При какой температуре тает лед? Количество теплоты для нагревания льда. Почему лед не нагревается во время таяния

Необычные свойства воды давно являются объектом пристального изучения учёных. Десять лет назад выяснилось, что внутри нанотрубок диаметром менее 2,5 нм вода не замерзает, а продолжает течь даже при температурах, близких к абсолютном нулю (−273,15°C). Странности на этом не заканчиваются.

Фазовые переходы воды со сменой агрегатного состояния внутри углеродных нанотрубок явно не вписываются в стандартную теорию термодинамики. Это касается не только точки замерзания, но и точки кипения. Как известно, при нормальном атмосферном давлении температура кипения воды составляет около 100°C. При увеличении давления в ёмкости температура кипения увеличивается - этот принцип используют скороварки, чтобы быстрее приготовить пищу. И наоборот, температуру кипения воды можно снизить, уменьшив давление. Например, в горах на высоте 5 км приготовить некоторые продукты в принципе невозможно, потому что там температура кипения воды составляет всего лишь 83°C из-за пониженного атмосферного давления.

Учёным известно также, что температура фазовых переходов воды зависит также от формы и размера сосуда. При неизменности давления с помощью объёма сосуда можно сдвинуть точку кипения или точку замерзания примерно на 10°C. Но в углеродных нанотрубках всё становится с ног на голову. Как уже упоминалось, вода сохраняет там жидкое состояние при температурах, близких к абсолютному нулю. Сейчас учёные из Массачусетского технологического института (МТИ) ещё один интересный феномен - фазовый переход в твёрдое состояние (ледяные нанотрубки) при высокой температуре, когда в нормальных условиях вода должна испаряться.

Этот феномен обнаружен в 2001 году группой японских и американских учёных. Ледяные нанотрубки представляют особенный интерес, потому что они образуются при высокой температуре и могут быть использованы в различных электронных наноустройствах, в том числе в газовых нанотурбинах , нанодатчиках потока и высокопоточных мембранах. Более того, способность воды замерзать в ледяные нанотрубки при температурах гораздо выше 0°C делает возможным использование ледяных нанотрубок в системах теплообмена . Были получены экспериментальные подтверждения такого использования, но до сих пор не были известны и изучены точные размеры и параметры углеродных нанотрубок, которые необходимы для затвердения воды при комнатной температуре и выше.

До настоящего времени большинство экспериментов с фазовым переходом воды в углеродных нанотрубках были ограничены симуляциями молекулярной динамики на компьютере, а не реальными физическими опытами. В результате симуляции выяснилось, что свойства воды сильно зависят от диаметра углеродной нанотрубки. Например, в порах диаметром 0,8−1,0 нм вода хорошо стабилизируется в парообразном состоянии, а где-то между диаметрами трубки 1,1 и 1,2 нм симуляции показывают стабилизацию в форме льда, то есть в твёрдом виде. Затем при увеличении диаметра свыше 1,4 нм опять наступает стабилизация в жидкой форме. Всё это очень интересно - и поэтому в МТИ разработали методологию физических опытов для проверки свойств воды в углеродных нанотрубках диаметром от 1,05 до 1,52 нм с одиночными и двойными стенками. Авторы эксперимента также разработали технику мониторинга воды в нанотрубках с помощью рамановской спектроскопии (радиальные колебания, RBM).

Экспериментальная установка для выращивания нанотрубок и заполнения их водой (почему гидрофобные нанотрубки пропускают внутрь воду - учёные тоже не до конца понимают); компьютерные модели однослойных и двухслойных нанотрубок для эксперимента; результаты рамановской спектроскопии

Эксперименты показали, что на некоторых диаметрах нанотрубок вода переходит в твёрдое агрегатное состояние при температурах выше 100°C. Максимально зарегистрированная температура фазового перехода составляет от 105°C до 151°C (точнее измерить не удалось) с диаметром однослойной нанотрубки 1,05 нм. Это гораздо выше параметров, которые предсказывала теория . В некоторых случаях реальная точка замерзания оказалась почти на 100°C выше, чем предсказывала теория. Впервые опыты был проведён в реальных лабораторных условиях - как выяснилось, не зря. Никто не ожидал настолько большой разницы в свойствах воды в нанотрубках диаметром 1,05 и 1,06 нм.

Голубой цвет на диаграмме - твёрдое состояние воды, зелёный - жидкое состояние, красный - пустые нанотрубки (dry state)

После прохода через точку замерзания учёные опустили температуру и вернули воду в жидкое состояние, доказав обратимость процесса. В нанотрубках диаметром 1,06 нм лёд таял при температуре 87−117°С, в нанотрубках 1,44 и 1,52 нм точка замерзания находится между 15−49°С и 3−30°С, соответственно.

Нанолёд обладает интересным сочетанием электрических и тепловых свойств. Наличие льда, который не тает при температуре до +151°С, может заинтересовать инженеров и конструкторов. При комнатной температуре такой лёд будет абсолютно стабильным, его вполне можно использовать как провода в электронике и других приборах (вода -

Пожалуй, нет на Земле более распространенного и в то же время более загадочного вещества, чем вода в жидком и твердом состояниях. Достаточно вспомнить, что все живое вышло из воды и состоит в основном из нее; почти три четверти поверхности Земли покрыты водой и льдом, а значительная часть северных территорий суши представляет собой вечную мерзлоту. Чтобы наглядно представить себе суммарное количество льда на нашей планете, заметим, что в случае его таяния вода в Мировом океане поднимется более чем на 50 м, что приведет к затоплению гигантских территорий суши на всем земном шаре. Во Вселенной, в том числе и в Солнечной системе, обнаружены огромные массы льда. Нет ни одного мало-мальски существенного производства, бытовой деятельности человека, в которых не использовалась бы вода. Тем не менее после многочисленных успехов физики и физико-химш воды последних лет вряд ли можно утверждать, что свойства этого простого вещества понятны и прогнозируемы до конца. Предлагаю познакомиться с современными представлениями о важнейших физических свойствах воды и льда в естественных условиях и их использовании на практике.

Вода - вероятно, наиболее изученное вещество. Основы современного понимания физики воды заложили около 200 лет назад Генри Кавен-диш и Антуан Лавуазье, обнаружившие, что вода - это не простой химический элемент, как считали средневековые алхимики, а соединение кислорода и водорода в определенном соотношении. Собственно, название свое водород - рождающий воду - получил только после этого открытия, и вода приобрела современное химическое обозначение, известное теперь каждому школьнику, - Н20. Итак, молекула Н20 построена из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Мы не будем подробно описывать всю историю исследований, отметим лишь то, что устройство молекул воды в настоящее время известно очень точно. Атомы водорода и атом кислорода занимают положения в вершинах равнобедренного тре-. угольника с углом в вершине, занятой кислородом. Известны размеры и углы этой конструкции. Поскольку атомы состоят из положительных и отрицательных частиц (ядер и электронов), такое расположение атомов и существенно большее количество электронов у кислорода (и больший положительный заряд его ядра) приводят к тому, что молекула воды становится похожа на маленький "магнит". Поскольку таких "магнитов" даже в капле воды очень много, то оказывается, что многие из них притягиваются разноименными концами. При этом следует учесть, что, поскольку атомов водорода два, а атом кислорода оттягивает на себя заряд с каждого из водородных атомов, молекула воды способна образовать четыре связи с соседними аналогичными молекулами. Такая связь между молекулами называется водородной. Она встречается в природе очень часто: например, в спиртах и водно-спиртовых растворах, в любой биологической системе. Попробуем разобраться, что происходит, когда скапливается много молекул воды в одном месте..

