Гиганты и карлики

Разновидности льда

В природе существует много разновидностей и форм льда - морского и пресноводного, атмосферного и почвенного; от колоссальных плавучих гор-айсбергов до мельчайшей алмазной пыли, висящей в морозном воздухе.

Морской лед образуется преимущественно в высоких широтах при замерзании верхних слоев воды. В Антарктиде преобладают однолетние льды, покрытые слоем снега. Арктические льды в основном многолетние, толщина их достигает нескольких метров. Образование и существование морского льда влияют на окружающую морскую среду. При замерзании морской воды происходит как бы ее естественное опреснение вследствие различных температур замерзания воды и солевого раствора, каким является морская вода. Поэтому морской лед содержит меньше солей, чем вода, из которой он образуется.

Значительное количество запасов пресных вод находится в кристаллическом состоянии в виде материковых льдов Арктики, Антарктики % и ледников высокогорных районов. По количеству высокогорных льдов наша страна занимает одно из первых мест в мире. Ледники являются ценными запасами пресных вод, и сейчас интенсивно изучается возможность их рационального использования. В Финляндии в песчаном холме на глубине 30 м находится уникальный подземный ледник. Финские ученые полагают, что это реликтовое образование ледникового периода.

В высоких широтах Земли снег не тает полностью даже летом. Из года в год нарастают слои снежного покрова. Образовавшиеся в теплую погоду талые воды впитываются в снег, а при замерзании сырой снежной массы образуются фирновые зерна - снег становится похожим на светлые икринки. Фирн - своеобразная промежуточная форма между снегом и льдом. Тяжесть новых слоев спрессовывает фирн в монолитную ледяную массу. Кое-где остаются мелкие пустоты, заполненные пузырьками воздуха. Он с легким треском освобождается при таянии льда.

Так в течение тысячелетий накапливается ледяной покров Гренландии - родины айсбергов. Под собственным весом гигантский белый щит постепенно обретает пластичность и начинает медленно сползать в океан. Ежегодно на побережье этого крупнейшего в мире острова, откалываясь от оконечностей ледников, рождаются 10-15 тысяч айсбергов. Примечателен береговой ледник Ринг, разламывающийся через каждые две недели. В течение нескольких минут от отвесных склонов этого ледника отделяются и с шумом погружаются в океан громадины весом в сотни тысяч тонн. В одиночку и группами отправляются они в далекое плавание по океану (рис. 8), постепенно достигая южных побережий, вплоть до Азорских островов и Флориды.

Рис. 8. Айсберг в океане

Многие айсберги оседают на мелях и постепенно тают, однако в периоды солнечной активности Северная Атлантика буквально заполняется этими плавучими ледяными горами, нередко окутанными плотным туманом. Чтобы предотвратить столкновение кораблей с айсбергами, в Атлантике с 1914 года действует специальная служба - Международный ледовый патруль. Он вооружен эхолотами и гидролокаторами, способными выявлять подводные очертания айсбергов. Специальные анализаторы, сигнализирующие о внезапном падении солености и температуры воды, предупреждают о приближении ледяных гигантов. Чтобы сделать айсберги более заметными издали, их обстреливают снарядами, начиненными яркими светящимися красками. Любой корабль, находящийся в опасной акватории, может получить необходимую информацию и снимки ледяного покрова океана с помощью спутников.

Еще более мощный поставщик айсбергов - Антарктида, необозримый ледовый континент. Антарктические айсберги плавают по огромной территории студеных южных морей, не стесненных материковыми границами, иногда поднимаются до южных побережий Африки и Австралии.

Форма этих айсбергов имеет свои особенности: зачастую это так называемые столовые айсберги - плоские ледовые поля, мало возвышающиеся над водой. Будучи обломками шельфового льда, они имеют солоноватые нижние слои, но основная их масса - чистейший пресный лед.

Самым крупным из антарктических считают айсберг, обнаруженный советскими исследователями в 1964 году. Образовавшийся после разлома шельфовых ледников Эмери и Западного, этот гигант достигал 175 км в длину и 75 км в ширину, а его площадь составляла 12 тыс. кв. км.

Айсберги, подобные этому, поднимаются над водой на сотни метров. А поскольку примерно 6h их высоты скрыто под водой, то их несет подповерхностное течение, направление которого не всегда совпадает с поверхностным. Поэтому айсберги часто могут менять курс и двигаться в "обратную сторону", что еще больше увеличивает опасность столкновения с ними.

