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

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

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.