Представим, что мы поместили рядом с одной молекулой другую, потом еще одну - постепенно мы получим аккуратную пространственную структуру, как будто собранную из детского конструктора. Получается, что каждая молекула воды окружена четырьмя другими, а симметрия такого пространственного расположения такая же, как у правильного шестиугольника. При этом хорошо видно, что расположение молекул не очень плотное - много пустого места. Молекулы воды, расположенные таким образом, и есть хорошо знакомый каждому лед. Отметим, что фиксированные положения в структуре льда занимают только атомы кислорода.

Два атома водорода могут занимать различные положения на четырех связях молекулы воды с другими соседями. Отмеченная выше симметрия решетки приводит к тому, что кристаллики, растущие свободно (например, снежинки), имеют шестилуче-вую форму. Итак, получилась ажурная конструкция из молекул воды, соединенных водородными связями. Давайте разберемся, что будет происходить, если мы станем нагревать ее. Сразу стоит понять, что такое нагревать? Ведь сейчас мы рассуждаем о поведении микроскопических частиц - а к ним общепринятое понятие температуры (тепла) применить не получится. Оказывается, что тепло - это такие же электромагнитные колебания, как свет или радиоволны, но просто другой частоты. Начинаем нагревать "Лего-лед", то есть периодически воздействовать на заряды молекул, например, поместив конструкцию в ведро и потряхивая его. Если сила колебаний не очень велика, то ничего не происходит. При ее увеличении крайние (находящиеся у стенок молекулы) отламываются от общей решетки (ведь у них не четыре, а две-три связи). В такой ситуации большая конструкция болтается в ведре, и у стенок имеется небольшой слой свободных молекул. Если трясти еще сильнее, в некоторый момент вся решетка развалится на куски поменьше, при этом, поскольку начальная конструкция была весьма пустотелой, объем занимаемый "обломками" будет меньше (сравните рисунки).

Несмотря на то, что разрушено всего чуть более десятой части водородных связей, обломки начальной решетки ведут себя уже не как твердое тело, а как жидкость, мы даже можем "вылить" их из ведра. Попробуем потрясти еще сильнее. Из-за того что молекулы и "обломки" решетки двигаются все быстрее, расстояния между ними в среднем увеличиваются - уровень "жидкости" в ведре чуть-чуть повышается. Если трясти ведро еще сильнее, отдельные молекулы начнут вылетать из него, а, продолжив это нелегкое физическое упражнение, можно добиться того, что в ведре не останется ни одной молекулы, А теперь вернемся в начало нашей забавы с конструктором и вспомним, что в реальности молекул воды очень много и они крайне малы по величине. Проследив всю цепочку рассуждений, мы поймем, что описали процесс нагревания и таяния льда, а затем нагревания и испарения воды.

А при какой температуре замерзает вода? Казалось бы, ответ очевиден - конечно, при той же, при которой тает лед. Однако не все так просто. Вода в основном тает при 0°С, но в зависимости от чистоты воды точка замерзания может оказаться и ниже. Хорошо очищенную воду В"лабораторных условиях можно Переохладить (то есть охладить ниже точки таяния льда, и она при этом не замерзнет) почти до -40°С. Хотя, справедливости ради, стоит отметить, что подобная ситуация очень редко встречается в природе. При охлаждении воды кое-где образуются мельчайшие островки льда, которые быстро исчезают, если температура выше точки замерзания. Когда достигнута температура замерзания, такие островки увеличиваются и неуклонно продолжают расти, так как дальнейшее замораживание приводит к понижению свободной энергии системы. В чистой воде размер стровков достигает критического значения при -40°С. Наличие примесей уменьшает величину критического размера ледяных островков, поэтому вода замерзает при более высоких температурах (но ниже 0°С).

Используя это, хотя и сильно приближенное, но весьма наглядное рассуждение, можно объяснить многие удивительные (аномальные) свойства льда и воды.
Плотность воды больше плотности льда, поэтому лед плавает в воде. Максимальную плотность вода имеет при температуре ч-4°С, в результате осенью при замерзании водоема, как только вся толща воды в озере остужается до такой температуры, верхний слой, продолжающий охлаждаться, становится легче, чем вода нижних слоев. Холодная и легкая "верхняя" вода плавает над более теплой, а следовательно, более тяжелой, глубинной. Перемешивание слоев происходит очень медленно, поэтому верхний слой воды, а затем и лед не дают озеру промерзнуть, и зимой температура в глубине озера держится в пределах от +1° до н-4°. До дна же промерзают лишь мелкие озера, да и то в очень сильный мороз. Если же происходит интенсивное перемешивание больших масс воды, то водоем может вообще не замерзать (что наблюдается, например, на Енисее, не замерзающем даже в 30-градусные морозы на десятки километров ниже по течению от Красноярской ГЭС). Осенью первыми покрываются льдом мелкие озерки, затем - прибрежные воды и неглубокие заливы озер. Замерзание водоемов происходит от берегов. Глубокие места могут оставаться свободными ото льда еще не один месяц после того, как прибрежные участки уже покрылись им, поскольку охлаждение нижних слоев идет очень медленно, а если они интенсивно перемешиваются глубинным течением (например, водосбросом искусственной или естественной плотины), то поверхность водоема в этой части может совсем не замерзнуть даже в сильный мороз.
Скорость увеличения толщины поверхностного льда можно очень приближенно оценить в 2 мм на 1 градус мороза в сутки, однако следует помнить, что подобный расчет применим только к неглубоким, спокойным озерам в тихую, безветренную погоду и при чистой, незаснеженной поверхности льда. Таким образом, первый чистый лед на прудах за одну морозную (~10°С) ночь (12 часов) нарастает примерно на 1 см.

В крупных озерах и реках большая масса воды на глубоких участках замедляет, а иногда вообще делает невозможным замерзание. Поэтому нужно быть очень осторожным при оценке несущей способности льда, когда делают ее на основании наблюдений около берега. Особенно внимательным следует быть при довольно обычной погодной ситуации, когда молодой прозрачный лед толщиной около 1 см укрывается неглубоким снегом. Даже небольшой снежный покров замедляет нарастание льда, прекращает его полностью, а иногда приводит к уменьшению толщины в местах течения воды, несмотря на устойчивую морозную погоду, Если же снегопад достаточно силен и сопровождается ветром, то неравномерный толстый снежный покров давит на поверхность льда и растрескивает его снизу, что приводит к появлению вертикальных трещин, в которые проникает переохлажденная вода, и если она просачивается наверх, под снег, то лед может местами подтаять, а под снегом вы этого не увидите. Такая ситуация возможна около береговых обрывов, в местах, где есть подводные источники. Весной это обернется другой опасностью - вода, которая вытекла на лед и пропитала снег, замерзая, образует рыхлый лед, несущая способность которого вдвое-втрое меньше, несмотря на значительную толщину. Еще неприятней может оказаться ситуация на заболоченных водоемах - растения и их корни, задерживая снег и теплоизолируя поверхность, могут привести к тому, что надежное ледяное покрытие при приближении к берегу окажется слишком тонким и проломится.

Какова же безопасная толщина льда? Однозначного достоверного ответа на этот вопрос, к сожалению, нет. Считается, что прозрачный озерный лед толщиной более 5 см надежно выдерживает человека. Но это в идеальных условиях. В межсезонье, когда ночные морозы сменяются солнечным теплым днем, растрескавшийся лед, пронизанный вертикальными трещинами и пропитанный водой, может подвести даже при вчетверо большей толщине. Особенно внимательно нужно относиться к местам, укрытым сугробами, и участкам рек с резко меняющимся профилем дна и берегов. Часто течение истончает ледяной покров у мысов каменных островов, опор мостов (где заметное влияние оказывает еще и нагревание солнцем бетонных и металлических конструкций).

Если лед поместить в сосуд и поставить его над работающей горелкой, сосуд нагреется и лед начнет таять. Однако до тех пор, пока весь лед не превратится в жидкость, температура воды не поднимется выше 0°С (32°F), вне зависимости от степени разогрева плиты. Это происходит из-за того, что вся подводимая ко льду теплота идет на преодоление физических сил, связывающих между собой его молекулы.

