Влияние информации на форму кристаллов льда. Кристаллическая решетка льда и воды. Метаморфозы кристаллов льда

Из 14 известных на сегодняшний день форм твердой воды в природе мы встречаем только одну лед. Остальные образуются в экстремальных условиях и для наблюдений вне специальных лабораторий недоступны. Самое интригующее свойство льда это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки фирна на снежном поле или же гигантских ледниковых масс.

В небольшом японском городе Кага, расположенном на западном берегу острова Хонсю, есть необычный музей. Снега и льда. Основал его Укихиро Накайя первый человек, который научился выращивать в лаборатории искусственные снежинки, такие же красивые, как и те, что падают с неба. В этом музее посетителей со всех сторон окружают правильные шестиугольники, потому что именно такая гексагональная симметрия свойственна кристаллам обычного льда (кстати, греческое слово kristallos, собственно, и означает «лед»). Она определяет многие уникальные его свойства и заставляет снежинки, при всем бесконечном их разнообразии, расти в форме звездочек с шестью, реже тремя или двенадцатью лучами, но никогда с четырьмя или пятью.

Молекулы в ажуре

Разгадка структуры твердой воды кроется в строении ее молекулы. Н2О можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра (пирамиды с треугольным основанием). В центре находится кислород, в двух вершинах по водороду, точнее протону, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, отчего их называют неподеленными.

При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде ажурной сетки с полыми каналами. Стоит лед нагреть, как кружево рушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, вот почему вода тяжелее льда.

Лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0°С, самое привычное, но все еще не до конца понятное вещество. Многое в его структуре и свойствах выглядит необычно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а вот атомы водорода занимают самые разные положения вдоль связей. Такое поведение атомов вообще-то нетипично как правило, в твердом веществе все подчиняются одному закону: либо все атомы расположены упорядоченно, и тогда это кристалл, либо случайно, и тогда это аморфное вещество.

Лед трудно расплавить, как бы ни странно это звучало. Не будь водородных связей, сцепляющих молекулы воды, он плавился бы при 90°С. При этом, замерзая, вода не уменьшается в объеме, как это происходит с большинством известных веществ, а увеличивается за счет образования ажурной структуры льда.

К «странностям» льда относят и генерацию электромагнитного излучения его растущими кристаллами. Давно известно, что большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти, проще говоря, вымораживается. Поэтому даже на самой грязной луже пленка льда чистая и прозрачная. Примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Заряженный слой примесей перемещается вместе с нижней границей молодого льда и излучает электромагнитные волны. Благодаря этому процесс кристаллизации можно наблюдать в деталях. Так, кристалл, растущий в длину в виде иголки, излучает иначе, чем покрывающийся боковыми отростками, а излучение растущих зерен отличается от того, что возникает, когда кристаллы трескаются. По форме, последовательности, частоте и амплитуде импульсов излучения можно определить, с какой скоростью замерзает лед и какая при этом получается ледовая структура.

Неправильный лед

В твердом состоянии вода насчитывает, по последним данным, 14 структурных модификаций. Есть среди них кристаллические (их большинство), есть аморфные, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Правда, все, кроме привычного нам льда, образуются в условиях экзотических при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной. Например, при температуре ниже 110°С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше 110°, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

Две последние модификации льда XIII и XIV открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предсказание 40-летней давности о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре 160°С очень велика, и собраться вместе молекулам сверхчистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Помог катализатор соляная кислота, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но их можно поискать на замерзших спутниках других планет.

Комиссия решила так

Снежинка это монокристалл льда, вариация на тему гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. Над тайной их красоты и бесконечного разнообразия не одно столетие бьются самые пытливые умы. Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году написал целый трактат «О шестиугольных снежинках». В 1665 году Роберт Гук в огромном томе зарисовок всего, что он увидел с помощью микроскопа, опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы. Первую удачную фотографию снежинки под микроскопом сделал в 1885 году американский фермер Уилсон Бентли. С тех пор он уже не мог остановиться. До конца жизни, сорок с лишним лет, Бентли фотографировал их. Более пяти тысяч кристаллов, и ни одного одинакового.

Самые знаменитые последователи дела Бентли это уже упомянутый Укихиро Накайя и американский физик Кеннет Либбрехт . Накайя впервые предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры воздуха и содержания в нем влаги, и блистательно подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы. А Либбрехт у себя в и вовсе стал выращивать снежинки на заказ заранее заданной формы.

Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при понижении температуры образуются кристаллические зародыши льда. Центром кристаллизации могут быть пылинки, любые твердые частицы или даже ионы, но в любом случае эти льдинки размером меньше десятой доли миллиметра уже имеют гексагональную кристаллическую решетку.

Водяной пар, конденсируясь на поверхности этих зародышей, образует сначала крошечную гексагональную призму, из шести углов которой начинают расти совершенно одинаковые ледяные иголочки боковые отростки. Одинаковые просто потому, что температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки веточки. Подобные кристаллы так и называют дендритами, то есть похожими на дерево.

Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии. Так снежинки становятся разными. Хотя теоретически в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Но путь до земли у каждой свой, довольно долгий в среднем снежинка падает со скоростью 0,9 км в час. А значит, у каждой своя история и своя окончательная форма. Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы мы называем ее снегом.

Чтобы не путаться с многообразием снежинок, Международная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И еще три вида обледенелых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

Тем же законам подчиняется и рост инея, изморози и узоров на стеклах. Эти явления, как и снежинки, образуются при конденсации, молекула за молекулой на земле, траве, деревьях. Узоры на окне появляются в мороз, когда на поверхности стекла конденсируется влага теплого комнатного воздуха. А вот градины получаются при застывании капель воды или когда в насыщенных водяным паром облаках лед плотными слоями намерзает на зародыши снежинок. На градины могут намерзать другие, уже сформировавшиеся снежинки, сплавляясь с ними, благодаря чему градины принимают самые причудливые формы.

Нам на Земле довольно и одной твердой модификации воды обычного льда. Он буквально пронизывает все области обитания или пребывания человека. Собираясь в огромных количествах, снег и лед образуют особые структуры с принципиально иными, нежели у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Горные ледники , ледяные покровы акваторий, вечная мерзлота, да и просто сезонный снежный покров существенно влияют на климат больших регионов и планеты в целом: даже те, кто никогда не видел снега, чувствуют на себе дыхание его масс, скопившихся на полюсах Земли, например, в виде многолетних колебаний уровня Мирового океана. А лед имеет столь большое значение для облика нашей планеты и комфортного обитания на ней живых существ, что ученые отвели для него особую среду криосферу, которая простирает свои владения высоко в атмосферу и глубоко в земную кору.

Ольга Максименко, кандидат химических наук

Ещё один вид кристаллов известен всем. Эти кристаллы почти полгода (а в полярных областях и круглый год) покрывают необозримые пространства Земли, лежат на вершинах гор и сползают с них ледниками, плавают айсбергами в океанах. Это – кристаллы замерзшей воды, то есть лёд и снег.

