ОБЫКНОВЕННЫЙ МИНЕРАЛ С НЕОБЫЧНЫМИ СВОЙСТВАМИ

МИР ЛЬДА

Лед — что может быть удивительнее этого вещества? Шестигранные ветвистые снежинки в воздухе и округлые зерна фирна в снежной толще, мелкие бесформенные кристаллы в отложенном после метели снеге и ледяные «бокалы» и «пули» во внутренних горизонтах снежного покрова, красивые морозные узоры на окнах и массивные клинья льда в холодных горных породах, прозрачный лед на озерах и молочно-мутный в ледниках, белесый в естественных образованиях и отливающий всеми цветами радуги под микроскопом, когда смотришь на него через специальные стекла-поляроиды, спокойно тающий на поверхности ледниковых языков и взрывающийся, когда его поднимают из глубин ледниковых покровов, хрупкий как стекло в отдельных кусках, но обладающий способностью течь как тесто в громадных массивах, дрейфующий по воле волн на полярных морях и активно преобразующий рельеф при движении ледников, сохраняющий жизнь в жестокую зиму под снегом и убивающий ее при замерзании воды в организмах, создающий красоту высокогорья и вызывающий бедствия от схода снежных лавин и нашествий ледников.

Лед — самая распространенная горная порода во Вселенной. Марс, Юпитер, Сатурн, Уран содержат огромные массы льда, а некоторые спутники планет сложены им почти целиком. Не исключение и наша Земля: более одной десятой земной суши занято «вечными» льдами, а пятая часть всей поверхности планеты ежегодно находится под снегом.

Геологическая история Земли свидетельствует о том, что, несмотря на постоянные изменения климата и поступательное развитие биосферы, средняя температура у поверхности Земли изменялась лишь в пределах от 5 до 40°С. Это намного меньше современного диапазона температур в разных областях земного шара — от 40 и даже 50- градусной жары в тропических пустынях до -70°С морозов на северо-востоке Евразии и 80°С в Антарктиде. Подобные условия способствуют существованию льда — постоянному в полярных районах и сезонному на значительных пространствах умеренных широт. Регулярный переход температур через 0°С или близость температурных условий к этой критической точке на многих территориях ведет к большой изменчивости снежно-ледовых условий на Земле и разнообразию форм льда, встречающихся в природе.

ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЕ ЛЬДА

Лед интересовал людей с незапамятных времен, однако наука всерьез занялась им лишь во второй половине XIX столетия. Исследовать физические свойства льда оказалось очень трудно, — результаты лабораторных измерений одних и тех же параметров различались в десятки, а то и в сотни раз. Натурные наблюдения тоже были противоречивы. Свойства льда удивительным образом зависели от многих условий, и прежде всего от внешнего давления и температуры.

По мере совершенствования аппаратуры и усложнения условий экспериментов стали получать лед, совершенно не похожий на тот, что встречается в природе. И свойства такого льда были совсем уже неожиданным. Наконец, в начале ХIХ века немецкий ученый Г. Тамман открыл, а американский физик П. Бриджмен исследовал явление полиморфизма льда, т.е. его способность к разному кристаллическому строению, что влечет за собой существенное изменение всех физических свойств. Оказалось, что в природе возможно существование 10 кристаллических модификаций льда и одной аморфной формы, а то, с чем мы сталкиваемся на поверхности Земли, — это лишь одна из разновидностей льда, названная физиками лед-1.

В России физику льда стали изучать в самом начале XX века. Эти исследования начал проводить профессор Томского технологического института Борис Петрович Вейнберг. Уже в 1906 г. он изложил свою теорию вязкого течения льда, а в 1909 г. в Одессе была опубликована его книга «Снег, иней, град, лед и ледники» — первая русская монография по гляциологии. Б.П. Вейнберг не считал себя гляциологом, но всю жизнь проводил наблюдения и опыты со льдом, которые обобщил в классической книге «Лед. Свойства, возникновение и исчезновение льда.

