/
Автор: Мэно Н.
Теги: свойства и структура молекулярных систем физика теплофизика издательство мир наука о льоде
ISBN: 5-03-000561-2
Год: 1988
Текст
Издательство «Мир»
Ж О
Н. Маэно
Перевод с японского
А. И. Леонова
под редакцией д-ра физ.-мат. наук
В. Ф. Петренко
Москва «-Мир-» 1988
ББК 22.37
М 38
УДК 539.2
Маэно Н.
М38 Наука о льде: Пер. с яп. — М.: Мир, 1988.—
231 с., ил.
ISBN 5-03-000561-2
В книге известного японского физика просто и доступно изла-
гаются современные сведения по физике, химии н механике льда.
Рассказывается о круговороте воды в природе, о переносе солнечной
энергии и формировании климата Земли, о чудесных свойствах льда,
возникающих из-за квазнжндкой структуры его поверхности, об от-
крытиях огромных масс льда во Вселенной.
Для широкого круга читателей, интересующихся современным
состоянием знаний по фнзнке, химии и механике льда.
м
1704060000 — 125
041(01) —88
78 — 88, ч. 1
ББК 22.37
Редакция литературы по физике и астрономии
© 1981 Маэно Норикадзу
© перевод на русский язык, «Мир»,
ISBN 5-03-000561-2 (СССР) 1988
Предисловие редактора перевода
Автор книги Норикадзу Маэно — профессор уни-
верситета о. Хоккайдо, заведующий отделом Инсти-
тута низкотемпературных исследований — широко
известен за рубежом своими работами по физике и ме-
ханике льда и снега.
Лед и снег занимают значительную часть поверх-
ности Земли и существенно влияют на климат плане-
ты и на условия хозяйственной деятельности человека.
В последние годы во всем мире расширяются иссле-
дования по физике, химии и механике льда с привле-
чением современных методов, заимствованных из
физики твердого тела, квантовой химии, машинного
моделирования и т. д. Увеличение объема таких иссле-
дований, конечно же, имеет свои причины, например
такие:
1) человек в своей промышленной и сельскохо-
зяйственной деятельности — разведка и добыча неф-
ти и газа, прокладка трубопроводов и транспортных
магистралей, освоение территории — все более про-
никает в холодные и полярные районы;
2) существует судоходство (и требуется его раз-
витие) на акваториях с постоянным ледовым покро-
вом или с дрейфующими льдами;
3) полярные районы — районы активного интере-
са военных;
4) во Вселенной, в том числе и в Солнечной си-
стеме, обнаружены огромные массы льда;
5) разведаны огромные запасы топлива в виде
твердых льдообразных гидратов природного газа;
6) как обнаружено в последние 20 лет, лед обла-
дает уникальными физическими свойствами — значи-
тельная протонная проводимость, квазижидкий по-
верхностный слой, необычные пластические свойства,
полностью разупорядоченная водородная подрешетка
и т. д.
Новые проблемы, возникающие при исследовании
льда, требуют подготовки новых специалистов.
Этой цели и посвящена книга профессора Маэно,
6
Предисловие редактора перевода
рассчитанная на студентов, аспирантов, инженеров и
научных работников, так или иначе имеющих дело со
льдом и снегом в их многочисленных формах. Главная
цель книги — дать широкий спектр современных зна-
ний по физике, химии и механике льда и сделать это
на простом и доступном языке.
В гл. 1 и 2 рассказывается о роли льда и снега в
круговороте воды в природе, в переносе солнечной
энергии и формировании климата и климатических
эпох Земли, о роли льда и снега в жизнедеятельности
человека. В гл. 3 и 4 описывается атомная структура
обыкновенного гексагонального льда и его физиче-
ские свойства — электрические, оптические, упруго-
пластические.
Гл. 5 посвящена необычным свойствам поверхно-
сти льда, ее квазижидкой структуре, определяющей
большую электропроводность вдоль поверхности,
скольжение по льду и чудо льда — его «перезамерза-
ние», т. е. исчезновение следа после разрезания. Не-
обычные свойства поверхности льда определяют и
процесс «спекания» снега в ледяную, массу и, следо-
вательно, формирование ледников. В гл. 6 приводят-
ся сведения о структуре и физических свойствах
многочисленных форм льда (в частности, тех, что су-
ществуют при высоких давлениях), а также о клеточ-
ных льдах — клатратах. В гл. 7 рассказывается об
открытиях огромных масс льда во Вселенной, сделан-
ных в последние годы с помощью автоматических
космических аппаратов.
В целом по широте рассматриваемых вопросов и
уровню изложения книга Маэно не имеет аналогов в
современной научной литературе. В нашей стране,
которая на громадном протяжении примыкает к Се-
верному Ледовитому океану, огромные территории
которой бывают надолго покрыты льдами и снегом и
находятся в зоне вечной мерзлоты, в стране, которой
еще предстоит хозяйственное освоение зоны БАМа,
проходящего по этой вечной мерзлоте, книга Маэно,
по-видимому, найдет широкий круг читателей.
В. Ф. Петренко
Предисловие
В странах, которые подобно Японии тянутся с Се-
вера на Юг на большие расстояния, вероятно, можно
встретить людей, ни разу не видевших снега, но вряд
ли сыщется человек, не видевший льда. В наше вре-
мя можно без труда получить лед в домашних усло-
виях и его кристаллы всем хорошо знакомы.
Однако, как это ни парадоксально, настоящее по-
нимание того, что собой представляет лед, отсутству-
ет. Большинство людей видит в нем только затвердев-
шую воду, о структуре же и свойствах льда им почти
ничего неизвестно.
Когда речь идет о жителях южных стран, этому
можно не удивляться, но та же картина наблюдается
и в северных странах. На Севере с наступлением
зимы горы, реки, крыши домов и дороги — все по-
крывается снегом и льдом. Живя в таких условиях,
начинаешь воспринимать лед как нечто совершенно
обычное — как воздух, как воду. Интерес к нему исче-
зает и даже появляется ложное ощущение, будто хо-
рошо знаешь, что это такое. Зачастую в школьных
учебниках младших, средних и старших классов во-
обще не встречается слово «лед», но если даже оно
попадается, скорее всего дело ограничивается, в луч-
шем случае, отрывочными сведениями о том, что вода
при замерзании превращается в лед, что лед не тонет
в воде и что для плавления льда необходимо 80 ка-
лорий тепла на грамм. К сожалению, не существует
учебников, в которых на серьезном уровне и долж-
ным образом были бы освещены вопросы, касающие-
ся сложности и многообразия форм льда, его поисти-
не незаменимой роли в поддержании жизни человека
на Земле.
Правда, среди множества книг, заполняющих при-
лавки книжных магазинов, нередко можно отыскать
8
П редисловие
и книги о льде. Чаще всего — это написанные в нача-
ле века английскими физиками учебники, которые
дают представление о некоторых свойствах льда.
Если же вам попадутся современные книги, в боль-
шинстве случаев их содержание будет точь-в-точь
повторять сказанное в тех давнишних учебниках.
Кроме того, авторы таких книг часто говорят о льде,
даже не подержав его в руках, переписывают вычи-
танное у других. В результате сплошь и рядом изло-
жение страдает неточностью, содержит ошибки. Не
является исключением и замечательная японская
энциклопедия.
Таким образом, хотя множество людей видело
лед, хотя о нем много писалось в книгах и статьях,
вопрос о том, что же такое лед, и по сей день остает-
ся практически без ответа. Более того, бытует оши-
бочное мнение о том, что лед — самое простое и по-
нятное из веществ. Подобные представления о льде
можно сравнивать с японскими трагедиями хигэки,
персонажи которых лишены индивидуальной сложно-
сти и определяются лишь какой-то одной чертой ха-
рактера.
Работая над «Наукой о льде», автор стремился
развенчать накопившиеся к сегодняшнему дню вы-
мыслы и упрощенные представления об этом веще-
стве. Чтобы достичь поставленной цели, решено было
включить в предлагаемую читателям книгу как мож-
но более широкий круг вопросов: начать с микроско-
пической структуры льда и довести изложение до
рассказа о гигантских скоплениях льда антарктиче-
ского и космического.
Автор стремился к тому, чтобы книга воспринима-
лась не сложнее, чем учебник физики для старших
классов, и не включил в нее ни единой формулы, од-
нако было сделано все, чтобы избежать чрезмерного
упрощения, характерного для научно-популярных
брошюр.
Кроме того, автор отказался от объяснений «на
пальцах», когда они фактически не имеют отношения
к предмету разговора, но могли бы создать у читате-
лей ощущение, будто им все понятно. Автор старался
Предисловие
9
также по возможности избегать специальных терми-
нов, за исключением тех мест, где не употребить их
было нельзя. Однако во всех таких случаях даются
соответствующие объяснения, и поэтому трудностей
при чтении книги возникнуть не должно.
В четвертой и пятой главах речь идет о микро-
структуре льда и, в частности, об атомах водорода,
что, по-видимому, некоторым покажется сложным
для восприятия. Эти читатели могут ограничиться
беглым просмотром указанных глав, и будет доста-
точно, если, разобравшись в том, что на самом деле
структуру льда создает главным образом водород, а
не кислород, они продолжат чтение дальше.
Хотелось бы, впрочем, чтобы студенты, будущая
научная или практическая деятельность которых в
той или иной мере будет связана с гляциологией, не
спеша, добросовестно проработали этот материал,
поскольку предполагается, что чтение данной книги
должно стать первым шагом для тех, кто приступает
к изучению льда.
В книге читатели найдут максимально точное
(насколько это было возможно) и вместе с тем лег-
кое для восприятия изложение всех вопросов, отно-
сящихся к науке о льде, сведения о котором до сих
пор можно было почерпнуть лишь в разрозненном
виде. Автор будет бесконечно рад, если его книга по-
может хоть немного пониманию того, что собой пред-
ставляет лед в действительности, и если благодаря
ей хотя бы еще один человек увлечется *> льдом, по-
скольку, по глубокому убеждению автора, наука о
льде таит в себе один из тех ключей, овладение кото-
рыми сделает возможным нескончаемо долгое суще<
ствование нашей неповторимой планеты, а значит, и
человечества.
Автор посвящает эту книгу памяти своего друга
Касаи Тосиюки, которого уже 13 лет нет в живых.
Июль 1980 г. Маэно Норикадзу
В японском языке глагол «айсуру» (любить, увлекаться)
созвучен заимствованному из английского существительному «ай-
су» (лед), что создает в оригинале игру слов.—Прим, перев..
Глава 1
Лед и человек
Летний лед
С давних времен в японском языке бытуют вы-
ражения: «острый, как ледяной меч», «прозрачный, как
ледяная одежда», «холодный, как ледяной родник».
В летнюю жару лед создает прохладу и возвра-
щает бодрость. В эту пору невозможно обойтись без
мелко наколотого льда, на который разбивают про-
зрачные глыбы (рис. 1.1), без вынутой изо льда бу-
тылки с прохладительным напитком, без бокала on
the rock.
Запасать лед, чтобы в зной наслаждаться прохла-
дой, повелось еще в хэйанскую эпохуЧ В главе
«Мотыльки» из «Повести о блистательном принце
Гэндзи» можно найти описание сценки, происходив-
шей в конце знойного летнего дня во дворцовых по-
коях, которую случайно подсмотрел Каору сквозь
узкую щелку не до конца задвинутой перегородки
фусума. Весь рассказ занял бы здесь слишком много
места, поэтому приведем из него только отрывок.
«...Смеялись три фрейлины, разложившие повсюду
наколотый лед и теперь радовавшиеся, как дети. На
них не было ни парадных верхних платьев карагину,
ни легких кадзами, и они нисколько не заботились о
том, как выглядят. Вряд ли им приходило в голову
подумать, что рядом сама принцесса. А она, в ондзо
из белой тонкой ткани, смотрела на смеющихся, со
льдом в руках, фрейлин, и лицо ее, озаренное тонкой
улыбкой, в этот момент было прекрасно. День стоял
нестерпимо жаркий. Видно поэтому собирать волосы
в прическу принцессе не хотелось, и она распустила
их, слегка отодвинув со лба. Это было необыкновен-
но красиво!
794—1192 гг.— Прим, перев.
Лед и человек
11
Рис. 1.1. Лед, создающий про-
хладу.
Наконец, игравшие льдом женщины раскололи
его, и у каждой в руке оказалось по осколку. Тогда
они стали укладывать льдинки на голову, прижимать
к груди и вообще вести себя самым неописуемым об-
разом. Потом, обернув лед бумагой, они приблизи-
лись к принцессе. Та протянула свою изумительной
красоты руку и повелела провести по ней льдом.
«Не можем исполнить повеления Вашего высочест-
ва,— отвечали чуть слышно фрейлины,— он совсем
растаял и стал таким скользким, что не удержишь.»
В голосе их звучала бесконечная радость». (Цитиру-
ется по изданию 1973 г., перевод на современный
японский Танидзаки Дзюнъитиро [1].)
Можно только восхищаться тем, как нарисованы
хэйанские женщины, радующиеся льду каждая по-
своему. Особенно зачаровывает их по-природному
безыскусная игра со льдинками. Сняв роскошные
одежды и позабыв о гриме, женщины раскалывают
лед и прижимают его к телу. Насколько они в этот
момент прекраснее, чем в любых самых изысканных
платьях и гриме! Мурасаки Сикибу нередко, уделив
лишь немного места описанию светской роскоши, пе-
реходит к рассказу о закулисной жизни дворца, и
всякий раз, когда это происходит, ей удается наибо-
лее глубоко проникнуть в суть явлений. Сэй Сёнагон,
жившая в ту же эпоху, пишет о льде несколько ина-
че. Вот как звучит сорок второй дан «Записок у из-
головья», в котором перечисляется то, что утонченно
красиво: «Белая накидка, подбитая белым, поверх
бледно-лилового платья. Яйца дикого гуся. Амадзура
с мелко наколотым льдом в новой металлической
чашке. Четки из хрусталя. Цветы глицинии. Осыпанный
12
Глава 1
снегом сливовый цвет. Миловидный ребенок, ко-
торый ест землянику»
Амадзура — это сироп, сваренный из листьев и
сока сладкой лозы. С мелко наколотым льдом амад-
зура превосходна и приносит изысканное наслажде-
ние. Нельзя не признать, что перечисление Сэй Сё-
нагон звучит утонченно и ярко. Ее восприятие вещей,
вероятно, можно назвать зрительным или внешним.
Сопоставляя видение льда Мурасаки Сикибу и Сэй
Сёнагон, можно обнаружить, насколько противопо-
ложны их характеры.
Еще в глубокой древности японцы смотрели на
лед как на источник наслаждения. Так, в японской
летописи «Нихон сёки» говорится, что в царствова-
ния справедливых императоров подданные до лета
хранили лед в погребах, чтобы поднести его госуда-
рю. Этот обычай существовал и в эпоху Эдо* 2).
В провинциях Kara и Суруга отмечали праздник
Подношения льда, во время которого лед отправляли
в дар правительству сёгуна.
Сказанное выше относилось исключительно к лет-
нему льду, который не приносит человеку вреда и
который можно назвать положительным. В «Записках
у изголовья» встречаются и описания снежных зим-
них пейзажей, но Сэй Сёнагон и в таких случаях ри-
сует страну с мягким климатом, ее лед не пронизы-
вает холодом.
Снег и лед зимой
По обилию снега Япония занимает одно из пер-
вых мест в мире. Не будет ошибкой сказать, что, за
исключением Окинавы, в стране нет такого места,
где бы никогда не выпадал снег. По среднестатистиче-
ским данным, взятым за десятилетний период, более
чем на половине территории Японии максимальная
глубина снежного покрова превышает 50 см. В жар-
кий летний день лед приносит нам только удоволь-
11 Перевод В. Марковой.
2) 1600—1868 гг. — Прим, перев.
Лед и человек
15
Рис. 1.2. Снежный
пейзаж.
ствие, чего не скажешь о льде и снеге зимой. Конеч-
но, снежные пейзажи красивы (рис. 1.2), конечно,
покататься на лыжах и коньках приятно, но для тех,
кто живет в снежных районах, лед и снег — суровая
действительность.
В снежных краях из-за обилия снега на дорогах и
шоссе нередко образуются заносы, лавинами сметает
дома и мосты.
К числу лучших произведений японской классиче-
ской литературы можно отнести вышедшую в 1830—
1840-х годах «Снежную летопись области Хокуэцу»
1[2] торговца из Сиодзава (провинция Этиго '’) Суд-
зуки Бокуси, описавшего жизнь в снежных краях. На
рис. 1.3 представлена одна из иллюстраций «Снеж-
ной летописи», на которой можно различить людей,
откапывающих из-под снега занесенную крышу, тун-
нель в снегу и протоптанную по глубоким сугробам
лестницу. Трудно даже вообразить все тяготы жизни
в таких суровых условиях.
Как сообщает Итикава Т. [3], в 1930 г. японский
парламент утвердил законопроект об ущербе от сти-
хийных бедствий, где говорилось и об ущербе от
снежных заносов. До этого момента в снегопадах ви-
дели только ежегодно повторяющееся природное- яв-
ление и ущерб от них во внимание не принимали.
Снегом было принято любоваться. Ощущение красоты
снега, заметающего невзрачные закоулки и.
Современная префектура Ниигата. — Прим, перев.
14
Глава 1
Рнс. 1.3. Гравюра из книги «Снежная летопись области Хоку-
эцу» (внд почтовой станции, занесенной снегом). Фотография с
подлинника (изд. «Эдо Бункэйдо»), принадлежащего институту
низкотемпературных исследований Университета о. Хоккайдо.
превращающего их в излюбленные места детских игр,
слышится, например, в словах песенки, которую поют
японские школьники в младших классах: «Летят и
летят снежинки, все выше и выше сугробы, равнины
и горы покрываются шапкой из ваты, не осталось
сухих деревьев: распускаются всюду цветы». («Снег»,
1911 г.)
Однако с течением времени постепенно пришло
понимание того, что снегопады не столь уж безобидны
и что так же, как тайфуны, ливни и землетрясения,
они могут причинять колоссальный ущерб. Обру-
шившиеся в конце 1936—начале 1937 года на север-
ные районы сильнейшие ливни, перешедшие в небы-
валые снегопады, нанесли Японии значительный
ущерб. Именно тогда и был впервые применен закон
об ущербе и о спасательных работах при сильных
стихийных бедствиях.
Лед и человек
15
Снег, лед и человек.
Снег и лед приносят человеку и пользу, и вред,
И все-таки, что можно сказать, если подходить к это-
му вопросу в целом? Каждый год, заканчивая читать
студентам четвертого курса лекции по гляциологии,
автор дает им задание написать реферат на тему:
«Пользу или вред приносят мне снег и лед». Инте-
ресно, что студентов, которые писали бы, что снег и
лед приносят лишь вред и одни неудобства, почти не
оказывается. Большинство, хотя и называют отрица-
тельные моменты, тем не менее считают, что положи-
тельные преобладают. Разумеется, это мнение сту-
дентов, живущих в Саппоро, где много снега и льда,
и которые к тому же достаточно хорошо знают гля-
циологию. Однако подобная тенденция в последние
годы чувствуется все сильнее. Вероятно, это связано с
тем, что жизнь в северных краях с каждым годом
улучшается (взять хотя бы транспорт, жилища,
одежду) и ущерб от случающихся иногда заносов и
лавин стал почти незаметен.
Конечно, приятно, что благодаря человеческому
труду отрицательные качества снега и льда посте-
пенно теряют свою силу. Однако мы не должны за-
бывать одного важного обстоятельства. Зададим-
ся вопросом, в какую эпоху жизнь человека оказа-
лась в зависимости от снега и льда? Читатели, воз-
можно, несколько удивятся, когда услышат, что по-
ставленный вопрос непосредственно связан с самим
появлением и эволюцией человека. И тем не менее
это так.
Появление на Земле человека относят к началу
четвертичного периода (2 ~ 3 млн. лет до н. э.) [4].
В то время как другие человекообразные обезья-
ны еще укрывались в лесах, живя на деревьях, пред-
ки человека питекантропы быстро расселялись по
равнинам. Прямохождение и использование камен-
ных орудий труда позволило им передвигаться по
Земле на новые места, в том числе и на Север.
В четвертичном периоде на нашей планете нача-
лась эпоха очень сильного похолодания. По меньшей
16
Глава 1
мере четырежды, а по мнению некоторых ученых,
8—9 раз наступали ледниковые периоды [5], во вре-
мя которых гигантский ледяной панцирь, достигав-
ший толщины 1000—2000 м, покрывал примерно
третью часть суши. Каждый такой период продол-
жался от нескольких десятков до нескольких сотен
тысяч лет, а между ними периодически наступало от-
носительное потепление. Именно тогда в разных
уголках Земли появились в определенной последова-
тельности существа, ставшие родоначальниками че-
ловечества: австралопитеки, питекантропы, кромань-
онцы; наконец, пришел черед современного человека,
превзошедшего способностями своих предшественни-
ков и назвавшего себя homo sapiens.
Тайны возникновения и эволюции человека во
многом еще остаются нераскрытыми. Ясно, однако,
что появление и развитие человечества приходятся
на чрезвычайно холодную эпоху Великого оледене-
ния, какой никогда прежде не было на нашей пла-
нете. Надо также признать, что спуститься с деревьев,
перейти к прямохождению, оставить леса и начать
пользоваться орудиями труда и огнем наших предков
заставила именно эта эпоха.
Повторявшиеся несколько раз ледниковые перио-
ды, несомненно, были для них тяжелым испытанием,
но через преодоление этих испытаний и шла эволю-
ция человека. Таким образом, вопрос о влиянии на
людей снега и льда оказывается непосредственно
связанным с вопросами о возникновении самого че-
ловечества, а значит, забывая о проблемах науки
о льде, вряд ли можно строить предположения и о на-
шем будущем.
Глава 2
Снег, лед и круговорот воды
в природе
Лед, которым мы пользуемся в быту; лед и снег,
окружающие нас зимой; лед и снег, вызывающие
стихийные бедствия; лед и снег, сыгравшие важную
роль в появлении на Земле человека, в его эволюции
и возникновении культуры,— какие поразительные
метаморфозы!
В чем же причина такого многообразия? Прежде
чем приступить к рассказу о льде, рассмотрим инте-
ресующую нас проблему в более широком контексте и
расскажем в общих чертах об основных свойствах
воды, а также о том, что собой представляют снег и
лед Земли.
Начало великого множества вещей — вода
Один из основоположников западной философии
грек Фалес говорил: «Великое множество вещей воз-
никает из воды и возвращается в воду». Неисчерпае-
мая способность воды растворять твердые вещества,
смывать любую грязь; могучая преобразующая сила
и постоянное движение водных потоков, способных
переносить грунт, песок и камни; непрекращающийся
круговорот воды, выпадающей с небес в виде дождя
и снега и вновь испаряющейся, поднимающейся
ввысь; неиссякаемая животворящая сила воды, про-
буждающей к жизни семена растений и вызывающей
их развитие и буйный рост,— все эти многочислен-
ные свойства привели к установлению на нашей пла-
нете нынешнего круговорота воды в природе, к за-
рождению и поддержанию жизни.
Фалес в отличие от своих предшественников отка-
зался от очеловечения и мифологизации природы. Он
стремился к естественному и объективному взгляду
18
Глава 2
на мир, В качестве первоматерии Вселенной Фалес
называл воду, которую считал началом великого мно-
жества вещей, полагая, что, видоизменяясь, вода пре-
вращается в эти вещи и в конце концов вновь
приобретает свой прежний облик. Древний философ го-
ворил, таким образом, о том, как важна вода, яв-
ляющаяся первоосновой материи. По иронии судьбы
лишь спустя 2600 лет, уже в наши дни выяснилось,
сколько правоты было в словах Фалеса. Дело в том,
что в последние несколько десятилетий на Земле на-
чались экологические нарушения, теснейшим образом
связанные с круговоротом воды на планете.
Круговорот воды в природе
Круговорот воды на нашей планете схематично
показан на рис. 2.1. Атмосфера Земли постоянно по-
полняется парами воды. Источником такого пополне-
ния служит на планете практически все. Упругость
паров воды и льда выше, чем у других веществ, по-
этому с поверхности морей, рек, ледников, снега, а
также почвы и листьев растений идет непрерывное
испарение воды, поступающей в атмосферу. На схеме
показано только лишь испарение с поверхности мо-
рей, дающее наибольший вклад. Количество паров
воды, которое может принять в себя атмосфера, не
бесконечно. Избыток поступивших в нее паров со-
здает перенасыщение, вода конденсируется на взве-
шенных пылинках и крупицах морской соли — таким
образом внутри облаков происходит образование
дождя и снега. Выпавший на землю дождь, собира-
ясь в реках, озерах, болотах и подземных водах,
вновь вливается в море. Снег, выпадающий в Антарк-
тиде, Гренландии и других холодных районах плане-
ты, накапливается ледниками и ледовыми полями, но
за очень долгое время даже лед в конце концов воз-
вращается в море. В таких странах, как Япония,
снежный покров держится лишь зимой, с наступле-
нием же весны начинается таяние, и, собираясь в
реки или уходя под землю, талые воды текут в море.
Таким образом, с древнейших времен на нашей пла-
Снег, лед и круговорот воды в природе
19
Рис. 2.1. Круговорот воды. С древнейших времен на нашей
планете совершается непрестанный круговорот воды: море ->
-> атмосфера-> дождь или снег-> море. Испарение воды и по-
ступление ее паров в атмосферу идет практически со всех нахо-
дящихся на Земле предметов, но, чтобы не усложнять рисунок,
здесь показано только испарение с поверхности моря.
нете совершается безостановочный круговорот воды:
море -> атмосфера -> осадки в виде дождя или сне-
га -> море.
В последние годы в различных районах земного
шара стали возникать всевозможные экологические
нарушения. Все они в какой-то мере связаны с кру-
говоротом воды. Удаляя загрязненную ядовитыми
веществами воду, мы фактически прерываем этот
круговорот. Попавшая на поверхность воды масля-
20
Глава 2
нистая жидкость под действием поверхностного натя-
жения быстро растекается во все стороны. Такое
свойство применяют, например, когда хотят избавить-
ся от ненужного испарения воды в водохранилищах.
Однако пролитая по небрежности в реку или в море
маслянистая жидкость по той же причине уменьшает
испарение и останавливает круговорот воды.
Видимо, почти все экологические нарушения на
Земле происходят тогда, когда нарушается нормаль-
ный круговорот воды. Почему это так, станет понятно,
когда мы разберем важнейшую функцию круговорота,
о которой сейчас пойдет речь.
Круговорот воды переносит энергию Солнца
Земля с тех пор, как она возникла, непрестанно
получает от Солнца энергию. Если бы эта энергия
только лишь поглощалась, то за несколько миллиар-
дов лет температура нашей планеты должна была бы
сильно повыситься. Однако подтверждений тому нет.
Даже если сравнивать нынешнюю среднегодовую
температуру со среднегодовой температурой эпохи
оледенения (2 млн.— 10 тыс. лет тому назад), то
разница составит всего 2—3°С. Объясняется это
тем, что с наступлением эпохи оледенения низкая
температура держалась лишь в течение 10 000 —
100 000 лет.
Хотя Земля и получает постоянно энергию от
Солнца, но перегрева не происходит, поскольку сама
она излучает энергию в космическое пространство.
Подобно тому, как нагретый утюг, излучая электро-
магнитные волны, теряет энергию, так и Земля не-
прерывно отдает в космос со своей поверхности лучи-
стую энергию. Для всей планеты в целом можно го-
ворить о строгом балансе получаемой от Солнца
энергии и энергии излучаемой.
Однако если оценить разбаланс этих двух энер-
гий на различных широтах, то обнаружится удиви-
тельная картина. Так, например, в Северном полу-
шарии ближе к полюсу от 38-й параллели излучение
обычно превышает поглощение, а ближе к эквато-
Снег, лед и круговорот воды в природе
21
Рис. 2.2. Облака — од-
но из звеньев круго-
ворота воды.
ру—наоборот. Иными словами, в высоких широтах,
солнечной энергии постоянно поглощается меньше»
чем требуется для баланса, а в низких широтах —
больше.
Несмотря на такую несбалансированность излуче-
ния, в северных широтах нашего полушария не про-
исходит постепенного понижения температуры, а в
южных не происходит повышения. Это обусловлено
непрекращающимся энергетическим обменом в мери-
дианальном направлении. Осуществляется такой об-
мен благодаря круговороту воды.
Удельная теплоемкость воды выше, чем у любого-
другого вещества, вследствие чего за счет циркуля-
ции воздушных масс в атмосфере (рис. 2.2) и за счет
морских течений избыточная солнечная энергия пере-
носится из теплых мест в более холодные. При пере-
распределении солнечной энергии важную роль игра-
ет скрытая теплота, излучаемая или поглощаемая во
время фазовых переходов из газообразного состояния
(пары воды) в твердое (снег и лед).
Количества снега и льда на Земле
Общая масса распределенных по поверхности Зем-
ного шара снега и льда достигает примерно 2,423 X
X Ю22 г. От массы всей Земли это составляет всего*
лишь 0,0004 %. Однако такого количества достаточно,
чтобы покрыть всю поверхность планеты 53-метро-
вым слоем. Если бы вся эта масса вдруг растаяла,
превратившись в воду при температуре 0°С, то уро-
вень Мирового океана поднялся бы по сравнению с
нынешним примерно на 64 м.
Таблица 2.1. Снег и лед на Земле*
Формы существования Масса Площадь
снега и льда (Г) (%) (км!) (%)
Ледники z Ледовый панцирь Антарктиды Ледовый панцирь Гренландии -Прочие ледники Вечная мерзлота Морские льды Снежный покров Айсберги Лед в атмосфере 2,389 • 1022 2,14 • 1022 2,34- 1021 1,29- 1020 (2-5) • 1020 3,483 • 1019 1,05 • 1019 7,65 • 1018 1,68- 10'8 98,95 z 89,66 9,80 0,54 100,00 0,83 0,14 0,04 0,03 0,01 1,621 • 107 z 1,389- 107 1,726- 10s 5,88 - 105 2,10 - 107 2,60 -107 7,24 - Ю7 6,35 • 10s 5,10 - 108 10,9 (от площади суши) z 85,72 J 10,65 ( 3,63 100,00 14,1 (от площади суши) 7,2 (от площади Миро- вого океана) 14,2 (от площади всей земной поверхности) 1,87 (от площади Миро- вого океана) 100 (от площади всей земной поверхности)
Всего 2,423- 1022 100,00
• При составлении таблицы использовались главным образом данные группы Шумского (1964 г.), а также Флинта
(1971 г.к
Снег, лед и круговорот воды в природе 23'
Данные о снеге и льде Земли приведены в
табл, 2.1. 99 % снега и льда, существующих в наше
время на Земле, лежит на высоких горах и в холод*
ных районах — это гигантские скопления льда, назы-
ваемые еще ледниками. Около 90 °/о ледников прихо-
дится на ледовый панцирь Антарктиды и 9,8 % — на
ледовый панцирь Гренландии. Ледники на нашей
планете занимают площадь, примерно равную
1,621-Ю7 км2, что составляет 10,9 % от площади
всей суши.
В Сибири, на Аляске и в северных районах Кана-
ды существует вечная мерзлота. Ее глубина на рав-
нинах доходит до 65 м, а в гористой местности — до
900 м. Площадь вечной мерзлоты достигает примерна
2,1-107 км2, что фактически равно 14,1 % от площа-
ди всей суши.
Массы снега и льда Земли распределяются сле-
дующим образом: примерно 99 % приходится на долю
ледовых панцирей Антарктиды и Гренландии, а око-
ло 0,8 %—на долю вечной мерзлоты Приполярья.
Общая площадь указанных районов составляет при-
мерно 25 % площади земной суши. Если сюда доба-
вить еще и сезонный снег, то подо льдом и снегом
окажется 30—35 % всей суши. Заметим, что снежные
сезоны длятся более полугода.
Если к тому же учесть морские льды и айсберги,
а также постоянно присутствующие в тропосфере во
взвешенном состоянии частицы снега и льда, то мы
обнаружим, что снег и лед присутствуют практически
во всех уголках Земного шара (рис. 2.3 и 2.4) и име-
ют к жизни людей самое непосредственное отноше-
ние. Нередко можно услышать, что среди веществ,
формирующих поверхностный слой Земли, наиболее
распространенным является лед. Эти слова надо по-
нимать в указанном выше смысле.
Белизна снега и льда
Альбедо (отражательная способность, т. е. отно-
шение отраженной энергии к падающей) снега и
льда, принадлежащих к числу наиболее распростра-
•24
Глава 2
Рис. 2.3. Речной лед.
Река Св. Лаврентия,
Канада, г. Квебек,
февраль 1968 г.
Рис. 2.4. Ледник. Ка-
нада, Колумбия Айс-
Филд, август 1979 г.
ненных на нашей планете веществ, выше рассчитан-
ного для всей земной поверхности среднего значения
указанного коэффициента, равного примерно 0,34,
поэтому в Арктике и Антарктике разность между по-
глощаемой и излучаемой энергией всегда отрицатель-
на, и этим областям принадлежит важнейшая роль в
терморегуляции планеты.
Снег, лед и круговорот воды в природе 25
Иначе говоря, за счет автоматического увеличения
или уменьшения количества снега и льда в Арктике
и Антарктике поддерживается на определенном уров-
не энергетический баланс всей Земли, а значит, и
климат. Нет нужды говорить, что механизм автома-
тической регуляции климата — это круговорот воды.
В начале главы говорилось, что лишь в последние
годы выяснилось, сколько правоты было в словах Фа-
леса о воде, — это видно из сказанного выше. Круго-
ворот воды представляет собой глобальную систему
переноса, в которую вовлечены многочисленные' явле-
ния, сложным о’бразом взаимодействующие между со-
бой. Такая сложная система намного превосходит
все, что может рассчитать или создать человек. Надо
еще добавить, что лишь при этом сбалансированном
и упорядоченном круговороте воды возможно суще-
ствование нынешних климатических условий и жизни
на Земле. В наше время человечеству, научившемуся
пользоваться колоссальными энергиями, необходимо
еще раз вспомнить слова Фалеса и постараться как
можно дольше сохранить на планете сложившуюся
гармонию природы.
Глава 3
Структура и свойства
кристаллов льда
Изучение воды
Химический состав воды
Греческий философ Фалес считал началом вели-
кого множества вещей воду. Другой грек — Эмпе-
докл — полагал, что все состоит из четырех перво-
элементов: из огня, воздуха, воды и земли. Огонь
Эмпедокла можно интерпретировать как энергию, а
воздух, воду и землю — соответственно как газооб-
разное, жидкое и твердое состояние, однако при лю-
бом толковании идеи Эмпедокла не дают ключ к по-
ниманию структуры и свойств воды как вещества.
Повсеместно распространенное вещество, называе-
мое водой, не является первоэлементом; оно состоит
из двух различных элементов — кислорода и водоро-
да. Когда же возникло такое представление о воде,
признаваемое и в наше время? Это случилось при-
мерно 200 лет назад, когда происходило постепенное
становление химии — науки о веществах.