Каждый отдельный кристаллик льда, каждая снежинка хрупка и мала. Часто говорят, что снег падает, как пух. Но даже и это сравнение, можно сказать, слишком «тяжёлое»: ведь каждая снежинка примерно в десять раз легче пушинки. Десяток тысяч снежинок весит столько же, сколько весит одна копейка. Но, соединяясь в огромных количествах вместе, снежные кристаллы могут, например, остановить поезд, образовав сугробы на железнодорожных путях; они могут даже сдвигать и разрушать скалы, как это делают снежные лавины и ледники.

Нескончаемо разнообразны шестилучевые звёздочки снежинок.

Прикоснитесь пальцем к снежинке, и она мгновенно растает от теплоты вашей руки. Сбросьте снежинку с рукава пальто, – вы, конечно, не услышите, как она упала, а может быть, и сломалась. Но прислушайтесь, как скрипит у вас под ногами свежевыпавший снег. Что это за скрип? Это трещат и ломаются миллионы снежных кристалликов. В ясную погоду снег мерцает и искрится, «играет» на солнце. Как от миллионов крохотных зеркал, отражаются лучи света от плоских граней кристалликов снега.

Отдельными кристалликами снега – снежинками – вы, наверно, не раз любовались.

«Мелькает, вьётся первый снег, Звездами падая на брег»,–

говорит о снеге А. С. Пушкин. Действительно, все снежинки – шестилучевые звёздочки или изредка – шестисторонние пластинки.

Фотографии снежинок из атласа Бентлея.

На снежинках легче всего убедиться в том, что кристаллы обычно имеют правильную и симметричную форму. Бесконечно разнообразны формы снежинок. Один натуралист больше пятидесяти лет занимался фотографированием снежинок под микроскопом. Он составил атлас нескольких тысяч фотографий снежинок, и все эти снежинки различны, вы не найдёте там ни одной пары одинаковых. Но всё-таки наверняка можно сказать, что в этом атласе собраны отнюдь не все формы снежинок; можно снять ещё много тысяч таких фотографий и всё же не исчерпать колоссального разнообразия форм кристаллов снега.

Интересно сравнить современные фотографии снежинок с рисунком, взятым из старинной шведской книги «История северных народов» Олафа Магнуса. Вот наглядное свидетельство того, что люди давно уже обратили внимание на удивительные формы снежинок. Но как наивны эти рисунки четырёхсотлетней давности и как мало похожи они на истинные узоры снежных кристаллов!

Рисунки снежинок из книги Олафа Магнуса «История северных народов», изданной в 1555 году.

Ледяной покров реки, массив ледника или айсберга – это отнюдь не один большой кристалл. Плотная масса льда обычно является поликристаллической, то есть состоит из множества отдельных кристаллов; их не всегда разглядишь, потому что они мелкие и все срослись вместе. Иногда эти кристаллы можно различить в тающем льду, например, весной на реке. Тогда видно, что лёд состоит как бы из «карандашиков», сросшихся вместе, причём все «карандашики» параллельны друг другу и стоят перпендикулярно к поверхности воды; эти «карандашики» и есть отдельные кристаллики льда.

Лёд под микроскопом. Видны очертания сросшихся шестигранных кристалликов и мельчайшие пузырьки воды в тех местах, где началось таяние.

Известно, как опасны для растений весенние или осенние заморозки. Когда температура почвы и воздуха падает ниже нуля, подпочвенные воды и соки растений замерзают, образуя иголочки кристалликов льда. Эти острые иголки рвут нежные ткани растений, листья сморщиваются и чернеют, корни разрушаются.

После морозных ночей по утрам в лесу и в поле часто можно наблюдать, как на поверхности земли вырастает «ледяная трава». Каждый стебелёк такой травы – это прозрачный шестигранный или трёхгранный кристаллик льда. Ледяные иголочки достигают длины в 1-2 сантиметра, а иногда доходят до 10-12 сантиметров. В иных случаях земля оказывается покрытой пластинками льда, лежащими или стоящими торчком. Вырастая из земли, эти кристаллики льда поднимают на своих головках песок, гальку, камешки до 50-100 граммов весом. Льдинки даже выталкивают из земли и уносят вверх маленькие растения. Иногда ледяная корка обволакивает растение, и корень просвечивает сквозь лёд. Бывает и так, что щёточка ледяных иголок поднимает тяжёлый камень, сдвинуть который не под силу одному кристаллику. Искрится и горит радужным блеском хрустальная «ледяная трава», но лишь только пригреют лучи солнца, кристаллики изгибаются навстречу солнцу, падают и быстро тают.

Побывайте в лесу в морозный весенний или осенний день рано утром, когда солнце ещё не успело уничтожить следы ночных заморозков. Деревья и кусты покрыты инеем. На ветках повисли капли льда. Вглядитесь, внутри ледяных капель видны пучки тонких шестигранных иголочек – кристал-ликов льда. Покрытые инеем листья кажутся щётками: как щетинки, стоят на них блестящие шестигранные столбики кристаллов льда. Сказочным богатством кристаллов, хрустальным узором украшен лес.

Льдообразование всегда связано с возникновением поверхности раздела фаз. Затрачиваемая при этом работа Лк расходуется в основном на преодоление межфазового поверхностного натяжения первичного зародыша кристалла льда, вероятность т возникновения которого определяется законами статистической физики.

Кристаллизуемость воды обычно характеризуется связанными с ее переохлаждением основными двумя факторами: скоростью зарождения центров кристаллизации wi и линейной скоростью кристаллизации о>2.

Вязкие жидкости с минимальными значениями W\ и Шг даже при относительно небольшой скорости охлаждения могут быть, минуя кристаллизацию, переведены в твердое аморфное (стеклообразное) состояние. Маловязкая вода с высокими значениями W\ и w2 для такого перехода требует очень большой скорости охлаждения (>4000°С/с), чтобы «проскочить» температурную зону максимальной коисталлизации.

По Френкелю Г112], даже в абсолютно чистой свободной жидкости, в случае ее достаточного переохлаждения могут возникать благодаря флюктуациям зародыши кристаллов критического размера, которые при благоприятных условиях и становятся центрами кристаллизации. Для развития кристаллизации необходимо, чтобы количество возникающих кристаллов превосходило количество разрушающихся. Предположение о том, что вода в предкристаллизационном состоянии содержит множество зародышей твердой фазы, в известной мере подтверждается, например, аномальным увеличением скорости звука в воде при температуре около 0° С.

Практически затравками кристаллизации воды являются всегда присутствующие в ней незначительные твердые примеси, которые дополнительно уменьшают межфазное поверхностное натяжение и работу кристаллизации Ак. Для возбуждения кристаллизации в переохлажденной воде (и водяном паре) наиболее эффективны микроза- травки из льда или из вещества, практически изоморфного льду, например из йодида серебра (Agl).