У льда молекулы воды удерживаются вместе межмолекулярными связями, формирующимися между атомом водорода (показан синим цветом) одной молекулы и атомом кислорода (показан красным цветом) другой. Результирующая гексагональная кристаллическая структура имеет довольно высокую прочность. При 0°С молекулы движутся настолько быстро, что связи ослабевают. Часть межмолекулярных связей разрывается, позволяя молекулам воды покидать лед с образованием жидкости. Такой процесс называется фазовым переходом (вода переходит из твердой фазы в жидкую), а температура, при которой он протекает, называется точкой плавления.

Для разрушения связей, позволяющих воде находиться в твердом состоянии, необходима энергия, причем в очень большом количестве, поэтому вся теплота, выделяемая горелкой, идет на разрывание этих связей, а не на увеличение температуры льда. Теплота, необходимая для завершения описанного выше фазового превращения, называется скрытой теплотой плавления или теплотой фазового перехода, так как эта теплота не приводит к росту температуры. Только после того, как последние связи будут разрушены и весь лед расплавится, температура воды начнет увеличиваться и станет выше 0°С.

Как происходит таяние льда

1. У льда молекулы воды движутся так медленно, что всегда сохраняют связь друг с другом, образуя твердое тело. Когда ко льду подводится теплота (на рисунке справа показана в виде желтых шариков), молекулы воды приобретают дополнительную энергию и движутся быстрее, однако все еще связанные вместе в виде льда.
2. Если подвод теплоты продолжается, молекулы воды, находящиеся на поверхности льда, увеличивают скорость своих колебательных движений, разрывая межмолекулярные связи, удерживавшие их раньше на месте. Эти молекулы покидают лед и образуют жидкую фазу воды. Дальнейший подвод теплоты приводит к разрушению оставшихся межмолекулярных связей и постепенному таянию льда.
3. Продолжающийся подвод теплоты в конце концов дает последним из молекул замерзшей воды достаточно энергии для преодоления межмолекулярных связей, удерживавших их вместе в виде льда. Вся вода теперь стала жидкостью.

Лед, вода и температура

При подводе ко льду теплоты (рисунок слева) сначала увеличивается его температура. Однако при 0°С (32°F) рост температуры прекращается и наступает фазовый переход: лед начинает таять. Как показывает голубая кривая на графике, дополнительный подвод теплоты приводит к дальнейшему таянию льда, не увеличивая температуру воды. Только после того как весь лед перейдет в жидкое состояние (рисунок над текстом), дополнительный подвод теплоты приводит к увеличению температуры воды.

Лечение водой

Кувшинные фильтры, картриджи

Вода при 4°С

Вопрос:

При 4 °С вода имеет максимальную плотность. Почему? почему вода на дне водоема именно при этой температуре? заранее спс. Саша

Ответ:

Уважаемый, Александр!

Вода - одно из самых загадочных веществ нашей планеты. Будучи нормальным мономолекулярным соединением, она должна была бы кипеть при + 70°C, а замерзать почти при -100°C. В отличие от всех остальных жидкостей, вода при затвердевании уменьшает свой вес. Максимальная плотность воды наблюдается при +4°C. Этот факт чрезвычайно важен для биосферы. В результате лед образуется на поверхности водоемов, не давая им промерзать до дна, и, тем самым, не давая погибнуть рыбам и прочим представителям водной фауны в зимнее время.

Поверхностное натяжение чистой воды больше, чем у любой другой жидкости, кроме ртути. У абсолютно чистой воды поверхностное натяжение таково, что по ней можно было бы кататься на коньках. Наличие примесей резко снижает величину поверхностного натяжения воды. Одна из "странностей" воды в том, что это вещество - единственное на Земле - всегда выступает в трех фазах - жидком, твердом и газообразном.

Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в вершине - ядро атома кислорода. Межъядерные расстояния О-Н близки к 0,1 нм, расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в молекуле воды, две электронные пары образуют ковалентные связи О-Н, а остальные четыре электрона представляют собой две неподеленные электронные пары. Таким образом, молекула воды представляет собой маленький диполь, содержащий положительный и отрицательный заряды на полюсах. Так как масса и заряд ядра кислорода больше чем у ядер водорода, то электронное облако стягивается в сторону кислородного ядра. При этом ядра водорода “оголяются”. Таким образом, электронное облако имеет неоднородную плотность. Около ядер водорода имеется недостаток электронной плотности, а на противоположной стороне молекулы, около ядра кислорода, наблюдается избыток электронной плотности. Именно такая структура и определяет полярность молекулы воды. Если соединить прямыми линиями эпицентры положительных и отрицательных зарядов получится объемная геометрическая фигура - правильный тетраэдр.

Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения ее растворов в других растворителях, оказывается более, высокой. Это свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды. Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.

Благодаря наличию водородных связей каждая молекула воды образует водородную связь с 4-мя соседними молекулами, образуя ажурный сетчатый каркас в молекуле льда. Однако, в жидком состоянии вода – неупорядоченная жидкость; эти водородные связи - спонтанные, короткоживущие, быстро рвутся и образуются вновь. Всё это приводит к неоднородности в структуре воды.

Водородные связи между молекулами воды

То, что вода неоднородна по своему составу, было установлено давно. С давних пор известно, что лёд плавает на поверхности воды, то есть плотность кристаллического льда меньше, чем плотность жидкости. Почти у всех остальных веществ кристалл плотнее жидкой фазы. К тому же и после плавления при повышении температуры плотность воды продолжает увеличиваться и достигает максимума при 4°C. Менее известна аномалия сжимаемости воды: при нагреве от точки плавления вплоть до 40°C она уменьшается, а потом увеличивается. Теплоёмкость воды тоже зависит от температуры немонотонно. Кроме того, при температуре ниже 30°C с увеличением давления от атмосферного до 0,2 ГПа вязкость воды уменьшается, а коэффициент самодиффузии - параметр, который определяет скорость перемещения молекул воды относительно друг друга растёт. Для других жидкостей зависимость обратная, и почти нигде не бывает, чтобы какой-то важный параметр вёл себя не монотонно, т.е. сначала рос, а после прохождения критического значения температуры или давления уменьшался. Возникло предположение, что на самом деле вода - это не единая жидкость, а смесь двух компонентов, которые различаются свойствами, например плотностью и вязкостью, а следовательно, и структурой. Такие идеи стали возникать в конце XIX века, когда накопилось много данных об аномалиях воды.

Сейчас наукой доказано, что особенности физических свойств воды и многочисленные короткоживущие водородные связи между соседними атомами водорода и кислорода в молекуле воды создают благоприятные возможности для образования особых структур-ассоциатов (кластеров), воспринимающих, хранящих и передающих самую различную информацию.

Структурной единицей такой воды является кластер, состоящий из клатратов, природа которых обусловлена дальними кулоновскими силами. В структуре кластров закодирована информация о взаимодействиях, имевших место с данными молекулами воды. В водных кластерах за счёт взаимодействия между ковалентными и водородными связями между атомами кислорода и атомами водорода может происходить миграция протона (Н+) по эстафетному механизму, приводящие к делокализации протона в пределах кластера.

Вода, состоящая из множества кластеров различных типов, образует иерархическую пространственную жидкокристаллическую структуру, которая может воспринимать и хранить огромные объемы информации.

Лёд – кристаллическая модификация воды. По последним данным лёд имеет 14 структурных модификаций. Среди них есть и кристаллические (их большинство) и аморфные модификации, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами. Правда, все, кроме привычного нам льда, кристаллизующего в гексагональной сингонии, 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. Такие условия напоминают космические и не встречаются на Земле. 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 °С, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

Наиболее изученным является лёд I-й природной модификации. Лёд встречается в природе в виде льда (материкового, плавающего, подземного и т.д.), а также в виде снега, инея и т.д. Он распространён во всех областях обитания человека. Собираясь в огромных количествах, снег и лед образуют особые структуры с принципиально иными, нежели у отдельных кристаллов или снежинок, свойствами. Ледники, ледяные покровы, вечная мерзлота, 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. 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.

