Снежная масса со льдом

Свойства льда и безопасность

Идеальную картину намерзания льда сильно меняет толщина имеющегося на нем снежного покрова

Для рыболовов-зимников, выходящих на лед разных по типу водоемов, просто необходимо знать и понимать, какие условия эволюции ледового покрова определяют безопасность или невозможность нахождения на нем. При этом главной характеристикой льда будет его прочность, которая является величиной непостоянной, сильно зависящей от вида и структуры льда, его температуры и толщины.

Бывает, начало зимы сопровождается частыми оттепелями с осадками в виде дождя или мокрого снега. Тогда ледовый покров намерзает поэтапно в морозные промежутки между циклонами. При этом его толщина прирастает как снизу – за счет кристаллизации поверхностной воды водоема, так и сверху – из-за смерзания снежно-водяной «каши», возникшей поверх льда во время очередного ненастья. Такой лед получается мутным, многослойным. Следует иметь в виду, что он примерно в два раза слабее (выдерживает в два раза меньшую статическую нагрузку) льда, прозрачного как стекло. Поэтому выходить на белесый, непрозрачный ледовый покров безопасно, когда он достигнет толщины более 10 сантиметров, да еще при условии отрицательной температуры воздуха. Это важно знать по той причине, что рыболовы, как правило, стремятся на участки с подобным льдом, так как здесь в условиях пониженной освещенности обычно скапливается рыба и клюет она в таких местах гораздо лучше.

Как уже сказано, наиболее прочен чистый, прозрачный лед. Это кристаллический монолит, образовавшийся от замерзания переохлажденного верхнего слоя воды. Однако ловить рыбу с такого льда имеет смысл лишь над большой глубиной, куда доходит мало света и рыба не пуглива. Поэтому безопасным он будет при достижении толщины не менее 5 сантиметров – лишь в этом случае лед надежно выдерживает одного человека, а вот группами на нем собираться нельзя.

Прочность ледового покрова линейно увеличивается с ростом его толщины и с понижением температуры. Но тут надо представлять, что температура льда по толщине различна: вверху она равна атмосферной, а внизу – соответствует точке замерзания воды, то есть около ноля градусов. А поскольку температурный коэффициент линейного расширения льда огромен (например, в пять раз больше, чем у железа) и многие, наверное, видели, как разрываются прочные сосуды с замерзшей водой, то становится понятно, что аналогичные процессы неизбежны и со льдом на водоеме: по мере роста его толщины имеющие разную температуру слои испытывают расширяющую нагрузку как поперечного, так и продольного направления. Именно поэтому при резких потеплениях или похолоданиях лед на водоемах лопается с оглушительным грохотом и по нему разбегаются длинные трещины. Кроме того, на огромных акваториях озер и водохранилищ эти трещины, с одной стороны, вызывают образование ледовых торосов, а с другой (для компенсации) – широкие разводья, в которые можно запросто угодить, особенно после укрывающих открытую воду снегопадов.

Можно подумать, что трещины на ледовой поверхности образуются бессистемно, хаотично. Однако не все так просто, если вспомнить механизм льдообразования: в начале зимы, когда лед еще не везде одинаков по толщине, напряжения локализуются в узких зонах стыковки толстого и тонкого ледового покрова, то есть там, где мелководье резко переходит на глубину. Опытные рыболовы знают, что донные свалы, где часто держится рыба, следует искать по старым и широким, идущим обычно параллельно основному руслу трещинам. При этом глубокая сторона водоема будет определяться по близко располагающейся к обычно крутому берегу трещине, и наоборот.

Чтобы представлять, какой лед может ожидать на водоеме в начале зимы, следует знать, что его прирост в течение суток сильно зависит от температуры воздуха и уже имеющейся толщины. Это выглядит примерно так: если лед был уже около 10 сантиметров, то за следующие сутки он прибавит 4 см при морозе минус 5; 6 см – при морозе 10; 8 см – при минус 15; 9 см – при минус 20. Но если исходная толщина льда составляет, допустим, 20-30 см, то суточный прирост при тех же температурах уменьшится примерно в 3-4 раза – точнее сказать нельзя, поскольку на это влияет и качество воды.