При кристаллизации (и плавлении) льда всегда на границе раздела фаз в результате частичной поляризации возникает разность электрических потенциалов, причем сйла toKa устанавливается Пропорциональной скорости фазового превращения. Кристаллизация воды, связанной, например, капилляром, требует предварительного восстановления соответствующей структуры воды, в том числе нарушен- - ных капилляром водородных связей.

В обычном случае образовавшиеся в зонах достаточно переохлажденной воды кристаллы внутриводного льда при симметрии среды и теплоотдачи растут в направлениях их оптических осей. При этом рост кристаллов происходит скачками и наиболее энергично у вершин и ребер, т. е. там, где больше ненасыщенных связей.

При кристаллизации воды, требующей переохлаждения ее, температура возникающей фазы - зародыша кристалла внутриводного льда в принципе равна температуре фазового превращения 0°С. Вокруг образующихся зародышей кристаллов льда из-за выделения теплоты кристаллизации возникает скачок температуры, местное переохлаждение воды ликвидуется и отдельные возникшие зародыши льда могут расплавиться. Поэтому для поддержания процесса льдообразования необходимо непрерывное отнятие теплоты кристаллизации. При 0° С может иметь место динамическое равновесие льда и воды.

Процесс кристаллизации поверхностного льда локализуется в пограничном слое переохлажденной воды. По данным Коста , переохлаждение воды при образовании поверхностного льда является функцией линейной скорости кристаллизации воды на охлаждаемой поверхности и составляет от -0,02° до -0,11° С при скоростях от 2 до 30 мм/мин. При этом температура смоченной поверхности льда должна быть ниже 0° С.

При кристаллизации вода превращается в лед - новую, термодинамически более устойчивую фазу. Частично происходит и обратное превращение вещества, однако преобладает переход молекул в твердую фазу. Возникающее в случае кристаллизации восстановление (по Поплу - выпрямление) водородных связей и другие явления изменяют кварцеобразную структуру жидкой воды на менее плотную структуру льда.

Так как при обычной тридимитообразной структуре льда каждая его молекула связана с тремя молекулами ее структурного слоя и одной молекулой соседнего слоя, то координационное число молекул у льда равно четырем. Изменения ряда физических свойств воды при охлаждении и замораживании наглядно отражают превращения ее структуры.

Так, в случае охлаждения воды при нормальном давлении 0,101325 МПа с температуры t=4° С (277,15 К) до *=0°С (273,15 К) плотность ее рв падает с 1000 до 999,9 кг/м3, а при превращении в лед дополнительно снижается до 916,8 кг/м3 (рл« «917(1-0,00015 t). По расчету отношение масс 1 моля воды и льда составляет 18,02: 19,66 «0,916.

При кристаллизации воды, требующей отнятия удельной теплоты гл=334 кДж/кг, теплоемкость изменяется с св=4,23 до сл= =2,12 кДж/ (кг-К), а теплопроводность с Яв=0,55 до Ял53 =2,22 Вт/ (м К). По сравнению с водой у льда средняя диэлектрическая проницаемость меньше в 30 раз, а электропроводность в 500 и более раз.

Аномальное падение плотности воды вызывается в основном уменьшением компактности среднего расположения молекул. Особенности воды и льда, в частности, объясняются изменениями в соотноеНйях количеств молекул С временно фиксированным положёнйеМ и молекул, перемещающихся, а также влиянием водородных связей, полостей в структурах и полимеризацией молекул.

Возникающие при кристаллизации воды монокристаллы льда не имеют идеальной кристаллической решетки из-за неизбежных дефектов структуры, в частности типа дислокаций (сдвигов), вызываемых нарушением упаковки молекул и чередования атомных плоскостей.

Тепловое движение вызывает дислокационный выход отдельных микрочастиц в междуузлия кристаллических решеток и образование вакансий («дырок») в структуре кристалла, подобных вакансиям, имеющимся в жидкостях, в частности в воде. Считается, что дефекты дислокаций являются одной из причин большой пластичности льда, от которой зависит долговременная прочность ледяных холодильников. Обычно лед кристаллизуется в тридимитообразной гексагональной системе. Однако при температуре ниже -120° С лед из пара имеет алмазообразную кубическую структуру. При температуре ниже -160° С и большой скорости охлаждения пар в вакууме превращается в стеклообразный, практически аморфный лед с плотностью 1300-2470 кг/м3. Монокристаллы внутриводного и поверхностного льда возникают при переохлаждении из молекул воды с минимальной энергией.

По Альтбергу , природный внутриводный (донный) лед образуется в реке за счет конвективного заноса переохлажденной поверхностной воды внутрь потока и последующей кристаллизации ее преимущественно на песчинках и других твердых предметах.

В случае образования поверхностного льда в водоеме возникающие при температуре атмосферы обычно ниже 0°С отдельные монокристаллы льда объединяются, в частности, в игловидные горизонтальные кристаллы, которые по мере роста пересекаются и создают решетку. Промежутки ледяной решетки заполняются монокристаллами, также объединенными в кристаллиты, которые и завершают догше- ночную стадию образования сплошной корки поликристаллического льда в основном с хаотическим расположением кристаллов. При сильном ночном излучении тепла поверхностью спокойной воды корка льда может образоваться даже при положительной температуре.

На дальнейший рост кристаллов первоначальной корки льда влияют соседние кристаллы. При этом в связи с анизотропией роста имеет место преимущественное развитие кристаллов двух видов: а) с вертикальными оптическими осями, перпендикулярными поверхности льдообразования,- при спокойной воде с относительно большим градиентом температур и б) с горизонтальными осями, параллельными поверхности льдообразования,- при движущейся воде и примерной изотермии ее.

Обеспеченные питанием растущие кристаллы проявляют так называемую кристаллизационную силу, отталкивающую препятствия. При медленной кристаллизации и хорошей циркуляции пресной воды большинство примесей воды оттесняется и образуется прозрачный лед зеленовато-голубого оттенка. Лед образуется в основном с правильно ориентированными крупными кристаллитами в виде призмы с поперечником порядка нескольких миллиметров и с относительно небольшим количеством примесей. При быстрой кристаллизации и слабой циркуляции воды лед получается непрозрачным, белого цвета (матовый лед) и представляет собой в этом случае тело с хаотическим расположением сростков мелких кристаллов обычно с поперечником менее 1 мм, перемежающихся с твердыми, жидкими и газообразными (воздух) примесями. При быстрой кристаллизации воды с повышенным количеством примесей они иногда располагаются не только между кристаллами, но и на базисных плоскостях внутри их. Прослойки между кристаллитами всегда содержат гораздо больше примесей, чем прослойки между монокристаллами. Межкристаллические прослойки имеют в частном случае речного льда толщину порядка 3 мкм при температуре замораживания -2° С к 0,3 мкм при температуре около -20° С. Отмечается, что размеры кристаллов льда из воды с примесью водорастворимых солей обратно пропорциональны скорости замораживания и концентрации солей.

Если лед образуется не на плоской поверхности воды, а в очень мелких водяных каплях, присутствующих, например, в облаках, где может иметь место значительное переохлаждение воды (до -40° С и ниже), то начало кристаллизации ее возможно не снаружи, а изнутри капель, где образуется внутриводный лед. Крупные же капли воды после переохлаждения обычно начинают замерзать снаружи.