Две последние модификации льда - XIII и XIV - открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предположение о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень высока, и собраться вместе молекулам чистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Этого удалось достичь с помощью катализатора - соляной кислоты, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но они могут встречаться на замерзших спутниках других планет.

Табл. Некоторые известные модификации льда

Примечание. 1 A=10 -10 м.

Разгадка структуры льда заключается в строении его молекулы. Кристаллы всех модификаций льда построены из молекул воды H 2 O, соединённых водородными связями в трёхмерный каркас, аналогичный структуре алмаза. Именно в связи с тем, что лёд имеет такую высокорегулярную сетчатую структуру и связи с низким координационным числом лёд имеет невысокую плотность.

Рис. Структура алмаза

Рис.. Структура льда.

Каждая молекула в структуре льда участвует в 4 таких связях, направленных к вершинам тетраэдра. 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 воды. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, равными 109°28", направленных к вершинам тетраэдра, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. При этом в структурах льда I, Ic, VII и VIII этот тетраэдр правильный. В структурах льда II, III, V и VI тетраэдры заметно искажены. В структурах льда VI, VII и VIII можно выделить 2 взаимоперекрещивающиеся системы водородных связей. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде сетчатой сетки, по структуре напоминающей соты с полыми каналами. Если лед нагреть, сетчатая структура разрушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, - именно поэтому вода тяжелее льда.

Лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0 °С, - самое привычное, но всё же до конца не понятное вещество. Многое в его структуре и свойствах выглядит необычно. В узлах кристаллической решетки льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода занимают самые разные положения вдоль связей. Поэтому возможны 6 эквивалентных ориентаций молекул воды относительно их соседей. Часть из них исключается, поскольку нахождение одновременно 2 протонов на одной водородной связи маловероятно, но остаётся достаточная неопределённость в ориентации молекул воды. Такое поведение атомов нетипично, поскольку в твердом веществе все подчиняются одному закону: либо все атомы расположены упорядоченно, и тогда это - кристалл, либо случайно, и тогда это - аморфное вещество. Такая необычная структура может реализоваться в большинстве модификаций льда - I, III, V, VI и VII (и по-видимому в Ic), а в структуре льда II, VIII и IX молекулы воды ориентационно упорядочены. По выражению Дж. Бернала лёд кристалличен в отношении атомов кислорода и стеклообразен в отношении атомов водорода.

Значение льда трудно недооценить. Лёд оказывает большое влияние на условия обитания и жизнедеятельности растений и животных, на разные виды хозяйственной деятельности человека. Покрывая воду сверху, лед играет в природе роль своего рода плавучего экрана, защищающего реки и водоемы от дальнейшего замерзания и сохраняющего жизнь подводному миру. Если бы плотность воды увеличивалась при замерзании, лед оказался бы тяжелее воды и начал тонуть, что привело бы к гибели всех живых существ в реках, озерах и океанах, которые замерзли бы целиком, превратившись в глыбы льда, а Земля стала ледяной пустыней, что неизбежно привело бы к гибели всего живого.

В связи с широким распространением воды и льда на Земле отличие свойств льда от свойств других веществ играет важную роль в природных процессах. Вследствие меньшей, чем у воды, плотности лёд образует на поверхности воды плавучий покров, предохраняющий реки и водоёмы от донного замерзания. Зависимость между скоростью течения и напряжением у поликристаллического льда гиперболическая; при приближённом описании её степенным уравнением показатель степени увеличивается по мере роста напряжения.

Кроме того, скорость течения льда прямо пропорциональна энергии активации и обратно пропорциональна абсолютной температуре, так что с понижением температуры лёд приближается по своим свойствам к абсолютно твёрдому телу. В среднем при близкой к таянию температуре текучесть льда в 106 раз выше, чем у горных пород. Благодаря своей текучести лёд не накопляется в одном месте, а в виде ледников постоянно перемещается.

К другим необычным свойствам льда относят и генерацию электромагнитного излучения его растущими кристаллами. Известно, что большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти; они вымораживается. Поэтому даже на самой грязной луже пленка льда чистая и прозрачная. При этом 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.

Так почему же максимальная плотность воды наблюдается при +4°C? Дело в том, что при таянии льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты - обломки структур льда, - состоящих из большего или меньшего числа молекул воды.

Однако в отличит от льда каждый ассоциат существует очень короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других агрегатов. В пустотах таких “ледяных” агрегатов могут размещаться одиночные молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной. Именно поэтому при таянии льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а ее плотность возрастает.

Образование водородных связей приводит к такому расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной – из соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы.

Вода при таянии льда сохраняет температуру 4 °С, пока не растает весь лёд. При этом специфика межмолекулярных взаимодействий, характерная для структуры льда, сохраняется и в талой воде при 4 0С, так как при плавлении кристалла льда разрушается только 15% всех водородных связей в молекуле. Поэтому присущая льду связь каждой молекулы воды с четырьмя соседними молекулами в значительной степени не нарушается, хотя и наблюдается бoльшая размытость кислородной каркасной решетки.

Поэтому вода при 4 0С отличается от обычной изобилием многомолекулярных кластеров, в которых в течение некоторого времени сохраняются рыхлые льдоподобные структуры. После таяния всего льда температура воды повышается и водородные связи внутри кластеров перестают противостоять возрастающим тепловым колебаниям атомов. Размеры кластеров изменяются, и поэтому начинают меняться свойства талой воды: диэлектрическая проницаемость приходит к своему равновесному состоянию через 15-20 минут, вязкость - через 3-6 суток. Биологическая активность такой талой воды спадает, по одним данным, приблизительно за 12-16 часов, по другим - за сутки. Физико-химические свойства талой воды самопроизвольно меняются во времени, приближаясь к свойствам обычной воды: она постепенно как бы "забывает" о том, что еще недавно была льдом.

Однако по мере нагревания воды, обломков структуры льда в ней становится все меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением, так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше 4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность воды снова уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью. При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25 кДж/моль). Этим фактом и объясняется в частности, высокая теплоемкость воды.

Таким образом, увеличение плотности при плавлении, как и в случае плотных модификаций льда, объясняется искривлением водородных связей и отклонением углов между ними от тетраэдрических. Искривление связей увеличивается с ростом температуры и давления, что приводит к возрастанию плотности. С другой стороны, при нагревании средняя длина водородных связей становится больше, в результате чего плотность уменьшается. Совместное действие двух факторов объясняет наличие максимума плотности воды при 4 °С.

Плотность воды является одним из её важнейших свойств. Максимальную плотность пресная вода имеет при 4 С. При этой температуре один килограмм воды занимает минимальный объем. При понижении температуры от 4 0С до 0 С плотность воды уменьшается, т. е. вода с температурой 4 0С находится внизу как более плотная вода, а более холодная вола с низкой плотностью поднимается наверх, где и замерзает, превращаясь в лед. Понятно, почему не работает механизм конвекции: плотность нагреваемой сверху воды уменьшается, она не может опуститься вниз и отдать тепло льду. Плотность льда в свою очередь меньше плотности воды, поэтому лед плавает на поверхности, предохраняя воду от дальнейшего охлаждения.

Если бы ни аномалия плотности воды, т.е. при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать, образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его глубину. При этом формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как наибольшей плотности вода достигает именно при 4 °С, то перемещение ее слоев, вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.