Конечно, идеальную картину намерзания льда сильно меняет толщина имеющегося на нем снежного покрова, который выполняет как бы роль шубы. Известно, что теплопроводность (холодопроводность) снега до 30 раз меньше, чем у льда (многое зависит еще от плотности снега), поэтому при снегопадах в зависимости от их интенсивности надо вносить в расчеты соответствующую поправку.

Важно понимать по виду первого, непрочного льда, как он реагирует на нагрузку. Рыболовы с опытом говорят, что молодой лед не обманет, не подведет, а вовремя сообщит об опасности громким треском и видом трещин. Приложенная к тонкому льду нагрузка (рыболов на льду) вызывает его прогиб (деформацию) в виде чаши. При малом грузе деформация носит упругий характер, а чаша расширяется симметрично по периметру. Если нагрузка будет выше предела упругости, то начнется пластическая деформация льда и чаша прогиба станет быстрее увеличиваться в глубину, чем в ширину – это начало разрушения льда. В количественном выражении это будет выглядеть так. Для наиболее прочного прозрачного льда центральный прогиб его на глубину в 5 см трещин не вызовет; прогиб в 9 см ведет к усиленному образованию трещин; прогиб в 12 см вызывает сквозное растрескивание; при 15 см лед проваливается.

Под действием нагрузки трещины во льду возникают как радиальные – исходящие от точки приложения, так и концентрические – вокруг этой точки. Радиальные трещины лишь предупреждают о недостаточной прочности льда, что требует предельной осторожности на нем. Но если к радиальным трещинам добавляется концентрическое растрескивание, сопровождаемое характерным скрипящим звуком, нужно скользящим шагом немедленно покинуть опасный участок, в особо критической ситуации лучше лечь на лед, чтобы увеличить площадь распределения веса по поверхности, и отползти в обратном направлении. Нужно знать и другие правила поведения на тонком льду:

– ни в коем случае не ходить по нему гуськом, иначе радиальные трещины на тропе быстро прирастут концентрическими;

– не отправляться на рыбалку в одиночку;

– проверять каждый шаг на льду остроконечной пешней, но не бить ею лед перед собой – лучше сбоку;

– не подходить к другим рыболовам ближе чем на 3 метра;

– не приближаться к местам, где в лед вмерзли коряги, водоросли, воздушные пузыри;

– не ходить рядом со свежей трещиной или по участку льда, отделенному от основного массива несколькими трещинами;

– быстро покинуть опасное место, если из проделанной лунки начинает бить фонтаном вода;

– обязательно иметь средства страховки и спасения (шнур с грузом на конце, длинную жердь, широкую доску);

– не совмещать рыбалку с потреблением спиртного.

Источник

19 видов льда

Лёд взрывается, тонет в воде, проводит ток, генерирует мощное магнитное поле.

Мой друг в детстве приклеивал на капельку пластилина таракана на дно формочки для льда, заливал водой и замораживал. Потом швырял ледяные кубики с начинкой в стену и кричал «Я — Сабзиро!» А я всё время выбирал Глациуса в Killer Instinct, потому что изящный. В «Семиевии» из льда на астероиде построили реактивный двигатель и льдом же его топили. Ну и, конечно же, «Колыбель для кошки». А тем временем в реальности…

Аргоннская национальная лаборатория в 1980 придумала технологию ледяной гидросмеси (ice slurry), которая не образует ледяные наросты, не слипается, течет по трубам и в 5-7 раз эффективнее простой воды для охлаждения.

Микрокристаллы льда «ледяная кровь» хорошо проникают в маленькие кровеносные сосуды без вреда для клеткок. При остановке сердца время для спасения пострадавшего теоретически может увеличиться с 10 до 45 минут.

Д. Пайк предложил добавить в лед опилки и из этого композита (пайкерита) сделать… авианосец.

Чуток копнув, я узнал, насколько глубока ледяная кроличья нора.

Первопроходец в исследовании различных типов льда — Перси Уильямс Бриджмен, нобелевский лауреат по физике в 1946, он работал с высокими давлениями (до 10 ГПа), открыл/описал в 1912 году 5-6 видов льда.