В ту пору бытовало мнение, что горение — это яв-
ление выделения вовне фантастического вещества
флогистона, запасенного в веществе. Понимание того,
что в действительности флогистона не существует и
что горение — это одно из явлений окисления, приве-
ло к созданию современной химии. Именно тогда и
был установлен химический состав воды.
В то время было обнаружено, что если воспламе-
нять электрической искрой смесь горючего воздуха,
т. е. такого, который содержит много флогистона, и
воздуха, в котором флогистона мало, то в сосуде, где
происходит это воспламенение, выпадает роса.
В 1783 г. английский ученый Кавендиш поставил
эксперимент, со всей определенностью показавший,
что чистая вода образуется из газов двух сортов.
На рис. 3.1 изображено экспериментальное обору-
дование для разложения воды, которым пользовался
Структура и свойства кристаллов льда
27-
Рис. 3.1. Оборудование Кавендиша для разложения воды. Один-
из образующих воду элементов — кислород — вступает в хими-
ческую реакцию с железом, из которого сделана показанная на
рисунке трубка; в результате под стеклянным колпаком (справа
на рисунке) накапливается другой входящий в состав воды эле-
мент— водород. (Tutton А. Е, Н. The High Alps, 1927 г.)
Кавендиш. Подобное оборудование описано также в
знаменитой «Истории свечи» Фарадея и во многих
других книгах.
В печи докрасна накаляется железная трубка. Че-
рез нее пропускается вода, попадающая затем в
шланг, имеющий водяное охлаждение. Если вода в.
трубке лишь испаряется, а в шланге пар вновь пре-
вращается в воду, то под стеклянным колпаком, пока-
занным справа на рисунке, не должно происходить
никаких изменений.
Однако в действительности под колпаком накап-
ливается какой-то газ, причем этот газ не является
водяным паром, поскольку его можно поджечь. Ка-
вендиш объяснил результат эксперимента тем, что-
одна компонента водяного пара (кислород) реагиру-
ет с железом, а другая (водород) накапливается под
колпаком.
Путь к постижению этой истины был извилист, но
открытие Кавендиша стало первым блестящим дости-
жением человечества в понимании химического со-
става воды. На выяснение того факта, что образую-
щие воду молекулы состоят из одного атома кислоро-
да и двух атомов водорода, т. е. что химический.
28
Глава 3
состав воды выражается молекулярной формулой
Н2О, потребовалось еще около 100 лет. Свой вклад
в этот труд внесли такие ученые, как Лавуазье,
Дальтон, Авогадро и Канниццаро.
Форма молекул воды
В наше время, которое отделяют от открытия Ка-
вендиша 200 лет, информацию о форме молекул воды
получают, анализируя спектр инфракрасного поглоще-
ния, из рентгеновских и электронно-микроскопиче-
ских исследований и многими другими методами. Ка-
кой примерно представляется нам молекула воды, по-
казано на рис. 3.2. Два атома водорода удалены от
атома кислорода на 0,96А (1А = 10_8 см), причем
располагаются от него в направлениях, образующих
между собой 105°. Если показать кислород и водо-
род точками, то молекула воды будет иметь вид тре-
угольника, как на рис. 3.2, а.
Однако вокруг атомных ядер вращаются электро-
ны, поэтому в действительности атомы не являются
точками, и их можно считать шарами, имеющими оп-
ределенные размеры. В случае кислорода радиусы
атомов равны 1,4 А, а в случае водорода—1,2 А.
Так как расстояние между водородом и кислородом
в молекуле воды равно 0,96 А, шары, под которыми
мы понимаем атомы того и другого сорта, взаимно
перекрываются.
'Рис. 3.2. Форма молекул воды (в газообразной фазе): а — вза-
имное расположение атомов кислорода и водорода, атомы обо-
значены точками; б — то же с учетом размеров атомов.
Структура и свойства кристаллов льда
29
Таким образом, ближе к действительности пред-
ставление о молекуле воды как о шаре с небольшими
вздутиями в тех местах, где находится водород, т. е.
как о шаре с двумя небольшими бугорками (см.
рис. 3.2,6). К рассказу о сферичной форме молекул
воды мы в дальнейшем еще вернемся.
Диаграмма состояний воды
Макроскопическое состояние большого числа ша-
рообразных молекул воды, находящихся при некото-
рых заданных условиях, определяется единственным
образом. В случае относительно высоких температур
скорость теплового движения. молекул велика и об-
разуется газообразная фаза (пар), а в случае весьма
низких температур скорость теплового движения ма-
ла и образуется твердая фаза (лед). При промежу-
точных температурах вода существует в жидком со-
стоянии.
В термодинамике этот вывод формулируется сле-
дующим образом: «Макроскопическое состояние
любого вещества полностью определяется двумя тер-
модинамическими переменными (например, темпера-
турой и давлением)». На рис. 3.3 представлена диаг-
рамма состояний обычной воды. В показанной обла-
сти температур и давлений могут существовать три
фазы: вода, лед и пар. На линиях А, В, С, делящих
диаграмму на три части, существует в каждом слу-
чае одновременно по две фазы: на линии А — вода и
пар, на линии В — вода и лед, на линии С — лед и
пар. Проще говоря, линия А — это линия температур
кипения, линия В — температур плавления и линия
С — давлений насыщенных паров льда. Линию А,
очевидно, можно рассматривать и как линию давле-
ний насыщенных паров воды.
В точке Т, где пересекаются линии А, В, С, су-
ществуют сразу три фазы— вода, лед и пар. Эту точ-
ку называют тройной, везде и всюду она неизменна
(0,01° С; 6,1 мбар) и по международной договоренно-
сти ее используют как реперную при определении
30
Глава 3
Рис. 3.3. Диаграмма состояний воды. Расстояния по осям отло-
жены без соблюдения масштаба. Рисунок соответствует области
давлений вблизи 0 бар и представляет собой увеличенный фраг-
мент рис. 6.1 (см. гл. 6).
термодинамической единицы температуры (кельвин,
К).
На поверхности Земли, где мы живем, всегда при-
сутствует атмосферное давление (около 1 атм —
= 1013 мбар), создаваемое массой воздуха. Согласно
диаграмме состояний, при таком давлении точка ки-
пения воды приходится на 100°C, а точка плавления
льда — на 0°С. Однако, как видно из диаграммы,
температуры кипения и плавления меняются в зави-
симости от давления, поэтому в дни, когда давление
низкое, их значения несколько иные, чем в дни, когда
давление высокое. 100 и 0°С, хотя все мы и увере-
ны в обратном, надежными реперными точками при-
знаны быть не могут. По этой причине в точных экс-
периментах в качестве эталонной температуры поль-
зуются не 100 и не 0°С, а тройной точкой.
Структура и свойства кристаллов льда
31
Повышение температуры кипения воды
и понижение температуры плавления льда
Как видно из рис. 3.3, кривая А по мере смещения
вправо по оси абсцисс поднимается вверх, а кривая
В уходит вниз — это хорошо известный эффект уве-
личения температуры кипения воды и уменьшения
Таблица 3.1. Повышение температуры кипения воды и понижение
температуры плавления льда с ростом давления
Повышение температуры кипения воды С увеличением давления на каждую атмосферу температура кипения по- вышается примерно на 28° С (28°С/атм = 2,8- 10~2°С/мбар)
Понижение температуры плавления льда С увеличением давления на каждую атмосферу температура плавления понижается на 0,0075° С (0,0075°С/атм = 1°С/100 атм = = 1 • 10~5°С/мбар)
температуры плавления льда с ростом давления
(табл. 3.1).
Повышение температуры кипения с ростом давле-
ния используется в кастрюлях-скороварках, в кото-
рых многие блюда получаются вкуснее. В Японии
максимальное атмосферное давление 1044 мбар было
зарегистрировано в декабре 1913 г. (Асахигава), а ми-
мальное — 912 мбар — в сентябре 1934 г. (мыс Му-
рото). Пользуясь табл. 3.1, можно убедиться, что
температура кипения воды равнялась при этом со-
ответственно 101 и 97 °C. В последнее время все боль-
ше людей селится в высотных домах. Возможно, этим
в какой-то мере и объясняется неожиданный спрос
на скороварки.
Повышение температуры кипения характерно не
для одной лишь воды. Почти все жидкости ведут
себя так же. Но понижение температуры плавления
с ростом давления наблюдается только у льда. За ис-
ключением льда, едва ли не все вещества с увеличе-
нием давления плавятся при большей температуре.
32
Глава 3
Почему же лишь у одного льда температура плав-
ления падает? Это вызвано тем, что при превращении
воды в лед происходит увеличение объема. Плот-
ность льда ниже плотности воды — именно из-за это-
го лед не тонет в воде, чем в сущности и объясняется
понижение температуры плавления с ростом давле-
ния.
Скрытая теплота
С понижением температуры вещества претерпева-
ют изменения типа газ-*жидкость-*твердая фаза,
причем при переходах возникает более устойчивое
состояние с меньшей энергией. То же самое происхо-
дит и с водой. При понижении температуры пар кон-
денсируется, превращаясь в воду, а затем вода, за-
мерзая, превращается в лед. При этом происходит
выделение избыточной энергии. И наоборот, для пре-
вращения льда в воду и воды в пар требуется приток
энергии извне.
Таким образом, при фазовых превращениях веще-
ства (фазовых переходах) обязательно идет выделе-
ние или поглощение энергии, т. е. тепла, которое на-
зывают скрытой теплотой, различая при этом тепло-
ту парообразования и теплоту плавления.
Такое название возникло из-за того, что во время
фазовых переходов, несмотря на выделение или по-
глощение тепла, изменений температуры не наблюда-
ется. Если при комнатной температуре бросить в воду
лед, он будет постепенно таять, сохраняя температу-
ру О °C. Скрытая теплота никак не проявляет себя
в изменениях состояния (т. е. в фазовом пере-
ходе) .
Как уже говорилось в предыдущей главе, пере-
распределение энергии Солнца по поверхности Зем-
ли осуществляется благодаря круговороту воды. Этот
круговорот (см. рис. 2.1) можно также рассматри-
вать как сложную цепь фазовых переходов воды.
Иными словами, совершая круговорот, вода претер-
певает множество превращений, которым на диаграм-
ме состояний соответствуют переходы через линии
Структура и свойства кристаллов льда
33
А, В и С. При этом всякий такой переход сопровож-
дается выделением или поглощением скрытой теп-
лоты, а значит, передачей энергии.
Испарение (или возгонка) льда
Снег и иней отличаются от речного льда и ледя-
ных корок, возникающих на поверхности воды при ее
замерзании,— они образуются в результате прямого
перехода паров воды в твердую фазу.
Принято считать, что рост снежинок происходит в
воздухе во взвешенном состоянии на пылинках и кру-
пицах морской соли, а инея — на поверхности различ-
ных предметов, находящихся на земле. Вспомним, к
примеру, иней, образующийся на оконном стекле, и
иней, вырастающий на ветках деревьев (рис. 3.4).
На диаграмме состояний воды рост снежинок и
инея соответствует фазовому переходу через линию
С. Для того чтобы отличить такую кристаллизацию
от кристаллизации из воды, такой переход можно
было бы назвать сухой конденсацией.
На диаграмме состояний воды имеются точки, ко-
торым часто дают неверную интерпретацию. Так,
говоря о соответствующих кривым А и С состояниях,
отложенное по оси абсцисс давление надо понимать
как парциональное давление паров воды. Однако в
одном учебнике для старших классов, где объясняет-
ся диаграмма состояний воды, утверждается, что при
давлениях ниже 0,006 атм лед, минуя жидкую фазу,
превращается непосредственно в пар.
Допускаемая неточность возникает из-за того, что
забывают, о каком давлении идет речь,— надо пом-
нить, что речь идет именно о парциальном давлении
паров воды. Живущие на Севере знают, что при дав-
лении в 1 атм красивые снежинки за несколько дней
превращаются в ледяные крупинки круглой формы.
Разумеется, мы говорим о температурах ниже 0°С.
Это явление объясняется возгонкой молекул воды с
поверхности снежинок; оно аналогично постепенному
исчезновению нафталина и сухого льда, при котором
плавления нет, но идет испарение.
2 Зак. 600
34
Глава 3
Рис, 3.4. Иней на ветвях де-
ревьев,
Возгонка молекул воды с поверхности снежинок
происходит потому, что окружающий воздух еще не
до конца насыщен водяными парами, т. е. давление
паров меньше значения, соответствующего равнове-
сию между льдом и паром.
Кристаллическая структура льда
Кристаллы и стекла
На языке физиков слово «кристалл» имеет строго
определенный смысл, в обыденной же речи у него мо-
гут быть и другие значения.
В английских словарях, например, crystal толку-
ется как 1) горный хрусталь, 2) хрустальная бусин-
ка, 3) стекло, 4) кристалл. Нас, физиков, подобное
толкование немного шокирует. Обескураживает даже
не первое значение, не имеющее отношения к кри-
сталлам в строгом понимании, — тут уж ничего не
поделаешь, а использование слова crystal в случае,
когда речь идет о стекле.
Когда вещество находится в газообразном состоя-
нии, его молекулы свободно двигаются в простран-
стве. С понижением же температуры кинетическая
энергия молекул уменьшается, область движения
каждой молекулы постепенно сужается, и ниже не-
которой температуры их средние положения стано-
вятся фактически фиксированными, что соответству-
ет состоянию твердой фазы, а в случае молекул
воды — состоянию, когда вода замерзает и образует-
ся лед.
Структура и свойства кристаллов льда
35
Рис. 3.5. Кристалл. Располо- Рис. 3.6. Аморфное ве-
жение молекул упорядо- щество (стекло). Располо-
чено.
жение молекул неупоря-
дочено.
При переходе молекул в состояние, соответствую-
щее твердой фазе, возможно их упорядоченное (какг
например, на рис. 3.5) и неупорядоченное (как, на-
пример, на рис. 3.6) выстраивание в веществе. Твер-
дое тело с упорядоченным расположением молекул в
физике твердого тела принято называть кристаллом
(crystal), а с неупорядоченным — аморфным телом
или стеклом. Использование термина «стекла» в от-
ношении аморфных тел оправдывается тем, что моле-
кулярная структура окружающего нас в быту обыч-
ного стекла, из которого сделаны стаканы и оконные
стекла, почти всегда неупорядоченна, т. е. аморфна.
Термин «кристаллы», которым обозначают твер-
дые тела с упорядоченным расположением молекул,
имеет прямо противоположный смысл. Каково же его
происхождение? Итак, обратимся к истории этого во-
проса, поскольку ответ на него позволит нам узнать
чрезвычайно интересные сведения о том, как скла-
дывались представления человека о льде.
Первоначальное значение слова
«кристалл» — лед
Слово «кристалл» происходит от греческого слова
,,хргота/./.од>>, что означает «лед». Во времена Рим-
ской империи найденный в Альпах прозрачный хрус-
таль (рис. 3.7) был принят за окаменевший лед, от-
36
Глава 3
Рис. 3.7, Кристалл хрусталя.
куда и произошло его название — горный хрусталь
(т. е. горный лед). Горный хрусталь был хорошо
знаком римлянам. Он часто использовался для изго-
товления ваз, ритуальных кубков, глубоких блюд.
Высоко ценились также хрустальные шарики, кото-
рые в летнюю жару приятно было подержать в ру-
ках, и шарики для гадания.
Ошибочное мнение о том, что горный хрусталь
представляет собой окаменевший лед, продержалось
и в средние века. Живучесть подобного заблуждения
объясняется тем, что другого столь же бесцветного
и прозрачного вещества, как хрусталь, люди не зна-
ли, а прозрачные и бесцветные стекла, которыми мы
пользуемся сегодня, еще не были открыты.
В XVII в. был, наконец, найден способ изготовле-
ния свинцовых стекол, обладавших высокой прозрач-
ностью, о чем давно мечтали во всех стекольных
мастерских. Должно быть, за его прозрачность это
стекло назвали хрустальным (crystal glass) или по-
просту хрусталем (crystal). Вероятно, английское on
the rock (название небьющихся бокалов, принятое у
любителей виски) происходит от rock crystal (гор-
ный хрусталь).
Интересно, что в Японии хрусталь когда-то назы-
вали ледяным камнем. Да и нынешнее его название
пишется иероглифами, означающими затвердевшую
воду, что также чрезвычайно любопытно. Автор не
выяснял, откуда взялись эти названия, но, если бы
такие исследования были проведены, возможно, об-
наружилось бы, что на Востоке история ошибочных
представлений о льде и хрустале была такой же,
как и на Западе,
Структура и свойства кристаллов льда
37
Изучение кристаллов началось в XVII в. с работ
датчанина Стенсена, описавшего внешнюю форму
горного хрусталя и выполнившего, в частности, точ-
ные измерения углов, образующихся на его гранях.
Вероятно, с тех пор вещества с упорядоченным рас-
положением молекул, а значит, и с регулярной внеш-
ней формой стали называть кристаллами, а соответ-
ствующую область науки — кристаллографией.
Таким образом, в одном случае была подмечена
бесцветность и прозрачность хрусталя, льда и стек-
ла, а во втором— регулярная внешняя форма хрусталя
и льда. В результате у современного английского
слова crystal оказалось два основных значе-
ния. Правда, в последнее время появились так назы-
ваемые хрустальные граненые стекла, которые полу-
чают огранкой высококачественного стекла по форме,
напоминающей своей правильностью кристаллы, и
теперь различие слов «хрусталь» и «стекло» все бо-
лее размывается.
Мы, пожалуй, несколько отвлеклись от темы, по-
этому пора подвести черту. В зависимости от эпохи
и от страны люди вкладывали в слово «кристалл»
разный смысл, но физики понимают под кристаллом
только твердое тело с упорядоченным расположением
молекул. Рассмотрим теперь, что собой представляют
кристаллы льда.
Обладает ли лед гексагональной
кристаллической структурой?
Любуясь красивой формой снежинок, невольно за-
думываешься, почему они шестиугольны. Этот во-
прос интересовал людей с давних времен — букваль-
но с тех пор, как человек впервые увидел снежинки.
В 1611 г. немецкий астроном Кеплер, открывший за-
коны движения планет, написал книгу «Новогодний
дар. О шестиугольных снежинках» [1]. Чтобы объ-
яснить, откуда взялась такая форма, Кеплеру при-
шлось сослаться на волю Божию. В наше время,
услышав подобный вопрос от детей, мы отвечаем,
что лед имеет гексагональную кристаллическую струк-
38
Глава 3
Рис. 3.8. Снежинка (шести-
угольная звездочка с ветвящи-
мися лучами).
туру и молекулы воды выстраиваются в нем в шес-
тиугольник, чем и объясняется форма снежинок
(рис. 3.8). Действительно, совершенная гексагональ-
ная симметрия, которой обладают снежинки, может
навести на мысль о том, что лед имеет гексагональ-
ную кристаллическую структуру. Однако с небес па-
дает множество снежинок, не имеющих гексагональ-
ной симметрии; можно даже сказать, что красивые
шестиугольные звездочки и пластинки встречаются не
так часто. Кроме того, замораживая воду, мы нико-
гда не получаем шестигранника, если, конечно, не
пользоваться в этих целях шестигранным сосудом.
Как уже говорилось, принадлежность к кристал-
лическому или аморфному типу определяется не по
внешней форме, а по расположению молекул. То же
можно повторить и в случае льда. Исходя из внеш-
ней формы, можно было лишь предполагать, что лед
имеет гексагональную кристаллическую структуру,
но то, что это действительно так, удалось окончатель-
но установить лишь тогда, когда был открыт метод,
позволяющий непосредственно наблюдать расположе-
ние молекул.
Рентгеноструктурный анализ
В 1912 г. летним вечером в немецком городе
Мюнхене в одной из университетских аудиторий раз-
горелся спор о природе рентгеновских лучей (х-лу-
чей). Являются ли эти лучи потоком частиц или же
волнами, в ту пору еще не знали. Среди присутство-
вавших были: открывший в 1895 г. х-лучи Рентген,
Структура и свойства кристаллов льда 39
наиболее известный в то время специалист по кри-
сталлографии Грот, разработавший вместе с Бором
модель атома Зоммерфельд, авторитетный специалист
по электромагнитным волнам Эвальд, а также моло-
дой Лауэ. Лауэ, считавший рентгеновские лучи элек-
тромагнитными волнами, подобными свету и радио-
волнам, и полагавший, что это можно доказать, ис-
пользуя кристалл, предложил следующее.
«Если рентгеновские лучи действительно являют-
ся электромагнитными волнами, то их длина волны
должна быть порядка 1 А, что примерно совпадает
с межатомными расстояниями в кристалле. В таком
случае атомы, выстроенные в природном кристалле
упорядоченным образом, должны действовать на
рентгеновские лучи подобно решегке».
Это предположение было на следующий же день
экспериментально подтверждено двумя лаборантами
Зоммерфельда. Так была получена первая в мире
рентгеновская лауэграмма цинкозой обманки (ZnS).
План Лауэ и подтвердивший его гипотезу экспери-
мент были задуманы для того, чтобы доказать вол-
новой характер рентгеновских лрчей. Однако в по-
следующие несколько лет предложенный метод был
много раз опробован разными исследователями и (в
особенности благодаря англичанам отцу и сыну
Брэггам) превращен в чрезвычайно сильный инстру-
мент определения структуры вещества, получивший
название рентгеноструктурного анализа.
Метод рентгеноструктурного анализа был очень
скоро применен и для определения структуры льда.
Через некоторое время были опубликованы непохо-
жие один на другой результаты. Ясность в этот вопрос
внесли в 1920-х годах Брэгг и Барнз, выполнившие
тщательные измерения и анализ полученных данных.
Рассеяние рентгеновских лучей происходит глав-
ным образом на окружающих атомные ядра электро-
нах. У льда количество электронов, принадлежащих
атомам водорода, невелико по сравнению с количе-
ством электронов, принадлежащих атомам кислоро-
да, поэтому детектировать рассеянные на атомах во-
дорода рентгеновские лучи не удается. Значит, с по-
40
Глава 3
мощью этих лучей можно установить лишь располо-
жение атомов кислорода. Правда, зная форму моле-
кул воды (см. рис. 3.2), можно безошибочно утверж-
дать, что найденная таким образом структура в дей-
ствительности представляет собой расположение
молекул воды. Что касается атомов водорода, то
их расположение было установлено лишь тридцать
лет спустя методом нейтроноструктурного ана-
лиза.
Кристаллическая структура льда
На рис. 3.9 представлены фотографии решетки,
моделирующей кристаллическую структуру льда, в
соответствии с данными рентгеноструктурного анали-
за. На фото а структура просматривается не очень
четко, но, вращая модель, можно найти ту единст-
венную ориентацию, при которой структура будет хо-
рошо видна (фото б).
Рассмотрение решетки под таким углом показы-
вает, что лед и в самом деле является кристаллом,
в котором атомы кислорода выстроены упорядоченно,
образуя правильные шестиугольники. Форма снежи-
нок (рис. 3.8) — это внешнее проявление гексаго-
нальной симметрии, свойственной кристаллам льда
на микроскопическом уровне. Направление, перпен-
дикулярное плоскости правильных шестиугольников,
называется главной осью кристалла (осью с); в
дальнейшем эта ось будет часто упоминаться в на-
шей книге.
На фото в видно, как выглядит решетка, если
смотреть на нее под углом 90° к главной оси. Со-
поставив фотографии бив, можно сделать следую-
щий вывод. В структуре льда молекулярная плос-
кость, в которой расположены атомы кислорода, об-
разующие правильные шестиугольники, т. е. плос-
кость, перпендикулярная оси с, характеризуется наи-
более плотной молекулярной упаковкой. При этом
сам кристалл можно рассматривать как совокупность
подобных плоскостей, уложенных одна на другую.
Плоскость наиболее плотной молекулярной упаковки
Структура и свойства кристаллов льда
41
Рис. 3.9. а — Модель кристал-
лической структуры льда 1Й;
б — вид в направлении оси с
(главной оси); перпендикуляр-
но оси с ориентированы три
оси а, имеющие направления
<1120> (при указании направ-
ления используются кристалло-
графические индексы); в — вид
в направлении, перпендикуляр-
ном оси с; хорошо заметно, что
кристалл льда состоит из уло-
женных послойно плотноупако-
ванных молекулярных плоско-
гей. Эти плоскости носят на-
звание базисных и имеют
ориентацию (0001).
♦ 11II *,
часто именуют базисной кристаллографической пло-
скостью льда, или проще — базисной плоскостью.
Три направления в базисной кристаллографиче-
ской плоскости называют осями а, а три перпендику-
лярные к ним кристаллографические плоскости —
призматическими. У снежинок направления зубчиков
соответствуют осям а.
На рис. 3.10 показано относительное расположе-
ние атомов кислорода, установленное с помощью
рентгеноструктурного анализа. Каждый атом кисло-
рода окружен отстоящими от него на 2,76 А четырь-
мя другими атомами кислорода, образующими тетра-
42
Глава 3
эдр. Иными словами, каждый атом кислорода нахо-
дится в театраэдрической позиции по отношению к
ближайшим к нему четырем другим, и некоторым
образом взаимодействует с ними. Благодаря этому
образуется жесткая структура льда. Как будет пока-
зано в четвертой главе, такая связь между атомами
кислорода осуществляется через атомы водорода, по-
этому ее называют водородной связью.
Вспомним, что молекула воды имеет форму
шара с двумя бугорками (рис. 3.2). В кристалле
льда такая молекула ориентируется не произвольным
образом, а так, чтобы оба ее бугорка были направ-
лены строго в стороны двух других молекул воды.
Четырехгранники, образующие кристаллическую
структуру л-ьда, представляют собой почти идеальные
тетраэдры, поэтому угол между водородными связями
равен 109°. При возникновении структуры льда угол
между бугорками в молекулах воды увеличивается
на 4° по сравнению с величиной того же угла в моле-
кулах, образующих пар (105°).
Из-за того, что молекулы воды имеют бугорки и,
следовательно, обладают определенной ориентацией,
в коисталле льда они вынуждены занимать тетраэд-
Рис. 3.10. Кристаллическая струк-
тура льда Л. Следует обратить
внимание на тетраэдрические по-
зиции молекул воды. Структуру
льда Is часто называют структурой
вюртцита или структурой триди-
мита.
Рис. 3.11. Кристаллическая
структура льда 1Л. Такую
же кристаллическую струк-
туру имеет алмаз. Следует
обратить внимание, что мо-
лекулы воды так же, как
и в структуре льда 1„, за-
нимают тетраэдрические
позиции.
Структура и свойства кристаллов льда 43
рические позиции. Но согласно одному из утвержде-
ний кристаллографии, существуют лишь две структу-
ры, образуя которые, молекулы занимают тетраэдри-
ческие позиции,— это гексагональная, показанная на
рис. 3.10, и кубическая типа алмаза, показанная на
рис. 3.11.
В действительности реализуются обе структуры
льда. Однако лед с кубической структурой существу-
ет лишь в метастабильной фазе, которая может об-
разовываться только при температурах ниже
—100 °C, причем для этого нужны еще особые ус-
ловия. Тот же лед, с которым мы сталкиваемся в по-
вседневной жизни, во всех случаях имеет гексаго-
нальную кристаллическую структуру.
Обычный лед относится к гексагональной кристал-
лической системе, но это не исключает его многооб-
разия: в широкой области температур и давлений
насчитывают И его видов, которые обозначают рим-
скими цифрами (I, II, III и т. д.). Подробно данный
вопрос будет рассматриваться в шестой главе.
Лед, который мы встречаем в повседневной жиз-
ни,— это лед U. Индекс h показывает принадлеж-
ность к гексагональной кристаллической системе.
Лед, который относится к метастабильной кубиче-
ской системе, обозначают как лед 1с. В дальнейшем,
за исключением специально оговоренных случаев,
упоминая лед, мы будем подразумевать лед Ift. То
же замечание касается и всего предыдущего рас-
сказа.
Почему лед легче воды
Часто авторы книг о льде приводят схематичные
рисунки его кристаллической структуры, похожие на
рис. 3.9 и 3.10, и говорят: «Легко видеть, что лед
обладает структурой с многочисленными незаполнен-
ными промежутками. Вот почему он легче воды».
Однако так объяснять, почему лед плавает в воде
(рис. 3.12), нельзя. Дело в том, что при этом моле-
кулы воды и водородные связи часто рисуют, не об-
ращая внимания на соотношения их размеров, и,
44
Глава 3
что еще важнее, забывают показать структуру воды,
с которой надо сравнивать структуру льда.
Главная особенность структуры льда заключается
в том, что в кристалле все молекулы воды находят-
ся в окружении четырех других таких же молекул,
образующих тетраэдр. Это означает, что координаци-
онное число (число молекул, находящихся в непо-
средственной близости от рассматриваемой) равно
четырем.
Если максимально плотно упаковать в ящик ша-
ры такого же размера, то координационное число
окажется равным двенадцати, т. е. каждый шар бу-
дет соприкасаться с двенадцатью другими шарами.
Существуют два способа такой упаковки шаров.
В одном случае образуется кубическая плотноупако-
ванная структура (гранецентрированная кубическая),
а в другом — гексагональная плотноупакованная.
Подобными плотноупакованными кристаллическими
структурами обладают, например, медь, цинк, сереб-
ро и другие простые металлы. В сравнении с ними
кристаллическая структура льда, для которой коор-
динационное число равно четырем, и в самом деле
имеет много незаполненных промежутков.
Но каково координационное число для воды? Во-
да представляет собой жидкость, поэтому у нее нет
такой регулярной, упорядоченной структуры, как у
кристаллов льда, и расположение всех ее молекул с
течением времени постепенно меняется. Однако, ос-
новываясь на усредненных данных рентгеновских из-
мерений, можно определить так называемую функ-
Рис. 3.12. Лед пла-
вает в воде.
Структура и свойства кристаллов льда 45
цию радиального распределения (рис. 3.13). Эта
функция показывает, какова средняя концентрация
молекул в окрестности рассматриваемой. Найдя мак-
симум функции радиального распределения и форму
соответствующей кривой для воды, имеющей темпе-
ратуру 1,5°C, можно убедиться, что при такой тем-
пературе расстояние от рассматриваемой молекулы
до ближайших к ней других молекул равно 2,90 А,
а координационное число — 4,4. Иными словами, в
обычной воде каждая молекула окружена в среднем
4,4 другими молекулами, удаленными от нее на
2,90 А, что превышает расстояние между любой мо-
лекулой воды и ее ближайшими соседями в структу-
ре льда (2,76 А). Таким образом, из сравнений рас-
стояний между молекулами вовсе не вытекает, что
вода плотнее льда. Но у воды координационное чис-
ло больше четырех. Это обстоятельство и играет ре-
шающую роль — в результате у воды структура ока-
зывается более плотной, чем у льда.
Основная причина того, что у льда координацион-
ное число равно четырем, кроется в форме' моле-
кул воды. Из-за этого же, очевидно, лед легче воды.
Из-за этого же, как говорилось выше, происходит
уменьшение температуры плавления льда с ростом
давления.
Рис, 3.13. Функция радиального распределения для воды (Мор-
гаи, Уорреи, 1938 г.).
46
Глава 3
Если бы вода была похожа на остальные веще-
ства и лед был бы тяжелее ее, а значит, тонул, то
зимой при замерзании прудов лед постепенно нара-
стал бы не с поверхности, а со дна. В этом случае
водяные растения и рыбы не смогли бы пережить
зиму. Природа, если вдуматься, сотворена, поистине,
совершенно!
Поскольку для воды координационное число рав-
но 4,4, ее можно приближенно представлять себе ве-
ществом, обладающим тетраэдрической структурой,
что можно интерпретировать как частичное сохране-
ние у воды в жидком состоянии тетраэдрической
структуры, похожей на структуру льда.
Идея считать воду в жидком состоянии псевдо-
кристаллом возникла в 1933 г. у англичан Бернала
и Фаулера [2]. Согласно их модели, вода в жидком
состоянии представляет собой смесь трех компонент
с различными структурами (структура льда, структу-
ра кристаллического кварца и плотноупакованная
структура обычной воды).
В модели смешанного вещества удается хорошо
объяснить разнообразные особенности воды. Напри-
мер, максимальная плотность воды при +4 °C по-
лучает следующее толкование. Когда лед тает, его
собственная структура частично разрушается и обра-
зуются структуры двух других типов, обладающие
большей плотностью. С ростом температуры этот
процесс развивается, что приводит к увеличению
плотности, однако, когда температура переваливает
+4 °C, более существенным становится увеличение
объема за счет теплового движения молекул, и в ре-
зультате плотность начинает уменьшаться. Максимум
плотности определяется из условия баланса теплово-
го расширения и изменения плотности в зависимости
от содержания в смеси структур указанных трех ти-
пов.
Помимо модели, в которой вода рассматривается
как смесь трех компонент с различными структура-
ми, выдвигались и другие аналогичные модели —
двухкомпонентная и пятикомпонентная. Кроме того,
предлагалась так называемая однородная модель,
Структура и свойства кристаллов льда
47
согласно которой вода не является смешанным веще-
ством, а представляет собой непрерывную среду со
сложным образом искривленными водородными свя-
зями. И модели смешанного вещества, и однородная
модель — это всего лишь модели, предлагающие ту
или иную структуру. Но с их помощью удается хо-
рошо описывать реальные свойства воды. Многие во-
просы, относящиеся к структуре и свойствам воды,
и по сей день еще ждут своего окончательного раз-
решения [3].
Монокристаллы льда
Если понаблюдать за тем, как тает прозрачная
ледяная глыба, то можно обнаружить, что эта глы-
ба, казавшаяся вначале монолитной, на самом деле
состоит из некоторого числа зерен (рис. 3.14). Если
обращаться с глыбой осторожно, то можно увидеть,
как она разделится на отдельные зерна. Эти зерна
представляют собой крошечные монокристаллы, а
границы между ними являются межзеренными гра-
ницами.
Зерна были названы монокристаллами потому, что
каждое из них обладает монокристаллической струк-
турой, т. е. имеет по всему объему одно и то же на-
правление оси с. Почти весь окружающий нас лед —
это поликристаллический лед, состоящий из некото-
рого числа монокристаллов.
В сказанном можно убедиться, воспользовавшись
свойствами световых волн. Из рис. 3.15 видно, что
собой представляет сосулька, выросшая под крышей
дома. На фотографии показан вырезанный из этой
сосульки и сточенный до толщины около 1 мм кру-
жок, зажатый между двумя пластинками-поляриза-
торами.
Различить кристаллические зерна можно по цве-
товым контрастам. Каждое зерно имеет свой цвет:
красный, синий, желтый ..., и в действительности фо-
тография выглядит как красивый мозаичный узор.
Изучая подобные фотографии, можно выяснить, что
сосулька представляет собой поликристалл, что рост
48
Глава 3
Рис. 3.14. Тающий поликристалли-
ческий лед. Глыба обыкновенного
льда состоит из некоторого числа
монокристаллических зерен. Раз-
личимый повсюду сетчатый узор
образован межзеренными грани-
цами.
Рис. 3.15. Горизонтальный срез
сосульки (фотография в поляри-
зованном свете). Видно, что
кристаллические зерна, из кото-
рых состоит сосулька, росли в
направлениях от центра к пери-
ферии.
