Подпишитесь на наши новости
Вернуться к началу с статьи up
 

ЛЁД

  • рубрика

    Рубрика: География

  • родственные статьи
  • image description

    В книжной версии

    Том 17. Москва, 2010, стр. 151

  • image description

    Скопировать библиографическую ссылку:




Авторы: В. М. Котляков; А. Н. Паркин (искусственный лёд)

ЛЁД, твёр­дая фа­за во­ды, мо­но­ми­не­раль­ная гор­ная по­ро­да. В нач. 20 в. нем. учё­ным Г. Там­ма­ном от­кры­то яв­ле­ние по­ли­мор­физ­ма Л. – спо­соб­ность к раз­но­му кри­стал­лич. строе­нию и со­ответ­ствую­ще­му су­ще­ст­вен­но­му из­ме­не­нию всех его фи­зич. свойств. По­ли­мор­физм Л. с 1912 под­роб­но изу­чал амер. учё­ный П. У. Бри­д­жмен, с 1960-х гг. по­стро­ен­ная им фа­зо­вая диа­грам­ма во­ды не­од­но­крат­но до­пол­ня­лась и уточ­ня­лась (см. в ст. Во­да).

Л. мо­жет су­ще­ст­во­вать в ог­ром­ном диа­па­зо­не тем­пе­ра­тур и дав­ле­ний, не встре­чаю­щих­ся на по­верх­но­сти Зем­ли. Из­вест­ны его 10 кри­стал­лических мо­ди­фи­ка­ций и од­на аморф­ная фор­ма. На поверхно­сти Зем­ли мы стал­ки­ва­ем­ся с раз­но­вид­но­стью Л. I, она име­ет гек­са­го­наль­ную кри­стал­ли­че­скую 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 темп-ре. Де­вять др. мо­ди­фи­ка­ций Л. ус­той­чи­во су­ще­ст­ву­ют лишь при оп­ре­де­лён­ных со­че­та­ни­ях дав­ле­ния, плот­но­сти и темп-ры (см. табл. 1).

 Таблица 1. Структура и некоторые свойства различных модификаций льда

Моди-  фикация  льдаСингонияЧисло атомов кислорода в ячейкеТемпература  устойчивого  существования,  °СДавление  устойчивого  существования,  МПаПлотность,  кг/м3Диэлектри-  ческая  проницаемость  относительная  (статическая)
Л. IГексагональная400,193194
Л. IcКубическая8-1300,1930-
Л. IIРомбоэдрическая12-352111803,7
Л. IIIТетрагональная12-222001160117
IVМоноклинная28  1230 
Л. VМоноклинная28-55301230144
Л. VIОрторомбическая, тетрагональная10158001310193
Л. VIIКубическая22525001490~ 150
Л. VIIIТетрагональная8-5025001490~ 3
IXТетрагональная12-1102301160~ 4

Мо­ди­фи­ка­ции Л. II, Л. III и Л. V мо­гут дол­го со­хра­нять­ся при ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии, ес­ли темп-ра не пре­вы­ша­ет –170 °C, при её по­вы­ше­нии при­мер­но до –150 °C эти мо­ди­фи­ка­ции пре­вра­щают­ся в ку­би­че­ский Л. 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 Л., ко­то­рый пе­ре­хо­дит в обыч­ный при по­вы­ше­нии темп-ры до –129 °C, при этом вы­де­ля­ет­ся те­п­ло­та. Л. IV пред­став­ля­ет со­бой не­ста­биль­ную фа­зу в тех же ус­ло­ви­ях, где ус­той­чи­во су­ще­ст­ву­ет Л. V. Не­сколь­ко лег­че по­лу­чить Л. VI, ко­то­рый ока­зы­ва­ет­ся ста­биль­ным, ес­ли за­мо­ра­жи­ва­нию под дав­ле­ни­ем под­вер­га­ет­ся тя­жёлая во­да. Л. VIII – это упо­ря­до­чен­ная низ­ко­тем­пе­ра­тур­ная фор­ма Л. VII. Не­ста­биль­ную фа­зу пред­став­ля­ет со­бой Л. IХ, воз­ни­каю­щий при пе­ре­ох­ла­ж­де­нии Л. III.