«Правила льда»

Правила Бернала-Фаулера:

• а) атом кислорода каждой молекулы Н₂О связан с четырьмя соседними атомами водорода: с двумя атомами водорода ковалентной связью, с двумя соседними — посредством водородных связей (как это имеет место в кристаллической структуре льда);
• б) на линии кислород — кислород может располагаться только один протон Н + ;
• в) протон, участвующий в образовании водородной связи и находящийся между атомами кислорода имеет два равновесных положения и может находиться как вблизи своего атома кислорода на расстоянии приблизительно 1 A, так и вблизи соседнего атома кислорода на расстоянии 1,7 A, т.е. наряду с обычным димером HO-H. OH₂ стабильной является также и ионная пара HO — + H-OH₂. Состояние «протон около соседнего кислорода» характерно для границы раздела фаз, т.е. вблизи поверхности вода-твердое тело или вода-газ;
• г) пространственная связь тройки О-Н… О, где чертой обозначена ковалентная связь, а точками — водородная, не может быть произвольной, а имеет четкую пространственную направленность.

Шесть возможных молекулярных ориентаций центральной молекулы воды в пентамере Вальрафена.

Эксперименты с величиной и скоростью изменения температуры и давления, а так же хитрости с графеном позволяют играться со структурой и ориентацией протонов, что порождает 19 экспериментально полученных и несколько теоретических видов льда.

Фазовая диаграмма и структуры льда.

Сводная таблица 19 видов льда.

Лёд 0

Теоретическая структура. Лед-0 может получиться при кристаллизации льда I_си льда I_h из переохлажденной воды.

Аморфный лёд

Фазовая диаграмма аморфных льдов и жидкой воды.

Лёд-I_aили LDA (Low-density amorphous ice)

Если жидкую воду охладить со скоростью порядка 1 000 000 К в секунду, то молекулы не успевают сформировать кристаллическую решётку и получается аморфный лед низкой плотности, («сверхохлаждённая стекловидная вода», HGW). Второй способ — сконденсировать водяной пар на сильно охлажденной подложке («аморфная твёрдая вода», ASW).

Лёд-I_a или HDA (High-density amorphous ice)

Аморфный лёд высокой плотности можно получить сдавливая лёд «обычный» I_h при температурах ниже 140 К.

VHDA (Very-high density amorphous ice)

Аморфный лёд очень высокой плотности (2001) получают нагревом HDA до 160 К при давлении 1-2 ГПа.

Интересное видео, как лёд из одной фазы тает в другую:

Лёд I_h

Обычный гексагональный (hexagon, поэтому I_h) кристаллический лёд. Почти весь лёд на Земле относится ко льду I_h, и лишь малая часть — ко льду I_с (сubic).

Лёд I_с (1987)

Ромбовидное расположение воды во льду I_с

Лёд-I_sd

Кстати, лёд I_sd был «открыт» при наблюдении за солнечным гало во время ледяных игл/«алмазной пыли»:

Треугольная снежинка из I_sd

Лёд 2 (1900)

Получают лёд-II, сжимая лёд I_h при температурах от −83 °C до −63 °C (190—210 K) и давлении 300 МПа, или путём декомпрессии льда V при температуре −35 °C (238 K). При нагреве лёд-II преобразуется в лёд-III.

Предполагают, что «ледяные луны» например, Ганимед, могут быть изо льда-II.

Лёд 3

Можно получить при охлаждении воды до −23 °C (250 K) и давлении 300 МПа.

Лёд-III — наиболее просто получаемый и доступный для исследований лёд высокого давления. Впервые он был получен из обыкновенного льда при температуре −22 °C (температура тройной точки лёд Ih — лёд III — вода) путём повышения давления до 210 МПа

Лёд 4

Получают медленным нагревом (0,4 K/мин) аморфного льда высокой плотности от температуры 145 К при постоянном давлении 0,81 ГПа.

Лёд 5

Лёд-V производят охлаждением воды до 253 K (−20 °C) при давлении 500 МПа. Структура льда-V — самая сложная из всех фаз льда. Лёд V тает при 50 °С.

Лёд 6

Получают при охлаждении воды до −3 °C (270 K) и давлении 1,1 ГПа. В нём проявляется дебаевская релаксация. Лёд VI тает при температуре 81 ºС (355 K) при 2,216 ГПа и при температуре около 0 ºС при 0,6 ГПа.