кристаллических зерен происходит из центра в ра-
диальных направлениях и т. д.
Поляризованный свет — это свет, в котором пред-
ставлены световые электромагнитные колебания
только одного выделенного направления. Изменения,
происходящие с поляризованным светом при его про-
хождении через кристалл, обычно зависят от ориен-
тации кристалла. Эти изменения обнаруживаются с
помощью пластинки-поляризатора. Просвечивая та-
ким образом монокристаллы льда, можно выявить
различие в ориентации их осей с.
В качестве поляризаторов подходят поляроидные
пластинки, имеющиеся в свободной продаже, поэтому
любой желающий может легко воспроизвести описан-
ную методику. Кроме того, пользуясь универсальной
установкой, которая представляет собою поляризаци-
онный микроскоп с присоединенным к нему специаль-
ным устройством, можно четко установить направ-
ление оси с в том или ином кристаллическом
зерне.
Структура и свойства кристаллов льда
49
Рис. 3.16. Углубления,
образующиеся при испа-
рении: а — поверхность
кристалла совпадает с
базисной плоскостью;
б — поверхность крис-
талла совпадают с приз-
матической плоскостью
(х40).
Метод термического травления
Чтобы определить ориентацию оси с в монокри-
сталле льда, японский ученый Хигути [4] (работаю-
щий в настоящее время в университете г. Нагоя)
предложил использовать широко известные фигуры
травления — они образуются при испарении кристал-
лов. Чтобы воспользоваться этим методом, надо
иметь те же химреактивы и оборудование, что и при
получении реплик (отпечатков) снежинок с помощью
раствора полимера формвара в дихлорэтане по ме-
тоду американского ученого Шефера, разработанно-
му в 1941 г.
Дихлорэтан с добавкой 0,5—1 вес. % порошка
формвара наносится на поверхность льда. Раствори-
тель дихлорэтан моментально тспаряется, и остается
тонкая полимерная пленка, когорая прекрасно пере-
дает неровности поверхности льда. Если таким обра-
зом нанести раствор на снежинку, можно получить
с этой снежинки реплику.
Пусть теперь в полимерной пленке имеется не-
большое отверстие диаметром менее 0,01 мм. Тогда
находящиеся на поверхности монокристалла льда мо-
лекулы воды будут постепенно испаряться через это
отверстие. При такой возгонке молекул с определен-
ных участков поверхности на ней возникнет харак-
терный узор, как на рис. 3.16 Фигуры, различимые
на рисунке, — это углубления, образующиеся при ис-
парении.
50
Глава 3
Рис. 3.17. Различные фигуры травления.
Направление оси с можно определить по форме
таких углублений. Так, при их шестиугольной (рису-
нок а) форме рассматриваемая поверхность является
базисной плоскостью кристалла, и ось с перпендику-
лярна плоскости рисунка, а при четырехугольной
(рисунок б) форме углублений рассматриваемая по-
верхности является призматической гранью, и ось с
лежит в плоскости рисунка. В общем случае направ-
ление оси с определяется по форме поверхности, об-
разующейся при сечении шестигранной призмы
(рис. 3.17).
Ледяные звездочки Тиндаля
Если подставить прозрачную ледяную глыбу под
солнечный свет или поднести ее к инфракрасной
лампе, то сначала станут поглощать энергию и пла-
виться кристаллические зерна, находящиеся на по-
верхности. Спустя некоторое время этот процесс за-
тронет и внутренние зерна, там начнут появляться
мелкие узоры. С непривычки обнаружить эти узоры
трудно, но, если вглядеться повнимательнее, они ста-
нут различимы. Под лупой или микроскопом узоры
оказываются похожими по форме на шестиугольные
снежинки (рис. 3.18), Однако то, что мы видим,—
это картина растаявшего льда. Внутри самих узо-
ров находится вода, а снаружи — лед.
Такие картины подтаявшего изнутри льда впер-
вые обнаружил английский физик Тиндаль, поэтому
Структура и свойства кристаллов льда
51
Рис. 3.18. Фигуры Тиндаля: а — Tyndall J., The forms of water
in clouds and rivers, ice and glaciers (1872); 6 — Kruger, Ma-
gun (1955) (X6,5).
о наличии подобных фигур говорят как о явлении
Тиндаля. Тиндаль открыл его в 1855 г., изучая аль-
пийские ледники. В его честь сами фигуры называют
фигурами Тиндаля, звездочками Тиндаля или еще от-
рицательными кристаллами, поскольку они образуют-
ся внутри кристаллов. На рис. 3.18, а воспроизведен
эскиз из книги Тиндаля «Формы воды в облаках и
реках, льде и ледниках» (1872 г.), выполненный им
самим.
Фигуры Тиндаля развиваются в базисной кристал-
лографической плоскости льда, о чем можно заранее
догадаться, судя по форме этих фигур, напоминаю-
щей шестиугольные снежинки. Таким образом, на-
блюдение фигур Тиндаля позволяет определить ори-
ентацию кристаллографических осей льда. В случае,
показанном на рис. 3.18, осью с является направле-
ние, перпендикулярное плоскости рисунка, а направ-
ления лучей фигур Тиндаля — осями а.
Чтобы вызвать появление фигур Тиндаля, нужен
лишь свет, несущий тепло, поэтому описанный метод
определения ориентации кристаллографических осей
монокристаллических зерен льда воспроизвести про-
ще всего. Давным-давно было установлено, что в
ледниках европейских Альп встречаются крупные
52
Глава 3
монокристаллы льда. Распознать их помогло наблю-
дение фигур Тиндаля.
Со времени открытия Тиндаля наблюдением и
изучением этих фигур занимались многие исследова-
тели, но, пожалуй, наиболее систематической и в
высшей степени красивой является работа Накая
Укитиро. В книге Накая [5], где он рассказывает о
результатах исследований фигур Тиндаля, можно по-
черпнуть массу интересных мыслей; она не уступает
по содержательности другому труду того же автора,
посвященному изучению искусственного снега.
Кружки вблизи центра фигур Тиндаля, различи-
мые на рис. 3.18, представляют собой пустоты. При
фазовом переходе части льда в воду происходит
уменьшение объема. Эта разность объемов льда и
воды и приводит к возникновению пузырьков, пла-
вающих в воде, которая заполняет фигуры Тин-
даля.
В пустотах, разумеется, нет воздуха — в данном
случае пузырьки насыщаются парами воды. Если при
этом такое состояние равновесно, то температура и
давление, согласно диаграмме состояний воды (см.
рис. 3.3), должны соответствовать тройной точке.
Однако экспериментов, которые бы подтвердили или
опровергли это предположение, пока не было.
Прозрачный лед
Первый признак хорошего качества льда — его
прозрачность. Снижение прозрачности связано в ос-
новном с наличием пузырьков, поэтому в тех случа-
ях, когда нужно получить прозрачный лед, следует
искать способ, как избавиться от пузырьков.
Почему лед прозрачен? Прозрачность таких ион-
ных кристаллов, как хлористый натрий, объясняется
тем, что они являются электрическими изоляторами,
но для льда подобная аргументация не годится.
Дело в том, что лед, как будет показано в следую-
щей главе, не является изолятором: он проводит
электрический ток. Итак, отложим пока ответ на во-
прос о прозрачности льда до стр. 104.
Структура и свойства кристаллов льда
53-
Лед, образующийся при быстром замораживании
воды, насыщен пузырьками и непрозрачен. Это вы-
звано тем, что воздух, растворенный в воде, собира-
ется у замерзающей поверхности в пузырьки, кото-
рые так и остаются вмороженными в лед.
Чтобы избежать появления во льде таких пузырь-
ков, следует медленно охлаждать воду с одной сто-
роны. Если скорость замерзания будет 2—3 мм/ч
или ниже, то получится прекрасный прозрачный лед.
Автор был восхищен, прочитав однажды в какой-
то книге для домохозяек, что для получения прозрач-
ного льда рекомендуется класть на дно морозильни-
ка палочки варибаси Пожалуй, это простейший
способ снижения скорости замерзания воды.
При получении высококачественного льда промыш-
ленным способом стремятся охлаждать воду как
можно медленнее; кроме того, через нее пропускают
воздух, вызывающий бурление, что приводит к пере-
мешиванию. Все это делается для того, чтобы у за-
мерзающей поверхности не образовывались пузырьки.
По мере замерзания добавляется свежая вода. Од-
нако в самой сердцевине замерзшего льда в конце
концов все же остаются пузырьки, удалить которые
никак не удается. Охлаждение воды с одной сторо-
ны— это, по-видимому, единственный способ получе-
ния льда, в котором совсем нет пузырьков, если не
считать еще замораживания воды в вакууме.
В прозрачном льде отсутствуют не только пузырь-
ки, но и другие примеси. В феврале 1972 г. в Сап-
поро проводились одиннадцатые зимние Олимпийские
игры, организаторы которых проявили при их подго-
товке необыкновенный энтузиазм. Годом ранее, в
1971-м, здесь же состоялись соревнования, ставшие^
как бы репетицией игр.
Одиако от участвовавших в соревнованиях 1971 г.,
конькобежцев из разных стран можно было услы«
шать нелестные отзывы о том, что лед на катке Ма«
команай в Саппоро не скользит. По просьбе Федера-
‘> Надпиленные палочки для еды, расщепляемые на две перед
употреблением. — Прим, перев.
54
Глава 3
Рнс. 3.19 Вертикальный срез
ледяного покрытия катка, на
котором во время XI зимних
Олимпийских игр (Саппоро,
1972 г.) проходили соревнова-
ния по скоростному бегу на
коньках (Х0.53).
ции конькобежного спорта автор принял участие в
исследованиях льда на этом катке. В результате вы-
яснилось, что лед был засорен различными примеся-
ми — теми, что присутствуют в водопроводной воде,
краской от труб, сажей и т. д. На Олимпиаде, для
того чтобы приготовить идеально чистый лед, приме-
нялась деионизированная вода; кроме того, для по-
лучения прозрачного льда без пузырьков скорость
его роста по всему катку все время удерживалась
ниже 2 мм/час.
На рис. 3.19 представлена фотография вертикаль-
ного тонкого среза льда, извлеченного с помощью
бура из покрытия катка сразу после окончания за-
бега женщин на 3000 м, которым 12 февраля 1972 г.
завершились соревнования по скоростному бегу на
коньках. Толщина льда на катке составляла 9 см.
Белые полосы на фотографии образовались там, где
были пузырьки воздуха.
2 см от поверхности занимает лед, полученный из
замерзшей деионизированной воды. Это превосход-
ный прозрачный лед, если не считать слоя, со-
держащего некоторое количество пузырьков воз-
духа.
Чтобы по всей обширной площади катка для ско-
ростного бега на коньках создать плоское покрытие
Структура и свойства кристаллов льда
55
из льда такого высокого качества, требуется фанта-
стическая техника. Лед на Олимпиаде в Саппоро
выращивал мастер этого дела X. Гоми, владелец
гостиницы в префектуре Нагано. Если бы не его са-
моотверженные усилия, получить такой замечатель-
ный лед вряд ли удалось бы. Однако установление
новых рекордов в скоростном беге на коньках зави-
сит не только от качества льда, но и от многих дру-
гих факторов. Так, на Олимпиаде в Саппоро высо-
кий молодой голландец Шенк стал трехкратным чем-
пионом игр, победив в беге на 1500, 5000 и 10 000 м,
но и ему не удалось показать новый мировой рекорд,
которого все так ждали.
Как говорилось выше, для того чтобы лед полу-
чился прозрачным, воду нужно замораживать мед-
ленно. Выясним теперь, каким образом будут обра-
зовываться пузырьки воздуха, если замораживать
воду быстро.
Вода, оставленная на воздухе, постепенно раство-
ряет его в себе. Если эту воду начать замораживать,
то воздух будет выталкиваться из кристаллической
решетки льда и мало-помалу накапливаться на гра-
нице льда и замерзающей воды.
Если вода замерзает медленно, то количество вы-
талкиваемого воздуха невелико и к тому же оно
снижается за счет диффузии. Однако при высоких
скоростях замерзания выталкивание идет быстрее
диффузии, и на границе растущего льда формируется
слой с повышенной концентрацией воздуха.
Количество воздуха, которое может раствориться
в воде (растворимость), не беспредельно, поэтому
через некоторое время после того, как начался про-
цесс замерзания, концентрация воздуха оказывается
выше растворимости и создается перенасыщение. Та-
кое состояние является неустойчивым: при наличии
подходящего группирующего центра молекулы возду-
ха тотчас же собираются вместе, происходит образо-
вание зародыша пузырька, который растет прямо на
глазах. На рис. 3.20 показано, как в следующий мо-
мент этот пузырек захватывается льдом.
56
Глава 3
Рис. 3.20. Пузырек воздуха, обра-
зовавшийся на замерзающей по-
верхности н захваченный льдом
(Х36).
Подходящими группирующими центрами служат
мельчайшие твердые частицы, содержащиеся в во-
де [6].
Таким образом, чтобы получить прозрачный лед,
надо охлаждать воду как можно медленнее, а также
позаботиться о том, чтобы в ней не было воздуха и
твердых частиц.
Цветной прозрачный лед
Воздух растворяется в воде, но не может внед-
риться в кристаллическую решетку льда, что и явля-
ется причиной образования воздушных пузырьков в
льде. Однако сказанное касается не только воздуха.
То же самое происходит с твердыми частицами и
ионами, присутствующими в воде. Вероятно, многие
видели, как холодным утром из грязной воды возни-
кает прозрачный лед. Пусть припомнят, что у них
получилось, и те, кому доводилось замораживать
чернила или прохладительные напитки: замерзший
лед не содержит пигментов и не имеет сладкого
вкуса.
Говорят, эскимосы называют морской лед «водой,
которую можно носить в руках». Видимо, им извест-
но, что лед, образующийся при замерзании морской
воды, состоит из пресной воды.
На рис. 3.21 представлены фотографии, на кото-
рых видно, что происходит с водой, в которую до-
бавлены мелкие частицы карборунда, если ее посте-
пенно замораживать снизу. Поскольку скорость за-
мерзания мала, эти частицы в лед не внедряются.
По мере роста льда они передвигаются вверх, оста-
Структура и свойства кристаллов льда
5Г
Рнс. 3.21. Твердые частицы на замерзающей поверхности. Фото-
графия движущегося вверх фронта замерзания сделана сквозь
слой воды сверху и под некоторым углом к поверхности льда.
Частицы карборунда не захватываются льдом, а перемещаются
по мере замерзания вверх. Различимые на замерзающей поверх-
ности линии представляют собой межзеренные границы (Х12).
ваясь все время на границе льда и воды, называе-
мой еще фронтом замерзания. Таким же образом
вытесняются льдом и молекулы воздуха, а также
примеси, содержащиеся в чернилах или в морской
воде.
Такое, как на рис. 3.21, выталкивание твердых,
частиц фронтом замерзания вызвано тем, что даже
под частицами происходит постоянный рост льда.
Однако дать исчерпывающий ответ на вопрос, поче-
му это возможно, пока никому не удалось. Иначе го-
воря, механизм постоянного затекания воды в зазо-
ры между частицами и льдом и ее превращения в лед
остается невыясненным. В принципе тот же самый
механизм лежит в основе и таких явлений, как про-
мерзание земли, которое часто случается на почве
холодными утрами, или вспучивание промерзшего-
грунта, которое приносит большой ущерб в северных
районах (вспучившаяся при замерзании земля раз-
рушает постройки и дороги). Обрисованная проблема
оказывается, таким образом, чрезвычайно серьезной.
Во время зимних праздников в северных районах
Японии снег и лед играют важнейшую роль, причем
в палитре праздничных красок снегу принадлежит
белизна, а льду — прозрачность. В последние годы»
58
Глава 3
Рис. 3.22. Ледяная скульптура «Оно-но Митнкадзе». Создана об-
ществом «Тосэнхёдо». На Всеяпонской зимней выставке ледяной
скульптуры в Саппоро (январь 1980 г.) отмечена поощрительной
премией министерства просвещения (фотография предоставлена
газетным изд-вом о. Хоккайдо).
вошло в обычай создавать в таких случаях снежные
скульптуры. Но какими бы грандиозными они ни
были и как бы тщательно ни выполнялись, любой
цвет, кроме традиционного чисто белого, сразу портит
впечатление. Прозрачность же льда, из которого то-
же делают скульптуры, год от года улучшается. Ле-
дяные скульптуры, сверкающие в солнечных лучах
или при вечерней подсветке, действительно велико-
лепны (рис. 3.22).
Производители льда, предназначенного для зим-
них праздников, нередко просят дать им совет, как
получить цветной прозрачный лед. И в самом деле,
насколько красочнее стали бы такие праздники,
если бы удалось вырастить изумрудно-зеленый и ру-
биново-красный лед или же лед, который светился бы
всеми цветами радуги, словно опал.
Структура и свойства кристаллов льда 59
Чтобы это сделать, нужно внедрить в кристалли-
ческую решетку льда вещества, дающие нужную
окраску. Такие попытки предпринимались, но желае-
мых результатов достичь не удалось, поскольку, как
показывают примеры с грязной водой и чернилами,
ввести в кристаллическую решетку льда посторонние
вещества почти невозможно. Кристаллы льда практи-
чески не допускают внутрь себя каких-либо других
молекул, кроме молекул воды.
Причина подобного поведения заключается в кри-
сталлической структуре льда. Эта структура создает-
ся ни на что другое не похожими молекулами воды,
которые к тому же соединяются между собой чрез-
вычайно своеобразными водородными связями. По-
этому естественно ожидать, что количество примеси,
которое можно ввести в такую структуру, не нарушив
в то же время порядка в окружающей области, дол-
жно быть невелико. На сегодняшний день известны
лишь три вещества, которые удается внедрять в ка-
честве примеси в кристаллическую решетку Льда,—
это фтор, аммиак и хлор. Однако при их введении
лед цвета не приобретает.
Выше, говоря о введении примеси в кристалличе-
скую решетку, мы везде имели в виду замещение
этой примесью молекул воды в узлах кристалличе-
ской решетки или внедрение примеси в междоузель-
ные промежутки. Что же касается льда, содержащего
пузырьки или частицы земли, а также морского льда,
содержащего морскую воду, насыщенную солью, то
во всех перечисленных случаях можно просто гово-
рить о смеси льда с пузырьками воздуха, льда с час-
тицами земли или льда с порами, заполненными
морской водой. При этом монокристаллы льда в та-
ких смесях представляют собой чистейший лед.
Свойство льда, мешающее вводить в его кристал-
лическую решетку инородные вещества, разочаровы-
вает тех, кому хотелось бы получить цветной про-
зрачный лед, но в то же время можно утверждать,
что для всех нас оно является благом. Действитель-
но, вода, которой мы каждый день пользуемся, была
прежде дождем или снегом. То, что дождевая вода
60
Глава 3
или вода из снега отличается исключительной чисто-
той, было хорошо известно еще в древности. В огром-
ной атмосфере нашей планеты только молекулы
воды собираются в отдельные облака, образуя лед,
который затем, превращаясь в дождевую воду или
снег, выпадает на землю. Все эти превращения мож-
но рассматривать как процесс очищения природы, в
котором нашли тончайшее применение особые свой-
ства льда.
Упругость и пластичность льда
Упругий лед
Если уронить ледяную глыбу на пол, она разо-
бьется вдребезги. Некоторые даже считают лед пред-
ставителем хрупких веществ. Однако при очень силь-
ном ударе он отскакивает, словно резиновый мячик.
Если охладить с помощью твердой углекислоты или
жидкого азота керосин или другую жидкость, в ко-
торой не растворяется вода, а затем шприцем или
пульверизатором впрыснуть в эту жидкость каплю
воды, то можно получить ледяной шарик нужного
размера. Если теперь бросить такой шарик на гори-
зонтальную ледяную поверхность, он отскочит от нее,
подобно шарику для настольного тенниса. На рис. 3.23
показано, как это происходит.
Рассчитаем коэффициент отражения, воспользо-
вавшись подобными фотографиями. Этот коэффици-
ент представляет собой отношение скоростей до и
после удара и служит мерой отражения. Его равен-
ство единице означает, что после удара скорость не
меняется, т. е. что тело обладает абсолютной упру-
гостью. Согласно результатам измерений, среднее
значение коэффициента отражения для ледяного ша-
рика равно 0,8, а в случае ледяного шарика идеаль-
но круглой формы при скоростях удара до 100 см/с
достигает даже величины 0,9 [7]. У таких предста-
вителей упругих веществ, какими являются слоновая
Структура и свойства кристаллов льда
61
Рис. 3.23. Црыжки ледяного
шарика по плоской поверхности.
Ледяной шарик (0 1,5 мм),
ударившись о плоскую ледяную
поверхность, отскакивает от нее
подобно резиновому мячику.
Частота стробоскопической под-
светки — 250 вспышек в секунду.
Температура равна —15 °C.
кость и мрамор, при этих скоростях удара коэффи-
циент отражения принимает значение 0,8, у латуни
и стали он равен 0,5, а у свинца — 0,2. Таким обра-
зом, способность ледяного шарика, ударившись о
плоскую поверхность, отскакивать от нее, оказывает-
ся неожиданно высокой. Это говорит об упругости
льда. Рассмотрим теперь чуть-чуть подробнее сам
механизм отскока.
При прямом ударе ледяного шарика о плоскую
льдину и шарик, и льдина испытывают действие сил,
приводящих к деформации. Эта деформация продол-
жается до тех пор, пока кинетическая энергия шари-
ка не превратится в нуль. Затем благодаря упруго-
сти начнет восстанавливаться прежняя форма. В ре-
зультате ледяной шарик приобретет скорость в про-
тивоположном направлении, а значит, и кинетиче-
кую энергию. Так происходит отскок.
Удар и последующий отскок ледяного шарика от
плоскости можно рассматривать как явление, при
котором сначала происходит превращение кинетиче-
ской энергии шарика в энергию деформации (упру-
гую энергию), а затем упругая энергия преобразует-
ся обратно в кинетическую. Деформации ледяного
шарика и плоской ледяной поверхности, конечно же,
возникают в результате искажений их кристалличе-
ских решеток, поэтому можно утверждать, что нали-
чие у льда упругих свойств обусловлено водородны-
62
Глава 3
ми связями, формирующими его кристаллическую
структуру.
При —10 °C зависящий от упругих свойств мо-
дуль Юнга для льда равен примерно 9-Ю10 дин/см2
Таблица 3.2. Модули упругости поликристаллического льда
(при —5°С)*
Модуль Юнга
Модуль сдвига
Объемный модуль упругости
Коэффициент Пуассона
(9,0—9.9) • 1010 дин/см2
(3,4-3,8) • IO1» дин/см2
(8,3-11,3)-1010 дин/см2
0,31—0,37
* Согласно Голду (1958 г.)
(см. табл. 3.2), что почти совпадает по величине со
значениями модуля Юнга для металлов и твердых
пород дерева — таких, например, как дуб.
Текущий лед
Хорошо известно, что наряду с упругими свойст-
вами лед обладает еще и пластичностью, т. е. спо-
собностью течь, когда к нему приложена внешняя
сила. Классический тому пример — ледники. Если
выпадает очень много снега, или если в условиях
исключительно холодного климата снег постепенна
накапливается с годами, то под его весом ледник
стекает в низины.
Когда-то давно считалось, что ледник не течет, а
просто гигантские ледяные глыбы соскальзывают на
дно низин. В наше время никто уже не сомневается
в том, что ледники текут подобно сладкой патоке.
Скорость течения теплых ледников варьируется в
пределах от нескольких десятков до почти двух со-
тен метров в год, а на участках с быстрым течением
может достигать 3—6 м/сутки [8].
Каков же механизм течения ледников? Этот во-
прос, имеющий непосредственное отношение к иссле-
дованиям механических свойств льда, вызвал в
XIX веке споры среди западноевропейских ученых:
Структура и свойства кристаллов льда
63
Рис. 3.24. Ледник Пейт.
Канада, август 1979 г.
англичан, французов и швейцарцев. Агасис, Форбс,
Тиндаль, братья Томсоны, Фарадей, Гельмгольц —
все они, каждый по-своему, пытались объяснить тече-
ние ледников. О полемике, длившейся несколько де-
сятилетий, можно узнать из многих книг, в которых
нашли отражение те ожесточенные научные споры.
Однако далеко не всегда эта полемика носила
научный характер. Вот как описал ее англичанин
Корне: «Непорядочность братьев, проигравших в
споре; посрамление Агасиса, приписавшего себе все
заслуги; брань в адрес Форбса; заявления о том,что
наличие у льда вязкости не доказано; десятилетняя
перепалка вокруг слов «вязкость», «пластичность»,
«упругость», «способность растягиваться» и «способ-
ность удлиняться» («Вода: природа и человек» [9]).
Спор о ледниках, так и не получивший в те годы
своего разрешения, через некоторое время сам по
себе затих, отойдя в область истории. Сегодня, спу-
стя примерно сто лет, течение ледников объясняют
пластической деформацией льда.
Пластическая деформация
монокристаллического льда
Вопрос, из-за которого разгорелись споры о тече-
нии ледников, звучал так: можно ли рассматривать
деформацию льда, являющегося твердым телом, как
течение вязкой жидкости (вроде сладкой патоки или
меда)? Положительный ответ на этот вопрос давали
64
Глава 3
Форбс и его сторонники. Как мы можем судить се-
годня, именно гипотеза о вязкости и оказалась бли-
же всего к истине.
Уточним, однако, что вместо термина «вязкость»
следует употреблять термин «пластичность». Патока
и мед обладают тем свойством, что смещающая сила
не встречает с их стороны сопротивления, т. е. жест-
кость отсутствует, а значит, достаточно совсем не-
большой силы, чтобы началось течение. Именно по
этой причине патокой и медом можно без зазоров
заполнить и круглый, и четырехгранный сосуд.
В данном случае следует говорить о вязкости.
Если же в круглый сосуд положить ледяную глы-
бу, то даже за очень долгое время эта глыба круг-
лой не сделается. Дело в том, что лед представляет
собой твердое тело, обладающее кристаллическими
свойствами, в следствие чего действие небольшой си-
лы встречает с его стороны противодействие — лед
стремится сохранить свою форму. В данном случае
следует говорить о жесткости, наличие которой, так
же, как и наличие упоминавшейся выше упругости,
объясняется связями, формирующими кристалличе-
скую решетку.
Однако если приложенная сила превышает по ве-
личине некоторое предельное значение (предел теку-
чести), то начинается деформация, подобная течению
патоки или меда. Эта деформация носит название
пластической.
Появление у льда пластической деформации со
всей очевидностью продемонстрировал в своих экспе-
риментах английский ученый Макконнел. О предва-
рительных результатах чрезвычайно аккуратно выпол-
ненных экспериментов Макконнел сообщил в 1888 г.,
а затем на монокристаллах льда со швейцарского
озера Давос он исследовал деформацию более точно.
Внезапная смерть помешала Макконнелу закончить
работы на озере Давос, и в 1891 г. его научные
дневники в незавершенном виде были опубликованы
в «Трудах королевского общества» (Лондон) [10].
В дневниках Макконнела содержится четкое описа-
Структура и свойства кристаллов льда
65
Рис. 3.25. Картинки, поясняющие
эксперименты Макконнела по изгибу
ледяного стержня. (Bragg W., Con-
cerning the nature of things, 1925.)
ние механизма пластической деформации монокри-
сталлического льда. По мысли английского ученого
монокристалл льда представляет собой некую стопку
листов, сложенных таким образом, что направлению
оси с соответствует толщина стопки. При приложении
к этой стопке сдвигающей силы, параллельной пло-
скости листов, листы начинают скользить, и моно-
кристалл легко деформируется, но если сила прило-
жена так, что сдвиг листов не возникает, то дефор-
мации льда не наблюдается.
На рис. 3.25 представлены картинки, печатавшие-
ся в те годы во многих книгах о льде и ледниках.
Лед на этих картинках изображен в виде стопки
листов. С первого взгляда ясно, что если приложить
силу так, как на картинке б, то в том же самом мо-
нокристалле льда скольжения не возникнет. Между
прочим, сам Макконнел оставил после себя лишь
простейший набросок: он скончался, так и не успев
опубликовать результаты своего замечательного от-
крытия. Видимо, воспроизведенные здесь картинки
выполнил кто-то другой, осознавший мысль Мак-
коннела.
«Листовую модель» пластической деформации
монокристаллического льда весьма наглядно проде-
монстрировал Накая Укитиро [11]. Воспользовав-
3 Зак. 600
66
Г лава 3
Рис. 3.26. Границы слоев, вдоль которых происходит скольжение,
принявшие такую форму в результате изгиба ледяного стержня
(Накая, 1956 г.) (Х3,6).
шись подсветкой по шлирен-методу с помощью
которого можно очень тонко выявлять незначитель-
ные изменения коэффициента преломления, Накая
получил прекрасную фотографию, воспроизведенную
на рис. 3.26. Эта фотография отвечает эксперименту,
показанному на рис. 3.25,а. На ней хорошо разли-
чим ряд темных полос, тянущихся вдоль плоскостей,
перпендикулярных оси с, т. е. вдоль базисных пло-
скостей. Темные полосы соответствуют плоскостям
скольжения: по ним и происходит деформация льда.
Механизм скольжения вдоль базисных плоскостей'^
дислокации
Как показывают наблюдения, деформация моно-
кристаллического льда происходит за счет скольже-
ния вдоль базисных плоскостей. Но почему скольже-
ние идет лишь по этим плоскостям? Чтобы ответить
на поставленный вопрос, надо вспомнить, как выгля-
дит кристаллическая структура льда (рис. 3.9 и 3.10),
Выше уже говорилось, что базисные плоскости —
это плоскости максимальной молекулярной плотно-
п Метод теневого фотографирования. — Прим, перев,
Структура и свойства кристаллов льда
67
сти. Кроме того, известно, что кристалл льда состоит
из уложенных один на другой плотноупакованных
молекулярных слоев, которые располагаются перпен-
дикулярно оси с. Число водородных связей внутри
этих слоев больше, чем между ними. Такое располо-
жение молекул воды говорит о том, что структура
льда напоминает стопку листов бумаги, как и пред-
полагал Макконнел.
Силу, которая необходима для возникновения
скольжения вдоль базисных плоскостей в идеальном
монокристалле льда, можно рассчитать теоретически.
Расчеты дают величину, примерно равную
7000 кгс/см2. Однако в действительности сила, вы-
зывающая скольжение вдоль базисных плоскостей,
составляет всего лишь 1—5 кгс/см2, т. е. теоретиче-
ское значение превышает экспериментальное в
7000 раз. Подобное расхождение теоретических и
экспериментальных значений наблюдается также у
меди, серебра, золота и других веществ, причем ни
неточностью, которая всегда присутствует при расче-
тах, ни погрешностью измерений объяснить расхож-
дение в 7000 раз невозможно. Таким образом, прихо-
дится признать, что в основе расчетов лежат оши-
бочные теоретические предпосылки.
Блестящее решение этой проблемы было найдено
в 1930-х годах, когда родилась новая идея о суще-
ствовании дислокаций. Дислокации — это один из
видов дефектов кристаллической решетки. Развитие
представлений о дефектах решетки началось с того
момента, когда выяснилось несовершенство реальных
кристаллов. Согласно исходному определению, под
кристаллами понимаются твердые тела с упорядочен-
ным расположением атомов и молекул. Те же кри-
сталлы, которые существуют в природе, можно
считать неидеальными, содержащими частично разупо-
рядоченные области. Эти области и называются де-
фектами решетки.
Дефекты решетки возникают, например, тогда,
когда в некотором узле отсутствует молекула, или
когда молекула внедряется туда, где ее быть не дол-
жно, т.е. в область между узлами (рис. 3.27). В первом
3*
68
Глава 3
случае принято говорить о вакансиях, а во вто-
ром о междоузельных молекулах. Такие дефекты ре-
шетки называют точечными.
Обычно внутри реального кристалла молекулы не
остаются все время в одних и тех же узлах. За счет
перемещения по узлам решетки все они постоянно
меняются местами (т. е. происходит так называемая
самодиффузия). В идеальном кристалле возникнове-
ние такой самодиффузии невозможно. Дело в том,
что между его молекулами действуют многочислен-
ные связи, которые пришлось бы разрывать, если бы
молекулы двигались.
Возможность диффузии в реальных кристаллах
объясняется тем, что они не идеальны и содержат
такие точечные дефекты, как вакансии и междоуз-
лия. Причем вовсе не обязательно, чтобы число этих
дефектов было очень большим. В кристаллах льда
один точечный дефект приходится на 1 —10 млрд,
узлов решетки. Однако лишь учет подобных дефек-
тов позволяет теоретически объяснить явление диф-
фузии.
Вакансия
молекула
Рис. 3.27. Вакансии и междоузелыше молекулы.
Структура и свойства кристаллов льда
69
Рис. 3.28. Краевая (а) и винтовая (б)
дислокации. Краевая дислокация возни-
кает в том случае, когда в кристалл с
упорядоченным расположением молекул
втискивается еще один молекулярный
слой. Кромка этого избыточного втисну-
того слоя и представляет собой краевую
дислокацию. Горизонтальное сечение
такого кристалла показано на рис.
3.29, а, б. Винтовая дислокация пред-
ставляет собой линейный дефект, обра-
зующийся в том случае, когда кристалл
имеет вертикальный надрез и части
кристалла по обе стороны этого надреза
сдвинуты друг относительно друга на
одно межмолекулярное расстояние в
вертикальном направлении.
Краевая
дислокация
Винтовая
дислокация
Итак, вернемся к разговору о таких дефектах ре-
шетки, как дислокации, что позволит нам понять
скольжение льда вдоль базисных плоскостей. Дисло-
кации являются линейными дефектами решетки. На
рис. 3.28 показаны две основные формы дислока-
ций— краевые (а) и винтовые (б). Краевая дисло-
кация представляет собой линейный дефект, который
возникает вдоль кромки одного лишнего молекуляр-
ного слоя, втиснутого в кристалл. Винтовая дислока-
ция образуется за счет относительной сдвижки двух
молекулярных слоев. Из рисунка б видно, что кри-
сталл в целом можно рассматривать в этом случае не
как некоторое количество молекулярных слоев, уло-
женных один на другой, а как один слой, закрученный
винтом. Отсюда происходит и название такой дисло-
кации — винтовая.
Если внутри кристалла имеются дислокации, то
его пластическая деформация начинается под дейст-
вием весьма малой силы. Из рис. 3.29, например,
видно, что при приложении к поверхности кри-
сталла силы, направленной влево, краевая дислока-
ция смещается влево и достигает границы кри-
сталла.
70
Глава 3
Сдвигающая
сила
а
Рис. 3.29. Механизм скольжения за счет смещения дислокаций.
При приложении к кристаллу сдвигающей силы (ее направление
показано стрелкой) краевая дислокация (±) начинает шаг за
шагом перемещаться вдоль кристалла (при этом за один шаг она
смещается на одно межмолекулярное расстояние). В результате
во всем кристалле возникает макроскопическая деформация
скольжения.