ФИЗИКА ЛЬДА

В чем же заключается таинство природы, когда при понижении температуры жидкая вода или водяной пар вдруг превращаются в твердое кристаллическое вещество? Как известно, молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Атом кислорода в этой молекуле занимает строго фиксированное положение, а вот как ведут себя атомы водорода — до конца не ясно. Рентгеноструктурный метод, который с успехом применяют для исследований других минералов, здесь оказывается беспомощным: атомы водорода очень слабо рассеивают рентгеновские лучи. Поэтому все еще не подтверждена и не отвергнута гипотеза о свободном, не фиксированном положении в пространственной решетке льда атомов водорода, которые постоянно движутся между атомами кислорода.

При замерзании воды неупорядоченное расположение ее молекул сменяется упорядоченным. Кристаллизация воды — сложный физический процесс, который начинается не во всей ее массе, а лишь в тех местах, где условия уже «готовы» к возникновению кристаллов. В твердое состояние сначала переходят небольшие группы молекул воды толщиной в элементарную ячейку пространственной решетки кристалла. По мере понижения температуры критические размеры зародыша льда, обеспечивающие его дальнейший рост, уменьшаются, — поэтому кристаллизация воды становится более вероятной и происходит быстрее.

Как правило, для появления кристаллов льда в воде или облаках нужны инородные твердые частицы, которые способствуют образованию зародышей кристаллов и тем самым ускоряют кристаллизацию. Но самое удивительное, что отличает лед от других твердых тел, — это уменьшение его плотности по сравнению с плотностью воды на 9%. В то время как куски твердого вещества обычно тонут в своем расплаве, вода при замерзании расширяется и лед в воде не тонет. Это свойство нередко служит причиной аварий теплотехнических и водопроводных систем, но представляет собой великое благо природы, так как не дает промерзнуть водоемам насквозь и сохраняет жизнь в них в зимнее время.

Если в воде либо в воздухе нет готовых кристаллов или ядер кристаллизации, жидкая вода может долго находиться в переохлажденном состоянии. Опытным путем, при отсутствии ядер кристаллизации, можно охладить воду до -50°С, а то и еще ниже. В природе на поверхности водоемов вода переохлаждается лишь до -1°С, а вот в облаках температура опускается до -12°С, а временами до -30°С и чуть ниже, а льда все нет и нет. Но если при таких условиях появляются ядра кристаллизации, начинается бурное образование льда.

ДВИЖЕНИЕ ГОРНЫЙ ЛЕДНИКОВ

Важнейшее свойство льда — его текучесть под воздействием собственной массы или длительных нагрузок. Течение льда можно получить и в лабораторных условиях, нагружая образцы льда, в природе оно ярко проявляется в движении ледников. В 1950 г. английский ученый М. Перуц сформулировал степенной закон течения льда, который через пять лет был существенно уточнен английским ученым Дж. Гленом и вошел в науку под его именем. Суть закона заключается в том, что зависимость между скоростью течения льда и вызывающим его напряжением имеет степенной характер, причем показатель степени в этом уравнении увеличивается с ростом напряжения. При очень низких температурах лед по своим свойствам приближается к абсолютно твердому телу. Наоборот, с приближением к температуре плавления текучесть льда оказывается в миллион раз выше, чем у горных пород, — именно это вызывает движение ледников.

Во льду всегда присутствует жидкая вода. Она образуется при таянии, в результате притока тепла ко льду, при возрастании давления, вызывающего плавление льда, при повышении содержания солей, снижающих температуру перехода льда в жидкое состояние. Вода существует в виде тонких пленок между ледяными кристаллами, нередко в форме «цветов Тиндаля». С увеличением притока тепла и все возрастающим таянием во льду появляются водяные горизонты, карманы и линзы.

Опыты показали, что в результате таяния под действием проникающих в лед солнечных лучей тонкая пленка воды обволакивает внутрикристаллические воздушные пузырьки. Возникают так называемые «водяные сумки», из которых вода под давлением может поступать в межкристаллическое пространство. Поэтому даже водонепро­ницаемый на первый взгляд плотный ледниковый лед в действительности оказывается проницаемым для воды.