Монокристалл льда VI

Кристаллизация воды в тетрагональный лёд VI при комнатной температуре и давлении 0.9 ГПа.

Рост кристалла при трапецеидальном давлении.

Рост кристалла при синусоидальном давлении.

Лёд 7 (1969)

Самый неупорядоченный лёд, в нем не только атомы водорода, но и атомы кислорода не упорядочены.

Можно получить из воды под давлением 3 ГПа при охлаждении до комнатной температуры. Так же получается изо льда VI при увеличении давления при комнатной температуре.

Лёд 8

Упорядоченная версия льда-VII, в котором водород зафиксирован. Получается изо льда-VII при его охлаждении ниже 5 °C.

Лёд 9 (1973)

Лёд-IX — метастабильная форма твёрдой воды при температурах ниже 140 K и давлении 200-400 МПа. Получается изо льда III при охлаждении.

Лёд 10 (1984)

Симметричный лёд с упорядоченным расположением протонов. Образуется при давлениях около 70 ГПа.

Структура льда-X (слева верх) и предсказанные вариации Pbcm, Pbca, Cmcm.

Лёд 11 (1972)

Лёд-XI — это самая устойчивая конфигурация льда I_h с упорядоченной ориентацией протонов. Является сегнетоэлектриком (спонтанная поляризация, которую можно менять внешним электрическим полем).

Лёд 12 (2003)

Получается охлаждением воды до −13 °C (260 K) при давлении 0,55 ГПа. Так же лёд-XII можно получить изо льда I_h при температуре 77 K быстрым сжатием 1 ГПа/мин или нагреть аморфного льда высокой плотности до 183 К при давлении 0,8-1,6 ГПа.

Лед 13

Протонно-упорядоченная вариация льда-V. Получается при охлаждении воды до 130K при давлении 500 МПа.

Лёд 14 (2006)

Модификация льда-XII, где протоны расположены упорядоченно. Образуется при заморозке воды при температуре 118 K и давлении 1,2 ГПа.

Лед 15 (2009)

Лёд-XV — форма льда-VI с упорядоченными протонами, получается при охлаждении воды до 130 К при давлении 1 ГПа.

а) фазовая диаграмма льда с некоторыми маршрутами, используемыми для изучения упорядоченной формы льда и б) как молекула воды изменяется при переходе от неупорядоченной формы льда к упорядоченной.

Лёд 16 (2014)

Лёд-XVI имеет наименьшую плотность среди всех видов льда 0,81 г/см 3 , топологически эквивалентен КС-II (газовые гидраты). Получается путём удаления молекул газа из клатрата неона в вакууме при температуре ниже 147 К.

Фазовая диаграмма воды, расширенная до отрицательных давлений.

Лёд 17 (2015)

Квадратный лед получается если зажать воду между двумя слоями графена (1 нанометр) при комнатной температуре (Андрей Гейм подсчитал, что давление там примерно 10 000 атмосфер). Возможно, встречается в природе в трещинах камней и почвы.

Лёд 18 (2019)

Супер-ионный лёд в четыре раза плотнее обычного льда и обладает электропроводимостью.

Лед-XVIII или суперионная вода может существовать при очень высоких давлениях 50-100 ГПа (удар лазерного импульса в ячейке с алмазными наковальнями) и температуре. Молекулы распадаются на ионы. Ионы кислорода формируют гранецентрированную кубическую решетку, а ионы водорода хаотично диффундируют внутри нее.

Фазовая диаграмма супер-ионного льда: объёмно-центрированный ионный лёд (синий), гранецентрированный/плотноупакованный (зелёный) и ионный лёд P2₁/c. Серый — кристаллический лед, жёлтый — область ионной жидкости.

Лед 19 (2021)

Различия в дифракционных картинах и строении кристаллической решетки льда-VI и льда-XIX

Если ко льду-VI применить давление от 0,88 до 2,20 гигапаскалей, то образуется лед-XV, и новый лед-XIX. Если проанализировать диэлектрическую проницаемость и нейтронную дифракцию, то придем к выводу о самостоятельности новой фазы.

Источник