Прохождение через кристалл дислокаций есть не
что иное, как деформация скольжения, причем для
такой деформации требуется чрезвычайно малая
сила. Понять, почему это так, помогает аналогия с
ковром: для того, чтобы ковер ехал по полу, его
нужно тащить с очень большой силой, но если со-
здать на нем поперечные складки и по очереди про-
гонять их вдоль ковра, то передвигать его станет
значительно легче. Под действием приложенной си-
лы приходят в движение и винтовые дислокации,
что также вызывает в кристалле деформацию сколь-
жения.
Кривая напряжений-деформаций
Детальные исследования деформации изгиба мо-
нокристаллов льда выполнил Накая [12], а изуче-
нием пластической деформации плодотворно занима-
лась группа Хигаси [13] (Университет о. Хоккайдо),
Проанализировав неопубликованные результаты, по-
лученные Накая, группа Хигаси повторила его экспе-
рименты, уделив при этом особое внимание температуре
и механическим напряжениям, а также выпол-
нила эксперименты по растяжению льда с постоян-
ной скоростью, что прежде практически не делалось.
Структура и свойства кристаллов льда
71
На рис. 3.30 показаны результаты группы Хигаси.
Исследовавшийся образец льда представлял собой
монокристалл в форме цилиндра диаметром 1 см и
длиной 5 см. Угол между осью с монокристалла и
направлением растяжения составлял 45°, поэтому в
базисной плоскости развивалось максимальное на-
пряжение сдвига.
По результатам измерений можно заключить, что
чем больше скорость деформации, тем выше механи-
ческие напряжения. Кроме того, видно, что при де-
формациях от 0,5 до 1 % напряжение достигает сво-
его максимального значения (предела текучести),
после чего быстро спадает. Иными словами, для то-
Рис. 3.30. Кривые напряже-
ний— деформаций при
скольжении вдоль базисных
плоскостей. Числа на ри-
сунке указывают скорость
деформации (в качестве
единицы измерения взята
такая скорость, при которой
за одну секунду происходит
относительное изменение
длины на 10-’)- Темпера-
тура равна —15 °C. Рисунок
Хигаси (1965 г.) с внесен-
ными в него частичными
изменениями.
Рис. 3.31. Кривая напряже-
ний— деформаций в случае,
когда образец испытывает
повторяющуюся деформа-
цию. Скорость растяжения
составляет 2,7-10~6 с-1, тем-
пература равна —16 °C.
Рисунок Хигаси (1965 г.)
с внесенными в него частич-
ными изменениями.
72
Глава 3
вначале приложить очень большую силу, а затем,
когда деформация достигнет 0,5—1 %, такая сила
будет уже не нужна, достаточно будет существенно
меньшей силы.
Если вдуматься, существование предела текучести
и быстрый спад механического напряжения после то-
го, как этот предел перейден, представляют собой
загадочные явления. Однако учитывая, что скольже-
ние вдоль базисных плоскостей возникает за счет
смещения дислокаций, указанным явлениям можно
дать следующее объяснение.
Сначала дислокаций в кристалле не очень много.
Следовательно, для того чтобы деформация развива-
лась с постоянной скоростью, дислокации должны
смещаться очень быстро, что требует большого меха-
нического напряжения. Однако по мере развития
деформации в кристалле появляется все больше
дислокаций; в результате на каком-то этапе доста-
точным оказывается меньшее механическое напря-
жение, и с этого момента оно начинает быстро спа-
дать.
Связь скольжения вдоль базисных плоскостей со
смещением дислокаций доказывает' эксперимент с
повторяющейся деформацией, который в основном
аналогичен предыдущему, но отличается от него тем,
что после достижения предела текучести внешняя
сила снимается, затем, спустя некоторое время, вновь
прикладывается, и так повторяется несколько раз
(рис. 3.31).
Монокристаллический лед ведет себя в этих усло-
виях так, будто «помнит» зависимость напряжения от
деформации из эксперимента, описанного выше: после
того, как один раз пройден предел текучести, макси-
мумы напряжения на последующих стадиях больше
не достигают столь высоких значений, деформация
развивается при меньших напряжениях, и на участ-
ках спада кривая соответствующей зависимости по-
вторяет кривую, полученную при постоянной скорости
деформации. Это обстоятельство интерпретируется
как свидетельство увеличения количества дислокаций
по мере развития деформации.
Структура и свойства кристаллов льда 7^
Непосредственное наблюдение дислокаций
в кристаллах льда
Теория деформаций скольжения, учитывающая ди-
слокации, нашла блестящее применение при описании
металлов и ионных кристаллов. С помощью этой тео-
рии можно также объяснить и скольжение вдоль ба-
зисных плоскостей в монокристаллическом льде. Оче-
видно, присутствующие в кристаллах льда дислока-
ции должны иметь форму, позволяющую им легко
смещаться в базисной плоскости. Однако долгое вре-
мя считалось, что непосредственно рассмотреть, как
они выглядят, невозможно, поскольку дислокации об-
разуются в результате относительной сдвижки моле-
кулярных слоев на расстояние, равное всего лишь
одному межмолекулярному промежутку в кри-
сталле.
Хейес и Уэбб [14] (Корнеллский университет,
США) были первыми, кому удалось непосредственно
увидеть дислокации в кристаллах льда. Применив
метод дифракционной рентгеновской микроскопии,
они получили прекрасную фотографию дислокаций.
На воспроизведенном здесь фото эти дислокации
имеют вид тонких черных линий (рис. 3.32). Рас-
сматривая древовидные монокристаллы льда, можно
обнаружить большое число дислокаций, тянущихся из
узлов ветвления этих кристаллов. Причина подобно-
го явления заключается, видимо, в том, что на ука-
занных участках создаются особенно сильные напря-
жения, вызывающие пластическую деформацию.
Хейес и Уэбб установили, что образующиеся в
данном случае дислокации проходят вдоль базисных
плоскостей кристалла и являются винтовыми. В ито-
ге было строго доказано, что внутри льда существу-
ют дислокации и что скольжение вдоль базисных
плоскостей с точки зрения молекулярной теории
можно интерпретировать как смещение дисло-
каций.
Исследованиями льда с помощью метода дифрак-
ционной рентгеновской микроскопии вслед за Хейе-
сом и Уэббом занялись ученые в других странах.
74
Глава 3
Рис. 3.32. Фотография
дислокаций в кристалле
льда, полученная мето-
дом рентгеновской топо-
графии (Уэбб, Хейес,
1967, г.) (Х3,6).
Так, Фукуда и Хигаси [15] (Университет о. Хоккай-
до) провели первые успешные измерения скорости
смещения дислокаций, затем Май и Перес (Фран-
ция), а также группа Джонса (Канада) продолжили
исследования скорости смещения дислокаций и дру-
гих свойств.
Согласно результатам их работ, скорость смеще-
ния дислокаций при напряжении сдвига около 1 бар
равна примерно 0,5 мкм/с (2 мм/ч). Если же уве-
личивать напряжение, скорость будет возрастать
пропорционально ему. Таким образом, отдельная дис-
локация перемещается довольно медленно. Однако
по мере развития деформации число дислокаций все
увеличивается и в результате их незначительные сме-
щения приводят к тому, что становится возможным
макроскопическое скольжение вдоль базисных пло-
скостей.
Необходимо, однако, оговориться, что до сих пор
многие вопросы, касающиеся дислокаций в кристал-
лах льда, остаются неразрешенными. Так, результа-
ты экспериментов по скольжению вдоль базисных
плоскостей в действительности не удается абсолютно
точно описать пропорциональной зависимостью ско-
рости смещения дислокаций от напряжения. Мы не
будем подробно разбирать здесь эту проблему, заме-
тим лишь, что в кристаллах льда, возможно, образу-
ется несколько различных типов дислокаций; кроме
того, указанная проблема, видимо, тесным образом
Структура и свойства кристаллов льда
75
связана с вопросами возникновения, размножения и
взаимодействия дислокаций. Еще один вопрос, жду*
щий в будущем своего разрешения, касается деталь*
ной картины внутренней структуры дислокаций. Ди*
слокации представляют собой области, где упорядо*
ценная кристаллическая решетка частично нарушена,
поэтому предполагают, что их структура похожа на
структуру жидкости. Такое предположение позволяет
предсказывать свойства дислокаций, но строго его
обосновать пока никому не удалось.
Поликристаллический лед
и упруговязкие свойства
Монокристаллы льда с точки зрения пластических
свойств обладают сильно выраженной анизотропией.
Действительно, как следует из эксперимента, иллю*
стрируемого рис. 3.25, пластические свойства моно*
кристаллического льда сильно зависят от направле-
ния. Поликристаллический лед представляет собой
совокупность таких монокристаллических зерен. Если
к поликристаллическому льду приложить силу, внут*
ри каждого кристаллического зерна возникнет дви*
жение дислокаций и начнет развиваться скольжение
вдоль базисных плоскостей. Однако оси с, а значит,
и базисные плоскости разных зерен ориентированы
различным образом, поэтому скольжение вдоль ба*
зисных плоскостей в каждом кристаллическом зерне
ограничено соседними зернами и не может разви-
ваться так же свободно, как в монокристалле. В ре-
зультате пластические свойства поликристаллического
льда оказываются сильно зависящими от величины
образующих его кристаллических зерен и от ори-
ентации их осей с, т. е. от кристаллической тексту-:
ры. Вот почему при изучении течения ледников важ<
но знать кристаллическую текстуру льда.
Обычно поликристаллы льда состоят из большого
числа монокристаллических зерен, ориентированных
произвольным образом, поэтому свойства отдельных
зерен усредняются и, таким образом, свойства поли«
кристаллов оказываются, как правило, изотропными.
76
Глава 3
Рис. 3.33. Деформация
поликристаллического
льда. Растяжение проис-
ходит под действием
силы, которую создает
подвешенный к образ-
цу постоянный груз
(2,4 кгс/см2). Темпера-
тура равна —10 °C
(Джеллинек, Бриль,
1956).
На рис. 3.33 приведена типичная кривая, показываю-
щая, как развивается во времени деформация изо-
тропного поликристаллического льда. Эта кривая по-
лучена американскими исследователями Джеллине-
ком и Брилем из экспериментов по растяжению
льда (1956 г.).
При приложении силы (точка Д) лед мгновенно
растягивается (деформируется) до состояния, соот-
ветствующего на кривой точке В. Деформация на
данной стадии является упругой, поэтому, если
убрать силу, лед опять вернется в исходное состоя-
ние. Затем идет участок кривой, на котором скорость
роста деформации постепенно снижается со временем
(замедленная упругость), и, наконец, спустя некото-
рое время, в точке С устанавливается постоянная
скорость. Пластическая деформация на участке, где
деформация развивается с постоянной скоростью, на-
зывается установившейся ползучестью. Течение лед-
ников почти всегда происходит за счет пластической
деформации этого типа.
Если в какой-то момент (точка D) убрать силу,
упругая деформация мгновенно вернется к исходно-
му уровню (точка Е), а затем в течение некоторого
времени опять будет наблюдаться замедленная упру-
гость. В конце концов лед сохранит только постоян-
ное растяжение, вызванное пластической деформаци-
ей (точка G).
Структура и свойства кристаллов льда
17
Таким образом, поликристаллический лед облада-
ет как упругими, так и пластическими свойствами, а
значит, по внешним признакам его можно считать
упруговязким телом, подобным смоле. В начале этой
главы рассказывалось об упругом льде и о текучем
льде. Речь, как мы теперь видим, шла не о разных
веществах. Просто, говоря об упругом льде, мы вы-
делили его упругие свойства, а говоря о текучем
льде,— вязкие (пластические).
Ответ на вопрос, какие свойства проявляет лед
при данной температуре — упругие или пластические,
зависит от способа приложения силы. Если сила
прикладывается быстро, как при ударе ледяного ша-
рика, то проявляются упругие свойства, а если сила
прикладывается на протяжении длительного времени^
как при течении ледников, то пластические.
Такую деформацию можно описать в рамках фе-
номенологической реологической модели, содержащей
четыре элемента (рис. 3.34), Максвелловская часть
модели включает в себя пружину и соединенный с
ней последовательно цилиндр с поршнем, гасящий
энергию колебаний. Пружина в данном случае сим-
волизирует упругость, а поршень вязкость. Чтобы
перейти от этой модели к деформации поликристал-
лического льда (рис. 3.33), надо пружине сопоставить
мгновенную упругую деформацию, возникающую в
Рис. 3.34. Реологическая модель,
содержащая четыре элемента.
78
Глава 3
момент приложения силы, а поршню бесконечно рас-
тянутую во времени пластическую деформацию (ус-
тановившуюся ползучесть).
Фойгтовская часть модели (модель Кельвина),
включающая в себя пружину и поршень, которые со-
единены параллельно, символизирует замедленную
упругость. Пружина, соединенная параллельно с пор-
шнем, действует медленнее, чем пружина без порш-
ня, хотя растяжение, возникающее при приложении
к такой пружине силы, в конце концов исчезает,
если эту силу убрать.
Рассказывая о поликристаллическом льде, мы до
сих пор концентрировали внимание на его вязких
свойствах. Но, как уже несколько раз отмечалось,
кристаллическая структура льда предполагает нали-
чие как пластических, так и упругих свойств, а зна-
чит, считать, что поликристаллический лед обладает
только вязкостью, неверно. Причина подобного за-
блуждения заключается в том, что у монокристаллов
льда скольжение вдоль базисных плоскостей возни-
кает чрезвычайно легко, и поэтому упругие свойства
на фоне пластических остаются незаметными. На са-
мом же деле, как показал Макконнел, даже моно-
кристаллы льда, которые в других условиях легко
деформируются, в том случае, когда сдвигающая
сила не имеет составляющей в кристаллографической
базисной плоскости, ведут себя абсолютно упруго
(рис. 3.25, б).
У становившаяся ползучесть
поликристаллического льда
Как говорилось выше, возникновение скольжения
вдоль базисных плоскостей в монокристаллических
зернах, из которых состоит поликристалл льда, обыч-
но затруднено. Итак, выясним, каким механизмом
обусловлена пластическая деформация поликристал-
лического льда. Обратимся прежде всего к из-
вестным на сегодняшний день результатам изме-
рений.
Структура и свойства кристаллов льда
79
Рис. 3.35. Зависимость скорости деформации от напряжения
сдвига для поликристаллического льда. Рисунок Бадда и Радока
(1971 г.) с внесенными в него частичными изменениями.
На рис. 3.35 представлены данные, собранные из
разных источников австралийскими исследователями
Баддом и Радоком [16]. Изучение установившейся
ползучести поликристаллического льда непосредст-
венно связано с вопросами, имеющими практическое
значение,— такими, например, как вопрос о течении
ледников. Поэтому подобные измерения выполнялись
многократно, причем способ приложения силы, ее вели-
чина, температура, форма и размеры кристаллических
80
Глава 3
зерен, из которых состоял исследуемый обра-
зец льда, и другие параметры менялись от измере-
ния к измерению. Не удивительно, что о совпадении
результатов в данной ситуации говорить не прихо-
дится. Однако общая тенденция прослеживается
четко.
На представленном здесь графике показана зави-
симость скорости деформации от напряжения сдви-
га при постоянной температуре. Из этого графика
видно, что с увеличением напряжения сдвига ско-
рость деформации возрастает. Такой результат вос-
принимается вполне естественно. До тех пор, пока
напряжение не достигнет 0,1 бар, зависимость ско-
рости деформации от напряжения носит линейный
характер, а затем скорость растет как третья —
пятая степень напряжения, т. е. ее рост убы-
стряется.
Существование разных законов изменения скоро-
сти деформации с напряжением для разных интерва-
лов напряжений говорит о том, что каждому такому
интервалу соответствует свой механизм пластической
деформации. В случае монокристаллического льда
скольжение, вдоль базисных плоскостей довольно хо-
рошо объясняется механизмом смещения дислокаций
вдоль этих плоскостей. В случае же поликристалли-
ческого льда в пластическую деформацию, кроме то-
го, вносят вклад такие разнообразные механизмы,
как диффузия, дрейф границ кристаллических зерен,
микроразрушения и т. д. Вероятно, по этой причине
для образцов с различной текстурой (например, с
различной ориентацией, формой или величиной кри-
сталлических зерен), а также для разных типов де-
формации (для таких, например, как растяжение,
изгиб или сжатие) результаты измерений не совпа-
дают (рис. 3.35).
Принято считать, что внутри реальных ледников
обычно создается напряжение сдвига порядка 1 бар.
При расчетах течения ледников и материкового ле-
дового панциря часто пользуются формулой, которая
получена в 1955 г. английским исследователем Гле-
ном. Согласно его формуле, скорость деформации
Структура и свойства кристаллов льда 81
растет пропорционально напряжению сдвига в степе-
ни 3,2. Однако, как мы убедились выше, указанная
формула подходит не для всякого поликристалла
льда. В последние годы предпринимаются попытки
исследовать установившуюся ползучесть поликристал-
лического льда в зависимости от его кристаллической
текстуры и, в частности, от величины кристал-
лических зерен [17]. Видимо, в скором времени свой-
ства поликристаллического льда можно будет объяс-
нить точнее.
Глава 4
Неупорядоченные кристаллы льда
Выше уже говорилось, что многие физические
свойства льда можно объяснить, исходя из представ-
ления о кристаллах льда как о твердых телах, кото-
рые состоят из шарообразных молекул воды, обра-
зующих строго упорядоченную решетку гексагональ-
ной симметрии. Однако у льда есть, кроме того, не-
малое число свойств, которые указанной простой мо-
делью объяснить никак не удается.
Известно, например, что лед не является электри-
ческим изолятором: он хоть и слабо, но все же про-
водит ток. И тут возникает вопрос: почему лед, по-
добно обычным изоляторам, прозрачен? В предыду-
щей главе мы оставили этот вопрос неразрешен-
ным (с. 52).
Лед, подобно германию и кремнию, применяемым
в транзисторах, обладает свойствами полупроводни-
ка. В связи с этим возникает следующий вопрос:'ка-
ким механизмом обусловлено такое его поведение?
Далее. Почему в той узкой области температур и
давлений, при которых протекает наша жизнь, лед
чрезвычайно легко может превращаться в жидкость
и пар? Ведь среди окружающих нас веществ нельзя
отыскать второе такое, которое могло бы так же
свободно, как лед, совершать фазовые переходы.
О перечисленных свойствах льда мы расскажем в
этой и следующей главах. Во всех приведенных вы-
ше рассуждениях можно было считать молекулы
воды примерно шарообразными, но говорилось также
и то, что эти молекулы имеют два бугорка (рис. 3.2).
Эти два бугорка, на которых мы умышленно не за-
остряли до сих пор внимание, суть не что иное, как
атомы водорода. О них-то теперь главным образом
и пойдет речь.
Неупорядоченные кристаллы льда 83
В настоящей главе читатели узнают, что на са-
мом деле лед нельзя называть кристаллом в строгом
смысле — он представляет собой неупорядоченный
кристалл. Это противоречивое на первый взгляд со-
четание слов вынесено в заглавие всей четвертой
главы. Неупорядоченность кристаллов льда является
их важнейшим свойством. В большинстве известных
на сей день книг и научных работ о льде указанно-
му свойству не уделено почти никакого внимания.
Здесь ему будет посвящена целая глава. При этом
речь часто будет идти о том, как устроены атомы и
молекулы на микроскопическом уровне. Читатели,
плохо разбирающиеся в подобных вопросах, могут
ограничиться беглым просмотром трудных мест и
продолжить чтение дальше.
Расположение атомов водорода
Устойчивые молекулы воды.
Ковалентные связи
Рассмотрим теперь, как устроены шарообразные
молекулы воды, имеющие по два бугорка, изнутри,
Рис. 4.1. Ковалентные связи в молекуле воды. У одного атома
кислорода и двух атомов водорода появляются общие электро-
ны, в результате чего их электронные оболочки заполняются до
конца и образуется прочная молекула НгО,
<i
84
Глава 4
В несколько упрощенном виде их внутренняя струк-
тура изображена на рис. 4.1.
Как известно, электроны в атомах вращаются во-
круг ядер по определенным орбитам, называемым
электронными оболочками. До того, как атомы
кислорода и водорода, соединившись, образуют мо-
лекулы воды, атомы кислорода имеют на внешних
электронных оболочках по шесть электронов, а
атомы водорода на своих оболочках — но одному
(рис. 4.1, а). Причем на этих оболочках в первом
случае может разместиться максимум восемь элек-
тронов, а во втором — максимум два. Наиболее
устойчивая электронная структура образуется тогда,
когда оболочки заполнены полностью.
Подобную устойчивую структуру имеет молекула
воды, возникающая при соединении одного атома
кислорода и двух атомов водорода. Как схематично
показано на рис. 4.1,6, у атома кислорода и атомов
водорода появляются общие электроны, и в резуль-
тате электронные оболочки этих атомов заполняются
до конца. Такие связи называются ковалентными.
Ковалентные связи чрезвычайно устойчивы, а зна-
чит, прочны. Лучше представить сказанное помогает
пример самого твердого в мире вещества — алмаза,
который состоит из атомов углерода, соединенных
ковалентными связями.
Ковалентные связи, скрепляющие молекулы воды,
не рвутся даже при фазовых переходах «вода —
пар — лед». Для их разрыва приходится применять
специальные методы — например, электролиз. Опыт
Кавендиша, описанный выше (рис. 3.1), можно на-
звать первой попыткой человека намеренно разру-
шить ковалентные связи молекул воды.
Водородные связи,
действующие между молекулами воды
В сравнении с ковалентными связями, действую-
щими внутри молекул воды, водородные связи, скреп-
ляющие в кристаллах льда эти молекулы между со-
Неупорядоченные кристаллы льда
85
бой, оказываются намного слабее. По своей силе
они меньше ковалентных в 24 раза.
Впрочем, об этих связях можно говорить и как
о в меру сильных, и как о в меру слабых, чему есть
множество оснований. В пользу первого, например,
говорит тот факт, что лед может сохранять свою
форму, что его приходится разбивать, что по нему
можно ходить или кататься на коньках. В пользу
второго свидетельствует пластическое течение льда
под действием силы, превышающей некоторую вели-
чину, образование ледников и айсбергов.
Когда лед, тая, превращается в воду, происходит
разрушение водородных связей. Однако при этом
рвутся не все связи. Какая-то их доля все же сохра-
няется, и в результате структура льда исчезает не
полностью. Сказанным можно объяснить максималь-
ную плотность воды при +4 °C (с. 46). Пар со-
ответствует такому состоянию, когда все водород-
ные связи разорваны. Если бы эти связи были
прочнее, то при тех температурах и давлениях, при
которых протекает наша жизнь, вода и лед не могли
бы так легко испаряться.
Из второй главы мы знаем, как важен круговорот
воды (рис. 2.1), а из третьей главы нам известно,
что круговорот возможен потому, что условия на по-
верхности Земли, где мы живем, на диаграмме со-
стояний воды (рис. 3.3) случайно попадают в окрест-
ность тройной точки. Однако фундаментальная
причина, делающая такую ситуацию. возможной, за-
ключается в слабости и непрочности водородных свя-
зей. Поистине, природа сотворена по изумительно тон-
кому плану!
На одних водородных связях построены только
кристаллы льда, но эти же связи играют чрезвычай-
но важную роль в существовании всего живого
(рис. 4.2), в белках, нуклеиновых кислотах, других
многочисленных биополимерах, а также в таких ор-
ганических соединениях, как спирт. Мы не ошибемся,
если скажем, что и протекающие в теле человека
биохимические процессы, поддерживающие нашу
жизнь, и домашняя стирка, и приготовление пищи — все
86
Глава 4
Рис. 4.2. Водородные связи играют
важнейшую роль в существовании
всех форм жизни на Земле.
это процессы, при которых разрываются или
образуются не очень сильные водородные
связи.
На сегодняшний день опубликовано множество
книг, в которых рассказывается о водородных свя-
зях [1]. Мы дадим здесь простейшее изложение
лишь того материала, который абсолютно необ-
ходимо знать для понимания свойств кристаллов
льда.
Водородные связи, так же, как и ионные, в сущ-
ности образуются за счет электростатического взаи-
модействия, благодаря которому положительные и
отрицательные заряды притягиваются друг к другу.
Как можно догадаться по внутреннему строению мо-
лекулы воды (рис. 4.1,6), время, которое электроны
проводят в окрестности ядер атомов водорода, на-
много меньше времени, которое они проводят в окре-
стности ядра атома кислорода. Но это означает, что
атомы водорода в молекуле воды лишены электрон-
ной оболочки, т. е. представляют собой голые ядра
или протоны. Электроны обладают отрицательным
электрическим зарядом —е, а протоны — положи-
тельным 4-е.
Таким образом, имеющаяся у молекулы воды па-
ра бугорков несет положительный электрический за-
ряд. Кроме того, молекула воды как целое не обла-
дает зарядом (т. е. нейтральна), а следовательно, на
другом ее краю, противоположном бугоркам, должен
Неупорядоченные кристаллы льда
87
Рис. 4.3. Водородная связь. Поло-
жительно заряженный бугорок
одной молекулы воды и отрица-
тельно заряженный край (изоли-
рованная электронная пара) дру-
гой молекулы устанавливаются
строго напротив друг друга.
быть сосредоточен отрицательный заряд. Этот край
молекулы, несущий отрицательный заряд, часто на-
зывают изолированной электронной парой.
Образование водородной связи происходит следу-
ющим образом. Положительно заряженный бугорок
одной молекулы воды устанавливается прямо против
отрицательно заряженной изолированной электронной
пары другой молекулы, сближается с ней, и между
ними возникают силы электростатического взаимодей-
ствия (рис. 4.3).
Строгости ради необходимо уточнить, что в дан-
ном случае кроме электростатических сил действу-
ют и другие межмолекулярные силы — дисперсион-
ные и обменные, появление которых вызвано кванто-
вомеханическими причинами. Всего вокруг молекулы
воды вращается 10 электронов. Если бы можно было
непосредственно взглянуть на молекулу воды, то об-
наружилось бы, что она укутана электронным обла-
ком, словно пушистый шарик. При сближении двух
молекул их электронные облака немного деформиру-
ются, и между ними возникают силы притяжения.
Эти силы называют дисперсионными. В том случае,
если электронные облака сближаются еще больше и
начинают перекрываться, между ними в соответствии
с квантовомеханическим запретом Паули возникают
силы отталкивания, Такие силы носят название об-
менных.
В кристаллах льда молекулы воды располагают-
ся таким образом, что электростатические и диспер-
сионные силы притяжения строго уравновешиваются
обменными силами отталкивания. Длина водородных
связей (т. е. межмолекулярное расстояние, равное
2,76 А) определяется именно этим условием.
88
Глава 4
Расположение протонов
и правила Бернала — Фаулера
В третьей главе мы уже рассказывали о том, как
в 1920-е годы с помощью рентгеноструктурного ана-
лиза было установлено расположение атомов кисло-
рода в кристаллах льда. Но расположение протонов
в ту пору определить не удалось, что привело к по-
явлению самых разных гипотез.
В 1929 г. англичанин Барнс предложил модель
ионного кристалла, согласно которой каждый протон
располагается между двумя атомами кислорода на
одинаковом расстоянии от того и от другого
(рис. 4.4). Однако вскоре выяснилось, что эта мо-
дель неудачна. В самом деле, из модели Барнса сле-
дует, что лед, подобно поваренной соли, образован-
ной ионами Na+ и С1~, построен из ионов Н+ и
О--, но в действительности лед обнаруживает не-
мало таких свойств, которые невозможно объяснить,
если считать его ионным кристаллом. Как будет по-
казано ниже, электрические свойства льда и, в част-
ности, способность проводить постоянный ток и ди-
электрическую поляризацию трудно интерпретиро-
вать в рамках ионной модели. Наблюдая спектр
поглощения льда в инфракрасной области, также
Рис. 4.4. Модель ионного кристалла льда. Каждый протон рас-
полагается между двумя атомами кислорода иа одинаковом рас-
стоянии от того и от другого. Согласно этой модели, лед является
ионным кристаллом, что противоречит экспериментальным
данным.
Неупорядоченные кристаллы, льда
89
можно заключить, что лед является не ионным, а мо-
лекулярным кристаллом.
В 1933 г., когда модель Барнса была отвергнута,
англичане Бернал и Фаулер опубликовали уже упо-
минавшуюся нами в третьей главе замечательную ра-
боту [2] , в которой впервые прозвучала мысль о том,
что вода по своей структуре является псевдокристал-
лом. В этой же работе Бернал и Фаулер рассчитали
энергии для всевозможных конфигураций расположе-
ния протонов, но обнаружить расположение, отлича-
ющееся особой устойчивостью, им так и не удалось,
откуда они заключили, что расположение протонов в
кристаллах льда не упорядочено и может быть ка-
ким угодно, лишь бы только были выполнены следу-
ющие два условия:
1) вблизи одного ядра атома кислорода всегда
должны находиться два протона (совершенство мо-
лекул воды);
2) одной водородной связи должен соответство-
вать только один протон (совершенство водородных
связей).
Эти два условия в настоящее время принято назы-
вать правилами Бернала — Фаулера или правилами
льда. Правила Бернала — Фаулера говорят о том,
что молекулы воды в кристаллах льда ориентируют-
ся таким образом, чтобы образовать с четырьмя
другими ближайшими молекулами воды правильные
водородные связи. В наши дни это предположение
уже ни у кого не вызывает сомнений.
Однако поначалу современники отнеслись к новой
теории с недоверием, поскольку по Берналу и Фау-
леру получалось, что положения протонов в кристал-
лах льда меняются со временем, причем сами эти
положения, а следовательно, и ориентация молекул
воды определяются неоднозначно. Вывод Бернала и
Фаулера можно выразить и иначе: в отношении рас-
положения протонов лед является аморфным телом,
т. е. стеклом. Не удивительно, что современники ока-
зались не в состоянии понять, как лед, считавшийся
прежде представителем кристаллов, может обладать
еще и свойствами аморфного тела (стекла).
90
Глава 4
Статистическая модель льда
Труднопостижимую на первый взгляд двойствен-
ную природу льда первым осознал Полинг из Кали-
форнийского технологического института, удостоен-
ный впоследствии Нобелевской премии в области
химии и Нобелевской премии мира. Именно он в
1935 г. и предложил ныне признанную статистиче-
скую модель льда.
В статистической модели льда положения прото-
нов считаются стопроцентными динамическими вели-
Рис. 4.5. Статистическая модель льда (модель Полинга). На кар-
тинках а н б приведены примеры расположений протонов, удов-
летворяющих правилам Бернала-Фаулера. Число возможных
комбинаций расположения чрезвычайно велико. Строго говоря,
оно равно (3/2)/, где N ( = 6-1023 моль-1) — число Авогадро,
Неупорядоченные кристаллы льда
91
чинами, т. е. подразумевается, что правила Берна*
ла — Фаулера справедливы в статистическом смысле,
При этом каждый протон совершает быстрые пере*
скоки туда и обратно между двумя устойчивыми по*
ложениями в водородной связи. Таким образом, если
в' некоторый момент времени протоны занимают одни
положения, удовлетворяющие правилам Бернала —
Фаулера, то в следующий момент они переходят в
другие положения.
На рис. 4.5 (а и б) показан пример двух таких
расположений протонов. Согласно статистической мо*
дели, в кристалле льда ни на миг не прекращается
изменение расположений протонов, возникают все
новые и новые конфигурации из многочисленного на*
бора. Измерения диэлектрической поляризации, о ко-
торых речь пойдет ниже, показывают, что за одну
секунду совершается около 10 000 таких изменений.
Кристалл льда, в котором за одну секунду возникает
и исчезает 10 000 различных вариантов расположе-
ния протонов, напоминает переполненную в час пик
платформу пригородных электропоездов. Наверное,
некоторые читатели немного удивлены тем, что в хо-
лодном кристалле льда происходит столь быстрое
движение протонов.
Такое расположение протонов в кристаллах льда
отражает неупорядоченность этих кристаллов. Тер-
мин «неупорядоченность» означает в данном случае
не столько отсутствие какого-либо порядка в способе
расположения протонов, сколько многообразие после-
довательно реализующихся вариантов расположения,
Замораживание неупорядоченности
Статистическая модель Полинга представляет со-
бой обобщение идей Бернала и Фаулера. К созданию
этой обобщенной модели Полинга привел анализ ре-
зультатов измерений теплоемкости льда.
В ту пору Джиок (Калифорнийский университет)
совместно с Ассюреем, Макдуглом и Стаутом вы-
полнил измерения теплоемкости льда, охлаждая его
до очень низких температур. Джиок, по происхождению
92
Глава 4
канадец, за работы в области химии в том же
году, что и японский физик Юкава Хидэки (1949 г,),
был удостоен Нобелевской премии. Измеряя теплоем-
кость льда, Джиок обнаружил, что энтропия льда
даже при абсолютном нуле не обращается в нуль, а
имеет некоторую определенную величину. Эту энтро-
пию принято называть остаточной.
В термодинамике кроме хорошо известных пер-
вого и второго начал есть еще третье, которое гово-
рит, что при абсолютном пуле энтропия любого ве-
щества обращается в нуль.
В общем случае энтропия служит количественным
выражением степени беспорядка. В данной же ситу-
ации степень беспорядка соответствует числу спосо-
бов, которыми можно расположить составляющие
элементы вещества, иначе говоря, она показывает ве-
роятность реализации . какого-то из расположений.
Если число таких способов составляет всего лишь
единицу, т. е. если вероятность реализации некоторо-
го расположения равна единице, то энтропия по
определению равна нулю. Состояние с нулевой энтро-
пией наиболее упорядоченно.
Хотя многие по ошибке и думают иначе, но абсо-
лютный нуль не является температурой, при которой
движение молекул останавливается. Дело в том, что
такая остановка противоречила бы фундаментальному
принципу квантовой механики — принципу неопреде-
ленности. В действительности при абсолютном нуле
молекулы занимают те положения, при которых их
энергия минимальна. Иными словами, при абсолют-
ном нуле число возможных устойчивых расположе-
ний молекул (вероятность) становится равным
единице. Это и есть третье начало термодинамики.
Так что же представляет собой остаточная энтро-
пия при абсолютном нуле, которую получил из из-
мерений теплоемкости льда Джиок? Ведь если изме-
рения группы Джиока правильны, то это могло бы
означать, что третье начало термодинамики неверно.
Но термодинамика наряду с ньютоновской механикой
и максвелловской электродинамикой является одним
из трех столпов классической физики, и до сих пор
Неупорядоченные кристаллы льда
93
не было обнаружено ни одного явления, которое бы
ей противоречило. Размышление над этой дилеммой
и привело Полинга к созданию статистической моде-
ли льда.
В статистической модели льда расположение про-
тонов считается неупорядоченным, т. е. предполага-
ется, что число возможных вариантов расположения
чрезвычайно велико. Для всех таких расположений
энергии почти одинаковы, поэтому при охлаждении
льда какая-то одна из возможных конфигураций дол-
жна, как предположил Полинг, оказаться «заморо-
женной». Это означает, что энергия теплового движе-
ния очень сильно падает и становится «заморожен-
ной» еще до того, как протоны займут те устойчивые
положения, которые соответствуют минимуму их
полной энергии. Исходя из указанного предположе-
ния, Полинг рассчитал число вариантов расположе-
ния протонов и получил.величину энтропии, показы-
вающую степень неупорядоченности расположения.
