Лёд кажется простым веществом: замёрзшая вода, белая поверхность, привычные сосульки. Но на уровне молекул он ведёт себя необычно: образует разные кристаллические структуры, меняет свойства под давлением и может сохранять беспорядок даже в упорядоченной решётке. Физика льда изучает не только замерзание, но и строение кристаллов, их деформацию, взаимодействие с поверхностью и переходы между фазами.
История этой области показывает, как менялись вопросы и способы поиска ответов: от объяснения формы снежинок — к рентгеновскому исследованию кристаллов, а затем к опытам при давлениях и температурах, недоступных в повседневной жизни. Ниже собраны основные понятия, открытия и методы, которые помогают описать лёд в природе и лаборатории.
От снежинки к молекулярной решётке
В 1611 году Иоганн Кеплер посвятил снежинкам трактат «О шестиугольных снежинках». Он рассматривал их характерную шестилучевую симметрию как физическую задачу, хотя молекулярное строение вещества тогда ещё нельзя было проверить. В XIX веке наблюдения снежных кристаллов и опыты с водой расширили круг вопросов: почему лёд образует определённые формы, как он плавится и отчего способен деформироваться.
В начале XX века рентгеновская дифракция дала возможность исследовать расположение атомов в кристаллах. В 1933 году Джон Бернал и Ральф Фаулер предложили модель структуры льда и сформулировали правила, описывающие расположение атомов водорода. В 1930-х годах японский физик Укичиро Накая выращивал снежные кристаллы в лаборатории и систематически изучал, как их форма зависит от условий роста. Так исследования перешли от внешнего вида льда к связи между условиями и его внутренним устройством.
Как устроен обычный лёд
Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. В обычном льду кислородные атомы образуют кристаллическую структуру, а молекулы соединены водородными связями. В распространённой форме, называемой льдом Ih, соседние молекулы располагаются примерно тетраэдрически: вокруг каждой молекулы есть четыре близких соседа. Такая геометрия оставляет в структуре сравнительно много пространства.
Поэтому обычный лёд при близких к нулю градусам температурах менее плотный, чем жидкая вода, и плавает на ней. Для пресной воды при атмосферном давлении плотность льда около 0 °C составляет примерно 917 кг/м³; плотность жидкой воды вблизи её максимума при 4 °C — около 1000 кг/м³. Значения зависят от температуры и условий измерения, но разница объясняет, почему водоёмы замерзают сверху, а не превращаются в сплошную ледяную массу снизу.
В кристаллической решётке порядок атомов кислорода сочетается с частичным беспорядком атомов водорода. Молекулы могут ориентироваться по-разному, соблюдая при этом ограничения, известные как правила льда Бернала—Фаулера: около каждого атома кислорода два атома водорода расположены ближе, а два — дальше. При изменении условий этот беспорядок может уменьшаться. Например, лёд XI — низкотемпературная упорядоченная форма, в которой ориентации молекул более организованы, чем в обычном льду Ih.
Разные формы льда и фазовая диаграмма
Словом «лёд» называют не единственную кристаллическую структуру. При обычном атмосферном давлении наиболее привычна гексагональная форма Ih. Существует также кубическая форма Ic и состояния с беспорядочным чередованием гексагональных и кубических слоёв. При высоком давлении возникают другие кристаллические фазы: их решётки плотнее или устроены иначе, чем структура обычного льда.
Фазовая диаграмма показывает, какие состояния вещества устойчивы при разных температурах и давлениях. Границы между областями соответствуют условиям перехода, например плавления или перестройки кристаллической структуры. Линия плавления обычного льда Ih имеет особенность: при увеличении давления температура плавления сначала снижается. Это связано с тем, что жидкая вода плотнее этой формы льда. Однако при очень высоких давлениях появляются другие твёрдые фазы, и общую картину уже нельзя описать одним правилом для обычного льда.
| Форма или состояние | Основная особенность | Где важно учитывать |
|---|---|---|
| Лёд Ih | Обычная гексагональная кристаллическая форма | Снег, водоёмы, ледники и повседневное замерзание |
| Лёд Ic | Кристаллическая форма с кубической укладкой слоёв; может быть метастабильной | Исследования холодных облаков и структуры ледяных кристаллов |
| Льды II–VII и другие высокобарические формы | Различные кристаллические решётки, возникающие при повышенном давлении | Лабораторные эксперименты и модели недр планет и спутников |
| Суперионное состояние | Кислородная решётка сохраняется, а протоны становятся подвижными | Экстремальные давления и температуры, изучаемые в лаборатории |
Таблица перечисляет лишь некоторые важные примеры, а не все известные состояния воды. В 2021 году эксперименты при экстремальных условиях дали свидетельства существования суперионного льда: кислородные атомы образуют твёрдую структуру, тогда как протоны способны перемещаться через неё. Это не разновидность льда, которую можно получить в морозильнике. Такое состояние интересно физикам, в частности, потому что позволяет исследовать свойства вещества при условиях, отличных от земной поверхности.