В отличие от пресной воды, морская вода при охлаждении ведет себя иначе. Замерзает она не при 0 0С, а при -1,8-2,1 0С - в зависимости от концентрации растворенных в ней солей. Имеет максимальную плотность не при + 4 0С, а при -3,5 0С. Таким образом, она превращается в лед, не достигая наибольшей плотности. Если вертикальное перемешивание в пресных водоемах прекращается при охлаждении всей массы воды до +4 0С, то в морской воде происходит даже при температуре ниже 0 0С. При этом процесс обмена между верхними и нижними слоями идет непрерывно.

С уважением,
к.х.н. О.В. Мосин

Доброго времени суток. Раньше где-то слышала, что лёд/снег тает при 4 градусах Цельсия. Но теперь не могу найти подтверждения этому факту. Можете дать пояснения, при какой температуре тает лёд в обычных условиях? А при каких условиях тает при 4 градусах Цельсия?

Парадокс плотности воды от +0 до +4 градусов в том что по
моему мнению вода H - O - H на самом деле физически несимметрична, но с химической стороны вроде - бы в норме.
Вроде - бы, но нет.
И это свойство несимметричности на самом деле есть во всех структурах и молекулах с изменением температуры как и в случае с водой.
Эффект Мпемба тоже выглядит необычно в моей температурной модели.

Друзья, это знания 8 класса средней школы, и не нам объяснять, почему вода - это диполь, или почему она замерзает при +4 С. Это вам должны были объяснить ещё в школе. Если не объяснили - вопрос легко находит ответ, стоит только открыть любой учебник или справочник.
Здесь мы стремимся привлечь более компетентную аудиторию, давайте держать соответствующие рамки и не опускаться ниже школьной программы по химии 8 класса, будем выше - раскрывать связи, закономерности и т.д. и т.п.

Друзья, подскажите как приготовить лед с повышенной температурой плавления? Например +15 градусов по Цельсию.

Среда нахождения и пространство обладает структурой. Эта структура есть динамическая решетка эфира. Называя ее "динамической", я подчеркиваю, что она находится в постоянной динамике, ее структурные сегменты (частицы эфироны) находятся в постоянном движении и вращении, называя ее "решеткой", я подчеркиваю, что она есть одно целое, среда, заполняющая все пространство, тот самый эфир, который искали. Та самая магнитная решетка, о которой говорил и говорит Крайон. Официальный научный элемент судит о структуре магнитного поля магнита визуализируя его с помощью метода Фарадея - железных опилок. Для времен Фарадея это было по истине гениальным решением - "увидеть структуру магнитного поля"... Но Фарадей так и не определился с вопросом - "либо силовые линии магнита принадлежат самому магниту, либо силовые линии принадлежат пространству, а магнит просто искривляет эти линии"... С тех пор прошло 200 лет и сегодня для изучения магнитного поля альтернативные ученые применяют магнитную жидкость, которая состоит из тех же самых опилок, но в жидком состоянии. Сегодня альтернативная наука уверенно заявляет: "силовые линии магнитного поля земли лишь искривляются посредством магнита, но не принадлежат ему"... Визуализируя структуру магнитного поля с помощью просто железных опилок, мы получаем двух мерное, ограниченное для изучения изображение, "рисунок", на листе бумаги. Но если визуализировать магнитное поле с помощью магнитной жидкости, мы получим трехмерное изображение этой структуры. Однако, официальная наука, видать из-за недостаточного государственного финансирования так и не смогла приобрести такую жидкость... Может сбросимся по копейке? Мне не жалко на такое дело. В итоге знания официальной науки о структуре магнитного поля остановились на уровне Фарадея и дальше не продвинулись. Да, появились датчики магнитного поля, которые несут некоторые характеристики и информацию о свойствах магнитного (электромагнитного) поля, но не о самом главном - структуре магнитного поля. Если вдруг, официальная наука решится на изучение структуры магнитного поля, она "откроет" для себя много разных и удивительных тайн природы.. Например, что пчелы делают свои соты круглыми, а шестигранниками они становятся уже без пчел под влиянием структуры магнитного поля земли! И главный вывод который их ожидает, что все физические взаимодействия в природе происходят посредством деформации (искривления) структуры магнитного поля вселенной или эфира. Начав изучать эту структуру, они поймут, что никаких "виртуальных частиц", "нейтрино", "фотонов", "гравитонов" не существует... Таким образом для ученых открывается огромная перспектива научного познания... Тот 100 летний "научный тормоз" будет преодолен за считанные годы для того, чтобы вывести Россию в лидеры научного руководства, всемирного "министра образования", который будет определять вектор развития прогресса нашей цивилизации.. Фарадей в своих трудах задавал себе вопрос... "принадлежат ли силовые линии магнита самому магниту или же силовые линии магнита принадлежат среде нахождения магнита"... Чтобы это выяснить, я срочно приобрел микроскоп, магнитную жидкость, настрогал сухих опилок, вооружился батарейками, блоками питания и катушками, обложил себя со всех сторон мультиметрами и всякими справочниками... Налил жидкость и увеличил ее в 20 раз... и я увидел там соты... и в одно мгновение я понял основной принцип.. Мгновенно я провел параллель с пчелиными сотами... потом я начал "применять" этот принцип к физическим явлениям, ячейкам Бенара, снежинкам, кристаллам, фигурам Хладини, ультразвуковой волне... базальтовым структурам, клеткам биологических объектов и прочим сотовым вещам в нашем мире... Сразу всплывают "Платоновы тела"... Теория динамической решетки эфира это перечень физических явлений и объяснение их смысла с позиции основного принципа их формирования, что перво основной средой их формирования является структура среды, т. Е. эфира. Вокруг любого тела на Земле существует "поле", только применительно к магниту мы говорим "магнитное поле", а применительно к живому объекту говорим "биологическое поле", а применительно к планете Земля говорим "гравитационное поле"... а применительно к звуковой волне говорим "звуковая волна"... Меняя его название мы лишь привязываем его к объекту, вокруг которого оно существует, но оно всюду одинаковое и имеет абсолютно одинаковую суть. Представьте себе много разных кораблей, ходящих по морю. Вы же не называете "вода этого корабля" или "вода другого корабля", так и поле для всех тел единое. Т. е. Нет множества разных полей и множества разных частиц, есть одно первородное поле но разного состояния и есть только одна единственная частица - эфирон, частица, которая может принимать бесконечное число своих структурных состояний, являя тем самым многообразие форм и геометрий окружающего нас мира. Большинство выводов электромагнетизма базируются на изначально ошибочном понимании и постулате из учебника о том, что якобы вокруг проводника образуется два поля: магнитное и электромагнитное. Сразу два поля! В то время как на самом деле вдоль и вокруг проводника магнитное поле земли существует всегда, структура которого под действием электричества искривляется в вихревое электромагнитное состояние. Т. е. Вокруг проводника не образуется два поля, а преобразуется одно и которое искривляется! Данный вывод не просто набор слов, а экспериментально подтвержденный факт. Что такое электрическое поле, что такое магнитное поле и что такое электромагнитное поле? Электрическое поле это электрический ток, просто мера изменения состояния частиц среды, как температура и давление - оно не материально. Т. е. Основной факт в том, что электричество или как его ошибочно называют "поле" - не материальная структура, а мера искривления (изменения состояния) материальной структуры Магнитного поле Земли. Электромагнитное поле это изменение структуры магнитного поля Земли в вихревое электромагнитное состояние. Даже тогда, когда Вы скажете: "вихревые токи Фуко", то под "вихревым" нельзя понимать сами "токи", а только материальную структуру электромагнитного поля, которая может быть вихревой и которая всегда снаружи по отношению к самому проводнику. Проводники, сердечники трансформаторов, да и вообще любая среда греются из-за силы трения материальных объектов - частиц эфиронов о материал (среду) сердечника или проводника, вызывая их нагрев. Магнитное поле преобразуется в вихревое электромагнитное состояние так: Структура магнитного поля - "относительно" неподвижные конуса, основание которых соты. Если систему некоторым образом возмутить (деформировать) т. Е. сообщить ей температуру, давление или электрический потенциал, соты преобразуются в вихревое состояние. Параметры вращения структуры, скорости, определяются параметрами самого возмущения. Например при силе тока 100 ампер и напряжении 1 вольт вихри практически стоят на месте их диаметр 0, 1 мм, но частота их вращения огромна. Поэтому они "трутся" создавая трение и образец нагревается. (индукционный нагрев). Повышая же напряжение системы мы будем увеличивать размер вихрей до образования так называемой "зоны ионизации", внутри которой могут зажигаться газовые лампы. Т. е. Меняя параметры возмущения мы будем менять скорость движения, частоту вращения, размер и геометрию самих вихрей. Вернемся к понятию "относительность", рассмотрев следующую аналогию. Известно, что при нагревании воды ее частицы начинают быстрее вращаться и двигаться. Вопрос: Частицы начали двигаться с нулевой скорости или они продолжили увеличивать свою скорость так, что для наблюдателя стало заметно отличие и он заключил: "частицы начали увеличивать скорость" ? Т. е. "нулевая скорость" или как говорят "нулевые колебания" - нулевые только относительно наблюдателя процесса, относительно скажем солнца они движутся и вращаются, но для наблюдателя они кажутся неподвижными! Т. е. Частицы наблюдателя и частицы спокойной воды колеблются с одинаковыми скоростями, и когда воду нагревают ее частицы не начинают двигаться, а лишь увеличивают свою скорость так, что становится заметно отличие. То же самое происходит и с частицами магнитного поля, которые в состоянии "нулевых колебаний" имеют сотовую структуру т. Е. нулевое, неподвижное относительно наблюдателя состояние. Как только мы сообщим возмущение системе, соты преобразуются в вихревые локальные структуры. Теория динамической решетки эфира имеет ясный, понятный и главное - визуализированный объект изучения - эфирон. Из экспериментов ясно, что он способен менять свою структуру, масштаб, частоту вращения, направление вращения, длину, ширину..