Расчетное значение оказалось в очень хорошем со-
гласии со значением остаточной энтропии при абсо-
лютном нуле, полученном прежде группой Джиока
при измерениях теплоемкости. Этот результат стал
наиболее сильным аргументом в пользу статистиче-
ской модели льда.
Положения протонов
Статистическая модель льда весьма удачно объяс-
няет не только остаточную энтропию, но также ди-
электрическую поляризацию и другие свойства льда,
поэтому ее справедливость была признана всеми.
Однако для окончательного косвенного подтвержде-
ния статистической модели более всего были нужны
непосредственные измерения положений протонов.
Обнаружить протоны и рассредоточенные вокруг
них электронные облака малой плотности позволяет
метод дифракции нейтронов или электронов. Опреде-
ление положений протонов с помощью дифракции
нейтронов было осуществлено в 1957 г. в Окридж-
ской национальной лаборатории (США) Питерсоном
и Леви, а определение этих положений с помощью
94
Глава 4
Рис. 4.6. Положение
протонов в кристалле
льда согласно данным
по дифракции нейтро-
нов. Рисунок Питер-
сона и Леви (1957 г.)
с внесенными в него
частичными измене-
ниями. Измерения
проводились при тем-
пературе —50°С иа
образце льда из тя-
желой воды D2O.
дифракции электронов—в 1960 г. японским иссле-
дователем Симаока (в настоящее время работает в
Университете Рицумэйкан).
На рис. 4.6 представлен результат измерений по
методу дифракции нейтронов. Для повышения точно-
сти измерений был взят лед из тяжелой воды, т. е.
лед, полученный не из обычной воды Н2О, а из D2O.
Принято считать, что положения водорода и дейте-
рия в кристаллах льда того и другого типа практи-
чески не отличаются.
Результаты подобных измерений говорят о том,
что протоны можно наблюдать в двух расположен-
ных между атомами кислорода точках. Дифракцион-
ная картина дает усредненное по времени и простран-
ству изображение структуры, поэтому вдоль каждой
водородной связи на такой картине получается изо-
бражение двух протонов, причем точек на линии во-
дородной связи, около которых могут быть локали*
зованы протоны, насчитывается всего лишь две. Ска-
занное позволяет понять, почему протоны на схема-
тичном рисунке обозначаются половинками круга. По
этой причине статистическую модель льда часто еще
называют «полуводородной моделью». z
Неупорядоченные кристаллы льда
95
Идеальный кристаллический лед
С точки зрения расположения атомов кислорода
лед представляет собой кристалл. С другой стороны,
с учетом неупорядоченности расположения протонов
его можно отнести и к аморфным телам. Однако из
третьего начала термодинамики, о котором речь шла
выше, понятно, что состояние с неупорядоченным
расположением протонов нельзя считать устойчивым
при абсолютном нуле. Тем не менее лед, обладаю’
щий кристаллическими свойствами, как с точки зре-
ния расположения атомов кислорода, так и с точки
зрения расположения атомов водорода, т. е. идеаль-
ный кристаллический лед, должен существовать ре-
ально. Так что же нужно сделать, чтобы получить
идеальный кристаллический лед?
В статистической модели льда предполагается, что
при всех многочисленных вариациях расположения
протонов, удовлетворяющих правилам Бернала —
Фаулера, полная энергия остается неизменной. Легко
видеть, однако, что энергии для разных конфигура-
ций немного отличаются. Их разность весьма мала
'(по всей вероятности, менее 1 % от энергии решет-
ки), поэтому устойчивое расположение протонов не
достигается. Следовательно, обеспечив необходимые
условия, можно и в самом деле получить полностью
упорядоченный идеальный кристаллический лед.
Чтобы этого добиться, нужно долгое время под-
держивать лед при низкой. температуре, т. е. нужно
очень сильно охладить кристалл льда и спокойно
ждать. При низких температурах небольшое отличие
в энергиях у разных конфигураций расположения
протонов становится заметным, и неупорядоченное
расположение постепенно переходит в упорядоченное,
обладающее меньшей энергией.
Экспериментальные данные, свидетельствующие
об упорядочении расположения протонов, были полу-
чены еще в 1936 г. Джиоком и Стаутом при измере-
ниях теплоемкости, о которых мы уже рассказывали.
В своей статье эти исследователи сообщали, что в
интервале температур от —188 °C до —173 °C для
96
Глава 4
установления теплового равновесия требуется очень
большое время. Однако по поводу открытой ими
остаточной энтропии они писали, что интерпретация
Полинга выглядит убедительнее их собственной.
В итоге Джиоку и Стауту не удалось правильно объ-
яснить замедленное установление теплового равнове-
сия и они не увидели, что такое поведение льда от-
крывает возможность получения идеального кри-
сталла.
Наличие вблизи —170 °C аномалии теплоемкости
было в 1960-х годах подтверждено многими исследо-
вателями. В 1972 г. Хайда, Мацуо, Суга и Сэки
(Университет г. Осака) с помощью адиабатического
калориметра выполнили измерения теплоемкости и
доказали существование в кристаллах льда упорядо-
чения расположения протонов [13]. Для этого они
измеряли теплоемкость трех типов образцов, нагре-
вая их от низких температур до более высоких.
В первом случае был взят лед, только что резко
охлажденный до температуры жидкого азота, во вто-
ром— лед, хранившийся при —180 °C в течение
71 ч, а в третьем — лед, хранившийся при этой тем-
пературе в течение 624 ч. На рис. 4.7 представлены
результаты описанных измерений; при этом для того
чтобы происходящие изменения были видны более
отчетливо, по оси ординат отложена теплоемкость,
деленная на абсолютную температуру.
Вблизи —170 °C кривые зависимости теплоемко-
сти ог температуры имеют максимум. Для образца
льда, взятого сразу после резкого охлаждения, это
не столь заметно, но для двух других образцов об-
наружить максимумы не сложно. Из рисунка видно,
что величина максимума тем больше, чем дольше
образец хранился при низкой температуре. Такое
явление можно объяснить следующим образом.
Во время длительного хранения образца льда при
низкой температуре неупорядоченное расположение
протонов постепенно сменяется упорядоченным, хотя
этот процесс затрагивает и не все протоны сразу. По
мере упорядочения остаточная энтропия понижается.
Если затем начать медленно нагревать образец, то
Неупорядоченные кристаллы льда
97
при некоторой критической температуре протоны
вновь вернутся к прежнему неупорядоченному распо-
ложению. В этот момент произойдет поглощение теп-
ла из окружающей среды, что внешне будет выгля-
деть как появление максимума теплоемкости.
Из термодинамики известно, что в случае столь
медленных явлений отношение теплоты к абсолютной
температуре равно энтропии. Следовательно, пло-
щади заштрихованных на рисунке областей соответ-
ствуют понижению энтропии за счет упорядочения
расположения протонов.
Расчеты энтропии для льда, хранившегося при
низкой температуре 624 ч (26 суток), говорят о том,
что понижение составляет примерно 2 % от величи-
ны остаточной энтропии совершенно неупорядоченно-
го льда. Иными словами, за 26 суток хранения 2 %
совершенно- хаотично расположенных протонов вы-
страиваются упорядоченным образом.
Рис. 4.7. Зависимость теплоемкости кристаллического льда от
температуры, / — быстрое охлаждение со скоростью 10°С/мин;
2 — хранение при —179 °C в течение 71 часа; 3 — хранение при
— 184 °C в течение 624 часов (Хайда и др., 1972 г.).
4 Зак, 600
98
Глава 4
Итак, упорядочение расположения протонов про-
исходит крайне медленно. Объяснение этому следую-
щее. Упорядочение расположения протонов вызвано
тем, что для различных конфигураций расположения
энергии не одинаковы. Для того чтобы разность
энергий стала заметной, нужна низкая температура,
но из-за низкой температуры изменение расположе-
ния протонов во времени крайне замедляется. Ре-
зультаты простейших расчетов, выполненных на ос-
новании экспериментальных данных группы Хайда,
говорят о том, что для 100 %-ного упорядочения
расположения протонов, т. е. для получения идеаль-
ного кристаллического льда, обладающего нулевой
остаточной энтропией, надо хранить лед при низких
температурах по меньшей мере три с половиной года.
Нельзя сказать, чтобы это было невозможно, однако
в действительности поставить такой эксперимент до-
вольно трудно. До сих пор идеальный кристалличе-
ский лед еще никем не был получен.
Тем не менее автор убежден, что где-нибудь на
Земле или в Солнечной системе такой лед есть. По-
дробному рассказу о космическом льде будет посвя-
щена седьмая глава. Для нас же сейчас будут важ-
ны некоторые из вращающихся вокруг Юпитера
лун — Европа, Ганимед и Каллисто, которые- можно
назвать ледяными спутниками. Их поверхностный
70—200-километровый слой состоит из льда. Такой
слой обычно имеет температуру ниже —170 °C, по-
этому он, вероятно, представляет собой идеальный
кристаллический лед, находившийся при низкой тем-
пературе достаточно долго (видимо, несколько мил^
лиардов лет).
Лед как протонный полупроводник
Пионеры электрических измерений льда
То, что вода проводит электрический ток, стало
известно достаточно давно. В 1842 г. американский
ученый Морзе, предложивший способ передачи сиг-
Неупорядоченные кристаллы льда
99
налов, поставил эксперимент с «беспроволочной
связью», основанный на использовании электропро-
водности воды. Для того чтобы обычная вода лучше
проводила ток, Морзе растворил в ней электролити-
ческую примесь. Чистая вода, подвергнутая дистил-
ляции и пропущенная через ионообменную смолу, по-
чти не проводит ток.
В то же самое время электропроводность льда
оставалась почти неизвестной. Например, в одной из-
данной в Европе в 1920-х годах книге было написа-
но: «Телеграфная и телефонная связь в сырую пого-
ду испытывает влияние помех, но, когда температу-
ра воздуха становится ниже точки замерзания воды,
связь восстанавливается. Это говорит о том, что лед
не проводит ток».
Первые в мире исследования электропроводности
льда, неизвестные автору упомянутой европейской
книги, были проведены в Японии в первые годы
правления Мэйдзи
Новое правительство Мэйдзи, видевшее основу
благосостояния страны в развитии промышленности,
учредило в 1871 г. технический лицей (в 1877 г. тех-
нический лицей был переименован в высшее техни-
ческое училище, а затем в технический факультет
Токийского императорского университета). В июне
1873. г. из Шотландии приехал преподавать в техни-
ческом лицее физику двадцатипятилетний Айртон,
В 1877 г. на учредительном собрании центрального
телеграфа Айртон, которому помогали и его студен-
ты, зажег первую в Японии электрическую лампу
(дуговую лампу), что произвело на присутствовав-
ших чрезвычайно сильное впечатление.
Айртону и Перри, приехавшему в Японию через
два года после него, принадлежит большое число ра-
бот, посвященных теплоте, землетрясениям, магиче-
ским зеркалам и т. д.; они же первые в мире изме-
рили электропроводность льда. Воспользовавшись
показанным на рис. 4.8 оборудованием, выполненным
в чисто японском стиле, Айртон и Перри измерили
” 1867—1912 гг, — Прим, перед.
4*
100
Глава 4
электросопротивление, индуктивность и емкость льда,
помещенного в медную коробку (ABCD).
В 1873 г. разразились дебаты о захвате Кореи, и
Сайго Такамори ушел в отставку. В 1875 г. был из-
дан указ, разрешающий всем гражданам иметь фа-
милии и запрещающий носить меч. Можно догадать-
ся, что в подобных условиях в новом Токио вряд ли
могло отыскаться приличное оборудование. Тем не
менее выполненные Айртоном и Перри измерения
электропроводности льда позволили им получить во
многих отношениях ценные результаты, которые и по
сей день имеют важное значение для науки.
Назовем для примера их статью «Лед как
электролит», написанную для Лондонского физиче-
ского журнала, в которой было впервые указано на
то, что лед проводит ток, и высказано предположе-
ние о том, что механизм проводимости аналогичен
электролизу. Последнее предположение позднее под-
твердилось, и такая точка зрения в наши дни счита-
ется в принципе верной.
Указанная статья вышла в свет в 1877 г., т. е.
тогда, когда Япония вела войну на Корейском полу-
Рис. 4.8. Эксперимен-
тальное оборудова-
ние Айртона и Пер-
ри (Айртон, Перри,
1877 г.).
Неупорядоченные кристаллы льда
101
острове. Примечательно, что Айртон и Перри, много
сделавшие для распространения в только что вышед-
шей из самоизоляции Японии прогрессивных научных
идей Запада, были пионерами науки о льде.
Лед как полупроводник
Через некоторое время после выхода в свет пио-
нерской работы Айртона и Перри к измерениям
электропроводности льда обратился канадский уче-
ный Джонстон. Зимой 1911 г. в университете Дал-
хауз (г. Галифакс) Джонстон получил данные по
электропроводности льда, которые в течение после-
дующих сорока лет никто не ставил под сомнение и
которыми все эти годы пользовались многие иссле-
дователи.
На рис. 4.9 представлена зависимость электропро-
водности от температуры, полученная Джонстоном, а
также результаты более точных измерений, выпол-
ненных впоследствии Брэдли (Англия) и Жаккаром
(Швейцария).
Как видно из рисунка, электропроводность льда
с понижением температуры спадает по экспоненци-
альному закону. Иными словами, чем ниже темпера-
тура, тем хуже лед проводит ток. На первый взгляд
кажется, что в этом нет ничего необычного, но
на самом деле такой результат далеко не оче-
виден.
Чтобы понять сказанное, надо вспомнить другие
окружающие нас вещества. Так, электропроводность
металлов, являющихся представителями проводников,
с понижением температуры обычно растет, т. е. чем
ниже температура, тем лучше они проводят ток.
А вот электропроводность так называемых полупро-
водников (к которым относятся, например, германий
и кремний, применяемые в транзисторах и интеграль-
ных схемах) с понижением температуры, наоборот,
падает.
Почему у металлов, которые являются проводни-
ками, и у полупроводников германия и кремния за-
висимости электропроводности от температуры
102
Глава 4
Температура, °C
О -10 -20 -30 -40 -50
10'8
8
о Айртон и Перри (1877)
• Джонстоун (1912)
----Бредли (1951)
—+- Шанкар (1959)
О
10~3
1O'10
ИГ"
-I—1—1__I I 1—1 I I I I I I I I I
3,1 3.8 3,9 4,0 4.1 4,2 4,3 4,4 4,5
1/Т ЛГ3/Г'
Рис. 4.9. Зависимость электропроводности льда по постоянному
току от температуры.
имеют совершенно противоположный характер? Объ-
ясняется это различием механизмов проводимости.
Кристаллы металлов буквально переполнены элек-
тронами, которые могут свободно перемещаться во
всех направлениях. Движению свободных электронов
препятствуют искажения кристаллической решетки,
а также примеси. С повышением температуры тепло-
вые колебания решетки увеличиваются и электросо-
противление растет, а значит, электропроводность
снижается.
Что же касается полупроводников германия и
кремния, то в обычном состоянии свободные электро-
ны внутри них отсутствуют. Однако, получив, совсем
незначительную энергию, электроны могут оторвать-
ся от атомов, к которым они привязаны, и стать
Неупорядоченные кристаллы льда
103
Рис. 4.10. Электропроводности различных веществ по постоян-
ному току. Для большей наглядности масштаб по оси ординат
не соблюдается.
свободными. Таким образом, с повышением темпера-
туры получаемая электронами тепловая энергия уве-
личивается, свободных электронов появляется все
больше и электропроводность возрастает.
По типу температурной зависимости электропро-
водности лед похож на полупроводники. Кроме того,
как видно из рис. 4.10, величина электропроводности
льда лежит на границе области полупроводников и
диэлектриков, но все-таки попадает в область полу-
проводников.
Ниже будет показано, что с точки зрения механиз-
ма проводимости лед, подобно германию и кремнию,
можно отнести к полупроводникам. Такое представ-
ление о льде оформилось в 1950-е годы, главным
образом, благодаря трудам швейцарских и немецких
ученых [4]. Нужно однако, оговориться, что в отличие
от германия и кремния, являющихся электронными
104
Глава 4
полупроводниками, лед представляет собой протонный
полупроводник. О причинах этого явления сейчас и
пойдет речь.
Почему лед прозрачный, а снег белый
В металлах и полупроводниках электрический ток
вызван движением свободных электронов. Но вызван
ли движением свободных электронов электрический
ток в кристаллах льда? Оказывается, нет.
Прояснит сказанное ответ на вопрос о том, почему
лед прозрачен. Рассмотрим результаты измерений
коэффициента поглощения света льдом (рис. 4.11).
В видимой области спектра коэффициент поглоще-
ния практически равен нулю, поэтому лед прозрачен.
Однако в инфракрасной и ультрафиолетовой обла-
стях коэффициент поглощения принимает очень боль-
шие значения.
Ультрафиолета- Видимый
вал область свет
Инфракрасная
область
Рис. 4.11. Коэффициент поглощения света льдом (при —10°С).
На рисунке собраны многочисленные экспериментальные данные,
которые были опубликованы к моменту подготовки настоящей
книги к изданию.
Неупорядоченные крист~ллы льда
105
В силу своего устройства человеческий глаз спо-
собен остро реагировать на электромагнитные волны
видимой части спектра, длины которых близки к
0,55 мкм (5500 А). Если бы наш глаз мог восприни-
мать ультрафиолетовое и инфракрасное излучение,
то мы бы увидели лед абсолютно черным.
Если бы лед не был прозрачным, то и снег не вы-
глядел бы белым. Рассматривая снег под микроско-
пом, можно убедиться, что он состоит из частиц про-
зрачного льда. Тем не менее комки снега имеют бе-
лый цвет, что объясняется той же самой причиной, по
которой мелко истолченное прозрачное стекло пре-
вращается в белый порошок.
Белизна снега объясняется тем, что свет, в кото-
ром представлены все длины волн, испытав много-
кратное отражение и преломление на поверхностях
снежинок, несмотря на сложный путь, почти не по-
глощается и вновь выходит на поверхность (рис. 4.12).
Если бы частицы, из которых состоит снег, хоть не-
много поглощали свет, снег не выглядел бы белым.
Вспомним, что эталоном абсолютно черного тела слу-
жит платиновая чернь. Между тем, она представляет
Рис. 4.12. Картинка, поясняющая почему снег выглядит белым.
Падающий иа сиег свет, в котором представлены все длины волн,
претерпевает многократное отражение и преломление на поверх-
ностях ледяных кристалликов, но в конце концов, не испытав
почти никакого поглощения, он вновь выходит из снега наружу.
106
Глава 4
собой порошок платины. Дело в том, что платина об-
ладает чрезвычайно высоким коэффициентом погло-
щения света на всех длинах волн. В результате из-за
сильного поглощения падающий свет больше не воз-
вращается на поверхность.
Выясним теперь, почему лед прозрачен. Если бы в
кристаллах льда существовали свободные электроны,
то это, очевидно, означало бы, что их появление вы-
звано колебаниями молекул. Однако из рис. 4.11
видно, что пороговая длина волны, на которой начи-
нается поглощение ультрафиолетового излучения,
равна 0,17 мкм. В пересчете на энергию это соответ-
ствует 7,3 эВ. Иными словами, свободные электроны
в кристаллах льда не возникают до тех пор, пока по-
даваемая энергия не превысит 7,3 эВ. Энергия же
тепловых колебаний по порядку величины может со-
ставлять самое большее 10-2 эВ, поэтому тепловые
колебания в кристаллах льда не могут привести к
появлению свободных электронов. Но раз так, то
видимый свет не может поглощаться свободными
электронами.
По аналогичным соображениям свободных элект-
ронов нет и в кристаллах поваренной соли, хлорида
калия и в алмазах. В связи с этим в учебниках физи-
ки часто пишут, что перечисленные кристаллы про-
зрачны потому, что являются электрическими изоля-
торами. Объяснять подобным же образом прозрач-
ность льда нельзя. Дело в том, что лед, как мы уже
говорили, проводит ток.
Итак, лед прозрачен, но проводит ток. Сейчас мы
покажем, что электрический заряд в кристаллах льда
переносят не электроны, а протоны.
Электролиз льда и ионные дефекты
Результаты измерений поглощения света в ульт-
рафиолетовой области (рис. 4.11) привели исследова-
телей к выводу о том, что проводимость льда вызва-
на не электронами (1936 г.). В связи с этим было
высказано предположение, что проводимость льда
так же, как и проводимость воды, носит ионный ха-
Неупорядоченные кристаллы льда
107
Рис. 4.13 Ионная проводимость
льда. В кристаллах льда так же,
как и в воде, образуются в не-
больших количествах ионы гид-
роксония Н3О+ и гидроксила
ОН-. При приложении к льду
экектрнческого поля ионы Н3О+
начинают двигаться к отрицатель-
ному полюсу, а ионы ОН- —к по-
ложительному.
2Н20^Н30++0Н*
Лед
W'l'—
Батарея
рактер и обусловлена движением чрезвычайно мало-
го количества ионов водорода Н+ (на самом деле —
ионов гидроксония Н3О+) и ионов гидроксила ОН-,
возникающих за счет диссоциации (рис. 4.13).
Экспериментально проверить данное предположение
поставили своей целью американские ученые Уокман,
Торби, Дрост и Хансен (1954 г.), а также Деклори,
Гранихер и Жаккар из Цюрихского технологического
института (1957 г.). Метод, который они применили,
заключался в непосредственном электролизе льда.
В те же годы чрезвычайно красивые исследования
электропроводности льда выполнили Эйген, де Мейер
и Шпатц [5], работавшие в Институте им. Макса
Планка (г. Гёттинген, ФРГ). Они исходили из того,
что протекающий по льду ток не может быть больше
некоторой величины насыщения (т. е. максимального
значения). Иными словами, они считали, что коль
скоро электрический заряд в кристалле льда перено-
сят ионы и раз ионы образуются за счет тепловых
колебаний молекул в результате их диссоциации
(рис. 4.13), то вызвать тбк, превышающий величину,
определяемую скоростью диссоциации, невозможно.
И в самом деле, сначала с ростом напряжения ток
постепенно увеличивался, но после того, как напря-
жение превысило некоторую величину, ток достиг
определенного значения и в дальнейшем уже не ме-
нялся. Итак, ток насыщения, несомненно, существо-
вал. Учитывая этот результат и пользуясь данными
других измерений электропроводности, Эйген, де Мей-
ер и Шпатц получили концентрацию ионов в
108
Глава 4
кристаллах льда, скорость диссоциации, подвижность
ионов и другие характеристики.
Найденная ими подвижность ионов Н3О+, т. е.
скорость движения этих ионов при приложении
электрического поля единичной напряженности, ока-
залась равной 0,075 см2/(с-В). Для подвижности
нонов это очень большая величина. (Подвижность
ионов Н3О+ в чистой воде равна 0,0021 см2/(с-В),
т. е. примерно в 40 раз меньше, чем в льде.)
Группа Эйгена объяснила столь высокую подвиж-
ность тем, что в кристаллах льда молекулы воды сое-
динены совершенными водородными связями и вдоль
этих связей могут легко перемещаться протоны. Про-
ще говоря, в кристаллах льда повсюду растянута
сеть водородных связей, и протоны могут свободно
проноситься по ним, как по рельсам.
Итак, для объяснения проводимости льда надо
допустить наличие ионов внутри его кристаллов.
Правда, если для абсолютно всех протонов в крис-
таллах льда справедливы правила Бернала — Фау-
лера, то ионы существовать не могут, поскольку на-
личие ионов противоречит первому правилу Берна-
ла — Фаулера (нарушается совершенство молекул
воды). Однако то обстоятельство, что лед проводит
ток, говорит о существовании в реальных кристаллах
льда некоторого количества областей, где правила
Бернала — Фаулера нарушены.
С подобной ситуацией мы уже встречались в
третьей главе, когда речь шла о вакансиях и дисло-
кациях. Тогда мы говорили, что для возникновения
в льде диффузии его реальные кристаллы не должны
Рис. 4.14. Образование
ионных дефектов. Пере-
скок протона вдоль во-
дородной связи приводит
к возникновению пары
ионных дефектов: Н3О+
и ОН-.
Неупорядоченные кристаллы льда
109
быть идеальными, а должны содержать частично ра-
зупорядоченные области (дефекты решетки) — на-
пример, вакансии или междоузельные молекулы.
Кроме того, мы говорили, что для появления пласти-
ческой деформации льда необходимо, чтобы его кри-
сталлы не были идеальными, а несли в себе дефекты
решетки, называемые дислокациями.
Проводимость льда также возможна лишь при
наличии в нем вполне конкретных дефектов решетки,
Таблица 4.1. Характеристики ионных дефектов (при —10° С)*
Концентрация (я+==я_)
Энергия образования пары де-
фектов (энергия активации дис-
социации)
Частота перескоков
Энергия активации перемеще-
ния
ПОДВИЖНОСТЬ ИОНОВ Н3О+ (Ц4-)
Подвижность ионов ОН- (ц_)
о “3
8 • 10 см
0,98 эВ (= 22,5 ккал/моль)
6 - IO13 с-1
« 0 (туннельный эффект)
0,0075 см2/(В • с)
И+/ц_. = 10 ~ 100
По данным группы Эйгена (1963 г.)
для которых не выполняется первое правило Берна-
ла— Фаулера (ионных дефектов — см. рис. 4.14),
Об устойчивом существовании в кристаллах льда оп-
ределенного, зависящего от температуры количества
ионных дефектов говорит и теория. Некоторые физи-
ческие характеристики ионных дефектов чистого льда
приведены в табл. 4.1.
Диэлектрическая поляризация льда
Выше, когда мы говорили об электрических свой-
ствах льда, везде (хотя специально это и не оговари-
валось) речь шла о свойствах в постоянном электри*
ческом поле. Рассмотрим теперь свойства льда в
переменном электрическом поле, т. е. в поле, меняю-
щемся со временем.
Изучением данного вопроса, начиная с 1920-х го-
дов, энергично занялись французские ученые Гранье
и Эрейра, американские Смайс и Хичкок, а также
по
Глава 4
Частота, Гц
Рис. 4.15. Диэлектрические свойства льда (при — 10°С): а —
электропроводность; б — диэлектрическая проницаемость.
швейцарская группа Опрайка. Если отвлечься от не-
которых мелких деталей, по которым у них обнару-
жилось расхождение, то полученные результаты
можно представить в виде графиков, подобных тем,
что приведены на рис. 4.15.
На этих графиках показаны зависимости электро-
проводности и диэлектрической проницаемости льда
от частоты, меняющейся в пределах от 0,1 Гц до
1 МГц. При увеличении частоты переменного элект-
рического поля приблизительно от 100 Гц до 10 кГц
электропроводность возрастает почти в 100 раз. Раз-
ница в два порядка между величинами электропро-
водности в переменном и постоянном поле при работе
с электричеством в районах, где выпадает снег или
лежит лед, создает серьезнейшие проблемы. Но поче-
му на частотах свыше 10 Гц электропроводность
льда возрастает? Чтобы ответить на этот вопрос,
Неупорядоченные кристаллы льда
111
надо рассказать о диэлектрической проницаемости
льда, к чему мы сейчас и переходим.
Нижний график рисунка 4.15 показывает частот-
ную зависимость диэлектрической проницаемости.
В отличие от электропроводности, диэлектрическая
проницаемость льда при изменении частоты прибли-
зительно от 10 Гц до 10 кГц уменьшается примерно
в 30 раз. Так, на низких частотах она равна 99
(электростатическая диэлектрическая проницае-
мость).
Выясним физический смысл диэлектрической про-
ницаемости. Диэлектрическая проницаемость харак-
теризует возможности конденсаторов, которые по-
всеместно применяются в схемах радиоприемников и
телевизоров. Она позволяет количественно описать
способность конденсатора накапливать электрический
заряд (т. е. емкость конденсатора). Если к двум па-
раллельным пластинам-электродам приложить неко-
торое напряжение, то на них образуется электриче-
ский заряд. Как показано на рис. 4.16, в случае, когда
между пластинами помещен изолирующий материал,
Рис. 4.16. Диэлектрическая
поляризация в изолирую-
щем материале. Если в
зазор между двумя пласти-
нами-электродами ввести
изолятор, то внутри него
произойдет диэлектрическая
поляризация, в результате
чего число зарядов на
пластинах возрастет. Не-
обходимо отметить, что за
счет диэлектрической поля-
ризации в изоляторе возни-
кает внутреннее электри-
ческое поле, противополож-1
ное по направлению внеш-
нему. Отсюда проистекает
другое название таких
веществ — диэлектрики,
112
Глава 4
на них накапливается больший электрический за-
ряд, а в случае, когда такого материала нет (т. е.
когда между пластинами вакуум),— меньший. Отно-
шение электрического заряда к напряжению есть ем-
кость. Следовательно, в первом случае емкость боль-
ше, чем во втором. Коэффициент, показывающий, во
сколько раз увеличивается емкость конденсатора при
введении между его пластинами данного изолирую-
щего материала, и представляет собой диэлектриче-
скую проницаемость этого материала.
Увеличение заряда, накапливающегося на пла-
стинах при введении между ними изолятора, объяс-
няется происходящим внутри этого изолятора разде-
лением зарядов, что схематично показано на
рис. 4.16. Такое разделение зарядов называют ди-
электрической поляризацией. Диэлектрическая поля-
ризация приводит к тому, что внутри вещества созда-
ется электрическое поле, противоположное по на-
правлению внешнему полю. Часто изоляторы называ-
ют еще диэлектриками. Данный термин показывает,
что эти вещества проницаемы для электрического
поля.
В металлы, которые являются проводниками,
электрическое поле не проникает: проводимость иск-
лючает существование внутри них электрического
поля. По этой причине во время грозы можно нахо-
диться в автомобилях и поездах, сделанных из ме-
талла, не подвергая себя ни малейшей опасности. По
той же причине невозможен прием радио- и телеви-
зионных волн внутри железобетонных зданий. Из-за
этого же разогреть в индукционной электроплите про-
дукты, завернутые в алюминиевую фольгу, нельзя, а
уложенные в стеклянную и. керамическую посуду
или в полиэтиленовый пакет, сделанные из диэлект-
рических материалов, можно.
С точки зрения электропроводности по постоянно-
му току лед принадлежит к полупроводникам. Но,
исходя из его высокой диэлектрической проницаемо-
сти, равной 99, лед можно отнести и к диэлектрикам.
Таким образом, мы убеждаемся, что термины «ди-
электрик» и «изолятор» не равнозначны.
Неупорядоченные кристаллы льда 113
Молекулы воды — постоянные диполи
Перейдем теперь к рассмотрению диэлектриче-
ской поляризации, происходящей внутри диэлектри-
ков. Механизмы, вызывающие диэлектрическую поля-
ризацию, грубо говоря, можно разделить на два типа.
Первый тип — это электронная поляризация са-
мих атомов или молекул. При приложении электриче-
ского поля отрицательно заряженные электронные
облака всех атомов притягиваются в положительную
сторону, а ядра атомов, имеющие положительный за-
ряд,—в отрицательную (рис. 4.17, а). В итоге проис-
ходит разделение зарядов на микроскопическом
уровне. Переход в такое состояние можно рассматри-
Злектрическое
поле
<=-------------р
Рис. 4.17. Механизмы диэлектрической поляризации; а~ элект*
ронная поляризация; б — ориентационная поляризация,
114
Глава 4
вать как образование электрических диполей. Под
действием электрического поля все атомы вещества
превращаются в микроскопические электрические ди-
поли, в результате чего создается макроскопическая
диэлектрическая поляризация, показанная на
рис. 4.16.
Второй тип — это ориентационная поляризация,
связанная с постоянными диполями. Подобная поля-
ризация возникает в веществе, состоящем из моле-
кул, которые даже в отсутствие поля представляют
собой электрические диполи. При приложении к та-
кому веществу поля каждый его диполь, ориентиро-
ванный до этого произвольным образом, поворачива-
ется в наиболее энергетически выгодном по отноше-
нию к полю направлении. Иначе говоря, за счет
ориентации (поворота) диполей в веществе возникает
диэлектрическая поляризация (рис. 4.17,6).
Вспомним теперь, какую форму имеют молекулы
воды (рис. 3.2 и 4.1). В целом они почти сферичны.
Однако с той стороны, где располагаются бугорки
(протоны), сосредоточен положительный электриче-
ский заряд, а с противоположной стороны — отрица-
тельный, поэтому молекулы воды должны вести себя
как диполи. И действительно, в том, что они являют-
ся полярными молекулами, у которых есть диполь-
ные моменты, можно убедиться, наблюдая, например,
спектр поглощения микроволнового излучения.
В отсутствие электрического поля диполи в кри-
сталле льда ориентированы в совершенно произволь-
ных направлениях. Такая ситуация соответствует опи-
санному выше неупорядоченному расположению про-
тонов. При приложении электрического поля диполи
поворачиваются, и устанавливается новое расположе-
ние протонов, при котором возникает определенная
диэлектрическая поляризация. При этом изменение
распределения электрических зарядов, вызванное по-
воротом диполей, можно определить, измеряя ток
(электропроводность), а величину возникшей ди-
электрической поляризации — измеряя емкость (ди-
электрическую проницаемость).
Неупорядоченные кристаллы льда 115
Тот факт, что диэлектрическая проницаемость
льда на низких частотах принимает значение, равное
99 (рис. 4.15), объясняется ориентационной поляри-
зацией, вызванной поворотом дипольных молекул во-
ды. А причина быстрого уменьшения диэлектриче-
ской проницаемости на частотах свыше примерно
100 Гц заключается в том, что вращение дипольных
молекул воды начинает все больше и больше отста-
вать от изменений электрического поля. Согласно
данным точных измерений, необходимое для поворо-
та молекул воды время (время релаксации) при
—10°C составляет 5-Ю-5 с, а при 0°С —
2•10~5 с. Следовательно, в переменном электрическом
поле, меняющем свое направление с «+» на «—»
быстрее, чем за указанное время, ориентационная по-
ляризация дипольных молекул воды не происходит.
Величина диэлектрической проницаемости на высо-
ких частотах, равная 3,2, обусловлена не ориентаци-
онной поляризацией, а другими механизмами. Элект-
ронная поляризация, появление которой поясняет
рис. 4.17, успевает повторять даже очень быстрые
колебания электрического поля, возникающие при
падении на образец микроволнового излучения или
света. В случае кристаллического льда на величину
диэлектрической проницаемости в этой области час-
тот помимо электронной поляризации начинают так-
же влиять небольшие изменения угла между на-
правлениями водородных связей.
Результатом ориентационной поляризации, элект-
ронной поляризации или диэлектрической поляриза-
ции любого другого типа является перемещение
электрических зарядов внутри вещества. Если бы пе-
ремещения электрических зарядов не происходило, то
при введении диэлектрика между пластинами-элект-
родами такого, как на рис. 4.16, увеличения заряда
на пластинах не наблюдалось бы.