При­род­ный Л. (Л. I) обыч­но зна­чи­тель­но чи­ще во­ды, т. к. рас­тво­ри­мость ве­ществ во Л. очень низ­кая. Л. мо­жет со­дер­жать ме­ха­нич. при­ме­си – твёр­дые час­ти­цы, ка­п­ли кон­цен­трир. рас­тво­ров, пу­зырь­ки га­за. При дли­тель­ных ста­тич. на­груз­ках и под дей­ст­ви­ем собств. мас­сы Л. при­об­ре­та­ет те­ку­честь. Ско­рость те­че­ния Л. пря­мо про­пор­цио­наль­на темп-ре, с по­ни­же­ни­ем ко­то­рой Л. при­бли­жа­ет­ся к аб­со­лют­но твёр­до­му те­лу. В ср. при близ­кой к тая­нию темп-ре те­ку­честь Л. в 106 раз вы­ше, чем у гор­ных по­род, с этим свя­за­ны дви­же­ние лед­ни­ков и ряд др. при­род­ных яв­ле­ний.

Под влия­ни­ем по­верх­но­ст­ной энер­гии кри­стал­лов и энер­гии уп­ру­го-на­пря­жён­ных свя­зей кри­стал­лич. ре­шёт­ки, воз­ни­каю­щей при де­фор­ми­ро­ва­нии, Л. под­вер­га­ет­ся пе­ре­кри­стал­ли­за­ции в твёр­дой фа­зе (рек­ри­стал­ли­за­ция) и вре­ме­на­ми пе­ре­хо­дит в жид­кую (ре­же­ля­ция) или па­ро­об­раз­ную (суб­ли­ма­ция) фа­зу.

В кри­стал­лах Л. 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 др. на­прав­ле­ни­ях при­во­дят к раз­ры­ву че­ты­рёх и бо­лее меж­атом­ных свя­зей. Эти осо­бен­но­сти струк­ту­ры льда вы­зы­ва­ют рез­кую ани­зо­тро­пию, т. е. раз­ли­чие ме­ха­нич., тер­мо­фи­зич., оп­тич., 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 Л., воз­ни­ка­ет пла­стич. де­фор­ма­ция; ес­ли же на­пря­же­ние на­прав­ле­но пер­пен­ди­ку­ляр­но к этой плос­ко­сти, де­фор­ма­ция ста­но­вит­ся сна­ча­ла уп­ру­го­пла­сти­че­ской, а за­тем хруп­кой.

Во Л. от­кры­ты за­ле­жи га­зо­вых гид­ра­тов. Л. I ши­ро­ко рас­про­стра­нён на не­ко­то­рых пла­не­тах, су­ще­ст­ву­ют спут­ни­ки пла­нет и ко­ме­ты, поч­ти це­ли­ком со­стоя­щие из не­го. Л. на Зем­ле встре­ча­ет­ся на су­ше (снеж­ный по­кров, лед­ни­ки и лед­ни­ко­вые по­кро­вы), под зем­лёй (под­зем­ный Л.), на по­верх­но­сти мо­рей и океа­нов (мор­ской Л. и айс­бер­ги), в ат­мо­сфе­ре (ат­мо­сфер­ный Л.). В совр. эпо­ху Л. за­ни­ма­ет на по­верх­но­сти Зем­ли и в верх­них сло­ях зем­ной ко­ры 72,4 млн. км2, что со­став­ля­ет 14,2% её пло­ща­ди. По­дав­ляю­щую мас­су на­зем­ных Л. 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

Вид льдаМассаПлощадь распространенияСреднее
время жизни, годы
т%млн. км2доля
Ледники и ледниковые покровы  Подземный лёд 
Морской лёд 
Снежный покров 
Айсберги 
Атмосферный лёд
3.1016  5.1014  4.1013  1.1013  8.1012  2.1012 Ок. 98,2 1,6
0,1
0,03
0,03
0,01
Ок. 16
32
26
72
63
510
11% суши
21,5% суши
7% океана
14% планеты 17% океана 100% планеты
10 000
30-75
1,05
0,35-0,52
~ 3
4.10-3