При кристаллизации пресной воды растущий ледяной фронт бывает почти гладким. При этом вода, содержащая при О9 С около 40 г.воздуха в тонне (при 30°С - только 20 г), во время кристаллизации при движении фронта выделяет воздух во вне- или в межкристаллит- ное пространство.

При кристаллизации соленой воды (начинается при температуре, определяемой составом и концентрацией солей) растущий ледяной фронт бывает шероховатым, с выступами, вершины которых находятся в зонах наименьшей концентрации солей. В первую очередь кристаллизуется вода, менее связанная гидратацией с ионами солей. В дальнейшем ионы солей могут в той или иной степени дегидратироваться и соли выпадут из раствора в соответствии с их растворимостью. При этом могут образовываться и соответствующие температуре кристаллогидраты. Во льду с водорастворимыми примесями последние в основном размещаются в ячейках из кристаллов, что важно, например, при производстве рассольного льда.

При образовании льда среди других структур обычно происходит их деформация, в частности в случае замерзания влажного грунта или воды в пористом зероторе. Наименьшая деформация обеспечивается при быстром и равномерном отвердевании воды в биологических средах с криопротекторами (глицерин и др.). В этом случае одна часть воды «остекловывается», а другая связывается или образует микрокристаллы, располагающиеся преимущественно вне биологических клеток. Особым является процесс кристаллизации льда сублимацией из пара (и обратное явление возгонки при испарении льда).

Для эксплуатации ледяных холодильников имеет значение как испарение ограждений из льда, так и образование сублимационного льда в виде «снежной шубы». При достаточно низких температурах сублимированный лед образуется в виде снежинок, например в высоких облаках. Кристаллизация атмосферного льда в виде снега начинается на затравках, в данном случае - пылинках. Образование и рост кристаллических снежинок, состоящих из обычного или сублимированного льда, связаны с температурой, давлением и влажностью атмосферы. Только кристаллически оформившиеся и достигшие критической массы крупные снежинки спускаются на землю.

Следует заметить, что рост крупных снежинок за счет мелких кристаллов и капель связан с повышенной упругостью водяного пара для малых кристаллов и капель. Упругость же пара зависит от кривизны и поверхностного натяжения водяных капель или ледяных кристаллов. Искусственное внесение затравок льдообразования в облака уже практически применялось в Приднепровье для снегования озимых посевов при малоснежной зиме.

Плавление льда. Льдообразованию предшествует то или иное переохлаждение воды, а плавлению - процесс предплавления, не связанный практически с перегревом твердой фазы, так как с поверхности лед при нормальном давлении начинает плавиться при температуре (ГС (273,15 К). При плавлении в отличие от кристаллизации не преодолевается значительная сила поверхностного натяжения воды. Дальний порядок размещения молекул, присущий льду, изменяется при плавлении на ближний порядок, свойственный воде.

Внутренняя энергия в случае плавления льда возрастает. Исходя из удельной теплоты плавления льда 334 кДж/кг и теплоты возгонки 2840 кДж/кг, характеризующей разрыв всех молекулярных связей, можно степень ослабления молекулярных связей при плавлении принять равной 12%. Из них примерно 9% приходится на водородные связи и только 3% на связи ван дер Ваальса.

В случае плавления льда длительность пребывания молекул в положении равновесия резко меняется. Энергия активации (потенциальный барьер) Е уменьшается, так как Е воды меньше Е льда. Всегда имеющиеся дефекты структуры кристаллической решетки и примеси дополнительно уменьшают энергию активации. Плавление льда обычно начинается с поверхности его, на гранях и ребрах кристаллов, а также в местах расположения примесей, являющихся затравками плавления. Поверхность плавящегося льда всегда микрошероховата.

Наиболее сложен процесс плавления льда в составе других структур, например в случае льдистого грунта. Водорастворимые соли во льду способствуют плавлению его как снаружи, так и внутри.

Необходимо подчеркнуть, что в свежем расплаве льда временно сохраняются некоторые физические особенности, более близкие ко льду, чем к воде околонулевой температуры. Присущие льду молекулярные свойства временно передаются талой воде, чем, видимо, "и обусловливают ее повышенную биологическую активность. Электрические процессы при плавлении льда, а также особая активность льда и свежеталой воды могут влиять, например, на охлаждаемые тающим льдом пищевые продукты. Технологически также важно, что тающий лед хорошо поглощает многие газы, а следовательно, и запахи.

Более подробно физика и химия воды и льда рассматриваются в монографиях Фрицмана , Дорси и Флетчера , специально процесс плавления - в работе Уббелоде , структура воды и льда -в трудах Шумского , Зацепиной , Эйзенберга и Кауцмана .

Сегодня мы будем говорить про свойства снега и льда. Стоит уточнить, что лед образуются не только из воды. Кроме водяного льда бывает аммиачный и метановый. Не так давно ученые изобрели сухой лед. Свойства его уникальны, их рассмотрим чуть позже. Он образуется при замораживании углекислоты. Свое название сухой лёд получил благодаря тому, что при таянии он не оставляет луж. Находящийся в его составе углекислый газ тут же испаряется в воздух из замороженного состояния.

Определение льда

Прежде всего, подробнее рассмотрим лед, который получают из воды. Внутри него правильная кристаллическая решетка. Лед - это распространенный природный минерал, получаемый во время замерзания воды. Одна молекула этой жидкости связывается с четырьмя ближайшими. Ученые заметили, что такое внутреннее строение присуще различным драгоценным камням и даже минералам. Например, такое строение имеет алмаз, турмалин, кварц, корунд, берилл и другие. Молекулы удерживаются на расстоянии кристаллической решеткой. Эти свойства воды и льда говорят о том, что плотность такого льда будет меньше плотности воды, благодаря которой он образовался. Поэтому лед плавает на поверхности воды и не тонет в ней.

Миллионы квадратных километров льда

А вы знаете, сколько льда на нашей планете? Согласно последним исследованиям ученых, на планете Земля имеется примерно 30 миллионов квадратных километров замороженной воды. Как вы уже догадались, основная масса этого природного минерала находится на полярных шапках. В некоторых местах толщина ледяного покрова достигает 4 км.

Как получить лед

Сделать лед совсем несложно. Этот процесс не составит большого труда, как и не требует особых навыков. Для этого необходима низкая температура воды. Это единственное неизменное условие процесса образования льда. Вода замерзнет тогда, когда ваш термометр покажет температуру ниже 0 градусов по Цельсию. В воде начинается процесс кристаллизации благодаря низким температурам. Молекулы ее строятся в интересную упорядоченную структуру. Этот процесс называют образованием кристаллической решетки. Он одинаков и в океане, и в луже, и даже в морозильной камере.