Однако в данном случае перемещение электриче-
ских зарядов следует отличать от постоянного тока,
обусловленного рассмотренной выше ионной проводи-
мостью. При повороте дипольных молекул воды или при
изменении формы электронных облаков происходит
116
Глава 4
изменение распределения зарядов, а значит, те-
чет электрический ток. Но это кратковременный, пе-
реходный ток. Когда говорят о переменном токе, «те-
кущем» по диэлектрику, то имеют в виду именно та-
кой кратковременный ток, меняющий направление то
в одну, то в другую сторону. Максвелл назвал его
током смещения (током электрической индукции).
Механизм поворота молекул воды:
ориентационные дефекты
Сколько дипольных молекул воды должно повер-
нуться к полю, чтобы в результате величина диэлект-
рической проницаемости оказалась равной 99? Оцен-
ку этого количества выполнил Дебай [6] (физик,
лауреат Нобелевской премии, по происхождению
голландец). Он рассуждал следующим образом. Ди-
электрическую проницаемость таких полярных жид-
костей, как спирт и бензин, можно хорошо объяс-
нить, если считать, что при приложении электриче-
ского поля их молекулы поворачиваются, преодолевая
вязкое сопротивление. А не происходит ли то же
самое и в случае льда?
Действительно, из основанных на таком простом
предположении расчетов следует, что эксперимен-
тально наблюдаемую диэлектрическую проницае-
мость льда удается объяснить в том случае, если при
приложении к нему электрического поля 1 В/см в
1 см3 происходит поворот 5,6-1015 молекул воды.
В 1 см3 льда содержится 3,1-1022 молекул воды.
Значит, нужно, чтобы повернулась только 1/5 000 000
(=2-10~7) часть от общего числа молекул. По этому
поводу Дебай [7] написал следующее:
«Если наблюдаемую в рентгеновских лучах кри-
сталлическую структуру считать решеткой, все атомы
которой выстроены строго упорядоченным образом,
то непонятно, почему вода и лед обнаруживают столь
похожие свойства .... Как показывают расчеты,
предположение о существовании в кристалле подоб-
ного разупорядочения (1 молекула на 5 000 000) в
действительности не означает, что при этом должно
Неупорядоченные кристаллы льда
117
происходить разрушение кристаллической структуры.
Таким образом, подобная гипотеза далеко не бес-
смысленна».
Однако в рассуждениях Дебая был один серьез-
ный недостаток: дело в том, что в кристалле льда
молекулы воды — даже в столь ничтожно малом ко-
личестве — поворачиваться не могут.
Расположение протонов в кристалле льда не упо-
рядочено. Но коль скоро выполняются правила Бер-
нала— Фаулера, независимый поворот одной от-
дельно взятой молекулы не разрешен. При повороте
одной молекулы расположение ее протонов меняется,
а значит, должно измениться расположение протонов
и вокруг рассматриваемой молекулы. В результате
в ее окрестности многие молекулы воды также вы-
нуждены повернуться. Но это требует очень большой
энергии, и сделанные на основании изложенной тео-
рии оценки показывают, что диэлектрическая поляри-
зация льда не может быть обусловлена поворотом
дипольных молекул воды.
Красивое решение данной проблемы нашел дат-
ский ученый Бьеррум [8], предложивший механизм,
благодаря которому молекулы воды могут свободно
поворачиваться. Согласно его идее, лед содержит
участки, на которых не выполняется второе правило
Бернала — Фаулера (т. е. нарушается совершенство
водородных связей). Бьеррум назвал эти участки
ориентационными дефектами. Как показано на
рис. 4.18, ориентационный дефект возникает при пе-
рескоке протона на соседнюю водородную связь.
Рис. 4.18. Образова-
ние ориентационных
дефектов. Перескок
протона на соседнюю
водородную связь
приводит к возникно-
вению пары ориента-
ционных дефектов: D
и L. Такой перескок
протона можно рас-
сматривать как пово-
рот молекулы воды
на 120°,
118
Глава 4
Участок, где на одну связь приходится два протона,
называют D-дефектом, а участок, на котором образо-
валась протонная вакансия, L-дефектом. Обозначе-
ния D и L присвоены по первым буквам немецких
слов duppelt (двойной) и leer (пустой).
Из рис. 4.18 понятно, что с формальной точки зре-
ния поворот молекулы воды эквивалентен перемеще-
нию D- или L-дефекта. Таким образом, идея Бьерру-
ма об ориентационных дефектах объясняет механизм
Таблица 4.2. Характеристики ориентационных дефектов (при
— 10°С)*
Концентрация («D = nL)
Энергия образования
Частота перескоков
Энергия активации перемеще-
ния
Подвижность L-дефектов (gL)
Подвижность D-дефектов (gD)
7 1А1 & “3
7-10 см
0,68 эВ (= 15,64 ккал/моль)
2. 10“ с“‘
0,235 эВ (= 5,41 ккал/моль)
2- 10-4 см2/(В-с)
Bl/Bd « 1
* По данным Гранихера (1958 г.)
диэлектрической поляризации льда. В табл. 4.2 пред-
ставлены некоторые физические характеристики ориен-
тационных дефектов, измеренные группой Гранихера
вскоре после того, как Бьеррум предсказал их суще-
ствование.
Свойства льда: общая картина
Единая теория швейцарской школы
Лед одновременно является и полупроводником, и
диэлектриком. Прекрасно согласовать эти два элект-
рических свойства льда, которые на первый взгляд
взаимоисключают друг друга, удалось Шерреру,
Гранихеру, Жаккару и Стейнману из Цюрихского тех-
нологического института. Они продолжили традицию
диэлектрических исследований льда, начало которым
Неупорядоченные кристаллы льда
119
еще в 1920 г. положил пришедший на профессорскую
работу в Цюрихский технологический институт моло-
дой Дебай. В 1950-х годах Шеррер, Гранихер, Жак-
кар и Стейнман опубликовали статью [9], в которой
предлагалась единая чрезвычайно хорошо согласо-
ванная теория.
Для того чтобы детально изучить физические
свойства ионных и ориентационных дефектов, они на-
чали свои исследования с экспериментов по искус-
ственному изменению концентрации дефектов. Прос-
тейший метод изменения концентрации кристалличе-
ских дефектов заключается во введении примеси.
Однако, как говорилось выше, ввести примесь в кри-
сталлическую решетку льда практически невозможно.
Быстро замораживая соленую воду или чернила,
можно получить непрозрачный соленый или цветной
лед, но это будет всего лишь лед, между границами
кристаллических зерен которого втиснута концентри-
рованная соль или чернила, а не монокристалличе-
ский лед с примесью, введенной в его кристалличе-
скую решетку.
После того как были перепробованы самые раз-
ные вещества, выяснилось, что в кристаллическую ре-
шетку льда можно ввести некоторое вполне опреде-
ленное количество фтористого водорода (HF). Так
происходит потому, что фтор и кислород имеют сход-
ные размеры атомов и обладают похожими химиче-
скими свойствами. Когда в кристалле льда молекула
фтористого водорода (HF) занимает положение мо-
лекулы воды (Н2О), возникает нехватка одного про-
тона и образуется L-дефект (рис. 4.19, а). Если в сле-
дующий момент произойдет перескок протона вдоль
водородной связи, то образуется ионный дефект
Н3О+ (рис. 4.19,6). Значит, варьируя количество вво-
димого фтористого водорода, можно произвольным
образом менять концентрацию ориентационных и
ионных дефектов. Как удалось выяснить, введение
хлористого водорода (НС1) приводит почти к тому
же эффекту, что и введение фтористого водорода.
Как показали измерения группы Гранихера,увели-
чение концентрации фтористого водорода приводит
120
Глава 4
Рис. 4.19. Образование
L-дефекта и ионного де-
фекта Н3О+ при введении
в кристаллическую решетку
льда фторида водорода
(HF). Внедрение молекулы
HF на место молекулы Н2О
в кристаллической решетке
льда приводит к возникно-
вению одного L-дефекта (а).
Если затем протон отойдет
от атома фтора к соседней
молекуле воды, то появится
ионный дефект Н3О+ (б)
Этот процесс можно вы-
разить формулой: HF+НгО
—>Н3О+ + F-.
к возрастанию электропроводности по постоянно-
му току и уменьшению диэлектрической проницаемо-
сти. Отсюда эти исследователи заключили, что вели-
чину электропроводности чистого льда определяет
концентрация ионных дефектов Н3О+. С другой сто-
роны, с увеличением концентрации L-дефектов число
D-дефектов в соответствии с законом действия масс
Гульберга — Вааге должно уменьшаться. С учетом
этого обстоятельства был сделан и второй вывод о
том, что величину диэлектрической проницаемости
определяет концентрация D-дефектов.
Гранихеру, Жаккару и Онсагеру удалось постро-
ить теорию, интерпретирующую все эти эксперимен-
тальные результаты. Жаккар, в частности, создал
красивую единую теорию, объясняющую наличие у
льда свойств полупроводника и диэлектрика на осно-
ве модели о передвижении вдоль водородных связей
дефектов четырех типов: Н3О+, ОН~, D и L г[10].
Из теории Жаккара следует, что электропровод-
ность льда по постоянному току определяется кон-
центрацией дефектов самой малочисленной группы из
Неупорядоченные кристаллы льда
121
четырех указанных, а диэлектрическая проницае-
мость—концентрацией дефектов самой многочислен-
ной группы *>. Это вытекает из свойственных льду
особенностей, которые проиллюстрированы рис. 4.20.
Допустим, что при приложении электрического
поля ионный дефект Н3О+ за счет перескоков прото-
нов по водородным связям переместился с правой
стороны рисунка на левую {а). В таком случае рас-
положение протонов изменится и примет вид (б).
Обращаем внимание на то, что при этом в результате
прохождения ионного дефекта молекулы воды поме-
няют направления своих дипольных моментов, и в це-
лом произойдет поляризация. В данном состоянии
прохождение следующего иона Н3О+ уже невозмож-
но. Однако если по тому же пути пройдет D-дефект
(б), то расположение протонов примет вид (в), пол-
ностью повторяющий исходную картину (а). Анало-
гичная ситуация наблюдается и в случае дефектов
ОН- и L.
Таким образом, течение постоянного тока за счет
перемещения только ионных или только ориентаци-
онных дефектов невозможно; кроме того, электропро-
водность льда по постоянному току определяется
концентрацией тех дефектов, которых меньше всего.
Течение тока по кристаллу льда напоминает сооб-
щение между двумя городами, когда перевозка пас-
сажиров осуществляется крупными самолетами и не-
большими автобусами. Если из города в аэропорт
можно добраться лишь на небольшом автобусе, то
какими бы крупными ни были самолеты, летающие
от одного аэропорта до другого, количество переве-
зенных пассажиров будет определяться пропускной
возможностью автобусного сообщения.
о Точнее, проводимость по постоянному току определяется
min{(WL + Лф), (Лф3о+ + Лфн-)}- При движении вдоль водо-
родных связей под действием электрического поля ориентацион-
ные дефекты (L и D) осуществляют переворот молекул воды в
одну и ту же сторону, поэтому во всех формулах, описывающих
электрические свойства льда, их концентрации суммируются (ЛД+
-|-ЛГп). Действие движения ионов (Н3О+ и ОН~) на ориентацию
молекул воды противоположно. Диэлектрическая же поляризация
определяется шах{(Лф + Дф), (ЛфзО+ + ^он-)}- — Прим. ред.
122
Глава 4
У чистого льда концентрация ориентационных де-
фектов примерно в 100 000 раз превосходит концент-
рацию ионных дефектов (см. табл. 4.1 и 4.2). Следо-
вательно, его электропроводность по постоянному
току определяется концентрацией немногочисленных
ионных дефектов. Величина же диэлектрической про-
ницаемости обусловлена суммарной поляризацией,
вызванной поворотом дипольных молекул воды, и,
Электрическое
- поле
— <--------------- -р
Рис. 4.20. Перемещение ионных и ориентационных дефектов.
Пусть в электрическом поле за счет ряда последовательных
перескоков протонов в направлениях, указанных стрелками, про-
исходит перемещение ионного дефекта Н3О+ влево (а). Тогда
расположение протонов принимает вид б. В состоянии б пере-
мещение следующего ионного дефекта Н3О+ уже невозможно.
Но если по тому же пути пройдет затем D-дефект (б), распо-
ложение протонов вновь станет таким, каким оно было внача-
ле (в).
Неупорядоченные кристаллы льда
123
Рис. 4.21. Модель водо-
проводных труб, позво-
ляющая лучше понять
механизмы проводимости
постоянного тока и ди-
электрической поляриза-
ции льда: а — расход
воды определяется тру-
бами Н3О+ и ОН~; б —
пропускная способность
складывается из про-
пускных способностей
всех четырех труб, но
если поток через тонкие
трубы (Н3О+ и ОН-)
пренебрежимо мал по
сравнению с потоком
через толстые трубы (D
и L), то полный расход
определяется толстыми
трубами D и L.
значит, в этом случае важнее оказываются многочис-
ленные ориентационные дефекты.
Чтобы лучше понять механизмы проводимости по-
стоянного тока и диэлектрической поляризации льда,
полезно обратиться к аналогии с водопроводными тру-
бами (рис. 4.21). Из четырех показанных на рисунке
труб две толстые трубы соответствуют ориентацион-
ным дефектам, а две тонкие — ионным; при этом счи-
тается, что механизму проводимости постоянного
тока отвечает последовательная схема, а механизму
диэлектрической поляризации — параллельная.
Свойства льда: общая картина
С точки зрения расположения атомов кислорода
лед представляет собой правильный кристалл. Одна-
ко, исходя из расположения протонов, его можно от-
нести и к неупорядоченным аморфным телам. Как мы
выяснили, неупорядоченное расположение протонов
при наличии ионных и ориентационных дефектов по-
зволяет льду проводить постоянный ток ив то же
время делает возможной диэлектрическую поляриза-
124
Глава 4
цию. Таким образом, лед проявляет как свойства по-
лупроводника, так и свойства диэлектрика (изолято-
ра). Принципиальное объяснение столь сложных
электрических свойств было выдвинуто в единой тео-
рии швейцарской школы.
Однако не следует думать, что тем самым удалось
разрешить все проблемы. До сих пор еще остается
большое число невыясненных частных вопросов. Не-
которые исследователи даже подвергают сомнению
результаты описанных выше экспериментов и их ин-
терпретацию [11]. Видимо, в скором времени, когда
изучение льда продвинется еще дальше и спорные во-
просы удастся разрешить, в единую теорию швейцар-
ской школы придется внести какие-то поправки. Ну
что ж! Развитие науки всегда шло этим путем.
Выводы об электрических свойствах льда, рас-
смотренных выше, основывались на результатах из-
мерений, которые проводились главным образом при
температурах от О °C до примерно —50 °C. Естест-
венно, что при более низких температурах электро-
проводность льда падает, и он начинает вести себя
скорее как диэлектрик, чем как полупроводник.
С учетом этого фон Хиппель (Массачусетский техно-
логический институт) не так давно высказал предпо-
ложение о том, что лед не является полупроводником,
а в сущности представляет собой изолятор [12]. Сей-
час еще рано говорить, верна идея фон Хиппеля или
нет. Время покажет.
Выше мы уже обсуждали возможность существо-
вания идеального кристаллического льда, т. е. кри-
сталла льда с упорядоченным расположением прото-
нов. В таком льде, если он и в самом деле существу-
ет, диэлектрическая поляризация за счет поворота
дипольных молекул воды, видимо, происходить не мо-
жет. Подобными свойствами обладают разновидно-
сти льда, о которых мы еще будем говорить в шестой
главе — лед II, лед VIII и лед IX, образующиеся при
высоких давлениях.
Вероятно, во всем объеме идеального кристалли-
ческого льда с упорядоченным расположением прото-
нов дипольные молекулы воды ориентированы в од-
Неупорядоченные кристаллы льда
125
+ + + 4- 4 +
Рис. 4.22. Идеальный лед, обладающий полярностью. Если бы
протоны занимали положения, показанные на рисунке, то во всем
объеме кристалла положительные заряды оказались бы над от-
рицательными. В тех случяах, когда в кристалле льда за счет
подобного расположения дипольных молекул воды создается
электрическая поляризация, говорят о том, что кристалл обла-
дает полярностью.
ном направлении (рис. 4.22). Это означает, что иде-
альный кристаллический лед, видимо, поляризован
даже в отсутствие электрического поля. Титанат ба-
рия, дигидрофосфат калия и другие вещества, обра-
зующие подобные кристаллы, принято называть сег-
нетоэлектриками.
В последние годы время от времени появлялись
сообщения о том, что у обычного льда при темпера-
турах ниже —150 °C удалось обнаружить сегнето-
электрические или пьезоэлектрические свойства. Од-
нако эксперименты всякий раз проводились со льдом,
содержащим некоторое количество примеси, и счи-
тать их результаты доказательством того, что сам
лед обладает указанными свойствами, нельзя.
Понимание структуры и особенностей льда, о ко-
торых мы говорили в третьей и четвертой главах,
дает лишь узкое, одностороннее представление о
сложной картине его свойств, но и этого достаточно,
чтобы почувствовать все их многообразие.
126 Глава 4
Лед, который является кристаллом и который в
то же время кристаллом назвать нельзя; лед, прояв-
ляющий одновременно и упругие, и пластические свой-
ства; лед, представляющий собой полупроводник и
в то же самое время диэлектрик,— такова общая
картина свойств льда. В следующей главе, основы-
ваясь на знании этих свойств, мы попробуем по-но-
вому взглянуть на обычный, повсеместно распростра-
ненный лед.
Глава 5
Поверхность льда,
его физические свойства
Температура льда и его поверхность
Лед, плохо переносящий жару
Говоря о всевозможных физических свойствах
льда, важно не забывать, что термины «температура
льда» и «поверхность льда» имеют совершенно осо-
бый, непривычный смысл.
Слово «лед» у многих ассоциируется со словами
«прохладный» или «холодный». Это вызвано тем, что
люди, да и вообще почти все живые существа на Зем-
ле могут жить лишь при температурах, лежащих в
узком интервале выше О °C. Если бы лед был спосо-
бен «чувствовать» жару и холод, он бы ощущал тем-
пературу чуть ниже точки таяния, которая восприни-
мается нами как холод, «жарой, при которой того и
гляди растаешь».
Поясняет сказанное рис. 5.1. На нем приведены
температуры, которые могут выдерживать отдельные
окружающие нас вещества. По оси абсцисс указана
нормированная температура. Это означает, что для
каждого вещества температура плавления, выражен-
ная в кельвинах (т. е. в единицах абсолютной шкалы,
имеющей четкий физический смысл), приравнивается
к 100 % и откладывается на правом краю графика.
Иными словами, точке 100 % соответствуют на гра-
фике максимальные температуры, при которых рас-
сматриваемые вещества еще могут существовать в
твердой фазе. Для железа это 1809 К (1536°C), а
для льда — 273 К (0 °C).
Из рис. 5.1 вытекает следующий важный вывод.
В случае железа 80 % от температуры плавления со-
ответствуют 1174 °C, а в случае льда те же 80 %
соответствуют —55 °C. Для людей —55 °C — это
невыносимо низкая температура, а для льда — ужас-
но высокая: вспомним, что температура, составляющая
80 % от температуры плавления, в случае железа
128
Глава 5
Рис. 5.1. График, показывающий, что означают те или иные тем-
пературы для различных веществ. По оси абсцисс для каждого
из рассматриваемых веществ отложены температуры, отсчитывае-
мые в процентах от температуры плавления данного вещества
(при вычислении соответствующих значений берутся абсолютные
температуры, измеряемые в кельвинах (К)). Из рисунка видно,
что, к примеру, состояние железа при температуре 632° С экви-
валентно состояниям льда при -—137° С и этилового спирта при
—194° С.
означает такое состояние, когда уже пройден этап
красного свечения и оно раскалено добела.
Наименьшая температура, которую мы еще мо-
жем переносить, лежит вблизи —30 °C. Но лед при
такой температуре уже рискует растаять. Иначе го-
воря, лед можно назвать веществом, которое «очень
плохо переносит жару».
Подобное свойство льда имеет исключительно
важное значение. В дальнейшем будет показано, что
Поверхность льда, его физические свойства
129
именно благодаря ему мы можем кататься на конь-
ках и лыжах и что именно оно позволяет считать
лед похожим на спеченную керамику.
Поверхность льда — квазижидкость
Второе важное обстоятельство, о котором не сле-
дует забывать при рассмотрении физических свойств
льда, заключается в особенностях его поверхности.
При температурах, близких к точке плавления льда,
его поверхность покрывается тонкой жидкой пленкой.
Такая пленка носит название квазижидкого или пе-
реходного слоя.
Первым мысль о существовании на поверхности
льда квазижидкого слоя высказал английский физик
Фарадей (1850 г.), открывший явление «перезамора-
живания» льда. Спустя примерно 100 лет американ-
ский химик Уайл, воспользовавшись аналогией с
двойным электрическим слоем, который образуется
на поверхности ионных кристаллов, дал теоретиче-
ское обоснование возможности существования на по-
верхности льда квазижидкого слоя (1951 г.). Это по-
служило толчком к публикации ряда эксперимен-
тальных работ, доказывающих наличие такого
слоя [ 1 ].
Рассуждения Уайла носили чисто качественный
характер. Количественную теорию построил австра-
лийский ученый Флетчер [2]. Исходя из того, что на
поверхности обычной воды достаточно большое число
ее дипольных молекул расположены упорядоченным
образом, Флетчер высказал предположение о нали-
чии упорядоченного слоя и на поверхности льда.
Поверхность кристалла — это такое место, где
внезапно обрывается нормальный порядок в располо-
жении молекул. Как уже говорилось выше, коорди-
национное число кристаллического льда равно четы-
рем. Следовательно, всякая молекула воды, находя-
щаяся в толще кристалла, тетраэдрически связана с
четырьмя другими окружающими ее молекулами. Но
для молекул воды, которые находятся на поверх-
ности, соседей с одной стороны нет, и какое-то
5 Зак. 600
130
Глава 5
количество линий водородных связей остается неис-
пользованным. В результате на поверхности накапли-
вается повышенная энергия. Мерой ее величины слу-
жит поверхностная энергия (в случае жидкости —
энергия поверхностного натяжения).
Не следует думать, что повышенная энергия по-
верхности характерна только для льда. Неверно так-
же считать это свойство причиной образования ква-
зижидкого слоя. Существование у льда в отличие от
других веществ такого слоя объясняется тем, что мо-
лекулы воды представляют собой электрические ди-
поли.
Поскольку расположение протонов в кристалле
льда не упорядочено, его дипольные молекулы воды
ориентируются в произвольных направлениях. Если
допустить, что такая же структура сохраняется и на
поверхности, то вероятность ориентации дипольных
молекул воды положительными полюсами (т. е. про-
тонами) в сторону поверхности окажется равной 0,5.
Такой же будет и вероятность ориентации отрица-
тельными полюсами в сторону поверхности.
Однако подобная структура поверхности энергети-
чески неустойчива и на самом деле реализоваться не
может. Флетчеру удалось теоретически показать, что
структура термодинамически устойчивой поверхно-
сти льда характеризуется в определенной мере упо-
рядоченным расположением дипольных молекул
воды. В структуре квазижидкого слоя и в его свойст-
вах многое еще неясно, в схематичном же виде ре-
зультаты, вытекающие из теории Флетчера, представ-
лены на рис. 5.2.
На поверхности квазижидкого слоя расположение
дипольных молекул воды в достаточной мере упоря-
дочено. При 0 °C степень ориентации составляет
0,74. Иными словами, 74 °/о молекул воды ориентиро-
ваны протонами наружу. По мере -продвижения
вглубь от поверхности степень ориентации экспонен-
циально спадает и в толще кристалла льда принима-
ет характерное для неупорядоченного расположения
значение 0,5.
Поверхность льда, его физические свойства
131
Следовательно, квазижидкий слой можно назвать
переходным: на его глубине от поверхности до грани-
цы с кристаллом льда происходит непрерывное изме-
нение расположения диполей и в результате образу-
ется двойной электрический слой. Подобное явление
внутри самого кристалла невозможно, поскольку там
действуют правила Бернала — Фаулера. Название
«квазижидкий» дано этому слою потому, что он и не
жидкий, и не кристаллический. Природа такого слоя
многими понимается неверно. В действительности
расположение молекул воды внутри него хаотично,
как в жидкости, но ориентация диполей по сравнению
с самим кристаллом льда отличается упорядоченно-
стью.
Рис. 5.2. Модель строения квазижидкого слоя. Стрелки указы-
вают ориентацию дипольных молекул воды. На поверхности ква-
зижидкого слоя расположение диполей упорядочено, причем
количество диполей, ориентированных вверх, заметно превосходит
количество диполей, ориентированных вниз. По мере продвиже-
ния в глубь квазижидкого слоя эта 'особенность постепенно
сглаживается и в конце концов устанавливается присущая кри-
сталлу льда полная неупорядоченность в расположении диполей.
Приведенную здесь модель следует считать всего лишь одной из
гипотез.
5*
132
Глава 5
Рис. 5.3. Толщина ква-
зижидкого слоя (соглас-
но теории Флетчера,
1968 г.),.
Как следует из теории Флетчера, квазижидкий
слой возникает мгновенно при температуре около
—6 °C (рис. 5.3). Его толщина изменяется в преде-
лах от нескольких десятков до нескольких сотен анг-
стрем, причем при приближении к точке плавления
она резко возрастает.
Теория квазижидкого слоя основывается на не-
скольких гипотезах, и результаты, представленные на
рис. 5.2 и 5.3, следует рассматривать только как одно
из следствий, позволяющих судить об истинности ис-
ходных посылок. Тем не менее, имея представление
об описанной выше кристаллической структуре льда
и о его свойствах, можно утверждать, что в общем
ошибок в теории Флетчера нет *>,
Лед — чрезвычайно чистое вещество
Со времен Фарадея было опубликовано множест-
во экспериментальных работ, авторы которых сооб-
щали о существовании квазижидкого слоя [3]. Одна-
ко квазижидкий слой захватывает самое большее не-
сколько десятков — несколько сотен молекулярных
слоев, лежащих у поверхности льда, поэтому при ин-
терпретации опубликованных данных необходимо
» Сейчас есть несколько более современных теорий струк-
туры поверхности льда, основанных иа последних результатах
экспериментальных исследований дифракции рентгеновских лучей,
ЯМР поверхности льда, эллипсометрии и т, д., которыми Флетчер
не располагал, — Прим, рей,
Поверхность льда, его физические свойства
133
учитывать не только наличие этого слоя, но и влия-
ние других факторов.
По иронии судьбы классический пример пренебре-
жения такими факторами показал сам Фарадей, пер-
вым высказавший мысль о существовании квазижид-
кого слоя. Он попытался объяснить наличием этого
слоя явление «перезамерзания» льда, о котором мы
еще будем говорить, и подвергся резкой критике
братьев Томсонов, а также Гельмгольца.
Экспериментально доказать существование квази-
жидкого слоя сложно потому, что на поверхности
льда по другим причинам может образовываться во-
дяная пленка, практически неотличимая от квази-
жидкого слоя. Причин, приводящих к появлению на
поверхности льда микроскопической водяной пленки,
грубо говоря, три.
Первая причина — плавление, вызванное нагре-
вом. Если исследуемый лед соприкасается с воздухом,
температура которого выше О °C, то такой лед не-
прерывно подплавляется. При этом поверхность и
границы кристаллических зерен, очевидно, превра-
щаются в воду раньше всего.
Нагрев может происходить и при температуре
воздуха ниже О °C: например, в тех случаях, когда
на образец падает солнечный или искусственный
свет, а также если наблюдатель, сам того не замечая,
дышит на него. В результате температура льда на от-
дельных участках повышается и создаются условия
для образования на поверхности водяной пленки.
Кроме того, при ударе о лед других предметов или
при их соприкосновении с ним микроскопические не-
ровности на поверхности льда за счет теплоты трения
попросту плавятся.
Вторая причина — примеси. Попадание в лед при-
меси — например, поваренной соли — даже при тем-
пературах ниже О °C приводит к плавлению поверх-
ности и образованию водяной пленки. Этот хорошо
известный эффект типичен и для других веществ.
«Чистый лед», в котором абсолютно нет примесей,
существует только в нашем воображении. На самом
деле получить его невозможно. Однако создать лед
134
Глава 5
со степенью чистоты семь-восемь девяток удается от-
носительно легко.
В обыкновенной водопроводной воде содержание
примеси составляет приблизительно сто частей на
миллион (это в основном хлор, предназначенный для
дезинфекции). Но если такую воду подвергнуть ди-
стилляции или пропустить ее через ионообменную
смолу, то содержание примеси снизится примерно до
одной части на миллион, т. е. до 0,000 001. Таким об-
разом, лед со степенью чистоты шесть девяток
(99,9999 %) можно легко получить в обычных лабо-
раторных условиях.
Если налить эту воду в чистый сосуд и медленно
охлаждать ее с одной стороны, то получится прозрач-
ный лед со степенью чистоты семь-восемь девяток.
Выше, когда речь шла о прозрачном льде и льде
олимпийского катка в Саппоро, мы уже объясняли,
почему при замерзании льда происходит его очистка
(с. 59).
Итак, степень чистоты льда, с которым мы обыч-
но имеем дело, как правило, очень высока. Значит,
влияние примеси даже при очень небольшом ее со-
держании весьма велико. Особенно сильно ее присут-
ствие отражается на состоянии поверхности.
Рассмотрим, к примеру, ледяной шарик диамет-
ром 1 см, во всем объеме которого содержится десять
частей соли на миллион. Если предположить, что вся
примесь собрана на поверхности шарика, то толщина
водяной жидкой пленки при —10 °C должна состав-
лять примерно 900 А, а при — 1° С — примерно
2 000 А- Для шарика диаметром 1 мм толщина такой
пленки возрастет в 100 раз и при —10 °C будет рав-
на 0,009 мм, а при —1 °C — 0,02 мм.
Концентрация примеси 10/1 000 000 — это при-
мерно одна десятая от той величины, что мы имеем
в случае водопроводной воды, но для снега, падающе-
го на морском побережье, подобное содержание при-
меси отнюдь не редкость. Можно утверждать, что на
поверхности тдких снежинок и льда образуется водя-
ная жидкая пленка, однако к квазижидкому слою са-
мого льда она отношения не имеет,
Поверхность льда, его физические свойства
135
Третья причина, приводящая к образованию мак-
роскопической водяной пленки, не являющейся квази-
жидким слоем,— это плавление под давлением. Рас-
сматривая диаграмму состояний воды (рис. 3.3), мы
уже говорили, что лед тает под давлением.
Как бы гладко ни была отшлифована поверхность
льда, под микроскопом на ней всегда обнаружится
множество неровностей. При соприкосновении с дру-
гим твердым телом на участках, где имеются микро-
скопические выступы, развивается колоссальное дав-
ление и возникают условия для плавления поверхно-
сти льда.
Три только что рассмотренные причины, а имен-
но: нагрев, присутствие примесей и давление, приво-
дят к образованию на поверхности льда обыкновен-
ных водяных пленок. Эти пленки возникают благода-
ря тому, что устанавливается термодинамическое
равновесие, при котором могут одновременно суще-
ствовать вода и лед, но к квазижидкому поверхност-
ному слою самого льда они отношения не имеют. Ча-
сто во время экспериментов со льдом три перечис-
ленных фактора роли не играют, но по другим
причинам создается термодинамически или механи-
чески неравновесное состояние (например, во время
измерений, выполняемых в процессе постепенного из-
менения температуры). В таких случаях нередко по-
лучаются результаты, которые хочется объяснить на-
личием квазижидкого слоя, и надо проявлять осо-
бую осторожность, чтобы не допустить ошибки.
Ядерный магнитный резонанс
и поверхностная электропроводность
Широкую известность получили эксперименталь-
ные работы Накан и Мацумото (Япония), а также
группы Хослера (США), в которых было доказано
существование квазижидкого слоя (см. [4]). Эти ис-
следователи приводили в соприкосновение два под-
вешенных на нитях ледяных шарика и измеряли силу,
необходимую для того, чтобы оторвать их друг от
друга (т. е. силу сцепления).
136
Глава 5
В результате было обнаружено, что сила сцепле-
ния ледяных шариков, находящихся в атмосфере на-
сыщенного водяными парами воздуха, имеющего тем-
пературу, близкую к О °C, при нагреве льда выше
—25 °C резко возрастает с увеличением его темпера-
туры. В атмосфере сухого воздуха, имеющего темпе-
ратуру, близкую к О °C, сила сцепления, как выяс-
нилось, также возрастает, лишь только температура
льда превысит —6 °C. Возрастание силы сцепления
при приближении температуры льда к точке плавле-
ния было объяснено тем, что на поверхности ледя-
ных шариков образуется квазижидкий слой, толщи-
на которого растет с температурой.
Квазижидкий слой образуется на поверхности.
Следовательно, вопрос о его существовании и свой-
ствах, строго говоря, должен решиться на основании
изучения физических свойств самой поверхности. На
сегодняшний день можно указать два направления
таких работ — это исследования по методу ядерного
магнитного резонанса и измерения поверхностной
электропроводности.
Метод ядерного магнитного резонанса заключает-
ся в измерении поглощения электромагнитного излу-
чения при перевороте магнитных моментов ядер, ори-
ентированных в сильном постоянном магнитном поле.
При этом резонансная частота поглощения (при фик-
сированном магнитном поле) или резонансная напря-
женность магнитного поля (при фиксированной час-
тоте) определяются величиной магнитного момента
ядер. Магнитные моменты протонов превосходят по
величине моменты всех остальных ядер, поэтому с
помощью метода ЯМР удается легко регистрировать
фазовые переходы в поверхностном слое льда, при
которых изменяется расположение молекул воды, а
значит и протонов.
На рис. 5.4 представлены спектры поглощения
льда при ядерном магнитном резонансе, полученные
группой Квливидзе (Московский государственный
университет) [5]. На картинке а показан спектр
льда, содержащего большое количество воздушных
пузырьков (—2 °C). На фоне плавной кривой по-
Поверхность льда, его физические свойства
137
Рис. 5.4. Спектры поглощения льда при ядерном магнитном ре-
зонансе: а — лед, содержащий большое количество воздушных
пузырьков; б — лед, содержащий маленькие тефлоновые шарики.
Резкие пики поглощения в середине спектров а н б свидетель-
ствуют о наличии квазижидкого слоя. Рисунок группы Квли-
видзе (1974 г.) с внесенными в него частичными изменениями.
глощения заметен резкий пик, который дают под-
вижные протоны, находящиеся на поверхности пу-
зырьков, т. е. на поверхности льда. С увеличе-
нием температуры высота этого пика резко воз-
растает.
На картинке б показан спектр льда, содержащего
маленькие тефлоновые шарики. Резкий пик, прекрас-
но различимый при —3 °C, полностью исчезает при
—13 °C.
