|
Коллаж из снежинок Ярослава Гнатюка
Теперь, рассматривая выпавший снег, Вы будете знать: если на земле лежит слой очень пушистого снега, состоящего из ледяных тонких иголочек, значит, снежинки образовались из мелких ледяных кристаллов при низких температурах (ниже —30°С) и выпали в виде "алмазной пыли". Физикам установили, что в процессе своего движения в облаке ледяные кристаллики растут за счет непосредственного перехода водяного пара в твердую фазу - лед – ход и результат этого процесса зависит от внешних условий (температуры и влажности воздуха), характер этой зависимости понятен, но объяснить его ученые пока не могут!
Известно, что не все снежинки попадают на землю, в воздухе порхающую "снежную красавицу" подстерегают опасности. Оказавшись в более теплых воздушных слоях, они могут растаять, во время полета происходит постепенное испарение снежинки ( быстрее испаряются мелкие снежинки: сначала исчезают ее выпуклости и ее острые концы), снежинка приобретает округлую форму и т. п. Так как скорость испарения увеличивается в ветреную погоду и зависит от относительной влажности воздуха, то в ветреную погоду часто выпадают мелкие снежинки круглой формы - снежная крупа. Если снежинка при падении к Земле вращается, как волчок, то ее форма идеально симметрична. Если же она падает боком или как-то иначе, то и форма ее будет несимметричной. Падающие кристаллы могут слипаться, образуя снежные хлопья, в каждом из которых может находиться от 2 до 200 снежных кристаллов.
Снег и лед изучает одна и та же наука – гляциология - наука о формах, составе, строении, свойствах льдов земной поверхности (льдинки, снежные покровы и другие) и подземных льдах, их распространениями и процессах в них происходящих. Как самостоятельная область знаний гляциология возникла в конце XVIII – начале XIX веков. В настоящее время известны три аморфных разновидности и 18 кристаллических модификаций льда. Лёд встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного), а также в виде снега, инея, изморози. Под действием силы тяжести большие массы льда приобретают пластические свойства и текучесть.
Природный лёд обычно значительно чище, чем вода, так как при кристаллизации воды в первую очередь в кристаллическую решётку встраиваются молекулы воды. Лёд может содержать механические примеси — твёрдые частицы, капельки концентрированных растворов, пузырьки газа. Наличием кристалликов соли и капелек рассола объясняется солоноватость морского льда. Вода в мировом океане солёная и это препятствует образованию льда, поэтому лёд образуется только в полярных и субполярных широтах, где зима долгая и очень холодная.
При очень медленном замерзании водного раствора каких- либо солей ионы солей остаются в расплаве и образующийся лед представляет собой чистую замерзшую воду (пресный лед). При формировании ледяного покрова на поверхности моря также происходит выпадение солей, и таким образом лед самоочищается. Однако обычно процесс замерзания идет слишком быстро, чтобы выделение солей было достаточно полным, и кристаллы растущего льда все же захватывают некоторое количество рассола. Количество захваченного льдом рассола зависит от скорости замерзания.
При разрушении ледяного покрова зимой в Арктике поверхность воды соприкасается с воздухом, температура которого может достигать −30° и даже −40° C; в этих условиях соленость первого слоя вновь образующегося льда может достигать 20‰, в то время как средняя соленость однолетнего льда 4‰, то есть почти 80% солей вытекает из ледяного покрова в виде рассола.
Имеются данные о наличии льда на планетах Солнечной системы (например, на Марсе), их спутниках, на карликовых планетах и в ядрах комет. Водяной лед в межзвёздном пространстве может принимать различные кристаллические и аморфные формы в зависимости от температуры и давления. Кристаллизация первоначально аморфного льда происходит при температурах около 90 К (или −183°С). Это изменение фазы необратимо. Межзвездный лёд, при температурах ниже 90 К, находится в основном в плотной аморфной фазе.
Причиной превращения воды в лед является понижение температуры воздуха, а затем воды до 0° С. Лед – один из самых распространенных кристаллических минералов земного шара.
