Лёд, твёрдая фаза воды, мономинеральная горная порода. В начале 20 в. немецким учёным Г. Тамманом открыто явление полиморфизма льда – способность к разному кристаллическому строению и соответствующему существенному изменению всех его физических свойств. Полиморфизм льда с 1912 г. подробно изучал американский учёный П. У. Бриджмен, с 1960-х гг. построенная им фазовая диаграмма воды неоднократно дополнялась и уточнялась (см. в статье Вода).

Лёд может существовать в огромном диапазоне температур и давлений, не встречающихся на поверхности Земли. Известны его 15 кристаллических модификаций и 3 аморфные разновидности. На поверхности Земли мы сталкиваемся с разновидностью лёд I, она имеет гексагональную пространственную решётку, в узлах которой расположены атомы кислорода. В образовании связей участвуют атомы водорода, но их положение не фиксировано, прочная водородная связь между молекулами устанавливается только при очень низкой температуре. Другие модификации льда устойчиво существуют лишь при определённых сочетаниях давления, плотности и температуры (табл. 1).

 Таблица 1. Структура и некоторые свойства различных модификаций льда

Модификации льда II, льда III и льда V могут долго сохраняться при атмосферном давлении, если температура не превышает –170 °C, при её повышении примерно до –150 °C эти модификации превращаются в кубический лёд Ic, о его стабильности ничего не известно, но его также можно получить путём конденсации водяных паров на подложку, охлаждённую до –120 °C. При конденсации водяных паров на более холодной подложке образуется аморфный лёд, который переходит в обычный при повышении температуры до –129 °C, при этом выделяется теплота. Лёд IV представляет собой нестабильную фазу в тех же условиях, где устойчиво существует лёд V. Несколько легче получить лёд VI, который оказывается стабильным, если замораживанию под давлением подвергается тяжёлая вода. Лёд VII при огромном давлении 20 ГПа плавится при температуре 400 °С. Лёд VIII – это упорядоченная форма льда VII, возникающая при низкой температуре. Нестабильную фазу представляет собой лёд IХ, возникающий при переохлаждении льда III.

Природный лёд (лёд I) обычно значительно чище воды, т. к. растворимость веществ во льду очень низкая. Лёд может содержать механические примеси – твёрдые частицы, капли концентрированных растворов, пузырьки газа. При длительных статических нагрузках и под действием собственной массы лёд приобретает текучесть. Скорость течения льда прямо пропорциональна температуре, с понижением которой лёд приближается к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть льда в 10⁶ раз выше, чем у горных пород, с этим связаны движение ледников и ряд других природных явлений.

Ледник Бриксдалсбреэн в Скандинавских горах (Норвегия).Ледник Бриксдалсбреэн в Скандинавских горах (Норвегия).Под влиянием поверхностной энергии кристаллов и энергии упруго-напряжённых связей кристаллической решётки, возникающей при деформировании, лёд подвергается перекристаллизации в твёрдой фазе (рекристаллизация) и временами переходит в жидкую (режеляция) или парообразную (сублимация) фазу.

В кристаллах льда I молекулы воды сконцентрированы в параллельных базисных плоскостях. Нарушения под действием нагрузки в базисной плоскости происходят легче всего, т. к. нуждаются в разрыве только двух межатомных связей на одну единичную ячейку. Нарушения в других направлениях приводят к разрыву четырёх и более межатомных связей. Эти особенности структуры льда вызывают резкую анизотропию, т. е. различие механических, термофизических, оптических, электрических его свойств в разных направлениях, и прежде всего параллельно и перпендикулярно базисным плоскостям. Базисные плоскости разделяются поверхностями ослабления, по которым легко происходит скольжение в любом направлении. Если направление напряжения совпадает с направлением базисной плоскости кристалла льда, возникает пластическая деформация; если же напряжение направлено перпендикулярно к этой плоскости, деформация становится сначала упругопластической, а затем хрупкой.

Во льду открыты залежи газовых гидратов. Лёд I широко распространён на некоторых планетах, существуют спутники планет и кометы, почти целиком состоящие из него. Лёд на Земле встречается на суше (снежный покров, ледники и ледниковые покровы), под землёй (подземный лёд), на поверхности морей и океанов (морской лёд и айсберги), в атмосфере (атмосферный лёд). В современную эпоху лёд занимает на поверхности Земли и в верхних слоях земной коры 72,4 млн км², что составляет 14,2 % её площади. Подавляющую массу наземных льдов образуют ледники и ледниковые покровы. В них сосредоточено 98,2 % всей массы льда (табл. 2), что почти в 5 раз больше массы жидких поверхностных вод суши.

Таблица 2. Распространение разных видов природного льда на Земле

Высокое альбедо льда (0,45) и особенно снега (до 0,9) приводит к тому, что покрытая ими территория получает солнечного тепла на 65 % меньше нормы и служит мощным источником охлаждения земной поверхности, чем в значительной мере обусловлена современная широтная климатическая зональность. Несмотря на то что в полярных областях летом солнечной радиации поступает больше, чем в экваториальном поясе, температура остаётся низкой, т. к. значительная часть теплоты затрачивается на таяние льда.Обледенение российского исследовательского судна Балтийского флота «Адмирал Владимирский». 2020.Обледенение российского исследовательского судна Балтийского флота «Адмирал Владимирский». 2020.Лёд играет огромную роль в природных процессах, оказывает влияние на хозяйственную деятельность человека. Из-за меньшей, чем у воды, плотности он образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от промерзания до дна. Лёд вызывает стихийные явления с вредными и разрушительными последствиями: обледенение летательных аппаратов, судов, сооружений и дорожного полотна; градобитие, метели и снежные заносы; речные заторы и зажоры с наводнениями; снежные лавины и ледяные обвалы (катастрофические сходы пульсирующих ледников); промерзание почвы с разрывами корней растений и пр. Использование льда в хозяйственных целях, борьба с вредными явлениями, связанными со льдом (снегозадержание, борьба со сходом снежных лавин, устройство ледяных переправ, лéдников и др.), изучаются в рамках инженерных гляциологии, геокриологии, служат предметом деятельности специальных служб, осуществляющих ледовую разведку, проводку ледокольного транспорта, наблюдение за таянием ледников, сходом лавин и т. п.