Измерения поверхностной электропроводности
льда проводили Буллемар и Риль (ФРГ), Жаккар
(Швейцария), Маэно и Нисимура (Япония). Послед-
ние, в частности, тщательно шлифовали определен-
ную кристаллическую поверхность и изучали измене-
ние ее поверхностной электропроводности в зависи-
мости от температуры, а также в процессе возгонки
[16]. На рис, 5.5 представлены результаты этих из-
мерений.
138
Глава 5
Температура, °C
Рис. 5.5. Зависимость поверхностной электропроводности льда
от температуры. Результаты, полученные на разных образцах,
выделены условными значками. (Маэно и Нисимура, 1978 г.)
Так же, как и объемная электропроводность, о ко-
торой мы говорили выше (см. рис. 4.8), поверхност-
ная электропроводность возрастает с повышением
температуры. Это еще раз доказывает, что лед обла-
дает свойствами полупроводника, и вместе с тем
означает, что поверхностная электропроводность оп-
ределяется концентрацией наиболее малочисленных
электрических дефектов решетки (вероятнее всего,
ионных дефектов Н3О+).
В области низких температур температурная за-
висимость электропроводности носит линейный ха-
рактер Х), затем при —6°С начинается отклонение от
11 В координатах 1п о и 1/7", т. е. в действительности а ~
exp (—E/kT). — Прим, ред.
Поверхность льда, его физические свойства 139
прямой и при более высоких температурах наблюда-
ется очень быстрый рост электропроводности. Это
объясняется тем, что при высоких температурах об-
разуется квазижидкий слой и концентрация ионных
дефектов Н3О+ увеличивается.
Кроме того, было замечено, что если при измерении
электропроводности заставить лед быстро испаряться
с поверхности, то его электропроводность мгновенно
увеличится. На такую возгонку расходуется скрытая
теплота, и температура поверхности льда снижается,
тем не менее электропроводность увеличивается. Это
говорит о том, что по какой-то причине происходит
возрастание концентрации ионных дефектов, превы-
шающее по абсолютной величине уменьшение кон-
центрации тех же дефектов, вызванное снижением
температуры. Как выяснилось, подобное увеличение
электропроводности при температурах, близких к
точке плавления, идет иначе, чем в области низких
температур, что можно считать доказательством су-
ществования квазижидкого слоя.
Благодаря исследованиям по методу ЯМР и изме-
рениям поверхностной электропроводности сомнения
в существовании на поверхности льда при температу-
рах, близких к точке плавления, квазижидкого слоя
были практически сняты. Однако, как мы уже не-
сколько раз отмечали, разнообразные свойства по-
верхности обыкновенного снега и льда во многих слу-
чаях объясняются скорее наличием макроскопиче-
ской водяной пленки, а не квазижидкого слоя.
Восстановление льда.
Катание на коньках. Снежинки
Ледяная магия: восстановление льда
Фарадей высказал идею о существовании квази-
жидкого слоя для того, чтобы объяснить явление вос-
становления льда. Выполненный Фарадеем экспери-
мент по восстановлению льда весьма прост и состоит
в следующем.
140
Глава 5
Рис. 5.6. Эксперимент по пере-
замерзанию льда (Tutton А,
Е. Н„ The High Alps, 1927 г.).
Если при О °C или при более высокой температу-
ре привести в соприкосновение две глыбы льда, они
смерзнутся. Замерзание воды, зажатой с двух сторон
льдом, при положительной температуре воздуха ка-
жется на первый взгляд невероятным. Однако можно
утверждать, что в тех районах, где зимой лежит снег,
дети всякий раз повторяют этот эксперимент, когда
лепят снежки для своих баталий.
Фарадей предпринял попытку истолковать данное
явление на основании представлений о квазижидком
слое. Тиндаль, присоединившийся к его точке зрения,
первым стал использовать термины «восстановление
льда» и «перезамерзание» как эквивалентные и по-
пробовал объяснить с этих позиций течение ледников.
С возражением против такого подхода выступи-
ли братья Томсоны и Гельмгольц, видевшие причину
восстановления льда в плавлении под давлением.
В конце концов в споре победили именно они. Сегод-
ня явление восстановления льда во многих учебниках
рассматривается как комбинация плавления под дав-
лением и повторного замерзания.
В наше время под восстановлением льда чаще все-
го понимают явление, впервые экспериментально об-
наруженное в 1872 г. англичанином Боттомли (см.
рис. 5.6). Суть его такова: проволока с подвешенным
на ней грузом постепенно разрезает лед, имеющий
температуру 0°С, однако после прохождения прово-
локи разрез вновь затягивается льдом и в результате
Поверхность льда, его физические свойства 141
Рис. 5.7. Механизм перезамер-
заиия льда. Штриховые ли-
нии — потоки тепла, сплош-
ные — течение воды.
Водяная
Плавление под
давлением
образец остается неразрезанным. Происходящее мож-
но назвать ледяной магией.
Объясняется это явление следующим образом
(рис. 5.7). Лед, который находится непосредственно
под проволокой, испытывает давление, его темпера-
тура плавления снижается, и он тает. Образовавшая-
ся при таянии вода обтекает проволоку и собирается
у ее верхней поверхности. Но там давления нет, по-
этому вода вновь замерзает. С другой стороны, при
повторном замерзании образовавшейся при таянии
воды выделяется скрытая теплота. Сквозь саму про-
волоку и по окружающему льду это тепло передается
к нижней поверхности проволоки, которая становится
источником тепла и еще сильнее растапливает под со-
бой лед. После того, как течение воды и теплопереда-
ча примут стационарный характер, проволока дви-
жется сквозь лед с постоянной скоростью.
Теория восстановления льда
Схема эксперимента по восстановлению льда и
его объяснение приводятся даже в учебниках для
младших классов, поэтому у читателей может сло-
житься впечатление, будто достаточно изучить то, что
написано по данному поводу в книгах, и им все ста-
нет понятно. Но в действительности это не так. Сов-
сем недавно Най (Бристольский университет), а так-
же Дрейк и Шрив (Калифорнийский университет),
следуя приведенному выше объяснению, построили
142
Глава 5
усилие, бар
усилие, бар
Рис. 5.8. Сравнение теории перезамерзания льда с эксперимен-
том. По оси абсцисс отложено создаваемое нитью усилие, благо-
даря которому происходит движение нити и перезамерзание
льда; оно считается равным отношению Fjna, где F — сила, при-
ходящаяся на единицу длины нити, а — радиус нити, л = 3,14....
Рисунок Дрейка и Шрива (1973 г.) с внесенными в него частич-
ными изменениями.
точную количественную теорию восстановления льда
и обнаружили в ней массу несоответствий с экспери-
ментальными данными [7].
Один из таких примеров показан на рис. 5.8. На
приведенных здесь графиках представлены зависимо-
сти скоростей движения медной и нейлоновой нити
внутри льда от развиваемого нитью усилия (т. е. от
Поверхность льда, его физические свойства
143
веса груза в пересчете на единицу поверхности
нити).
Рассмотрим сначала случай медной нити, диаметр
которой равен 0,5 мм. Нет ничего необычного в том,
что с ростом развиваемого нитью усилия скорость ее
движения также возрастает. Однако теоретические
значения скорости примерно в 10, а при малых на-
пряжениях даже в 100 и более раз превышают соот-
ветствующие им экспериментальные значения. Значит,
механизм восстановления льда, о котором мы говори-
ли выше, не позволяет достаточно точно объяснить
реальную скорость движения медной нити.
Кроме того, при усилиях, близких к 1 бар, экспе-
риментально наблюдаемая скорость движения резко
возрастает примерно в 50 раз. Предсказать такое
скачкообразное изменение скорости, исходя из рас-
смотренной выше теории, также оказалось невоз-
можным.
В случае нейлоновой нити, имеющей диаметр
0,25 мм, картина меняется незначительно. Теплопро-
водность нейлона составляет примерно 1/1600 от
теплопроводности меди, поэтому можно ожидать, что
скорость движения нейлоновой нити будет намного
меньше скорости медной. Так оно и происходит в дей-
ствительности. Однако несовпадение теории с экспе-
риментом все же остается. В частности, при малых
значениях создаваемого нитью усилия наблюдается
расхождение примерно в 10 раз. К тому же, скачок
скорости вблизи усилия в 1 бар отчетливо виден и в
этом случае.
Видимо, в теории есть какой-то изъян. Как гово-
рилось выше, для того чтобы движение нити внутри
льда было равномерным, теплопередача и перетека-
ние образующейся при таянии воды должны идти с
постоянной скоростью (рис. 5.7). Из этого условия и
определялась в теории скорость движения нити. Од-
нако таких исходных посылок, как выяснилось, не
хватает для того, чтобы объяснить эксперименталь-
ные значения скорости и ее скачок при усилиях око-
ло 1 бар.
144
Глава 5
Поправка, которую Дрейк и Шрив внесли в тео-
рию в первую очередь, заключалась в учете влияния
примесей. В случае, если лед содержит некоторое
ничтожно малое количество воздуха и ионов, эти
примеси переносятся вместе с водой в область, при-
легающую к верхней поверхности нити, температура
плавления там опускается и происходит охлаждение.
В результате разность температур между нижней и
верхней поверхностью нити уменьшается и теплопе-
редача замедляется, что приводит к снижению скоро-
сти движения нити. Именно этим и можно объяснить
расхождение теории и эксперимента в 10—100 раз
при малых значениях создаваемого нитью усилия.
Еще в 1880-х годах во время экспериментов по
восстановлению льда было обнаружено, что после
прохождения нити за ней остается туманный след.
Однако в учебниках указанное обстоятельство почти
никогда не упоминается. Более того, пораженные яв-
лением восстановления льда, авторы часто пишут
примерно следующее: «После прохождения нити лед
остается абсолютно прозрачным — таким же, каким
он был и до этого».
Однако если посмотреть на лед после прохожде-
ния через него нити под микроскопом, то во многих
случаях обнаружится картина, подобная той, что
видна на воспроизведенной здесь фотографии
(рис. 5.9). Хорошо различимые на фото фигуры —
это пузырьки паров воды, а слабо заметные фигу-
ры — это капельки воды. Дрейк и Шрив высказали
мысль о том, что скорость образования и вмерзания
в лед таких пузырьков и водяных капелек должна
входить в теорию.
Согласно их расчетам, скачок скорости вблизи
развиваемого нитью усилия в 1 бар возникает тогда,
когда температура верхней поверхности нити дости-
гает значения, соответствующего тройной точке
вода — лед — пар.
Действительно, при достижении тройной точки
давление становится фиксированным. Если теперь
увеличить развиваемое нитью усилие, то давление
вокруг нити возрастет, а значит, температура плав-
Поверхность льда, его физические свойства
145
Рис. 5.9. Микрофотография
льда, сделанная после того,
как через него прошла нить.
Диаметр медной нити равен
0,157 мм, создаваемое нитью
усилие —4,9 бар. Черные и
слаборазличимые фигуры пред-
ставляют собой соответственно
пустые пузырьки и капельки
воды. Одно деление шкалы со-
ответствует 0,1 мм. (Дрейк и
Шрив, 1973 г.).
ления понизится и повсюду вокруг нити упадет тем-
пература. Но в целом лед имеет температуру 0°С,
поэтому к нити начнет стекаться тепло и пузырьки и
водяные капельки внутри льда у верхней поверхности
нити сохранятся. В результате примеси будут уда-
ляться с этой поверхности и скорость движения резко
возрастет.
Внесение в теорию такой поправки в принципе по-
зволяет объяснить наблюдаемые значения скорости
движения и ее скачкообразное увеличение, однако и
в этом случае о полном совпадении теории и экспе-
римента говорить не приходится. Из теории вытекает,
что вокруг нити образуется водяная пленка, толщина
которой повсюду одинакова. Измерить эту толщину
невозможно, но она, вероятно, меньше 1 мкм
(0,001 мм). Согласно теории Франка (Бристольский
университет), водяные пленки такой толщины энер-
гетически неустойчивы и рвутся на некоторых участ-
ках. В результате на верхней поверхности нити в до-
статочно широкой области может произойти повтор-
ное замерзание, что, разумеется, должно замедлять
теплопередачу. Кроме того, из-за очень малой толщи-
ны водяной пленки вязкое сопротивление оказывает-
ся большим, поэтому течение образующейся при
146
Глава 5
таянии воды также влияет на скорость движения
нити.
Таким образом, хотя и бытует мнение, будто вос-
становление льда — явление простое, точной его тео-
рии нет и по сей день.
Почему скользят коньки и лыжи
Каждую зиму дороги в северных районах из-за
снега и льда становятся ужасно скользкими. Окру-
жающие, увидев, как кто-то поскользнулся и упал,
просто улыбаются, если, конечно, дело не доходит до
ушибов. Возможно, гулять по таким дорогам даже
полезно. Чтобы научиться спокойно ходить по улицам
в северных районах и не падать, нужна, говорят,
многолетняя тренировка.
Почему коньки так хорошо скользят по льду?
Этот вопрос был поставлен очень давно. В 1901 г.
английский физик Рейнольдс выдвинул идею о плав-
лении под давлением. Согласно Рейнольдсу, при
скольжении коньков происходит то же, что и в экс-
периментах по восстановлению льда, когда лед у
нижней поверхности проволоки плавится под давле-
нием и проволока движется. Иными словами, лед под
лезвиями коньков точно так же плавится под давле-
нием, а образующаяся при таянии вода действует как
смазка. Действительно, по своему опыту мы знаем,
что мокрый лед в несколько раз более скользкий, чем
сухой.
Подобное объяснение, основанное на характерном
для льда свойстве понижения температуры плавле-
ния под давлением, выглядит красиво и привлека-
тельно, но носит всего лишь качественный характер.
Если же от общих рассуждений перейти к конкрет-
ным расчетам, сразу станет ясно, что исходные по-
сылки ошибочны.
Так, например, человек, вес которого 60 кг, сколь-
зя по льду на двух коньках для скоростного бега с
шириной лезвий 1 мм и длиной 40 см, создает дав-
ление на лед, равное 15 кгс/см2, т. е. всего лишь
15 атм. Поскольку повышение давления на каждую
Поверхность льда, его физические свойства
147
атмосферу приводит к уменьшению температуры
плавления на 0,0075 °C (табл. 3.1), при давлении в
15 атм температура плавления понизится только на
0,11 °C. Но это означает, что коньки будут хорошо
скользить по льду только в том случае, если его тем-
пература окажется выше —0,11 °C. В действитель-
ности же хорошее скольжение наблюдается и при
—5, и при —10 °C.
Столь же несуразный вывод получается в отно-
шении лыж. Таким образом, предположение о плав-
лении под давлением непригодно для объяснения хо-
рошего скольжения льда.
В 1936 г. Бауден и Хьюз (Кембриджский универ-
ситет) высказали мысль о том, что хотя вода и в са-
мом деле играет роль смазки, обеспечивая хорошее
скольжение льда, однако ее образование вызвано не
плавлением льда под давлением, а теплотой трения.
Группа Баудена провела, в частности, всесторонние
исследования скольжения лыж и доказала, что теп-
лота трения имеет в этом случае решающее значе-
ние [8].
Рассмотрим, например, лыжи, сделанные из лату-
ни, эбонита и самого льда. Если при их скольжении
по льду выделяющаяся теплота трения действительно
вызывает плавление льда, то в этом случае следует
ожидать, что воды будет образовываться тем меньше,
т. е. лыжи будут скользить тем хуже, чем выше теп-
лопроводность материала лыж, т. е. чем лучше он от-
водит теплоту трения от поверхности соприкоснове-
ния льда и лыж. Если же таяние льда происходит
из-за того, что он плавится под давлением, то карти-
на должна быть обратной, поскольку для таяния
льда нужно, чтобы к нему через лыжи притекало
тепло.
Измерения группы Баудена показали, что хуже
всего скользят лыжи из латуни, имеющей самую вы-
сокую теплопроводность (рис. 5.10). Иными словами,
у латуни оказался самый большой коэффициент тре-
ния о лед (т. е. отношение силы, необходимой для
того, чтобы заставить тело скользить, к массе этого
тела). К тем же. выводам группа Баудена пришла и
148
Глава 5
Рис 5.10. Температурные за-
висимости коэффициентов
трения скольжения. Данные
для случаев скольжения ла-
туни, эбонита н льда по
ледяной поверхности. Ско-
рость — 4 м/с. (Бауден и
Хьюз, 1939 г.)
при сравнении скольжения полых эбонитовых лыж
с низкой теплопроводностью и эбонитовых лыж, за-
полненных изнутри ртутью, теплопроводность которых
была высокой. Кроме того, Бауден и его сотрудники
собрали богатый экспериментальный материал о
скольжении лыж, натертых воском, и о скольжении
при разных температурах. В результате было показа-
но, что главной причиной скольжения лыж и коньков
служит плавление льда под действием теплоты тре-
ния.
Совсем недавно Барнс, Тейбор и Уокер из того
же Кембриджского университета выполнили измере-
ния коэффициента трения льда при малых скоростях
[9]. До них было известно, что при быстром сколь-
жении лыж и коньков со скоростью 1—20 м/с (3,6—
72 км/ч) под действием теплоты трения образуется
вода и скольжение улучшается. Оказалось однако,
что коньки и лыжи очень хорошо скользят и при ма-
лых скоростях ниже 1 см/с, т. е. коэффициент тре-
ния и в этом случае мал. Но при таких малых скоро-
стях теплота трения невелика и вода, выполняющая
роль смазки, не образуется. Так в чем же здесь дело?
Группа Баудена исследованиями скольжения в этой
области скоростей не занималась. За изучение дан-
ной проблемы взялась группа Барнса,
Поверхность льда, его физические свойства 149
На рис. 5.11 представлены результаты их измере-
ний. Коэффициент трения стали и при высоких, и при
низких скоростях невелик и практически не меняется,
а коэффициент трения гранита при низких и при вы-
соких скоростях мал, но в промежуточной области
ВС (10-4—10~2 см/с, т. е. 0,36—36 см/ч) имеет
максимум.
Согласно Барнсу, Тейбору и Уокеру, в области
низких скоростей (АВ) гранит и лед крепко сцепля-
ются друг с другом и скольжение идет за счет ползу-
чести (пластической деформации) поверхностного
слоя льда (его толщина, по-видимому, равна 0,1 мм).
Как говорилось в третьей главе, лед представляет со-
бой вещество, которое может очень легко пластиче-
ски деформироваться, поэтому такая трактовка впол-
не допустима. В области чуть более высоких скоро-
стей (ВС) сцепление уже не обладает абсолютной
прочностью: после небольшого пластического сдвига
наступает разрушение поверхности сцепления и в
дальнейшем пластическая деформация льда череду-
ется с его разрушением. Этот механизм напоминает
так называемое жесткое скольжение. Из-за того, что
на разрушение льда требуется энергия, коэффициент
трения в указанной области скоростей оказывается
очень большим.
В области CD эффективную роль начинает играть
водяная смазка, образующаяся под действием тепло-
ты трения, и коэффициент трения резко снижается,
Рис. 5.11. Зависимо-
сти коэффициентов
трения скольжения от
скорости, Данные для
случаев скольжения
гранита и стали по
ледяной поверхности
при температуре
—11,75° С. Рисунок
Барнса и др. (1971 г.)
с внесенными в него
частичными измене-
ниями.
150
Глава 5
Согласно Барнсу, Тейбору и Уокеру, при скольжении
гранита по льду со скоростью 1 см/с температура по-
верхности последнего повышается на 15 °C. По-
скольку их эксперимент проводился при температуре
—11,75 °C, на скорости 1 см/с образовывалось до-
статочное количество воды. То обстоятельство, что в
экспериментах со сталью группа Барнса получила
крайне низкий коэффициент трения о лед и не обна-
ружила такого же, как в случае гранита, максимума,
объясняется слабым сцеплением стали со льдом.
Дело в том, что при столь слабом сцеплении область
чередования пластической деформации и разрушения
отсутствует, а вместо этого наблюдается переход в
область высоких скоростей, при которых лед плавит-
ся от трения.
В Своих экспериментах по исследованию трения
Барнс, Тейбор и Уокер позаботились о специальных
мерах, исключающих появление царапин на льду пос-
ле скольжения. Однако в действительности после
скольжения коньков на льду образуются борозды, а
от лыж на снегу остаются хорошо заметные следы.
Таким образом, при реальном трении коньков и лыж
к рассмотренному выше «чистому трению» добавля-
ется еще так называемый абразивный эффект, в ре-
зультате которого на поверхности льда и снега появ-
ляются борозды.
Абразивное истирание льда при низких скоростях
было недавно исследовано японским ученым Цусима
(в настоящее время работает в Университете
г. Тояма), однако изучение этого эффекта при высо-
ких скоростях для реальных коньков и лыж пока не
проводилось. Впрочем, ясно, что для получения вер-
ного представления о скольжении коньков и лыж не-
обходимо в первую очередь разобраться в механизме
деформации и разрушения льда и снега.
Формы снежинок
Классифицируя встречающиеся в природе сне-
жинки, Накая Укитиро, которому удалось получить
снег в искусственных условиях, пишет: «Снег можно
Поверхность льда, его физические свойства
151
образно назвать письмом с небес, написанным тай-
ными иероглифами. Эти тайные иероглифы — сами
снежинки, отличающиеся формой и узором. Об иссле-
дованиях же искусственного снега можно в таком
случае говорить как о работе по расшифровке небес-
ной тайнописи» («Снег» [10]).
Форма снежинок бывает самой разной: помимо
хорошо известных шестиугольных пластинок встреча-
ются иглы, шестигранные призмы, звездочки с ше-
стью широкими лепестками и т. д. (рис. 5.12). Накая
установил, что форма снежинок определяется темпе-
ратурой и влажностью (давлением паров воды)
в том месте, где они растут. Таким образом, внешний
вид падающих снежинок позволяет судить о темпера-
туре и давлении паров воды в вышине. В этом смыс-
ле снег и врямь можно называть письмом, посланным
с небес.
На рис. 5.13 представлены в сжатом виде резуль-
таты многочисленных исследований искусственного
снега, выполненных Накая (1954 г.), Мейсоном и
Холлетом (1958 г.), а также Кобаяси (1961 г.) Пре-
красно видно все многообразие форм снежинок: при
температурах от 0 до —4°C вырастают плоскопа-
раллельные пластинки, от —4 до —10 °C — вытяну-
тые столбики, от —10 до —22 °C вновь пластинки и
при температурах ниже —22 °C опять столбики.
В принципиальном отношении структура снежи-
нок практически не зависит от степени перенасы-
щения, т. е. от избыточного давления паров воды,,
Правда, с увеличением степени перенасыщения ско-
рость роста возрастает и снежинки приобретают ус-
ложненную форму с большей площадью поверхно-
сти — например, вместо шестиугольных пластинок
вырастают шестиугольные звездочки с ветвящимися
или прямыми лучами. Последнее обстоятельство объ-
ясняется тем, что при перенасыщении создаются бо-
лее благоприятные условия для диффузии молекул
и теплопередачи.
Почему структура снежинок в принципиальном
отношении однозначно определяется температурой?
Иначе говоря, почему снежинки могут служить
152
Глава 5
Рис. 5.12. Многообразие форм снежинок: а — шестиугольные
звездочки с ветвящимися лучами; б — звездочки с шестью широ-
кими лепестками; в — шестиугольные пластинки; г — призмы;
д — иголочки; е — снежинки в форме барабана. В случаях а —
в снежники растут в направлении оси а и имеют плоскую форму.
В случаях г и д они растут в направлении оси с и имеют форму
призм. В случае е происходит наложение форм обоих типов:
снежника представляет собой призму, к концам которой прикреп-
лены плоские пластинки. Поскольку такая снежинка напоминает
барабан, ее называют снежинкой в форме барабана.
Поверхность льда, его физические свойства
153
Температура t °C
Рис. 5.13. Зависимость формы снежинок от температуры и сте-
пени перенасыщения. При построении этой диаграммы были ис-
пользованы переработанные для лучшего восприятия диаграммы
Накаи (1954 г.), Мейсона и Холлетта (1958 г.), а также Кобая-
си (1961 г.). Показанные на рисунке температуры, при которых
происходит изменение направления роста (—4, —10, —22°C),
установлены Кобаяси (1961 г.). Мейсон и Холлетт (1958 г.) при-
водили другие значения: —3, —8 и —25 °C.
весточками с небес? Вслед за Накая ответить на этот
вопрос пытались многие исследователи, но, к сожа-
лению, четкого решения проблемы не найдено и по
сей день.
Сложность ее заключается в том, что физические
процессы, определяющие форму снежинок, протекают
на поверхности льда. В изначальном состоянии сне-
жинки представляют собой шестиугольные призмы,
ограниченные кристаллическими плоскостями двух
типов: двумя базисными и шестью призматическими
(рис. 5.14). Из рисунка можно догадаться, что, ког-
да скорость роста на базисных плоскостях (т. е. ско-
рость роста в направлении оси с) превышает
154
Глава 5
а Рост в направлении
б Рост в направлениях осей а
Рис. 5 14. Способы роста снежинок. В тех случаях, когда рост
снежинки идет преимущественно в направлении оси с она при-
нимает форму призмы или иголочки (а), а когда в направлении
оси а —форму шестиугольной пластинки или звездочки (б).
скорость роста на призматических плоскостях, обра-
зуются иглы, призмы и другие вытянутые кристаллы
(рис. 5.14,а), и наоборот, когда скорость роста на
призматических плоскостях (т. е. скорость роста по
осям а) превышает скорость роста на базисных пло-
скостях, возникают многоугольные пластинки, шести-
угольные звездочки и другие плоские кристаллы
(рис. 5.14,6). Чтобы описать физические процессы,
определяющие скорости роста на базисных и призма-
тических плоскостях, надо разобраться в том, с каки-
ми скоростями присоединяются к кристаллической
решетке льда молекулы воды, ударяющиеся о крис-
таллическую поверхность.
На сегодняшний день предложено несколько тео-
рий, объясняющих изменение формы снежинок с тем-
Поверхность льда, его физические свойства 155
пературой [11]. Во всех этих теориях рассматривает-
ся адсорбция молекул воды, поверхностная диффу-
зия, образование двумерного ядра кристаллизации и
другие протекающие на поверхности льда процессы,
в которых участвуют молекулы воды, после чего оп-
ределяется вид функций, связывающих величины ско-
ростей роста на базисных и призматических плоско-
стях с температурой и степенью перенасыщения. Од-
нако многочисленные температурные зависимости
физических характеристик кристаллических поверх-
ностей льда задаются с тем расчетом, чтобы теорети-
ческие результаты совпали с экспериментальными,
показанными на рис. 5.13, поэтому установить, верна
та или иная теория или нет, невозможно.
В начале этой главы говорилось, что при иссле-
дованиях физических свойств льда понятия темпера-
туры и поверхности выступают в совершенно особом,
непривычном значении. Сказанное имеет отношение
и к изучению снежинок. Существенное влияние на их
форму оказывают, помимо прочего, следующие об-
стоятельства. Первое: кристаллический рост происхо-
дит при очень высоких для льда температурах, по-
этому давление паров воды велико и физические про-
цессы на кристаллической поверхности протекают
чрезвычайно интенсивно. И второе: лед состоит из
дипольных молекул, поэтому его поверхность облада-
ет особыми свойствами — в частности, на поверхно-
сти проявляют себя эффекты, связанные с существо-
ванием квазижидкого слоя и присутствием примесей.
Для того чтобы разобраться во всех этих вопросах,
т. е. действительно расшифровать письмена снежи-
нок, потребуется, видимо, еще немало времени.
Лед — спеченное вещество
Механизм образования керамики — спекание
При соприкосновении двух капель воды происхо-
дит их слияние в одну каплю, которая под действием
поверхностного натяжения принимает сферическую
156
Глава 5
Рис. 5.15. Капли воды в условиях неве-
сомости. Фотография сделана на борту
станпии «Скайлэб». Слева — капля вино-
градного сока, справа — клубничного.
Диаметры близки к 4 см Несмотря на
то, что капли находятся в движении, их
форма почти сферична. (Воган, Хилл,
1974 г.)
форму. В условиях невесомости такую форму в прин-
ципе должна принимать даже очень большая капля.
Американский астронавт-исследователь д-р Гиб-
бсон провел на борту орбитальной станции «Скай-
лэб» (НАСА) эксперименты по изучению колебаний
формы капли воды, слившейся из двух других
(рис. 5.15). Условия на «Скайлэбе» были близки к
невесомости, поэтому капельки виноградного (на
рис. 5.15 — слева) и клубничного сока (справа), ди-
аметр которых достигал 4 см, имели почти идеаль-
ную сферическую форму и плавали в пространстве.
Объясняется такая форма тем, что капли имеют в
этом случае наименьшую площадь поверхности, а зна-
чит их энергия минимальна.
Поскольку поверхность твердого тела так же, как
и поверхность жидкости, обладает избыточной энер-
гией, твердые частицы могут, подобно каплям воды,
соединяться друг с другом и изменять форму. Прав-
да, попросту сливаться, как жидкость, они не могут.
Обусловленная поверхностной энергией деформация
твердых тел происходит лишь при определенных ус-
ловиях — тогда, когда температура близка к точке
плавления. Данное явление называют спеканием.
С примерами спекания мы постоянно сталкиваем-
ся в быту — это чашки, тарелки и другая керамиче-
ская посуда (рис. 5.16). Керамику получают следую-
щим образом: глину и песок замешивают с водой и
придают нужную форму, а затем обжигают в печи
при высокой температуре. Температура, при кото-
рой производится обжиг, хоть и высока, но не на-
Поверхность льда, его физические свойства 157
Рис. 5.16. Керамическая ваза. Кера
мика состоит из частиц глины, но эти
частицы связаны между собой отнюдь
не механически: благодаря спеканию
между ними образуются перемычки.
столько, чтоб расплавить частицы глины и песка: она
чуть-чуть ниже температуры плавления частиц.
В единицах абсолютной шкалы эта температура со-
ставляет примерно 70 или более процентов от темпе-
ратуры плавления. Если придать изделию нужную
форму и некоторое время выдерживать его при такой
температуре, между частицами в местах их соприко-
сновения возникнут перемычки, которые в дальней-
шем будут постепенно расти. Спустя определенное
время плотность и прочность всего изделия увеличат-
ся, и оно превратится в готовую чашку, тарелку или
другой керамический предмет.
Использование явления спекания не ограничива-
ется только керамикой. Еще одним важным его при-
менением является способ металлообработки, полу-
чивший название порошковой металлургии. Детали
из платины, вольфрама, молибдена и других туго-
плавких металлов изготавливают почти так же, как
керамику, путем спекания порошков. Метод порош-
ковой металлургии часто применяется для получения
жаростойких материалов, используемых в реактив-
ных двигателях и ракетах, а также при изготовлении
трудных для шлифовки деталей — например, автомо-
бильных шестерен и муфт сцепления.
Лед тоже может спекаться
Для снега и льда спекание играет исключительно
важную роль. Как говорилось выше, лед является ве-
ществом, которое «плохо переносит жару». Напри-
мер, даже столь низкая температура, как —55 °C,
158
Глава 5
Рис. 5.17. Снежная шапка. Когда ие
очень холодно н нет сильного ветра,
снег накапливается на предметах са-
мой причудливой формы, с легкостью
подстраиваясь под их очертания и об-
разуя снежные шапки.
составляет 80 % от его температуры плавления (см.
рис. 5.1). В случае железа 80 % от температуры
плавления соответствуют 1174 °C. Следовательно,
обычные температуры снега и льда можно сравни-
вать с такими температурами железа, при которых
оно раскалено докрасна... впрочем, нет,— даже не до-
красна, а добела. При этих температурах внутри сне-
га и льда постоянно идет процесс спекания, чему есть
немало подтверждений. Например, часто можно на-
блюдать, как снежинки падают, сцепившись по не-
сколько штук в хлопья, причем многие из них соеди-
нены между собой вовсе не механически. В снежных
районах верхушки деревьев и тонкие ветки покрыва-
ются зимой белыми шапками и коронами из накопив-
шегося на них снега (рис. 5.17). В такую пору снег
накапливается и на проводах линий электропередач,
приводя их к обрыву. И то, и другое явление не мо-
жет быть вызвано простым переплетением снежинок:
в местах их соприкосновения образуются ледяные пе-
ремычки. Не будет ошибкой утверждать, что основ-
ной причиной слипания снега и льда служит спе-
кание.
Механизм спекания основан на понижении по-
верхностной энергии. Тело с большой площадью по-
верхности обладает избыточной энергией, поэтому
оно стремится изменить свою форму таким образом,
Поверхность льда, его физические свойства
159
чтобы площадь поверхности уменьшилась. Жители
северных районов знают, как красивы бывают только
что опустившиеся на землю снежинки, обладающие
тонким рельефным рисунком, но уже на следующий
день эти снежинки превращаются в круглые крупин-
ки. Такая метаморфоза происходит даже при темпе-
ратуре —10 °C, при которой лед, конечно же, пла-
виться не может.
Причина исчезновения поверхностных неровностей
и соединения частиц в более крупные образования
заключается в том, что вещество стремится перейти в
новую форму, чтобы максимально понизить свою по-
верхностную энергию. В жидкости механизмом такого
перехода вещества служит, в основном, вязкое тече-
ние. В случае же твердых тел добавляются, кроме
того, другие факторы: например, испарение — кон-
денсация, поверхностная диффузия, объемная диф-
фузия.
Явление спекания льда было впервые блестяще
описано в 1960 г. Кинджери [12] (Массачусетский
технологический институт), который хорошо известен
своими работами по керамике. Кинджери получал ле-
дяные шарики отличного качества, капая в жидкий
воздух маленькие капли воды, и наблюдал рост пе-
ремычек между парами таких шариков (рис. 5.18).
Впоследствии аналогичные эксперименты выполнили
Курсива (Япония), Хоббс и Мэйсон (Великобрита-
ния), а также группа Джеллинека (США) [13].
Они исследовали зависимость толщины перемы-
чек между ледяными шариками от размеров этих ша-
риков, а также изменение толщины перемычек со
временем, и, пользуясь теорией Кучинского, пытались
определить механизм спекания. Однако результаты
у всех получились разные: Кинджери пришел к вы-
воду о том, что наиболее важным механизмом являет-
ся поверхностная диффузия, Хоббс и Мейсон реши-
ли, что это испарение — конденсация, а группа
Джеллинека, что — пластическое течение. Курсива
же заключил, что при малых размерах частиц огром-
ную роль играет объемная диффузия, а при больших
160
Глава 5
Рис. 5.18. Спекание ледяных шариков (при температуре —8 °C)'.
Если ледяные шарики привести в соприкосновение, то за счет
спекания в местах контакта начнут расти ледяные перемычки.
На рисунке воспроизведены сделанные в отраженном свете мик-
рофотографии, поэтому внутри шариков просматриваются мель-
чайшие воздушные пузырьки. Диаметр правого нижнего шарика
равен 0,9 мм.
размерах и при высоких температурах — поверхност-
ная диффузия.
Последние исследования, проводившиеся не со
льдом, а с другими веществами, показали, что теория
Кучинского не всесильна [14]. Один и тот же меха-
низм в разных случаях проявляет себя несколькими
типами зависимости толщины перемычек от диамет-
ра и температуры. Что же касается способа опреде-
ления механизма спекания по одной лишь зависимо-
сти толщины перемычек между ледяными шариками
от времени, то его возможности, видимо, сильно пре-
увеличиваются.
