно получить нагреванием аморфного льда высокой плотности от −196 °C до примерно −90 °C и при давлении 810 МПа.

• Лёд XIII - Моноклинная кристаллическая разновидность. Получается при охлаждении воды ниже −143 °C и давлении 500 МПа. Разновидность льда V с упорядоченным расположением протонов.

• Лёд XIV - Ромбическая кристаллическая разновидность. Получается при температуре ниже −155 °C и давлении 1,2 ГПа. Разновидность льда XII с упорядоченным расположением протонов.

• Лёд XV - Псевдоромбическая кристаллическая разновидность льда VI с упорядоченным расположением протонов. Можно получить путём медленного охлаждения льда VI примерно до −143 °C и давлении 0,8-1,5 ГПа.[3]