Исследования процесса замерзания

Проводя исследование на тему замерзания воды, ученые пришли к выводу, что кристаллическая решетка выстраивается в верхних слоях воды. На поверхности начинают образовываться микроскопические ледяные палочки. Чуть позже между собой они смерзаются. Благодаря этому образуется тончайшая пленка на поверхности воды. Крупные водоемы замерзают намного дольше по сравнению с неподвижной водой. Это связано с тем, что ветер колышет и колеблет поверхность озера, пруда или реки.

Ледяные блины

Ученые провели ещё одно наблюдение. Если при низкой температуре продолжается волнение, то тончайшие пленки собираются в блины диаметром около 30 см. Далее они смерзаются в один слой, толщина которого не меньше 10 см. На ледяные блины сверху и снизу намерзает новый слой льда. Так образуется толстый и прочный ледяной покров. Его прочность зависит от видов: самый прозрачный лед будет в несколько раз прочнее белого льда. Экологи заметили, что 5-сантиметровый лёд выдерживает вес взрослого человека. Слой в 10 см способен выдержать легковую машину, но следует помнить, что выходить на лед в осеннее и весеннее время очень опасно.

Свойства снега и льда

Физики и химики долгое время изучали свойства льда и воды. Самое известное, а также важное свойство льда для человека - это его способность легко таять уже при нулевой температуре. Но для науки важны и другие физические свойства льда:

лед обладает прозрачностью, поэтому он хорошо пропускает солнечный свет;
бесцветность - лед не имеет цвета, но его с легкостью можно покрасить при помощи цветных добавок;
твердость - ледяные массы прекрасно сохраняют форму без каких-либо наружных оболочек;
текучесть - это частное свойство льда, присущее минералу только в некоторых случаях;
хрупкость - кусок льда можно с легкостью расколоть, не прикладывая больших усилий;
спайность - лед с легкостью раскалывается в тех местах, где он сросся по кристаллографической линии.

Лед: свойства вытеснения и чистоты

По своему составу у льда высокая степень чистоты, так как кристаллическая решетка не оставляет свободного места различным посторонним молекулам. Когда вода замерзает, то она вытесняет различные примеси, которые в ней когда-то растворились. Таким же образом можно получить очищенную воду в домашних условиях.

Но некоторые вещества способны затормаживать процесс замерзания воды. Например, соль в морской воде. Лёд в море образуется только при очень низких температурах. Удивительно, но процесс замерзания воды каждый год способен поддерживать самоочищение от разных примесей в течение многих миллионов лет подряд.

Секреты сухого льда

Особенности этого льда в том, что в своём составе он имеет углерод. Такой лед образуется только при температуре -78 градусов, но тает он уже при -50 градусах. Сухой лед, свойства которого позволяют пропустить стадию жидкостей, при нагревании сразу образуется пар. Сухой лед, как и его собрат - водяной, не имеет запаха.

А вы знаете, где применяют сухой лед? Благодаря его свойствам, этот минерал используют при транспортировке продуктов питания и медикаментов на дальние расстояния. А гранулы этого льда способны потушить воспламенение бензина. Ещё, когда сухой лед тает, он образует густой туман, поэтому его применяют на съемочных площадках для создания спецэффектов. Помимо всего перечисленного, сухой лед можно брать с собой в поход и в лес. Ведь когда он тает, то отпугивает комаров, различных вредителей и грызунов.

Что касается свойств снега, то эту удивительную красоту мы можем наблюдать каждую зиму. Ведь каждая снежинка имеет форму шестигранника - это неизменно. Но помимо шестиугольной формы, снежинки могут выглядеть по-разному. На формирование каждой из них влияет влажность воздуха, атмосферное давление и другие природные факторы.

Свойства воды, снега, льда удивительны. Важно знать ещё несколько свойств воды. Например, она способна принимать форму сосуда, в который ее наливают. При замерзании вода расширяется, а также у нее есть память. Она способна запоминать окружающую энергетику, а при замерзании она «сбрасывает» информацию, которую в себя впитала.

Мы рассмотрели природный минерал - лед: свойства и его качества. Продолжайте изучать науку, это очень важно и полезно!

Природа - великий математик. Стоит разглядеть любую молекулу, кристалл, атом, увидеть стройную систему ДНК, как станет понятно - строгие геометрические формы - конек творца нашего мира. И, если уж на то пошло, одно из самых ярких доказательств тому являются кристаллы льда - обыкновенные снежинки.

Впервые описал снежинки как кристаллы строгой формы немецкий ученый Иоганн Кеплер в трактате «О шестиугольных снежинках» (1611 г). В 1635 году снежинками заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, который впоследствии написал главу о снежинках, включенные им впоследствии в «Опыт о метеорах». С изобретением микроскопа в середине 17 века представления о формах снежинок расширилось. В 1898 году Уилсон Бентли - фермер из американского штата Вермонт - опубликовал свой полувековой труд о снежных кристаллах в журнале «Харперс мэгэзин». Это была научная бомба. В 15 лет мальчик получил в подарок микроскоп, через три года он прикрепил к нему фотоаппарат и 50 лет фотографировал снежинки, делая до 300 снимков за зиму. К концу жизни Бентли коллекция насчитывала более 5000 экземпляров. Именно он доказал, что в мире нет ни одной одинаковой снежинки.

Означает ли это, что мы теперь знаем о снежинках все? Вовсе нет. На самом деле, сейчас вопросов осталось даже больше, чем в самом начале изучения. Мало того, еще в Советском Союзе появилась целая наука - гляциология. Изначально гляциология (от латинского слова «гляциес», означающего холод, лед) считалась чисто описательной наукой о ледниках, и только о ледниках. В шестидесятых годах среди гляциологов СССР разгорелась дискуссия о том, считать или не считать снег и снежный покров предметом гляциологии. В настоящее время «снеговедение» - признанная отдельная ветвь в гляциологии во всем мире.

Условия образования и формирования кристаллов льда в естественных условиях

Снег - чудеснейшая особенность нашей планеты. Он образуется на всех континентах в огромных количествах. Ежегодно снегом покрывается до 130 миллионов квадратных километров - четвертая часть всей поверхности Земли вместе с океанами. Миллиарды «невесомых» снежинок способны повлиять даже на скорость вращения Земли. Только в августе, в период наименьшей заснеженности Земли, когда снегом покрыто 8,7 % всей поверхности планеты, снежный покров весит 7400 миллиардов тонн. А к концу зимы в северном полушарии масса сезонного снега достигает 13.500 миллиардов тонн. Но снег оказывает влияние на Землю не только своим весом. Снежный покров отражает в космос почти 90 % солнечной радиации. Свободная от снега суша отражает только 10, максимум 20 %.

Всем известно, что снег образуется не на земной поверхности, а в высоких слоях атмосферы. Облака состоят из мелких снежинок и переохлажденных капель воды, и поэтому даже дожди, жидкие осадки могут иметь своим прямым предшественником атмосферный снег.

Снежинка - это замороженный кристалл воды (кристалл льда), имеющий форму шестилучевого многогранника. Кристаллы образуются в замороженных облаках при их переходе из парообразного состояния в замороженную, кристаллическую, твёрдую фазу. На возникновение и рост водных кристаллов - снежинок, напрямую оказывает свое непосредственное влияние, температура и влажность окружающего воздуха.