При длительном дрейфе в айсбергах зачастую образуются целые системы сквозных промоин. Такие айсберги называют поющими: в бурную погоду они неожиданно издают фантастические звуки.

Способность генерировать звуки обнаружена и у льдов, не имеющих заметных полостей. Полярные льды в напряженном состоянии многоголосо звучат, подобно огромному органу. Характер звучания льда зависит от температуры окружающего воздуха, но природа этого явления пока остается загадкой.

Еще в начале нашего века в айсбергах видели лишь угрозу, теперь люди начинают активно использовать их для самых различных целей. Основная задача - использовать эти гигантские ледяные "консервы" как источники водоснабжения. Особенно важно это для безводных побережий Австралийского и Южноамериканского континентов, сравнительно близких к Антарктическому бассейну. Конечно, дальняя транспортировка айсбергов-дело сложное и непривычное. Немало трудностей связано и с тем, чтобы заставить айсберги таять в нужном режиме. Однако по предварительным расчетам стоимость талой воды из прибуксированных айсбергов все равно оказывается намного ниже опресненной морской. Кроме того, эта вода сразу пригодна для питья.

И еще одно, несколько неожиданное свойство айсбергов и многолетних толщ материковых льдов обнаружили ученые. Оказалось, что это идеальные "кладовые памяти" нашей планеты. Вследствие циркуляции воздушных масс мельчайшие частицы взвешенных в воздухе примесей отлагаются повсеместно на земной поверхности, но практически нигде, кроме ледяных массивов, недоступны они последующему наблюдению. В Антарктиде же лед наращивался многие тысячелетия и теперь толщина его достигает примерно четырех с половиной километров. Здесь надежно законсервированы земная и космическая пыль, вулканический пепел, микроорганизмы и даже воздух давно минувших времен. Все это позволяет понять ход многих природных процессов, познать далекое прошлое нашей планеты.

В последние годы ученые все глубже изучают "память" ледяных покровов Земли, постигают значение ее для познания общепланетарных явлений стабильности климата, процессов перераспределения энергии на Земле и т. д. Хотя ледяные монолиты не образуют непрерывного слоя, их начинают выделять в отдельную сферу - гляциосферу, наравне с атмосферой, гидросферой и литосферой. Ведь льды планеты, составляющие десятую часть ее поверхности,- один из важнейших компонентов окружающего мира.

По сравнению с ледяными гигантами особенно ощутима миниатюрность почвенного игольчатого льда - еще одной разновидности льда, встречающейся на нашей планете. Такой лед можно наблюдать при медленном охлаждении песчаных и гумусовых почв, когда температура окружающей среды постепенно переходит через нулевую отметку.

Изысканным геометрическим совершенством отличаются многие формы атмосферного льда - снег, иней, ледяная пыль, крупа, град.

Снег образуется в облаках при определенных температурных условиях: капельки переохлажденной воды намерзают на мельчайшие ледяные кристаллики, содержащиеся в облаках. Особенно интенсивно они растут там, где в слое облака преобладают переохлажденные капли (рис. 9). В тропосфере основная масса облаков пребывает при температуре ниже О °С, но попадающие туда при испарении с поверхности планеты водяные пары не сразу превращаются в лед. В заметных количествах кристаллики льда появляются там лишь в температурном интервале от -12 до -16 °С, интенсивное кристаллобразование идет при -22 °С, однако еще и при -41 °С в облаках обнаруживают отдельные капли переохлажденной воды.

Рис. 9. Схема возникновения и роста снежинки внутри облака

Облака получают влагу от восходящих воздушных потоков и циркулирующих в атмосфере воздушных масс. В этих массах содержится основное количество (90%) атмосферной влаги. Сложный режим восходящих потоков воздуха, питающих облака влагой, вносит разнообразие в образование и рост ледяных кристалликов в облаке. Постепенно они приобретают такие размеры и вес, что преодолевают подъемную силу восходящих потоков воздуха, и выпадают на землю в виде снега.