Красиво конечно, но, пока не подтверждено экспериментально - гуманоиды больше не наливать)

Да, кстати... Вода не замерзает при +4. Никогда.
Она даже при 0 замерзает не сразу, так как происходит процесс отдачи тепла в окружающую среду с градиентом понижения температуры поверхности, пропорциональным площади поверхности и глубине водоёма. И это имеет достаточно сложную характеристику переходного процесса. Но то, что при +4С вода имеет наибольшую плотность - да.

Не за горами новый сезон зимней рыбалки со льда. Стремление рыболовов как можно раньше попасть на лед понятно, — это всегда море эмоций, азарта и высокая активность рыбы. Однако, прежде чем ступить на неокрепший лед, необходимо знать и соблюдать элементарные , и , если случилась неприятность.

Кто хоть раз испытывал счастье проложить первую в сезоне тропку по молодому хрусткому ледку, едва прикрытому девственно чистой порошей, тот с неизменным душевным трепетом ожидает этого события вновь и вновь, с затаенной надеждой пробуя ломкую корочку на лужах после осеннего утренника…

Но рано или поздно томительное ожидание заканчивается, праздник наступает, и тогда тысячи рыболовов устремляются к своим заветным местам, ориентируясь в белом безмолвии по хранящимся в памяти приметам. Но всегда ли надежна дорога над таинственным сумраком глубокой воды, где жизнь, не нарушаемая плеском волн, впала в дремотное состояние?

Безопасная рыбалка на льду

Безопасность движения по льду зависит от целого набора факторов, которые необходимо учитывать рыболову-зимнику, и связаны они с характером эволюции ледового покрытия, типом водоема, климатическими условиями, сложившимися данной зимой.

Сегодня мы поговорим о том, каковы глобальные предпосылки образования льда того или иного типа, поскольку именно они и определяют тактику безопасного поведения на нем.

Прежде всего, период ледостава можно условно разделить на три основные стадии: перволедье, матерый лед и последний лед .

Часто (даже в средней полосе России, не говоря уж о более южных регионах) бывает так, что наблюдается по нескольку коротких периодов образования временного ледового покрытия, которое, не достигнув достаточной прочности, размывается затем дождями, ослабляется сырыми туманами и разбивается ветром.

В такие моменты наиболее часты трагические случаи, происходящие с безрассудными рыболовами, у которых не хватает выдержки потерпеть неделю-другую. В подобной ситуации лучше не спешить, поумерить душевный пыл и посвятить время выдавшегося межсезонья тщательной подготовке зимних рыболовных принадлежностей или продлить весьма эффективную позднее-осеннюю спиннинговую охоту на больших реках, где нет еще и закраин.

Перволедье

Этот период может быть и очень коротким (одна-две морозные тихие ночи), и достаточно продолжительным и, как сказано выше, временами прерывающимся. Перволедье также условно разделяется на некие фазы: перволедок (тонкий, но уже не разрушающийся ледок), крепкий хотя бы местами лед и надежный лед (сплошь покрывший некоторые водоемы и везде пригодный для рыбалки). Ясно, что не только на разных водоемах, но даже на одном и том же эти фазы разнятся по времени и по акватории, причем порой значительно, поэтому, планируя первые ледовые походы, вы должны хорошо представлять, что происходит на том или ином водоеме. Такие знания даются только благодаря ежегодным наблюдениям, тщательно заносимым в рыболовный дневник.

Все сказанное при первом прочтении может показаться вам излишней перестраховкой, но автор этих строк многократно оказывался свидетелем превращения чрезмерно самоуверенных рыболовов в некое подобие ледоколов, ломавших руками лед до самого берега, а помочь им было нельзя, поскольку на тонкий лед выбраться, да еще в тяжелой намокшей одежде, практически невозможно.

И хорошее знание водоема, избранного для рыбалки по первому льду, необходимо хотя бы для того, чтобы помнить, где на нем глубина не выше роста человека или где с глубокого места соискатель звания «моржа» может быстро выйти на отмель, идущую к берегу…

Образование льда

Как же возникает такое чудесное явление природы - образование на поверхности воды льда? Если кратко, то благодаря конвективному теплообмену между двумя средами, водой и воздухом, происходящему на границе раздела. А подробнее это выглядит примерно так: вода, являясь весьма емким аккумулятором тепла, к концу летнего сезона оказывается гораздо более нагретой, чем атмосфера вблизи поверхности земли. Воздух как менее плотный, а потому не такой энергоемкий, быстро остывает из-за ставших длинными ночей и удаления планеты от светила с изменением интенсивности и наклона солнечных лучей к поверхности. И чем ниже опускается температура воздуха, тем быстрее происходит теплообмен с водой.

Когда поверхностный слой воды охладится до температуры +4°, при которой эта жидкость скачком становится максимально плотной, она, практически не перемешиваясь, опустится вниз, вытесняя вверх теплую и более легкую воду. Таким образом происходит вертикальная циркуляция и очень медленное перемешивание всей толщи воды.

Этот процесс конвекции постепенно затухает по мере приближения температуры к 4°, но совсем никогда не прекращается — донные слои постоянно получают тепло от ложа водоема, которое зимой всегда несколько теплее воды (иначе бы водоемы промерзли до дна, и лед бы нарастал и сверху, и снизу, что обычно происходит в зонах с вечной мерзлотой).

Когда основная масса воды примет температуру 4°, начинается ее дальнейшее охлаждение до 0° — это точка перехода дистиллированной воды в кристаллическое состояние, то есть точка замерзания. Переохлаждение ниже 0° приводит к образованию льда.

В реальности в различных водоемах вода представляет собой некий раствор из солей и микро-взвесей, отличающийся по составу, что обычно снижает температуру льдообразования, и для разных водоемов эта температура неодинаковая.