Давайте для начала разберемся с облаками. Облака возникают при конденсации водяного пара в атмосфере, когда образуются либо капельки воды, либо кристаллы льда. При подъеме воздух попадает в слои все более низкого давления. Воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно на 10° С. Если воздух с относительной влажностью ок. 50 % поднимется более чем на 1 км, начнется образование облака. То есть высота образования облаков разная для каждого места земли, в зависимости от влажности воздуха.

Облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые) состоят почти исключительно из воды, их основания располагаются примерно до высоты 2000 м. Облака, стелющиеся по земной поверхности, называются туманом.

Основания облаков среднего яруса (высококучевых и высокослоистых) находятся на высотах от 2000 до 7000 м. Эти облака имеют температуру от 0° С до –25° С и часто представляют собой смесь капель воды и ледяных кристаллов.

Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые) обычно имеют нечеткие очертания, так как состоят из ледяных кристаллов. Их основания располагаются на высотах более 7000 м, а температура ниже –25° С.

Если ледяные кристаллы внутри облака слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными в восходящем потоке воздуха, они выпадают в виде снега. Если нижние слои атмосферы достаточно теплые, снежинки тают и выпадают на землю дождевыми каплями. Даже летом в умеренных широтах дожди обычно зарождаются в форме льдинок. И даже в тропиках дожди, выпадающие из кучево-дождевых облаков, начинаются с ледяных частичек. Убедительным доказательством того, что лед в облаках существует даже летом, служит град.

В очень чистом воздухе капельки воды действительно не замерзают до температур около - 30, –40° С. Для образования ядра будущей снежинки необходимы мельчайшие примеси, на которые уже «намерзнет» снежинка. В роли таких ядер могут выступать, например, мельчайшие глинистые частички, они приобретают особенное значение при температурах ниже –10°–15° С. Снегообразование вызывают и искусственно, распылив в воздухе ионы серебра. Одно время считалось, что частые снегопады могут служить доказательством загрязненности воздуха и, соответственно, окружающей среды в регионе. Однако сейчас это утверждение уже опровергнуто

Однако есть и еще один любопытный факт. Ученых из Франции и США открыли, что основным «ядром» снежинок во всем мире служат… бактерии. Причем не просто бактерии, а, чаще всего, одна бактерия - Pseudomonas syringae. Эти палочковидные бактерии заражают большое количество растений, в том числе и сельскохозяйственных. Сейчас разработано множество средств, истребляющих бактерию, вредящую сельскому хозяйству. Не повлияет ли ее уничтожение на климат и снегообразование? Вопрос риторический.

Интересно, что ядром снежинок могут выступать и водяные пары. С этим связано такое явление, как выпадение снега в комнатах. Если в очень жарко натопленном и влажном помещении зимой, при низкой температуре, резко распахнуть дверь, то в комнате пойдет снег. Такое явление было описано в Санкт-Петербургских ведомостях за 1773 год. На балу, где собралось слишком много народа, было очень душно и некоторые дамы стали падать в обморок. Тогда один из гусар выбил окно и в помещении пошел снег. Причиной его стали водяные пары от дыхания множества людей. С этим же явлением связан пар изо рта в холодную погоду. Или иней вокруг рта от дыхания.

Классическим примером образования снежинок с ядром от мельчайших водяных паров можно назвать мой опыт с … мыльными пузырями. Проводить его можно только при температуре ниже 27 градусов. Если пускать мыльные пузыри при температуре выше 27 градусов, то пузырь спокойно долетит до земли и, возможно, даже замерзнет в ледяной шарик. Но! Если пускать мыльные пузыри при температуре от -20 градусов, то они разлетаются на снежные хлопья в воздухе, не успевая приземлиться. Под микроскопом можно рассмотреть и мельчайшие кристаллы льда, образованные от дыхания.

Классификация кристаллов льда и условия их образования

Было предложено несколько классификаций снежных кристаллов. Одна из систем, которой часто пользуются для классификации снежных осадков, была предложена Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологических наук в 1951 г. Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки - призмы; звезды - кристаллы, имеющие древовидную, ветвящуюся структуру; столбики и иглы; неправильные кристаллы.

Существует и более развернутая классификация, при которой каждый тип из вышеперечисленных подразделяется на несколько видов, которые в свою очередь делятся на разновидности. Всего отмечается около 80 разновидностей.

Пластинки: Самые простые из снежинок - плоские шестиугольные призмы.
Звезды. 6 лучей
Столбики. Полые внутри, могут иметь форму карандаша.
Иглы. Длинные и тонкие кристаллы, иногда состоят из нескольких веточек.
Пространственные дендриты. Объемные снежинки, образуются при срастании нескольких кристаллов.
Увенчанные столбики. Образуются в случае, если столбики попадают в иные условия, и кристаллы меняют направление роста. (Фото № 8)
Неправильные кристаллы. Самый распространенный тип. Образуется при повреждении снежинки.

Решив убедиться на практике в правильности данной классификации, я попыталась сопоставить свои фотографии снежинок с приведенными образцами.

Как выяснилось путем долгих проб и ошибок, фотографирование снежинок - процесс очень муторный и вовсе не такой простой. Обычный фотоаппарат просто не вытягивает подобное расширение. С помощью микроскопа удается рассмотреть несколько снежинок, но при этом необходимо работать с цифровым микроскопом на улице (а это значит, нужно подключать его через удлинители), перед работой надо охладить стекло и микроскоп, чтобы снежинки не таяли сразу, надо отрегулировать подсветку микроскопа, чтобы избежать таяния снежинок. И при всем при этом держать подальше руки и дышать в другую сторону. При этом оказалось совершенно невозможным поместить в обьектив микроскопа только одну снежинку. Пришлось помещать несколько, а это немного смазало чистоту эксперимента. Тем не менее, на сделанных мной фотографиях можно разглядеть отдельные элементы следующих видов кристаллов льда:

1) Самые распространенные среди моих фотографий - неправильные кристаллы. Объясняется это сложностью отделения снежинок друг от друга, так что по большому счету, я получала снежинки уже в сцепленном виде.

2) Но и в этих неправильных кристаллах можно было разглядеть: Столбики

4) Пластины

К сожалению, из-за того, что имеющееся оборудование не позволяло сфотографировать снежинки по отдельности, почти все полученные результаты - это сцепление нескольких снежинок. Так что понять, сколько из них являются реальными пространственными дендритами, а какие получились уже позже не представляется возможности.

Как видите, сделанные мной фотографии практически полностью подтверждают установленную классификацию снежинок. Мало того, в природных условиях существуют целые большие кристаллы, которые формируются также по принципу снежинок. Найти такие кристаллы возможно только в пещерах, в условиях вечной мерзлоты.