Надо льдом давление насыщенного пара всегда меньше, чем над переохлажденной водой при этой же температуре. Когда капля воды в процессе образования снежинки сближается с кристалликом льда, из окружающей ее оболочки насыщенного водяного пара к ледяной поверхности, от большего давления к меньшему, устремляются молекулы воды. Оседая на кристаллике, они увеличивают его размеры. А капли постепенно испаряются: за счет слагающих их молекул воды они создают все новые паровые оболочки и тут же их теряют.

Структура снежного кристалла зависит от температуры, количества водяных паров, за счет которых он растет, и интенсивности их поступления. Все это создает удивительное разнообразие его форм. Специалисты, изучающие формы снежинок для определения их связи с ходом атмосферных процессов, насчитывают тысячи их разновидностей (рис. 10).

Рис. 10. Схема зависимости формы снежного кристалла от температуры и степени насыщения водяными парами окружающей среды

Но при всем многообразии снежинки преимущественно имеют вид шести- и двенадцатилучевых звездочек - дендритов, а также шестиугольных пластинок и шестигранных призм (рис. 11). В температурном промежутке от -8 до -12 °С в облаке идет образование главным образом дендритов. В этих условиях отмечается наибольший перепад между давлением насыщенного пара над водой и над ледяной поверхностью.

Рис. 11. Разновидности форм снежного кристалла в зависимости от условий роста: пластинка, дендрит, комбинация пластинки и дендрита

При -15 °С появляются интересные смежные формы - "запонки". Это кристаллические иголочки льда, с обеих сторон заканчивающиеся наросшими в виде основания ледяными звездочками или пластинками. Фигурку, у которой оба основания составляют пластинки, называют цузуми за сходство с традиционным японским барабаном. Есть предположение, что почти все плоские смежные кристаллы - это цузуми с предельно укороченным столбиком.

Лишь при сравнительно слабых морозах с неба летят снежинки-звездочки.

В высоких широтах - в Заполярье, Антарктиде - чаще всего стоят суровые холода (-30, -50 °С и ниже), и на землю ложится очень "неласковый" снег: каждая снежинка - это заостренный с одного конца граненый стерженек. Такие кристаллы обычно образуются в перистых облаках на высоте 7-10 километров над поверхностью Земли, то есть почти в статосфере.

В слое воздуха, непосредственно примыкающем к земной поверхности, у атмосферного льда свои особенности. Тут видим иней, красиво искрящийся зимой на ветвях деревьев, на проводах. Он представляет собой дендритные кристаллики, отлагающиеся из влажного воздуха, процесс охлаждения которого проходит через точку росы.

Очень мелкие, чрезвычайно легкие ледяные кристаллики размером около 0,1 мм, так называемая алмазная пыль, висят в воздухе, почти не оседая. Особенно эффектны и нарядны они в солнечные морозные дни. Такие кристаллики образуются в холодном влажном воздухе при температуре около -20 °С. При более низких температурах иногда наблюдаются в воздухе явления типа инверсионных. Подобно тому, как на фоне голубого неба сконденсированная водяная влага сохраняет некоторое время белые узоры от пролетевшего реактивного самолета - инверсионный след, так и зимой позади идущего человека может появиться образованная ледяными кристалликами полоса протяженностью 300-400 м, остающаяся в воздухе несколько минут.

Крупа и град - часто встречающиеся виды атмосферного льда. Они образуются, подобно снегу, в относительно высоких слоях атмосферы. Белая легкая крупа, холодный предшественник зимних снегопадов, представляет собой маленькие снежные комочки с налипшими капельками переохлажденной воды. Примерно по такой же схеме образуются и зерна града - этого единственного ледяного посланца атмосферы в летние дни. Только при градообразовании процесс намерзания на ледяные кристаллы капель воды повторяется многократно, чередуясь с намерзанием кристалликов льда.

Град известен своей разрушительной силой, причиняющей чувствительный урон сельскому хозяйству. Поэтому одна из первоочередных задач искусственного управления осадками, вставшая ныне перед человечеством - это борьба с градобитием. В нашей стране эта задача успешно решается с помощью специальной противо-градовой защиты. Служба контроля за атмосферными явлениями заранее обнаруживает и фиксирует градоносные тучи; затем другие подразделения противоградовой защиты рассеивают их или путем специального обстрела вынуждают град выпадать над малонаселенными территориями. Благодаря таким комплексным мероприятиям, уже сейчас ежегодно предотвращаются многомиллионные убытки, наносимые ранее народному хозяйству этим стихийным явлением.