Опять же, идеальной картины замерзания воды в природе не бывает, и лед каждый год встает по-разному — это зависит от погоды, которой этот процесс сопровождается, а также от типа водоема: большой он или маленький, глубокий или мелкий, с течением или стоячий.

На характер льдообразования влияют также колебания уровня воды в этот период и продолжающееся кое-где судоходство.

Если ледостав происходит в тихую морозную погоду, то лед практически равномерно покрывает весь водоем, нарастая от берегов, и прежде всего в местах мелководий.

Когда процесс становления льда сопровождается сильным ветром, то образование ледяного покрова на открытых пространствах больших водоемов задерживается надолго — крутые волны ломают и уносят непрочный, тонкий перволедок и сбивают его к подветренному берегу, где при достаточно сильном морозе, быстро схватывающем этот хрупкий строительный материал, может образоваться весьма толстая, но менее прочная, чем сплошной лед, широкая закраина.

Другая закраина из монолитного льда будет расти от наветренного берега, и чем круче, выше этот берег, тем шире прозрачный отмосток ляжет на воду.

При стихании ветра, если не случится внезапной оттепели, эти две закраины быстро соединятся, так как хорошо перемешанная и охлажденная вода будет готова к замерзанию. Однако рыболову еще долго следует помнить: где лед встал вначале — там он толще и прочнее.

Понятно, что над большими глубинами, где масса воды велика, охлаждаться она будет дольше, и образование льда наступит позже, чем на мелких местах. Такая же закономерность существует при ледоставе на обширных или небольших водоемах.

На реках свои особенности льдообразования: из-за течения вода постоянно перемешивается по всему объему, и переохлаждение наступает для всей движущейся массы, на что нужно дополнительное время, поэтому лед на реке встает несколько позже, чем на водоемах со стоячей водой. Однако вода в реках подо льдом в целом холоднее, чем на озерах и водохранилищах, и как это ни парадоксально, дальнейший прирост льда на реке идет быстрее.

Показательным примером того, что вода в реке зимой холоднее, чем в стоячем водоеме, будет следующий простой эксперимент: окунув несколько раз грузило в воду и наморозив на нем ледяную «рубашку», опустите его затем, допустим, на глубину 5 метров в озере — лед растет через минуту-другую. На реке тот же опыт покажет, что грузило останется оледеневшим до часа и более, — это говорит о том, что температура всей толщи воды на течении близка к 0°.

Разумеется, на сильном течении лед встает позже, чем на слабом. К тому же в начале зимы на реках бывают ощутимые и достаточно резкие колебания уровня воды. Обычно наблюдается его падение, связанное с уменьшением стока притоков из-за замерзания поверхностных грунтовых вод.

Например, на Оке это ведет к тому, что тонкий лед обламывается по берегам и течение уносит всю массу перволедка. Движущиеся льдины скапливаются в местах с обратным течением за мысами и на стрелках сбоя струй, а также на границе, где быстрый поток вливается в медленно текущий плес.

Во всех таких характерных местах образуются затем торосы, достигающие порой толщины до 3 метров, — они всю зиму служат хорошим ориентиром для рыболовов при поиске рыбьих стоянок, поскольку подводные обитатели скапливаются вблизи подобных «особенностей» поведения речного потока.

Прочность льда

Важнейшей характеристикой льда является его прочность, которую в реальных условиях нельзя считать константой, поскольку этот показатель сильно зависит от вида и структуры льда, его температуры и толщины.

Бывает, начало зимы сопровождается частым прохождением циклонов, выпадают осадки в виде дождя или мокрого снега, и лед намерзает в несколько этапов в короткие морозные просветы между погодными фронтами. При этом его толща нарастает как снизу, так и сверху за счет смерзания выпавшего снега или находящейся на его поверхности воды.

Такой лед получается мутным, многослойным, и следует иметь в виду, что он примерно в два раза слабее прозрачного, как стекло, льда, поэтому выходить на него надо, когда он достигнет двойной безопасной толщины, то есть около 10 см.

Это важно знать по той причине, что рыболовы, как правило, стремятся на участки с подобным ледовым покрытием, так как здесь обычно скапливается рыба и клюет она в таких местах гораздо лучше.

Как уже отмечалось, наиболее прочен чистый прозрачный лед, образовавшийся от замерзания поверхностного слоя воды, но рыбачить с него имеет смысл лишь над большой глубиной, где низка освещенность и рыба не пуглива. Поэтому безопасным он будет при достижении толщины не менее 5 см — тогда он надежно выдерживает одного человека.

Прочность ледяного покрова линейно увеличивается с ростом толщины льда и с понижением его температуры, однако температура льда по толщине различна: вверху она равна атмосферной, а внизу — соответствует точке замерзания воды, то есть около 0°. А поскольку температурный коэффициент линейного расширения льда огромен (например, в пять раз больше, чем у железа) и всем известно, как разрываются прочные сосуды с замерзшей водой, то становится понятно, что аналогичные процессы сопровождают ледяной покров по мере роста его толщины: имеющие разную температуру слои испытывают расширяющие нагрузки как поперечного, так и продольного направления.

Именно поэтому при значительных морозах лед лопается с оглушительным, «пушечным» грохотом, и по нему разбегаются длинные трещины, имеющие замысловатую форму (рис.1).

Однако хаотичность трещин на поверхности льда только кажущаяся, если помнить о механизме льдообразования: прежде всего в начале зимы, когда лед еще не везде одинаков по толщине, напряжения проявляются по границам стыковки толстого и тонкого ледового покрова, то есть там, где мелководье резко переходит в глубину. Опытные рыболовы-зимники давно знают, что бровки, где держится рыба, следует искать по старым и широким, идущим обычно параллельно основному руслу трещинам (рис.2).

При этом глубокая сторона водоема будет определяться по близко располагающейся к обычно крутому берегу трещине, и наоборот.

Думается, практический интерес для рыболовов будет представлять примерный суточный ход прироста льда в зависимости от температуры воздуха и уже имеющейся его толщины.

Такие данные сведены в таблицу, они позволяют прогнозировать состояние льда накануне выхода на рыбалку. Это, конечно, идеальная картина, не учитывающая снежного покрова на поверхности льда.

Известно, что теплопроводность (в данном случае — холодопроводность) снега до 30 раз меньше, чем у льда (все зависит от рыхлости снега), поэтому при снегопадах надо вносить в расчеты соответствующую поправку.

Важно научиться понимать по виду первого, еще непрочного льда, как он реагирует на нагрузку. Знающие рыболовы говорят, что первый лед не обманет, не предаст, а вовремя подскажет об опасности звуком и рисунком трещин, надо только уметь видеть и слышать .

Приложенная к тонкому льду точечная нагрузка вызывает его деформацию в форме чаши, объем которой гипотетически соответствует объему воды, по весу равному массе, вызвавшей прогиб нагрузки (рис.3).

При малом грузе происходит упругая деформация льда и чаша прогиба расширяется по периметру. Если нагрузка будет выше предела упругости, то начнется пластическая деформация льда, и «чаша» станет быстрее увеличиваться в глубину, чем в ширину, — это начало разрушения (нарушение сплошности) льда.

Об упругих свойствах льда говорят следующие количественные данные. Если рассматривать прозрачный, наиболее прочный лед, то при центральном прогибе его в 5 см трещин на нем не образуется; прогиб в 9 см ведет к усиленному образованию трещин, прогиб в 12 см вызывает сквозное растрескивание, при 15 см лед проваливается. Трещины под действием нагрузок возникают двух типов: радиальные (рис.4,а) и концентрические (рис.4,б).

При движении по непрочному льду необходимо обращать особое внимание вот на что: если возникают концентрические трещины, сопровождаемые характерным скрипящим звуком, нужно немедленно скользящим шагом покинуть опасный участок, в особо критической ситуации лучше лечь на лед и отползти в обратном направлении.