Но даже при температуре значительно ниже точки замерзания воды на поверхности ледяных кристаллов существует жидко подобный слой толщиной 10~⁵—10^~6 см, что соответствует 35—350 молекулам воды. Этот тонкий слой жидкости на поверхности кристаллов льда оказывает большое влияние на метаморфизм снега и, по-видимому, объясняет явление режеляции, свойственное льду.

РЕЖЕЛЯЦИЯ

Режеляция — это смерзание льда в результате повторной кристаллизации воды, которая возникает на контактах ледяных кристаллов при повышении давления, вызывающем процесс оплавления. Явление режеляции было открыто в 1850 г. М. Фарадеем. Его опыт с двумя кусочками льда с намоченными поверхностями привел к быстрому их смерзанию. Название этому явлению дал Д. Тиндаль, проделавший такой «фокус»: он пропилил натянутой металлической проволочкой кусок льда, а тот остался целым. Очевидно, лед за проволокой замерзал за счет отдачи тепла, затраченного на таяние перед ней. Режеляция иногда вредит в хозяйстве, но широко применяется, когда нужно приморозить металлические и другие поверхности ко льду.

В последние годы выяснилось, что во льду встречаются газо-ледяные соединения, называемые кристаллогидратами. Это вещества, в которых кристаллическая решетка воды содержит пустоты, способные принять инородные молекулы. Если молекул воды достаточно много, то весь газ может перейти в форму гидрата, и тогда между молекулами воды оказываются молекулы метана, пропана и других углеводородов. Химической связи между водой и газами нет, и при нормальных условиях они способны гореть. Залежи кристаллогидратов выявлены на территории Сибири, занятой многолетнемерзлыми породами. Такой лед, залегающий совсем неглубоко; — в перспективе многообещающее топливо. В нем на 1 м³ воды приходится до 200 м³ природного газа.

Можно предполагать, что на больших глубинах в ледниках воздух во льду присутствует уже не в пузырьках, а в форме подобных гидратных соединений. Во всяком случае, в образцах льда из глубоких антарктических скважин пузырьки воздуха перестали встречаться во льду с глубин 940-1100 м. Очевидно, воздух растворился во льду и, возможно, пребывает там в форме кристаллогидратов.

Свойства льда и образования

Полиморфизм, свойственный льду, в природе обнаружить трудно. А между тем отдельные разновидности льда отличаются по своим свойствам от обычного льда так, как могут различаться совершенно разные породы. Другие разновидности льда никто в природе не видел, но их получали в лабораториях. Все эти льды тяжелее воды и создаются при давлениях, отличных от атмосферного. Один из них лед-VI создается сжатием под давлением в 20 тыс. атмосфер и тает при температуре 80°С, а лед-VII выдер­живает нагрев почти до 200°С. На гидроэлектростанциях иногда внезапно разрушались подшипники и валы мощных турбин. Долго не могли понять причину, пока не выяснили, что виновником аварий был лед-VII; он образовывался из воды, просочившейся в смазку подшипников, и разрушал металлические детали благодаря своей огромной твердости. Его возникновение вызывалось колоссальным давлением в работающей турбине.

В условиях глубокого вакуума и очень низких температур был получен лед в 2-2,5 раза плотнее, чем все другие разновидности. Он не имеет кристаллической решетки — это единственная в своем роде аморфная форма льда, свойства которой пока почти не известны.

Не все разновидности льдов присутствуют на Земле, но почти все они встречаются в Солнечной системе. Начало космической эры дает возможность «увидеть» и исследовать разные модификации льда.

Десять других модификаций льда устойчиво существуют лишь при определенных сочетаниях давления, удельного объема и температуры, наглядно показанных на диаграмме. Модификации льда-П, III и V могут долго сохраняться при атмосферном давлении, если температура не поднимает­ся выше -170°С. При конденсации водяных паров на поверхности, охлажденной до -160°С и ниже, образуется аморфный лед, который переходит в обычный при повышении температуры до -129°С, при этом выделяется тепло.