Метаморфозы кристаллов льда

Если в прошлой главе я привела примеры полученных типов снежинок, то в этой хотели бы рассмотреть взаимосвязь вида снежинки от температурного режима, времени и физического воздействия. Все исследования проводились с начала зимы 2015 года.

В зависимости от температуры окружающей среды

Первый снег недаром называют самым красивым. В большинстве случаев, первый снег - это даже не снежинки, а рыхлые большие снежные хлопья, которые практически моментально тают. В этом году, например, первый снег лежал около 5 часов, прежде чем растаять. А вот второй, выпавший через неделю - уже смог пролежать почти четыре дня. Первые пушистые большие хлопья снега состоят из нескольких снежинок, сцепленных между собой. По нашим подсчетам, это, обычно, от двух, до, максимум, четырех. Причем преобладают среди них секторные звезды.

Такие хлопья снега выпадают при температуре близкой к нулю. Это, так называемые, мокрый снег. Чем ниже температура, тем более мелкий и «нелипкий» снег. Меняется и форма снежинок. От красивых правильных звездочек к пластинкам и неправильным столбикам и кристаллам.

Интересно, что в 1940-е годы (1942–1947) были начаты исследования связи между формами кристаллов и температурой внутри облаков. Одно из первых подробных исследований форм ледяных кристаллов на различных высотах было выполнено с самолета ученым Вейкманом. Анализ данных показал, что при температуре ниже -25 °С преобладающей формой кристаллов является гексагональная призма. Она характерна для перистых облаков и облаков среднего яруса. При переходе от облаков верхнего яруса к облакам среднего и нижнего ярусов, то есть в область более высоких температур, призмы постепенно заменяются толстыми, а затем тонкими гексагональными пластинками. Они обычно наблюдаются при температуре выше -20 °С. При температуре от -10 °С до -20 °С преобладают кристаллы звездчатой формы. В виде таблицы это выглядит так:

Таблица 1

Сравнение фотографий, сделанных при разном температурном режиме, в моем случае выявили немного другие результаты:

Так, при температуре от -2 до -8 градусов преобладали пластинки и секторные звезды. Возможно, почти полное отсутствие игл объясняется тем, что они просто не долетали до поверхности земли, тая в воздухе.

От -10 до -20 звездчатые дендриты.

От -20 до -40 - неправильные кристаллы, состоящие из призм-пластинок.

Таблица 2

Таблица собственных наблюдений

Как видите, результаты, полученные высоко в облаках и на земле разительно отличаются друг от друга. Объяснений может быть несколько:

1) При падении снежинка деформируется, испытывая на себе разницу температур в разных слоях атмосферы

2) Самые хрупкие игольчатые и трубчатые снежинки просто не долетают до земли.

В зависимости от времени

Температурный режим - не единственное, что меняет снежинку. Меняет ее время. Чем дольше лежит снег, чем больше он утрамбовывается, тем меньше в нем остается от первоначальных кристаллов льда. С этим фактором связана такая величина как плотность снега.

Плотность снега непостоянная величина.

Плотность сухого снега - 10–20 кг/м3, влажного - 100–300 кг/м3. Уплотненный (лежалый) снег частично утрачивает свою первичную структуру в основном за счет оседания под влиянием собственного веса, температуры и ветра. Плотность лежалого снега - 200–600 кг/м3. Старый снег - полностью утрачивает первоначальную структуру и форму кристаллов, преобразовывается в более или менее крупные зерна.

Измерения проводят следующим образом. На ровном участке цилиндр снегомера погружается зазубренным концом строго вертикально в снег до соприкосновения с подстилающей поверхностью. Если попадаются снежные корки, лёгким подкручиванием цилиндра их прорезают. Когда труба достигнет почвы, записывают высоту снежного покрова по шкале. Затем с одного бока цилиндра отгребается снег, и под нижний конец цилиндра подводится специальная лопаточка. Вместе с ней цилиндр вынимают из снега и переворачивают нижним концом вверх. Очистив цилиндр от снега снаружи, подвешивают его к крючку весов. Весы уравновешивают при помощи подвижного груза и записывают число делений по линейке снегомера.

Плотность снега определяется как отношение веса пробы к её объёму, по формуле:

р - плотность пробы снега, г/см³;

G - вес пробы, в граммах;

S - приёмная площадь цилиндра, см²;

H - высота пробы снега, см.

Кроме описанного выше весового снегомера, где пробу снега взвешивают, существуют также объёмные снегомеры, не имеющие приспособлений для взвешивания. В этих снегомерах взятую пробу снега растапливают и измеряют мензуркой или дождемерным стаканом объём образовавшейся воды. Такие приборы применяются обычно на стационарных постах и станциях. Таким же способом пытались измерить плотность снега и мы.

Таблица 3

Таблица собственных измерений плотности снега в Якутске

В зависимости от физического воздействия

Когда я пробовала сфотографировать одну снежинку, я поломала огромное их количество. Обычно снежинки имеют размер около пяти миллиметров и вес порядка одного миллиграмма. Кстати, самый большой снежный кристалл естественного происхождения, когда-либо зафиксированный человеком, был в диаметре 38 см при толщине 20 см. Гигантские снежинки выпали в городе Форт-Кео, штат Монтана, в 1887 году. Об этом в 1915 году сообщил «Monthly Weather Review». Снежинки диаметром около 30 см были замечены в Сибири, а снежные хлопья диаметром до 10 см могли увидеть все жители Москвы в 1944 году.

При каждой поломки каждая снежинка издает неслышимый нашему уху звук. Но если снежинок одновременно ломается очень много, то вы этот звук услышите - это ни что иное, как скрип снега у вас под ногами. Скрип, хруст снега можно услышать только при сильной минусовой температуре, при этом, чем температура окружающий среды ниже, тем громче скрип кристалликов льда. Объясняется это просто - на холоде снежинки становятся хрупче и более твердыми. Таким образом, ломаясь, кристаллы снега издают соответствующий звук. Однако звук этот настолько тихий, что услышать его человек не в состоянии. Но когда ломаются сразу тысячи снежинок, а ученые подсчитали - в одном кубическом метре снега находится около трехсот пятидесяти снежинок, они издают звук, который можно услышать.

Если рассмотреть акустический спектр скрипа снега, то можно определить два его максимума. Это 250–400 Гц при температуре воздуха от -6 до -15 градусов Цельсия и 1000–1600 Гц при температуре ниже -15.Таким образом, наступая на морозе на снег, люди слышат соответствующий хруст. Но есть и еще одна причина, по которой снег скрипит будто сам по себе. Объясняется это трением снежинок друг об друга и их смещением относительно друг друга. В результате кристаллики также повреждаются, и появляется хруст.

Снег и экология окружающей среды.

Всем известно, что снег возле обочин оживленных трасс становится грязно-серым. Это не просто грязь. Это различные вредные примеси, тяжелые металлы и т. д., которые накапливаются в воздухе и оседают на снег. Таким образом, произведя анализ проб снега можно совершенно точно сделать заключение об экологии района, где этот снег был собран.

