Необычный обычный лёд

Лед и снег, занимая значительную часть поверхности Земли, существенно влияют на ее климат и на нашу жизнь. Ледники, ледяные покровы различных акваторий, вечная мерзлота, содержащие большие массы льда, с течением времени изменяют свое строение и состояние и воздействуют на геофизические процессы.

С давних времен лед привлекал внимание исследователей как распространенный природный объект. Достаточно упомянуть, что слово «кристалл» в переводе с греческого языка означает «лед», понятие «дендрит» (кристалл древовидной формы) впервые появилось для обозначения формы именно ледяного кристалла и т. д.

Одной из первых средневековых работ по кристаллизации и симметрии был труд И. Кеплера «О шестиугольных снежинках», опубликованный в 1611 году. Лед изучали М. Фарадей, лорд Кельвин и многие другие выдающиеся естествоиспытатели.

Исследованию свойств природных и искусственных льдов посвящено огромное количество научных работ; например, морскими льдами занимаются океанологи, материковыми — гляциологи и т. д. В 40-е годы из гляциологии выделилась самостоятельная область — физика льда. Она изучает атомно-молекулярную структуру льда, особенности водородных связей, динамику решетки, кинетику фазовых переходов, распространение электромагнитных и акустических волн во льде и ряд других проблем.

К настоящему времени установлено, что лед обладает уникальными физическими свойствами. Он имеет двенадцать структурных модификаций, переходящие одна в другую за счет полиморфных превращений при изменении давления и температуры (лед XII обнаружен только в 1998 году).

Обычный лед имеет гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично. Таким образом, во льде порядок и хаос сосуществуют вместе! А это уже нечто весьма нестандартное.

Кроме того, необычность свойств «обычного» льда по сравнению с другими твердыми телами проявляется, например, и в том, что он легче расплава (воды), имеет на поверхности тончайший, толщиной около микрона, квазижидкий слой, физические характеристики которого отличаются от объемных характеристик и льда, и воды.

Температура плавления льда понижается с ростом давления, поэтому он плавится под действием механической нагрузки (это объясняет явление режеляции — спекание кусков льда или снежинок в монолит).

Лед — полупроводник, носителями заряда в котором служат протоны в водородных связях; протонная проводимость льда возрастает с ростом температуры по экспоненциальному закону, как, например, в германии или кремнии, а поверхность раздела лед-вода выпрямляет переменный ток подобно «р-n» переходу в полупроводниковом диоде.

Во льде обнаружено уникальное сочетание свойств, характерных как для полупроводников, так и для диэлектриков: например, термоэлектрический, фотопластический и ряд других эффектов.

Большинство исследователей считают, что лед и вода — очень сложные и все еще не до конца изученные объекты, способные преподносить новые сюрпризы. Например, некоторые процессы, связанные с динамикой ледяных масс и протеканием фазовых превращений с участием льда, сопровождаются генерацией электромагнитного излучения в широком диапазоне частот. При сходе ледников, снежных лавин, распространении трещин во льде и даже перед этими катастрофическими событиями возникают всплески радиоизлучения в среднечастотном диапазоне.