Лед-IV представляет собой неста­бильную фазу в той зоне, где устойчиво существует лед-V. Несколько легче полу­чить лед-VI, который оказывается ста­бильным. если замораживанию под дав­лением подвергается тяжелая вода. Лед-VII при огромном давлении 20 ГПа плавится при температуре 200°С. Лед-VIII — это упорядоченная форма льда-VII, возникаю­щая при низкой температуре. Наконец, лед-IX представляет собой нестабильную фазу, которая возникает при переохлаж­дении льда-Ш. Как видим, лед может суще­ствовать в огромном диапазоне темпера­тур и давлений, не встречающихся на поверхности Земли.

В кристаллах льда-1 молекулы воды сконцентрированы в параллельных базис­ных плоскостях. Нарушения под действием нагрузки в базисной плоскости происходят проще всего, так как требуют разрыва только двух атомных связей на одну единичную ячейку. Нарушения в других направлениях приводят к разрыву четырех и более связей. Эти особенности структу­ры льда вызывают резкую анизотропию его свойств, т.е. различие механических, термофизических, оптических, электри­ческих 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 напряжение совпадает с бази­сной плоскостью кристалла льда, возника­ет пластическая деформация; если же нап­ряжение направлено перпендикулярно к этой плоскости, деформация становится сначала упругопластической, а затем и хрупкой.

В природе воздействие на лед идет сразу по нескольким направлениям, для которых параметры степенного закона те­чения льда (закона Глена) резко различны. Их комбинация приводит к возникновению сложных реологических свойств льда, как правило, не поддающихся теоретическому описанию. Коэффициенты, характеризую­щие отдельные свойства льда, полученные в разных сериях опытов, различаются иногда в сотни и тысячи раз. Вот почему невозможно построить единый теоретичес­кий закон течения льда, и всякий раз приходится идти опытным путем.

Поверхность «давление—удельный объем— температура» для разных модификаций льда и воды

Между базисными плоскостями, вдоль поверхностей скольжения, обычно распо­ложены солевые включения и воздушные пузырьки. Под воздействием поглощаемой солнечной энергии здесь чаще всего идет внутреннее таяние и образуются так называемые «цветы Тиндаля». По форме они напоминают снежинки с вытянутыми лепестками. По мере протаивания «цветы» разрастаются до 1,5 см, их лепестки сложно ветвятся, а в центрах появляются пустоты с водяным паром, образующимся из-за уменьшения объема льда при его таянии. Это явление впервые было описано в 1858 г. английским физиком Д. Тиндалем, в честь которого и названо.

В 1847 г. швейцарский гляциолог Л. Агассис впервые зарисовал другую интересную особенность структуры льда, а позже швейцарец Ф. Форель снял ее оттиск на воск. Так появилось понятие «штриховки Фореля» — тонкой прямоли­нейной ребристости на поверхностях кристаллов льда, связанной с выходами базисных плоскостей. Она возникает при возгонке льда или в условиях его слабого таяния с немедленным испарением талой воды в результате различий в ско­рости таяния и возгонки льда на бази­сных плоскостях и в промежутках между ними. Это явление еще более усиливается, если во льду много раство­римых примесей, — тогда на сколе льда четко видна тонкая ребристость, которую и зарисовал в свое время JI. Агассис.

Оси кристаллов, расположенные пер­пендикулярно базисным плоскостям, во льду чаще всего направлены хаотически. Поэтому при рассмотрении пластин или шлифов льда под микроскопом через поляроиды, пропускающие лучи опреде­ленной длины волны и тем самым разного цвета, можно увидеть красочный мир льда.

В долгие зимние вечера в холодной лаборатории антарктического поселка Мирный мне приходилось по нескольку часов сидеть за микроскопом, рассматри­вая шлифы льда. При температуре -10, -15°С, царящей в лаборатории, трудно долго высидеть неподвижно. Только уди­вительная красота льда удерживает на месте: каждый кристалл переливается сво­им цветом — от ярко-красного, зеленого и малинового до тускло-серого и совер­шенно черного. А именно черные кристал­лы наиболее важны: их оптические оси направлены перпендикулярно поляроидам микроскопа, и после несложных манипуля­ций можно записать ориентировку крис­таллов в пространстве. В снегу и ледниках, по крайней мере в поверхностном слое, она хаотическая, а вот в речном льду и на больших глубинах в ледниковых покровах преобладает направленная, что отчетливо сказывается на свойствах массива льда.