Такие исследования вот уже много лет проводятся в Якутске с Институте Мерзлотоведения СО РАН. Еще с 1982 года лабораторией геохимии (В. Н. Макаров, Н. Ф. Федосеев и др.) исследована динамика химических элементов и соединений в снежном покрове города Якутска и его окрестностей. Составлен “Геохимический атлас Якутска” (1985) с серией карт показывающих распределение химических элементов в снежном покрове и почвах города. (прил. № 1)

Основной объем загрязнения снегового покрова на территории Якутска привносят взвешенные вещества (пыль). К этому можно добавить использование песка в зимнее время для обработки дорожного полотна. Но все-таки основную роль в уровне загрязнения снега играет транспорт. Вдоль оживленных трасс просто залежи нефтепродуктов, формальдегида, метанола. В снеге же накапливается один из самых вредных металлов - свинец.

Чтобы представить себе примерный уровень загрязнения снегового покрытия в городе Якутске, я отобрала несколько проб и провела несколько измерений.

Как отбираются пробы? Чтобы не «загрязнить» пробы различными посторонними элементами, отбирать их надо, соблюдая специальную технологию. Лучше всего это делать с помощью новых одноразовых полиэтиленовых пакетиков, чистого пластикового совка или стаканчика. При этом нельзя касаться или собирать снег руками или варежками. При сборе снега стараются взять его с поверхности, чтобы внизу пробы не попала почва.

Для того, чтобы увидеть хотя бы примерную картину уровня загрязнения в городе, я выбрала следующие районы города:

 202 микрорайон, двор СШ № 33, где я учусь. Теоретически, 202 должен быть по уровню загрязнения на предпоследнем месте перед загородным участком Хатынг-Юряха. Рядом со школой, конечно, есть дорога. Но она не сквозная, имеет только въезд на территорию школы. И проба отобрана во дворе школы, в ста метрах от дороги и стоянки.

 район ТЭЦ (Теплоэлектростанция). Был выбран нами из-за опасений многих горожан, что технические выборсы с ТЭЦ, сопровождающиеся сильным гулом, загрязняют экологию и опасны для проживающих рядом.

Тем не менее, как уверяют сами специалисты, уровень загрязнения вокруг их здания соответствует всем нормам.

 улица Орджоникидзе. Одна из самых оживленных городских трасс. И, судя по теории, должна быть и одной из самых загрязненных на пробах.

 район Аэропорта. Оживленный район города, имеет разветвленную транспортную сеть. Проба была взята возле жилого дома, в 230 метрах от ближайщей крупной трассы.

 район Хатын-Юряха. Эта проба должна стать фоновой, то есть наиболее чистой. Потому что взята за городом, где нет оживленного потока машин, не разбрасывают песок и практически нет пыли.

Чем больше уровень загрязнение воды, а в нашем случае растаявшего снега, тем больше она минерализована. Соответственно, тем больше в ней ионов и тем больше электропроводность. С помощью миллиамперметра и источника тока я замерила все пробы, включая чистую питьевую воду «Аква». Полученные данные полностью подтвердили предварительные выводы

Электропроводность проб

Вода «Аква» - 0

Хатын-Юрях - 0,5 мА

Район ТЭЦ - 1 мА

202 мкр., 33 школа - 1мА

Район Аэропорта - 1,2мА

Ул.Орджоникидзе - 1,2мА

Как видим, самым чистым действительно оказался снег с Хатын-Юряха. За ним следует и район ТЭЦ и 202 микрорайон. Так что жильцам районы теплоэнергостанции нечего особо опасаться. А вот от двора школы я ожидала большего результата. Жилой двор в районе аэропорта оказался по уровню электропроводимости на одном уровне с районом улицы Орджоникидзе. Что тоже вызывает ряд вопросов. Чтобы ответить на них, было решено отдать такие же пробы на несколько экспертиз. Кстати, пробу с улицы Орджоникидзе можно было отличить невооруженным взглядом, снег был грязный, серого цвета. Самая чистая на вид проба оказалась с Хатын-Юряхского шоссе.

Определить уровень загрязненности снега мы решили несколькими способами: в школе, с помощью вольтметра, в лаборатории Института Мерзлотоведения СО РАН, в лаборатории «Республиканского информационно-аналитический центра экологического мониторинга.

Таблица 4

ГБУ РС(Я) «РИАЦЭМ»:

Показатели	Ул. Орджоникидзе	Район аэропорта	202 мкр.	Район ТЭЦ
Взвешенные вещества



Марганец

кремнекислота

формальдегид
Бенз(а)пирен

Загрязнение атмосферы города техногенными выбросами приводит к характерным изменениям химического состава снежного покрова.

По рассчитанным суммарным показателям загрязнения (Zc) снежного покрова районы улицы Орджоникидзе и район аэропорта относится к среднему уровню загрязнения, районы 202 микрорайона и ТЭЦ к низкому уровню загрязнения. (

Институт Мерзлотоведения:

Из официальных заключений: Основной объем загрязнения снегового покрова на территории г. Якутск привносят взвешенные вещества (пыль). По данному показателю наиболее загрязненной является проба, отобранная в районе улицы Орджоникидзе, что обусловлено интенсивным движением транспорта, использованием песка в зимнее время обработки дорожного покрова. Транспорт играет основную роль в загрязнении снегового покрова. Так наибольшие концентрации нефтепродуктов, формальдегида и метанола фиксируются в районе улицы Орджоникидзе и аэропорта.

В пробах было обнаружено: формальдегид, метанол, кремнекислота, бензапирен, мышьяк, свинец, железо, медь, цинк, марганец. Судить об уровне загрязнения можно даже по одному элементу - свинцу. Чем больше свинца в пробах, тем опасней экологическая ситуация в регионе.

Итак, школьный опыт с миллиамперметром и источником тока оказался практически также эффективен, как выводы двух профессиональных лабораторий.

Заодно было решено проверить радиоактивность снега. А вернее, впитывает ли снег радиацию? Для этого опыта мне пригодился большой кусок минерала - чароит, который добывается в Якутии. Красивый поделочный минерал грешит повышенным радиационным фоном. Вот и мой камень показывает превышенный радиационный фон в 23мкр в час. Измеряла я с помощью бытового домашнего приборы, измеряющего радиационный фон. Позже этот камень я положила на сутки в снег и измерила потом уже только снег. Прибор показал 20 мкр. в час. До этого контакта снег показывал 16 мкр. в час. Из чего можно сделать вывод, что снег (вода) впитывает в себя радиацию, при контакте с радиоактивным излучением.

Конечно, после этой зимы я стала знать о снеге гораздо больше, чем могла себе представить раньше. А уж о том, как сложно сделать фотографии снежинок, знает теперь вся моя семья, отморозившая в совокупности 8 пальцев минимум. Даже несчастный цифровой микроскоп с LED-экраном соглашался работать на холоде только пять минут, после чего выключался. Однако всех нас так захватило это исследование, что мы совершенно точно будем продолжать его и дальше. Тем более, что кристаллы льда все еще хранят в себе огромное количество тайн.