Замерзание, плавление и скользкая поверхность
Замерзание начинается, когда вода образует устойчивые зародыши кристалла. На практике скорость и место зарождения зависят от условий: значение имеют температура, чистота воды и наличие поверхностей или частиц, на которых кристаллу легче формироваться. Поэтому вода может переохладиться — оставаться жидкой ниже обычной температуры замерзания, если кристаллизация не началась. Такое состояние не означает, что температура плавления льда изменилась; оно показывает, что переход может задерживаться.
При плавлении кристаллическая структура разрушается, но превращение не всегда происходит одинаково во всём образце. На поверхности льда может возникать тонкий разупорядоченный слой, свойства которого отличаются от свойств внутренней части кристалла. Его характер зависит от температуры и состояния поверхности. Это явление важно для понимания трения, но не следует объяснять скользкость льда одной универсальной причиной: в конкретной ситуации могут влиять свойства поверхностного слоя, давление и нагрев при движении.
Давление также способно влиять на плавление обычного льда, поскольку жидкая вода плотнее льда Ih. Но сводить катание на коньках только к плавлению под давлением неправильно: поведение тонкого поверхностного слоя и трение требуют учитывать несколько процессов. При низких температурах условия скольжения могут заметно отличаться от условий около точки плавления. Поэтому исследования трения льда рассматривают состояние поверхности, температуру и скорость движения вместе.
Снежинки, ледники и механические свойства
Шестилучевая симметрия снежинок отражает кристаллическую структуру обычного льда, но форма каждого кристалла зависит от истории его роста. Температура и насыщенность воздуха водяным паром влияют на то, будут ли образовываться пластинки, столбики или более сложные ветвящиеся формы. Снежинки из одного облака могут выглядеть по-разному, потому что проходят через разные условия по мере перемещения в атмосфере. Их форма — результат роста кристалла, а не готовый шаблон, одинаковый для всех случаев.
Лёд способен и ломаться, и медленно течь. При быстром воздействии или низкой температуре он часто ведёт себя хрупко, а при длительной нагрузке может деформироваться постепенно. На механические свойства влияют температура, скорость деформации, размер зёрен и примеси. В ледниках медленное течение происходит за счёт деформации льда; движение ледника также может зависеть от скольжения у основания и условий контакта с подстилающей поверхностью.
Различие между хрупким разрушением и медленным течением важно для геофизики. Трещины и разломы влияют на устойчивость ледников и ледяных покровов, а длительная деформация помогает объяснить их перемещение. При этом поведение конкретного ледника нельзя вывести только из свойств чистого кристалла: нужно учитывать температуру, геометрию, нагрузку и окружающую среду.
Как исследуют физику льда
Метод выбирают в зависимости от вопроса. Рентгеновская дифракция помогает определить кристаллическую структуру, а нейтронные методы особенно полезны для изучения расположения водорода. Калориметрия измеряет тепло, поглощаемое или выделяемое при переходах, а спектроскопические методы позволяют исследовать колебания и связи молекул.
Для изучения фаз при высоком давлении используют, в частности, камеры с алмазными наковальнями, позволяющие сжимать маленькие образцы между алмазами. Если требуются ещё более экстремальные условия, применяют кратковременное воздействие мощных лазеров и другие экспериментальные методы. Полученные результаты сопоставляют с компьютерными моделями, которые рассчитывают поведение молекул и кристаллических решёток. Ни один метод не отвечает на все вопросы: например, данные о структуре сами по себе не показывают полностью, как быстро образец течёт или проводит тепло.
Что полезно помнить
- Обычный лёд — кристаллическая форма воды с открытой структурой, поэтому он менее плотный, чем жидкая вода.
- Условия температуры и давления определяют, какие твёрдые формы воды устойчивы; «лёд» не всегда означает одну и ту же решётку.
- Свойства поверхности и внутренней части кристалла могут различаться, поэтому плавление и трение нужно рассматривать отдельно.
- Снежинки, ледники и лабораторные образцы изучают разными методами: от оптических наблюдений до дифракции и опытов при высоком давлении.
Частые вопросы
Почему лёд плавает, если он твёрдый?
При замерзании молекулы воды формируют открытую структуру, характерную для льда Ih. В результате плотность льда меньше плотности жидкой воды при обычных условиях. Поэтому лёд держится на поверхности водоёма.
Всегда ли лёд начинает таять при 0 °C?
Температура плавления обычного льда зависит от давления и состава вещества. Значение около 0 °C относится к чистой воде и атмосферному давлению; примеси и изменение давления меняют условия перехода. Кроме того, переохлаждённая вода может оставаться жидкой ниже точки замерзания, пока не начнётся кристаллизация.
Все ли снежинки имеют шесть лучей?
Шестилучевая симметрия связана с кристаллическим строением обычного льда, однако реальные снежные кристаллы не обязаны быть одинаковыми или идеально симметричными. Их внешний вид зависит от условий роста и изменений, которые происходили во время падения.
Существует ли лёд, который проводит электрический ток?
В суперионном состоянии протоны становятся подвижными внутри твёрдой кислородной решётки, поэтому такое состояние отличается от обычного льда и представляет интерес для исследования переноса заряда. Оно возникает при экстремальных условиях и не является привычной разновидностью бытового льда.