Книга: 100 великих тайн Земли

Самое загадочное вещество во вселенной: лед

Самое загадочное вещество во вселенной: лед

Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. Вот он, под тонкой снежной крупой, – так явственно ощутим. А знаем ли мы, что такое лед? На первый взгляд это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности лед таит в себе множество загадок. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгаданы лишь недавно.

Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, они вовсе не скользят. Еще пару десятилетий назад ученые давали следующий ответ: под узкими полозьями коньков создается высокое давление, и лед плавится. Конькобежец катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее. В это верили поколения физиков и химиков, но такое объяснение было ошибочным.

Ошибка выявилась в середине 1990-х годов, когда американские ученые использовали для наблюдения за происходящим новейшую электронику. Поверхность ледовой дорожки и впрямь была залита водой, но, удивительное дело, она выступала даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре порядка —60 °С поверхность льда становится вязкой. Тогда и скользить на коньках будет проблематично. Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда.

Еще одна любопытная его особенность откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: они склеиваются! Молекулы их поверхностных слоев крепко соединяются, связывая ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома – иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.

Некоторые свойства льда ученые так и не сумели пока объяснить

Кстати, лед льду – рознь. При низких температурах и высоких давлениях мы будем иметь дело с другими модификациями льда. Сколько их, не знает никто. Всего, по данным на 2011 год, известно 16 кристаллических и 5 аморфных форм льда. Последние не имеют кристаллической структуры. В частности, ледяные облака в межзвездном пространстве (их температура составляет —260 °C) состоят из аморфного льда.

Одной из самых экзотичных форм является, наверное, лед Х. Он образуется при давлении, которое в миллионы раз превосходит атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, ежели на игольное ушко взгромоздить автомобиль. Эта модификация льда с симметрично расположенными водородными мостиками была открыта в 1999 году сразу тремя группами исследователей из Франции, Японии и США. Еще до этого было известно, что подобная форма льда должна хорошо проводить электрический ток, разительно отличаясь от знакомого нам льда.

Некоторые модификации льда образуются даже при плюсовых температурах. Предпосылкой к тому – сверхвысокие давления, которые встречаются только в космосе.

В мощном электрическом поле вода может превращаться в лед даже при комнатной температуре. Это показали опыты физика Хён Кана из Сеульского университета, о которых сообщал в 2005 году журнал Physical Review Letters. В его лаборатории вода, точнее водяная пленка, отвердевала в поле напряженностью около миллиона вольт на метр. В естественных условиях столь мощные поля можно наблюдать в грозовых облаках; возникают они и в некоторых нанотехнологических конструкциях.

Удивительно, но лишь одна из этих модификаций не тонет в воде, а плавает по ее поверхности – разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Причина кроется в особенности ее строения: в ее кристаллах молекулы располагаются очень свободно; между ними имеются огромные зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в такой знакомый – и загадочный – лед, или, как называют его ученые, лед Ih, расширяется. Ее объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая», легкая структура. Она представляет собой сеть из шестиугольников с огромными полостями посредине. В такой кристаллической решетке расстояния между молекулами льда заметно больше, чем между хаотично движущимися молекулами жидкой воды. Наличие многочисленных полостей обусловливает малую плотность этой модификации льда. Насколько это важно, показывает простой умозрительный эксперимент. Представим себе, что вода перестанет расширяться при замерзании. Как изменится наш мир?

Для начала хорошие новости: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с минеральной водой. Наконец, плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга – эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.

Теперь новости похуже. Их возвещают крики зверей и молчание рыб. Легко догадаться, что полярных медведей перемена льда ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до толики небольших островов, затерянных в Северном Ледовитом океане, ведь лед, сковывающий его, неминуемо пошел бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, ведь эти водоемы в зимнюю пору промерзали бы до дна.

Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие полярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха, проникшие в них при застывании воды. Подобный лед почти идеально отражает солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растает ледяной щит, покрывающий сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды.

Пока же из этих городов мы запросто можем отправиться туда, где само море бывает сковано льдом. Морской лед напоминает скорее пористую губку, чем знакомый нам речной лед. Зато он изобилует живыми организмами. По большей части, это – одноклеточные водоросли. По предположению ученых, эти организмы служат центрами кристаллизации льда. Вокруг них формируются кристаллики льда. Потом они всплывают на поверхность моря и скапливаются здесь. Волны нагоняют в эту ледяную кашицу все новые растения, все новые микроорганизмы. Можно сказать, что морской лед насыщен планктоном так же, как и морская вода. Большая часть этих организмов может не только жить в толще льда, но и размножаться здесь. Впрочем, некоторые планктонные организмы в летние месяцы, когда тает лед, высвобождаются из ледяного плена, размножаются в открытой воде, а с наступлением холодов снова укрываются среди льда, какой бы неуютной – низкая температура, высокая соленость, отсутствие света – ни казалась эта среда обитания для всего живого. Эти организмы – от одноклеточных и диатомовых (кремнистых) водорослей до червей и рачков – населяют, прежде всего, многочисленные каналы и полости, усеивающие толщу морского льда и достигающие в поперечнике нескольких миллиметров.

Только в антарктическом паковом льде обитает от 200 до 300 видов диатомовых водорослей, в арктическом льде – еще около 300 видов. В одном литре растаявшего льда можно встретить до нескольких сотен миллионов живых клеток.