Также нелишне вспомнить и другие правила поведения на тонком льду:

• ни в коем случае не ходить по нему гуськом, иначе радиальные трещины на «дороге» быстро прирастут концентрическими;
• не выходить на лед в одиночку;
• проверять каждый шаг на льду остроконечной пешней, но не бить ею лед перед собой — лучше сбоку;
• не подходить к другим рыболовам ближе чем на 3 метра;
• не приближаться к тем местам, где во льду имеются вмерзшие коряги, водоросли, воздушные пузыри;
• не следует ходить рядом с трещиной или по участку льда, отделенному от основного массива несколькими трещинами;
• необходимо быстро покинуть опасное место, если из пробитой лунки начинает бить фонтаном вода;
• не передвигаться по тонкому льду на коньках;
• обязательно иметь с собой средства спасения: шнур с грузом на конце, длинную жердь, широкую доску;
• ни в коем случае не совмещать рыбалку по первому льду с возлияниями: только теплое «море по колено», в ледяной воде долго не продержаться.

Матерый лед

Зима берет свое и, несмотря на погодные коллизии, вскоре все водоемы покрываются льдом, толщина которого в малоснежные и морозные зимы в средней полосе России достигает 1 метра и более. Это самый спокойный (в смысле безопасности) период зимней рыбалки, хотя и здесь рыболова могут подстерегать весьма неприятные неожиданности.

Прежде всего, ухо востро надо держать на реках, когда лед покроется толстым слоем снега, перекрыв доступ холода ко льду, а текущая вода медленно, но верно, начнет истачивать его снизу. Быстрее всего промоины образуются там, где струи, завихряясь над преградами, бьют вверх, над выходом родниковых вод или в местах впадения теплых бытовых стоков.

Обычно расположение подобных участков каждый год неизменно и их просто следует хорошо помнить. На незнакомой реке лучше ходить по торным тропкам, а нехоженые участки проверять частым сверлением пробных лунок — хотя это и утомительно, но оправданно.

Однажды в середине зимы и после сильных морозов я быстро шел по реке, приближаясь к участку с быстрым течением. Ледобур был разложен, но уверенность в прочности льда преобладала над осторожностью. В ледяной воде оказался мгновенно, не ощутив никакого сопротивления. А разорванная (через толстую рукавицу) кожа между большим и указательным пальцем и слегка погнутый шнек красноречиво свидетельствовали о том, что спас меня ледобур, вставший поперек манны с бурлящей черной водой. Оказывается, промоину прикрывала лишь смерзшаяся снизу непрочная корка из снега…

При рыбалке на стоячих водоемах, особенно на водохранилищах, где идет постоянный сброс воды, следует помнить, что лед здесь время от времени обламывается около берегов. Если на мелководье он ложится на грунт, то у крутых берегов могут возникнуть участки незамерзшей воды, лишь прикрытой наметенным снегом (рис.5), куда вы можете совсем неожиданно попасть, испортив себе рыбалку.

Неприятна также ситуация, когда вы оказываетесь на просторах большого водоема в районе с водяной ванной, скрытой толстым слоем мокрого снега. Образуются такие ванны как раз в тех местах, где лед тонок: после затяжных снегопадов он не выдерживает массы снега, лопается с образованием сквозных трещин, в которые поступает вода в количестве, равном весу нагрузки (рис.6). И без того тонкий и пропитанный теперь водой лед перестает намерзать и становится весьма опасным, особенно ближе к весне.

Также следует помнить, что на водохранилищах, особенно Волжского каскада, уже к середине зимы из-за сброса воды настолько усиливается течение, что возникают огромные промоины, первое время прикрытые тонким, еще не размытым льдом. Пешня в этой ситуации должна дополнять ледобур, а обратную дорогу нужно проверять несколько раз за день.

Последний лед

Этот период в эволюции льда наступает, когда весной среднесуточная температура воздуха становится близкой к 0°, то есть начинается таяние снега и появляются талые воды. В первое время лед становится опасным у берегов, где снег сходит быстрее, чем на льду. Ручейки талой воды, стекая в водоем, подмывают край льда, а тепло, исходящее от нагретой земли, еще больше способствует процессу разрушения ледовой кромки.

Кажущаяся прочность прибрежного льда после утреннего заморозка обманчива — с солнечным обогревом он может не отпустить рыболовов обратно, поэтому выход на берег надо приготовить заранее, прихватив на лед длинные жерди или доски. Желательно, чтобы выход был на мелководье, и лучше на той стороне, где лед во второй половине дня окажется в тени от леса или высокого берега. Пройдет еще некоторое время, и у берега образуются широкие разводья, причиной которых будут разрушение припая и прибыль воды в водоеме. Хотя основной лед останется еще достаточно надежным, но выбираться на него без лодки неразумно.

Основной массив льда разрушается поэтапно: когда среднесуточная температура воздуха перевалит за плюсовую отметку, то на поверхности ледового покрытия начнет интенсивно таять снег, и этот процесс будет ускоряться ветрами, сырыми туманами и дождями. Поверхностная вода впитывается в лед, нарушая его монолитную структуру, вызывая распадение льда на отдельные, стоящие вертикально кристаллы (игольчатая структура), и связь между этими элементами постепенно ослабевает. Одновременно лед подтаивает и снизу. По этим причинам весенний лед коварен: утратив упругие свойства монолита, он не затрещит предупреждающе, как в перволедье, а с предательским шипящим звуком вдруг неожиданно распадется под ногами неосторожного рыболова.

Особенно опасен лед там, где всю зиму под снегом стояла вода, — эти лужи видны и на последнем, бесснежном льду, и такие места надо обходить стороной. Лучше по последнему льду передвигаться по старым зимним тропкам (они выделяются на его поверхности) и рыбачить на «насиженных» местах — здесь лед толще и лучше проморожен за зиму.

Ни в коем случае нельзя собираться большими группами, в кучи, «обрубая» удачливого собрата, — коллективные купели, как правило, заканчиваются трагически.

Спасать провалившегося на весеннем льду надо осмысленно, ни в коем случае не подходя близко к образовавшейся майне: следует подбираться к ней ползком, надвигая впереди себя длинный шест или доску, или бросить утопающему с безопасного расстояния конец толстой веревки с широкой петлей, которую тот набросит на себя. Впрочем, все зависит от состояния «купающегося», замерзнув, он может впасть в шоковое состояние, но еще держаться на плаву. Тогда надо действовать предельно быстро, и без надувной лодки тут не обойтись.

Физически сильному человеку, попавшему в неприятную ситуацию, помогут специальные «спасалки» — устройства, похожие на толстое шило и висящие на шнурах на рыболовной одежде. Воткнув их в край льда, можно подтянуться и выбраться из воды. Однако эти хорошие средства спасения малопригодны на слишком рыхлом весеннем и на молодом тонком льду.

Чтобы неприятность не случилась, надо всегда трезво оценивать, когда рыбалку со льда лучше оставить до следующего сезона и перейти к ужению в проводку на малых реках.

На реках, еще скованных ледовым панцирем, на лед не следует выходить, когда обозначилась заметная прибыль воды, а рыбалку лучше продолжить на стоячих водоемах, притом больших, медленно реагирующих на подъем уровня. Здесь сигналом к окончательному уходу на берег станет прилет чибисов и чаек, а иногда и трясогузок.

В народе говорят: «Трясогузка хвостом лед разбивает». После прилета этой шустрой птички, деловито бегающей по льду и собирающей первых весенних насекомых, можно с уверенностью сказать, что до распадения льда осталось не более недели.

Хочется верить, что читатели не посчитают эту статью всего лишь предупреждением, что лед может быть опасен на всех этапах его становления. Надеюсь, что она добавила им знаний об этом замечательном феномене и помогла стать ледяному помосту надежным другом для всех увлеченных рыбалкой.

А. Маилков «Рыболов — Elite № 06 — 1999 г.»