Никаких особых молекул льда нет. Молекулы воды соединяются друг с другом так, что каждая из них связана и окружена четырьмя другими молекулами. Это приводит к возникновению очень рыхлой структуры льда, в которой остается очень много свободного пространства. Правильное кристаллическое строение льда выражается в изумительном изяществе снежинок (они имеют правильную шестигранную форму) и в красоте морозных узоров на замерзших окнах.
Цвет льда зависит от его возраста и может быть использован для оценки его прочности. Океанический лед в первый год своей жизни белый, потому что он насыщен воздушными пузырьками, от стенок которых свет отражается сразу же не успев, поглотиться. Летом поверхность льда тает, теряет прочность, а под тяжестью лежащих сверху новых слоев пузырьки воздуха сжимаются и исчезают совсем. Свет внутри льда проходит больший путь, чем прежде, и выходит наружу, имея голубовато- зеленоватый оттенок. Голубой лед старше, плотнее, прочнее белого “пенистого”, насыщенного воздухом. Полярные исследователи выбирают для своих плавучих баз, научных станций и ледовых аэродромов надежные голубые и зеленые льды.
Лед неодинаково холодный. Температура льда антарктических ледников -600 С, Гренландских льдов -28 °С, а на Альпах температура ледников составляет 00 С.
Плотность льда, образовавшегося при замерзании морской воды, зависит от его температуры и количества воздушных пузырьков, а также от содержания солей в прослойках между кристаллами льда и от количества рассола в этих прослойках. В свою очередь, содержание солей и рассола зависит от быстроты замерзания и от возраста льда. Старый морской лед имеет иное распределение солености по глубине, чем молодой. Значения плотности морского льда составляют 0,85 до 0,94 г/см³.
Чистый лед обладает сравнительно высокой прозрачностью в видимом диапазоне спектра. По данным Дорсея [Dorsey, 1940, C.490] значение коэффициента поглощения льдом (k) составляет 6·10–3 ·см−1 для голубого света и 14·10–3 ·см −1 – для красного. В первом приближении, полагая для видимого диапазона в среднем k = 10 -2 см -1, можно получить, что метровый слой льда поглощает 63 % света, падающего на его поверхность.
Лед, содержащий пузырьки воздуха, капельки рассола или частицы выпавших в осадок солей, другие инородные включения, пропускает свет значительно хуже, благодаря процессам рассеивания световых лучей в толще льда.
Другим важным свойством льда является двойное лучепреломление. С точки зрения оптики лед представляет собой одноосевой кристалл, оптическую ось которого кристаллографы называют с-осью. Если луч света направлен параллельно с-оси, то его прохождение через лед происходит обычным путем. Однако в случае, когда свет падает под некоторым углом к с-оси, он разлагается на так называемые обыкновенный и необыкновенный лучи, которые проходят толщу льда с разными скоростями и поэтому преломляются под разными углами.
Средняя удельная теплопроводность морского льда примерно в пять раз выше, чем у воды, и в восемь раз выше, чем у снега, и составляет около 2,1 Вт/м·градус, но к нижней и верхней поверхностям льда может уменьшаться из-за увеличения солёности и роста количества пор.
Если бы удалось растопить весь лед на Земле, уровень океана поднялся бы на 800 м.
В плохую погоду на деревьях образуются снеговые наросты, это происходит обычно при температуре примерно равна 0°С. В этих условиях довольно интенсивно идут разнообразные процессы внутри снега: подтаивание и замерзание, испарение и кристаллизация. Они приводят к образованию довольно прочных связей между упавшими снежинками и поверхностью ветвей.
Для того чтобы слепить прочный снежок, нужно использовать мокрый снег, температура которого должна быть близка к 0°С. Когда мы сжимаем снег, образуется некоторое количество воды. Вода заполняет воздушные промежутки внутри снега, подмерзая, образует довольно прочные связи.
Белый цвет снега связан с заключённым в снежинке воздухе. Свет всевозможных длин волн отражается на граничных поверхностях между кристаллами льда и воздухом и рассеивается, однако в зависимости от химического состава снег может приобретать самые различные цвета.
Использованные и дополнительные материалы:
|