Вы­со­кое аль­бе­до Л. (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 зна­чит. ме­ре обу­слов­ле­на совр. ши­рот­ная кли­ма­тич. зо­наль­ность. Не­смот­ря на то, что в по­ляр­ных об­лас­тях ле­том сол­неч­ной ра­диа­ции по­сту­па­ет боль­ше, чем в эк­ва­то­ри­аль­ном поя­се, темп-ра ос­та­ёт­ся низ­кой, т. к. зна­чит. часть те­п­ло­ты за­тра­чи­ва­ет­ся на тая­ние льда.

Л. иг­ра­ет ог­ром­ную роль в при­род­ных про­цес­сах, ока­зы­ва­ет влия­ние на хо­зяйств. дея­тель­ность че­ло­ве­ка. Из-за мень­шей, чем у во­ды, плот­но­сти он об­ра­зу­ет на по­верх­но­сти во­ды пла­ву­чий по­кров, пре­до­хра­няю­щий ре­ки и во­до­ёмы от про­мер­за­ния до дна. Л. вы­зы­ва­ет сти­хий­ные яв­ле­ния с вред­ны­ми и раз­ру­шит. 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 (ка­та­ст­ро­фич. схо­ды пуль­си­рую­щих лед­ни­ков); про­мер­за­ние поч­вы с раз­ры­ва­ми кор­ней рас­те­ний и пр. Ис­поль­зо­ва­ние Л. в хо­зяйств. це­лях, борь­ба с вред­ны­ми яв­ле­ния­ми, свя­зан­ны­ми со Л. (сне­го­за­дер­жа­ние, борь­ба со схо­дом снеж­ных ла­вин, уст­рой­ст­во ле­дя­ных пе­ре­прав, лéдников и др.), изу­ча­ют­ся в рам­ках ин­же­нер­ных гля­цио­ло­гии, гео­крио­ло­гии, слу­жат пред­ме­том дея­тель­но­сти спец. служб, осу­ще­ст­в­ляю­щих ле­до­вую раз­вед­ку, про­вод­ку ле­до­коль­но­го транс­пор­та, на­блю­де­ние за тая­ни­ем лед­ни­ков, схо­дом ла­вин и т. п.

Ис­кус­ст­вен­ный Л. из во­ды по­лу­ча­ют при по­мо­щи хо­ло­диль­ных ма­шин, имею­щих спец. уст­рой­ст­во – льдо­ге­не­ра­тор. Ис­кусств. Л. в за­ви­си­мо­сти от на­зна­че­ния под­раз­де­ля­ет­ся на пи­ще­вой и тех­ни­че­ский; пи­ще­вой Л. ис­поль­зу­ет­ся в пи­ще­вой пром-сти (при из­го­тов­ле­нии и хра­не­нии пи­ще­вых про­дук­тов, для ох­ла­ж­де­ния на­пит­ков и др.) и в ме­ди­ци­не (напр., для ме­ст­но­го ох­ла­ж­де­ния), тех­ни­че­ский Л. – в пи­ще­вой и хи­мич. пром-сти, в с. х-ве, в строи­тель­ст­ве (напр., для за­мо­ра­жи­ва­ния во­до­нос­ных грун­тов в шах­тах) и при соз­да­нии «ле­дя­ных го­род­ков» и спор­тив­ных ком­п­лек­сов (кат­ки, ле­дя­ные бе­го­вые до­рож­ки) и др.

Лит.: Шум­ский П. А. Ос­но­вы струк­тур­но­го ле­до­ве­де­ния. М., 1955; Па­ун­дер Э. Р. Фи­зи­ка льда. М., 1967; Fletcher N. H. The chemi­cal physics of ice. Camb., 1970; Eisenberg D., Kauzmann W. The structure and properties of water. 2nd ed. Oxf., 2005; Оле­де­не­ние Се­вер­ной Цен­траль­ной Ев­ра­зии в со­вре­мен­ную эпо­ху / Отв. ред. В. М. Кот­ля­ков. М., 2006.

Вернуться к началу