Кроме того, ниоткуда не следует, что спекание
льда вызвано механизмом только одного типа. Если
вспомнить характерные физические свойства льда, о
которых мы говорили выше, то скорее можно предпо-
ложить, что вклад в спекание одновременно вносят
испарение — конденсация, поверхностная диффузия,
пластическое течение и многие другие явления.
Поверхность льда, его физические свойства
161
Лед Антарктиды — спеченный
Примерно 90 % всего льда на Земле находится в
Антарктиде (табл. 2.1). Этот лед представляет собой
одну монолитную глыбу гигантских размеров
(рис. 5.19). Ее площадь составляет 13 500000 км2,
т. е. превосходит площадь всей Японии примерно в
36 раз. Средняя толщина ледового панциря равна
1720 м, а на самых глубоких участках его толщина
достигает 4500 м. Земля Антарктиды погребена под
тяжестью этой колоссальной ледяной глыбы на боль-
шой глубине, и средняя высота самого материка над
уровнем моря составляет всего лишь 410 м.
Материалом наросшего на Антарктиду ледового
панциря послужил снег, падавший и накапливавший-
ся в течение нескольких десятков тысяч лет. Темпера-
тура воздуха в Антарктиде низкая, поэтому осадки
всегда выпадают здесь в виде снега. Выпавший снег
в течение всего года практически не тает. Накопив-
шийся снежный пласт под весом нарастающего над
ним нового слоя постепенно спрессовывается, плот-
ность его возрастает, и он погружается в глубь пан-
циря.
Объяснять еще раз, что этот процесс представляет
собой спекание, видимо, нет нужды. В 1971 —1975 гг.
японская антарктическая научная экспедиция прове-
ла бурение ледового панциря на станции «Мидзухо»
(вторая по счету после станции «Сева» японская
станция; ее координаты: 71° южной широты и
44° восточной долготы; средняя температура возду-
ха равна —33°C), и получила пробы льда с глуби-
ны (рис. 5.20). В правой части рис. 5.21 показаны фо-
тографии тонких пластинок, вырезанных из этого
льда, которые при съемке зажимались между двумя
поляризаторами. Из фотографий видно, что размеры
монокристаллических зерен постепенно увеличивают-
ся с ростом глубины. Если бы снежинки только спрес-
совывались под тяжестью, то размеры монокристал-
лических зерен не менялись. Рост кристаллических
зерен свидетельствует о переходе вещества в новое
состояние в результате спекания.
6 Зак 600
б
Рис. 5.19. Ледовый панцирь Антарктиды: а — обычная географи-
ческая карта (воспроизведена с карты из советского атласа Ан-
тарктиды). Числа указывают высоту ледового панциря над уров-
нем моря (в метрах); б — профиль рельефа (вертикальный раз-
рез ледового панциря вдоль показанной на карте а штриховой
линии; построен по данным из советского атласа Антарктиды, а
также по результатам измерений Эндо и Фудзивара (1973 г.)).
Масштаб по вертикали в 200 раз крупнее масштаба по горизон-
тали. Таким образом, хотя, например, и создается впечатление,
будто станпия «Мидзухо» расположена на крутом склоне, в дей-
ствительности средний угол наклона поверхности ледового пан-
циря составляет там всего лишь 0,2°.
Поверхность льда, его физические свойства 153
Рис. 5.20. Образцы льда, из
влеченные из скважины, про-
буренной японской антаркти
ческой научной экспедицией на
станции «Мидзухо».
Кроме того, из фотографий, сделанных на просвет
при обычном освещении (рис. 5.21, левая часть), вид-
но, что с ростом глубины трещинки заполняются пе-
ремычками и разбиваются на изолированные пузырь-
ки воздуха, заключенные в лед. Дальнейшее нараста-
ние глубины приводит к тому, что давление в пу-
зырьках увеличивается и они уменьшаются в объеме.
В конце концов пузырьки воздуха исчезают и лед
становится прозрачным.
Полученные данные говоря! о том, что лед Ан-
тарктиды как с точки зрения процесса его образова-
ния, так и с точки зрения температур, при которых
этот процесс происходит, можно по праву называть
«ледяной керамикой» [15]. Накопившийся снег, по-
добно частицам глины, которые в руках гончара ста-
новятся керамикой, под действием антарктической
природы превращаются в спеченный лед. В этом
смысле Антарктиду можно называть печью для об-
жига, в которой создается ледяная керамика.
На превращение выпавшего в Антарктиде снега в
спеченный лед потребовалось несколько сотен, а в
некоторых местах даже несколько десятков тысяч лет.
Предполагают, чте лед, поднятый со дна антарктиче-
ского ледового панциря американской антарктиче-
ской научной экспедицией, которая первой в мире
предприняла такое бурение образовался из снега,
выпавшего примерно 100 000 лет назад. В ту пору
активная деятельность людей на земле еще не нача-
лась. То было время, когда у человека только начали
появляться первые признаки современного homo sa-
piens. Вот этот-то снег, выпавший в ту далекую эпоху
6*
164
Глава 5
Рис. 5.21. Фотографии тонких пластинок антарктического льда.
Слева — фотографии, сделанные на просвет при обычном осве-
щении; справа — фотографии, полученные в поляризованном
свете (ХМЬ
Поверхность льда, его физические свойства
165
и превратившийся за истекшее время в спеченный
лед, мы и получили теперь возможность увидеть соб-
ственными глазами.
Антарктический лед и предел спекания
Видимо, среди всех веществ на нашей планете,
кроме антарктического льда, нет других, которые, по-
добно ему, хранились бы при температуре, близкой
к точке плавления, столь же долго. Значит, можно
утверждать, что лед Антарктиды является веще-
ством, в котором процесс спекания зашел дальше
всего.
В сущности спекание представляет собой такое
явление, при котором площадь поверхности совокуп-
ности частиц уменьшается до минимума, поэтому не
исключено, что в антарктическом льде форма частиц
и связь между ними достигают термодинамически ус-
тойчивого состояния, т. е. состояния устойчивого пре-
дельного спекания. Японская антарктическая науч-
ная экспедиция, исследовав различные физические
свойства антарктического льда, извлеченного из про-
буренных скважин, доказала справедливость этого
предположения [16]. Полученные результаты позво-
ляют утверждать, что спекание снежинок в Антарк-
тиде происходит так, как показано на рис. 5.22.
В первый момент, когда снежинки только что опу-
стились на поверхность панциря, они имеют между
собой точечные контакты (а), но по мере того, как
идет спекание, точки соприкосновения превращаются
в более прочные поверхностные связи, т. е. в связи
по границам кристаллических зерен (б), и, наконец,
эти связи достигают своего предельного состояния
(в). На такой стадии связи между частицами стано-
вятся максимальными, а все воздушные зазоры, пре-
пятствовавшие до сих пор усилению связей, превра-
щаются в полые цилиндрические трубочки, тяну-
щиеся вдоль общих ребер по краям граней нескольких
кристаллических зерен. В дальнейшем эти цилиндри-
ческие трубочки заполняются перемычками и разби-
ваются на изолированные пузырьки воздуха (г).
166
Глава 5
Связи между кристаллическими зернами в момент
достижения предельного состояния (в) превращают-
ся в соединения многогранников, форма которых оп-
ределяется минимумом энергии системы. Долгое вре-
мя считалось, что в роли этих многогранников высту-
пают 14-гранники Кельвина (рис. 5.23,а). Показан-
ная на рис. 5.23, а геометрия была предложена в
1887 г. лордом Кельвином (У. Томсоном — одним из
двух братьев Томсонов, уже упоминавшихся несколь-
ко раз в данной книге), который полагал, что именно
такие многогранники заполняют пространство без за-
зоров и обладают минимальной площадью поверхно-
сти. 14-гранник Кельвина ограничен тремя парами
противоположных четырехугольных граней и четырь-
мя парами противоположных шестиугольных. Однако
по форме его грани отличаются от граней мыльных
пузырей в пене и от граней клеток растений, о чем
свидетельствуют исследования геометрии тех и дру-
гих.
Рис. 5.22. Модель спекания снежных крупинок. На этапе в дости-
гается предельное состояние спекания. К этому моменту все воз-
душные пузырьки принимают форму трубочек, тянущихся вдоль
общих рсбер кристаллических зерен, а площадь поверхности, по
Которой контактируют зерна (на рисунке она ааштрнхована),
становится максимальной,
Поверхность льда, его фазические свойства
167
Рнс. 5.23. 14-Гранник Кель
вина: а—а-И-гранннк Кель-
вина, б — Р-14-гранник Виль-
ямса.
В 1968 г. американский ученый Вильямс предло-
жил новую, более точную геометрию 14-гранника
Чтобы различать 14-гранник Кельвина и 14-
гранник Вильямса, будем называть первый а-14-
гранннком, а второй — fJ-14-гранником. (J-14-гранник
ограничен <етырьмя парами противоположных пяти-
угольных граней, двумя парами противоположных
шестиугольных и одной парой противоположных че-
тырехугольных (рис. 5.23,6). Предположение о том,
что указанным выше требованиям отвечает именно
этот 14-градник, находится в хорошем согласии с дан-
ными исследований реальных веществ. Например, если
создать несколько мыльных пузырей, образующих
3 4 5 6 1 i
61
I
I
В 31
1
И 21
I
я
а
Число углов у общих граней, по которым
контактируют многогранника
Рис. 5.24. Число углов у общих граней многогранников. Дан-
ные по геометрии мыльных пузырей и клеток растений взяты нз
работы Андервуда (1970 г.).
168
Глава 5
пену, и посмотреть, какую форму примут их общие
грани, то больше всего окажется пятиугольников. Та-
кая же картина наблюдается и в случае клеток расте-
ний. Построив по экспериментальным данным распре-
деление частотной повторяемости разных многоуголь-
ников (рис. 5.24), можно убедиться в хорошем совпа-
дении этих данных с предположением о геометрии
Р-14-гранника. Форма одного мыльного пузыря и не-
скольких пузырей, сцепившихся вместе, определяет-
ся, как считают, только поверхностным натяжением,
поэтому можно утверждать, что p-14-гранники пред-
ставляют собой наиболее устойчивые многогранники,
заполняющие пространство без зазора.
Какую же структуру имеет антарктический лед?
Исследования частотной повторяемости форм сопри-
касающихся граней кристаллических зерен, проводив-
шиеся на станции «Мидзухо» на образцах льда, под-
нятых со дна скважин, дали тот же результат, что на
рис. 5.24. Благодаря прозрачности льда, выполнять
подобные исследования чрезвычайно удобно. Как
видно из рисунка, при пятиугольной форме граней
наблюдается четкий пик. Полученные данные позво-
ляют сделать вывод о том, что при спекании антарк-
тического льда достигается, как и ожидалось, наибо-
лее устойчивое состояние. Согласно результатам ис-
следований японской экспедиции, предельное состоя-
ние спекания устанавливается тогда, когда плотность
снега достигает примерно 0,73 г/см3, т. е. когда об-
емная доля пустот снижается до 21 %.
В этом смысле антарктический лед можно назы-
вать ледяной керамикой высшего качества. Природа-
гончар в течение нескольких тысяч или десятков ты-
сяч лет обжигала в печи-Антарктиде ледяную кера-
мику, в результате чего и получился антарктический
лед. Однако знания людей о нем все еще отрывочны,
он и по сей день остается неоткрытым сокровищем.
Глава б
Лед и давление. Различные типы льда
Открытие льда,
существующего при высоких давлениях
Выше мы везде говорили о льде, принадлежащем
к гексагональной кристаллической системе. Однако
формы льда этим не исчерпываются. Как указыва-
лось в третьей главе, к настоящему времени открыто
одиннадцать различных типов льда. Из диаграммы
состояний воды (рис. 6.1) видно, что в области давле-
ний, простирающейся до значений, превышающих
20 000 агм, в температурном интервале, нижняя гра-
ница которого лежит ниже —100°C, кроме льда I об-
разуются и другие разновидности льда, существующие
при высоких давлениях: лед II, лед III, лед IV,
лед V, лед VI, лед VII, лед VIII и лед IX. К тому же,
хотя на рисунке это и не показано, при температурах
ниже —160 °C возникает стеклообразный лед, а
лед I может иметь как гексагональную (лед Ih), так
и кубическую (лед 1с) кристаллическую структуру
(с. 43). Таким образом, всего насчитывается 11 ти-
пов льда (табл. 6.1).
Самые первые разновидности льда, существующе-
го при высоких давлениях, были открыты в начале
века Тамманом (Гёттингенский университет). Зани-
маясь исследованиями физических свойств и фазо-
вых переходов различных веществ и, в особенности,
растворов с помощью аппаратуры, позволяющей по-
лучать давления до 3000 атм, Тамман в 1900 г. от-
крыл лед II и лед III [1].
Он сделал следующее интересное наблюдение.
Если огладить камеру высокого давления, в которой
создается лед II, до температуры жидкого воздуха,
а затем снять давление, то кристаллическая структу-
ра останется замороженной и фазовый переход
льда II в лед I произойдет не сразу. Поэтому глыбу
льда II можно вынуть из камеры. Пока температура
низкая, ничего не происходит, но, как только она
170
Глава 6
становится достаточно высокой, объем глыбы резко
увеличивается на 20 % и глыба разрушается, превра-
щаясь в порошок обычного льда. Тамман пишет, что
лед II и лед III прозрачны и похожи на фарфор.
Кроме сообщения об открытии льда II и льда III
он говорит и об обнаружении еще нескольких фазо-
вых переходов. Можно предположить, что в данном
случае на Таммана произвели обманчивое впечатле-
0 2 4 6 8 10 12 14 18 18 20 22 24
Давление, кёар
Рис. 6.1. Диаграмма состояний воды. Границы стабильных фаз:
сплошная линия — согласно экспериментальным данным, крупно-
штриховая — предполагаемые. Границы метастабнльных фаз:
штрихпунктирная — согласно экспериментальным данным, мелко-
штриховая — предполагаемые. Лед IV существует в метастабиль-
ном состоянии в области устойчивого существования льда V.
Области метастабильного льда L и аморфного льда на диаграм-
ме ие показаны. Левый край диаграммы в увеличенном масштабе
дан на рис, 3.3. Рисунок Уолли (1969 г.) с внесенными в него
частичными изменениями,
Лед и давление. Различные типы льда
171
ние внутренние механические напряжения, а на са-
мом деле сохранялось равновесное состояние. В на-
стоящее время сущгствование таких переходов отвер-
гается.
Давления свыше 10 000 атм первым в мире по-
лучил Бриджмэн из Гарвардского университета.
В 1946 г. за создалие аппаратуры для получения вы-
соких давлений и исследования свойств веществ при
Таблица 6.1. Разновидности льда
Фазы льда Криста.1лографическая система Плотность (г/см3) Диэлектрическая проницаемость
Лед Ift гексагональная 0,92 99
Лед 1с кубичесгая 0,92 99
Стекло- аморфное вещество 1,10 ?
образный лед Лед II ромбоэдрическая 1,17 3,66
Лед III тетрагональная 1,14 117
Лед IV ромбоэдрическая 1,28 ?
Лед V моноклинная 1,23 144
Лед VI тетрагональная 1,31 193
Лед VII кубическая 1,50 » 150
Лед VIII кубическая 1,50 » 4
Лед IX тетрагональн ая 1,14 «4
таких давлениях сн был удостоен Нобелевской пре-
мии по физике. Бриджмэн более известен как осно-
воположник физики высоких давлений, но ему при-
надлежат и открытия новых разновидностей льда,
существующих при высоких давлениях.
Сначала им бьии открыты лед V и лед VII (1912 г.).
Если продолжать сдавливать открытый Тамманом
лед III, то при давлении в 3700 атм образуется более
плотный лед V. При дальнейшем повышении давле-
ния возникает еще более плотный лед VI (рис. 6.1
и табл. 6.1).
Впоследствии Бриджмэн создал аппаратуру, позво-
ляющую получать колоссальное давление в 45 000 атм.
В 1938 г. он обнаружил, что в интервале давлений от
20 000 до 25 000 атм лед VI переходит в еще более
плотную фазу, получившую название льда VII [2].
172
Глава в
В области существования льда V при давлениях,
близких к 5000 атм, образуется метастабильный
лед IV, который также был исследован Бриджмэном.
В дальнейшем исследованиями льда при высоких
давлениях занимались группы Уолли (Канадский
национальный институт), Кэмба (Калифорнийский
технологический институт) и др. Они изучали струк-
туру и физические свойства льда, существующего
при высоких давлениях. В частности, группа Уолли,
исследовавшая электрические свойства такого льда,
открыла новые его разновидности — лед VIII (1966 г.)
и лед IX (1968 г.), к разговору о которых мы еще
вернемся. Итак, перечислены все одиннадцать из-
вестных на сегодня типов льда.
Лед, существующий при высоких давлениях,
который тонет в воде
Считается, что обычная вода почти несжимаема,
но даже она при высоких давлениях немного умень-
шается в объеме и плотность ее возрастает. В табл. 6.2
Таблица 6.2. Плотность воды при высоких давлениях*
Давление (атм) Температура (°C) Плотность (г/см3)
1 0 0,9998
1000 0 1,0443
2000 0 1,0798
2000 —20 1,0866
5000 0 1,1575
5000 -5 1,1598
12 000 50 1,2441
12 000 100 1,2197
* В таблице приведены значения, рассчитанные по экспериментальным
данным Бриджмэна (1933 г.)
приведены значения плотности воды, рассчитанные
по экспериментальным данным Бриджмэна.
Видно, что при приложении давления плотность
воды и в самом деле растет: при 1000 атм она со-
ставляет 1,0443 г/см3, а при 5000 атм — 1,1575 г/см3.
Лед и давление. Различные типы льда
173
Сравнение плотюсти воды с плотностью льда при
высоких давлениях (табл. 6.1) показывает, что хотя
плотность воды ю мере повышения давления и воз-
растает, однако три высоких давлениях оказывается
меньше плотности льда, т. е. лед в этих условиях
тонет в воде.
Из всех разновидностей льда только обычный лед
(лед I) легче воды. Выше говорилось, что увеличе-
ние объема при переходе из жидкого состояния в
твердое свойственно лишь льду. В действительности
указанная способность характерна не для всех его
разновидностей, а только для льда I.
Это хорошо еидно и из рис. 6.1. Линия, разграни-
чивающая обласги воды и льда, т. е. кривая плавле-
ния, в случае льда I при смещении по оси абсцисс
вправо идет вниз, а в случае льда III, льда V,
льда VI и льда /III — вверх. Наклон кривой плавле-
ния вниз при смещении по оси абсцисс вправо озна-
чает снижение температуры плавления с ростом дав-
ления, т. е. появление плавления под давлением.
В случае же лща, существующего при высоких дав-
лениях, температура плавления так же, как и у
обычных веществ, растет с увеличением давления,
поэтому явление плавления под давлением возник-
нуть не может.
Таким образсм, самый обыкновенный, всем хорошо
знакомый лед отличается в этом смысле не только
от прочих вещегтв, но и от остальных разновидно-
стей льда. Мы уже говорили подробно, какую важ-
ную роль играит в нашей повседневной жизни и в
круговороте воды на Земле способность льда плавать
в воде, способность плавиться под давлением и дру-
гие разнообразные свойства. Можно лишь удивлять-
ся тому, насколько непохож лед на все прочие веще-
ства.
реформированный лед:
лед II, лед III, лед V
Выше, отвечая на вопрос о том, почему лед лег-
че воды, мы объясняли данное свойство наличием
структуры с тетраэдрическим расположением молекул,
174
Глава 6
\ I
Рис. 6.2. Кристаллическая структура льда 11. Вид структуры
в направлении оси симметрии 6-го порядка (оси с). Штриховыми
линиями показаны водородные связи, числа указывают длину
этих связей (в ангстремах), а также углы. Рисунок Гамильтона
и др. (1969 г.) с внесенными в него частичными изменениями.
которая обладает очень большим количеством
зазоров (с. 44). Означает ли это, что более высокая,
чем у воды, плотность льда при высоких давле-
ниях вызвана перестроением молекул воды из тетра-
эдрического расположения в какое-то другое? От-
нюдь нет.
Рассмотрим сначала лед II, лед III и лед V. Со-
гласно данным рентгеноструктурного анализа, распо-
ложения атомов кислорода в этих разновидностях
льда относятся соответственно к ромбоэдрической,
тетрагональной и моноклинной системам (табл. 6.1).
Структуры льда трех названных типов схематично
показаны на рис. 6.2 — 6.4. Они достаточно сложны,
но во всех случаях каждая молекула воды тетраэд-
рически связана с четырьмя другими такими же мо-
Лед и давление. Различные типы льда
175
лекулами и в принципиальном смысле структура со-
храняется. Увеличение плотности, несмотря на со-
хранение тетраэдрического расположения, объясня-
ется тем, что длины водородных связей и углы между
ними увеличиваются или уменьшаются, т. е. про-
исходит деформация связей. Таким образом, кри-
сталлы льда II, льда III и льда V можно считать де-
формированными. По указанной причине они обычно
обладают низкой симметрией.
Особенно сильное искажение решетки наблюдает-
ся в случае льда II. Для его структуры характерно
наличие водородных связей четырех типов с длина-
ми от 2,75 до 2,84 А. Углы между связями также от-
личаются от углов правильного тетраэдра (109°):
их величины лежат в интервале от 80 до 129°.
Рис. 6.3. Положения атомов кислорода в структуре льда HI и
льда IX. Вид структуры в направлении оси с. Числа указывают
длину водородных связей (в ангстремах) и расстояния, отсчиты-
ваемые от опорной плоскости вдоль оси с (в последнем случае
за единицу измерения принято расстояние, равное 1/100 от с =
==6,38 А). Рисунок Кэмба (1968 г.) с внесенными в него частич-
ными изменениями.
176
Глава 6
Рис. 6.4 Положения атомов кислорода в структуре льда V. Вид
структуры в направлении оси Ь. Числа указывают длину водо-
родных связей (в ангстремах) и расстояния, отсчитываемые от
опорной плоскости вдоль оси b (в последнем случае за единицу
измерения принято расстояние, равное 1/100 от b = 7,54 А). Не-
эквивалентным молекулам присвоены различные номера. Рисунок
Кэмба (1968 г.) с внесенными в него частичными изменениями.
Подобное разнообразие связей молекул воды при-
водит к следующему интересному явлению. Энер-
гии всевозможных конфигураций расположения про-
тонов отличаются в этом случае друг от друга на
сравнительно большие величины, поэтому реализует-
ся такая конфигурация, энергия которой минималь-
на. Наличие у льда II упорядоченного расположения
протонов доказывает нейтроноструктурный анализ, а
также исследования его диэлектрических свойств
(табл. 6.1).
Лед с двойной структурой:
лед VI и лед VII
Большая плотность льда II, льда III, льда V объ-
ясняется увеличением или уменьшением длин водо-
родных связей и изменением углов между ними.
Лед и давление. Различные типы льда
177
Рис. 6.5. Положения атомов кис-
лорода в структуре льда VI. Чис-
ла указывают длину водородных
связей (в ангстремах) и расстоя-
ния, отсчитываемые вдоль перпен-
дикулярной плоскости рисунка оси
с (в последнем случае за едини-
цу измерения принято расстояние,
равное 1/100 от с =5,79 А). Две
кристаллические подрешетки вло-
жены одна в другую и перепле-
тены между собой подобно тому,
как переплетаются звенья цепоч-
ки. Рисунок Кэмба (1968 г.) с вне-
сенными в него частичными изме-
нениями.
Рис. 6.6. Кристаллическая
структура льда VII н
льда VIII: а — положе-
1Ия атомов кислорода:
;ве подрешетки (со
структурой льда 1С)
внедрены одна в другую,
ю хорошо различимы.
Рисунок Кэмба (1968 г.)
с внесенными в него ча-
стичными изменениями;
б—элементарная ячейка:
>аждая молекула окру-
жена восемью другими
ближайшими к ней мо-
лекулами (объемно-цент-
{ированная кубическая
структура); на рисунке
«оказано неупорядочен-
юе расположение прото-
юв, т. е. структура льда
YII. Рисунок Кэмба
(1965 г.) с внесенными
I него частичными изме-
нениями.
178
Глава 6
В случае же льда VI и льда VII, существующих при
еще более высоких давлениях, причина иная.
На рис. 6.5 и 6.6 показаны расположения атомов
кислорода в льде VI и льде VII, полученные с
помощью рентгеноструктурного анализа. На первый
взгляд, их структуры кажутся сложными, но в дей-
ствительности это не так. Дело в том, что каждую
из них можно считать двойной структурой, образо-
ванной парой совершенно одинаковых кристалличе-
ских подрешеток, вложтнных одна в другую.
В случае льда VI, одна тетрагональная подрешет-
ка вставлена в другую переплетенную с ней тетра-
гональную подрешетку. В такой двойной структуре
водородные связи между двумя подрешетками отсут-
ствуют.
Лед VII состоит из двух кубических подрешеток,
т. е. из двух внедрившихся друг в друга кубических
кристаллов льда (льда 1с). Между двумя этими
подрешетками водородных связей также нет.
Как видно из рисунков, в льде VI и льде VII со-
храняется тетраэдрическое расположение молекул
воды, причем растяжение и сжатие водородных свя-
зей, а также искажение углов между ними невели-
ко. Однако не следует думать, что подрешетки вооб-
ще не влияют одна на другую. Так, если бы лед VII
был образован двумя внедрившимися друг в друга
кубическими кристаллами льда 1с, никак между го-
бой не взаимодействующими, то его плотность вдвое
превосходила бы плотность льда 1с и составляла бы
1,84 г/см3. В действительности же плотность льда
VII немного меньше указанной величины (табл. 6.1).
Это, видимо, объясняется тем, что между двумя под-
решетками двойной структуры имеется некоторое от-
талкивание.
Лед, существующий при высоких давлениях,
который можно непосредственно увидеть
Выше мы коротко рассказали о структуре и свой-
ствах льда, существующего при высоких давлениях,
но получить приведенные здесь экспериментальные
данные было далеко непросто. Только после ряда
Лед и давлеше. Различные типы льда
179
неудач и трудностей Гамману, Бриджмэну и многим
другим исследователи удалось достичь четкого по-
нимания этих вопросов. Дело в том, что для проведе-
ния экспериментов сс льдом, существующим при вы-
соких давлениях, как правило, нужны гигантские
установки, поэтому тжие эксперименты трудоемки и
сопряжены с многочисленными опасностями.
Однако совсем недавно был разработан способ,
позволяющий с помощью маленького, умещающегося
на ладони устройства, легко получать захватываю-
щие воображение сверхвысокие давления в 150 000 —
1 000 000 атм [3]. Устройство, о котором идет речь,
называется алмазной наковальней.
Прототипом алмазной наковальни (рис. 6.7) по-
служила предложенная Бриджмэном наковальня
встречного сжатия. Между парой алмазов (а они
превосходят по твердости все остальные материалы)
зажимается металлическая пластинка, которая затем
сдавливается сверху и снизу. В этой пластинке
оставлено отверстие, в котором и помещается обра-
зец. Для указанных целей используются прошедшие
огранку драгоценные бриллианты весом около 0,2 ка-
рат. С помощью такого устройства в 1978 г. в Инсти-
туте им. Карнеги (США) было получено рекордно
высокое давление в 1700 000 атм.
Самая важная особенность алмазной наковальни
заключается в том, чо находящийся в ней под высо-
ким давлением образец можно наблюдать непосред-
ственно. Рассмотрим микрофотографии льда при
Груз
чинним пикшиши&
Рис. 6.7. Алмазная наковальня.
180
Глава в
высоком давлении, которые были получены с помощью
алмазной наковальни, предоставленной автору во
временное пользование Физическим институтом То-
кийского университета.
На рис. 6.8 показаны фотографии, сделанные в
момент приложения к воде, имеющей температуру
20 °C, высокого давления.
Как можно ожидать из диаграммы состояний во-
ды (рис. 6.1), при такой температуре замерзание
воды и образование льда VI должно происходить при
давлении около 10 000 атм. Действительно, если мед-
ленно сжимать воду, то при давлении, чуть превыша-
ющем указанную величину, она мгновенно замерзнет
и превратится в поликристалл льда VI, состоящий из
микроскопических зерен.
Рис. 6.8. Фотографии монокристаллических зерен льда VI, тону-
щего в воде. Температура равна 20 °C давление— 10 000 атм.
а — Монокристаллическое зерно льда VI; б — при небольшом уве-
личении давления монокристаллическое зерно растет и размеры
ею увеличиваются; в, г — монокристаллические зериа льда VI
различной формы (Х130).
Лед и давление. Различные типы льда
181
Если теперь немного уменьшить давление, то тем-
пература плавления понизится, лед начнет медленно
таять и число кристаллических зерен станет сокра-
щаться. На рис. 6.8, а показана фотография получен-
ного таким методом единственного сохранившегося
после таяния всех остальных зерен монокристалличе-
ского зерна льда VI. Плотность льда VI равна в дан-
ном случае 1,31 г/см3 и превышает плотность окру-
жающей воды, поэтому такое монокристаллическое
зерно тонет в воде.
Если чуть-чуть увеличить давление, то темпера-
тура плавления повысится, что будет эквивалентно
понижению температуры при постоянном давлении.
В результате монокристаллическое зерно льда VI вы-
растет и наблюдать его кристаллические поверхно-
сти станет проще (рис. 6.8,6). В зависимости от
ориентации единственного сохранившегося монокри-
сталлического зерна можно получить и такие фото-
графии монокристалла льда VI, как на рис. 6.8 (виг).
Если продолжать повышать давление после того,
как вся вода превратится в лед VI, то в конце кон-
цов точка на диаграмме состояний войдет в область
льда VII. При 20 °C давление, соответствующее фа-
зовому переходу льда VI в лед VII, равно примерно
21 000 атм.
На рис. 6.9, а показан случай, когда реализуется
именно это состояние. Кристалл льда VI с одного
края медленно переходит в лед VII. Лед VII, как
можно заметить, покрыт сложным рисунком, кото-
рый, вероятно, возникает на неровной кристалличе-
ской поверхности, представляющей собой границу
раздела двух фаз (льда VI и льда VII).
При желании можно создать монокристалличе-
ский лед VII, тонущий в воде. Для этого надо так
же, как и при получении монокристаллического льда
VI, прикладывать к воде давление, поддерживая ее
температуру выше температуры тройной точки «во-
да— лед VI — лед VII», т. е. выше 81,6 °C.
На рис. 6.9, б воспроизведена фотография, сде-
ланная после того, как весь объем образца запол-
нился льдом VII, затем давление было уменьшено и
182
Глава i
Рис. 6.9. Фотографии льда VI и льда VII (при температуре 20 °C);
а — если после того, как вся вода превратиться в лед VI, про-
должать сдавливать образец дальше, то при достижении давле-
ний, превышающих примерно 20 000 атм, на периферии начнет
появляться лед VII; б — если после того, как весь объем образца
заполнится льдом VII, понизить давление до значений, при ко-
торых существует в стабильном состоянии лед VI, то в несколь-
ких точках зародятся и начнут расти мелкие кристаллики льда
VI (Х128).
точка, характеризующая состояние, сместилась в об-
ласть льда VI. Видно, что в данном случае внутри
льда VII образуются микроскопические монокристал-
лики льда VI, причем особенно много их появляется
на периферии отверстия. Последнее обстоятельство
объясняется двумя причинами: во-первых, на пери-
ферии давление меньше, чем в середине, а во-вторых,
поверхность металлической пластинки действует как
затравка.
Исследования льда с помощью алмазной нако-
вальни были начаты совсем недавно, так что в бли-
жайшем будущем от них можно, видимо, ждать ре-
зультатов, которые заметно расширят наши знания
о льде при высоких давлениях.
f
Открытие льда VIII и льда IX
Тамман и Бриджмэн при открытии и идентифика-
ции разновидностей льда, существующих при высо-
ких давлениях, пользовались термодинамическими
методами: изменив давление, они наблюдали при не-
Лед и давлеше. Различные типы льда
183
котором определенном его значении скачкообразное
увеличение или уменьшение объема или температу-
ры, либо выделение или поглощение скрытой тепло-
ты и тем самым решстрировали наличие фазового
перехода. Но вот наступило время, когда в исследо-
ваниях при высоких давлениях начали применяться
такие методы, как рентгеноструктурный анализ, на-
блюдение оптических спектров, изучение диэлектри-
ческих свойств и т. д Тогда-то и были открыты фа-
зовые переходы боле« высокого порядка, которые не
сопровождаются изменением объема или другими пе-
речисленными выше особенностями. Типичным при-
мером подобных открытий служит обнаружение льда
VIII и льда IX.
Группа Уолли (Канада) исследовала диэлектри-
ческие свойства льда VII, постепенно охлаждая его с
помощью твердой угтекислоты от комнатной темпе-
ратуры и ниже. При этом в окрестности О °C было
обнаружено резкое уменьшение диэлектрической
проницаемости (рис. 6.10). На приведенном здесь
графике по оси ордгнат отложена емкость, еще не
пересчитанная в диэлектрическую проницаемость.
При повышении температуры диэлектрическая
Температура, °C
Рис. 6.10. Изменение еикости вследствии фазового перехода
«лед VII лед VIII». Давление равно 30,5 кбар, частота —
100 кГц. Условные значки и стрелки указывают последователь-
ность измереый. (Уолли и др., 1966 г.)
184
Глава 6
проницаемость возвращается к исходному значению,
но наблюдается своеобразный гистерезис. Его наличие
говорит о том, что такой фазовый переход требует
достаточно длительного времени.
Уолли и его сотрудники высказали идею о том,
что это резкое уменьшение диэлектрической прони-
цаемости вблизи О °C вызвано упорядочением рас-
положения протонов. Как мы говорили в четвертой
главе, значение диэлектрической проницаемости льда
равное примерно 100, объясняется поворотом ди-
польных молекул воды в электрическом поле. Но мо-
лекулы воды могут поворачиваться только потому,
что расположение протонов неупорядочено. В таком
случае естественно предположить, что резкое умень-
шение диэлектрической проницаемости льда VII
вблизи 0 °C обусловлено тем, что неупорядоченное
расположение протонов упорядочивается, и поворот
дипольных молекул воды в электрическом поле ста-
новится невозможным. Уолли и его сотрудники на-
звали эту новую разновидность льда при высоких
давлениях с упорядоченным расположением прото-
нов льдом VIII (1966 г.).
История открытия льда IX напоминает историю
открытия льда VIII. При охлаждении льда III точ-
ка, характеризующая состояние, опускается в об-
ласть льда II, ограниченную на рис. 6.1 тонкими
пунктирными линиями, причем к фазовому переходу
такое понижение температуры не приводит. Вблизи
примерно —100 °C наблюдается резкое уменьшение
диэлектрической проницаемости (рис. 6.11). Уолли и
его сотрудники по расположению атомов кислорода
идентифицировали полученную разновидность льда
со льдом III, а его фазу с упорядоченным располо-
жением протонов назвали льдом IX (1968 г.).
Позволим себе небольшое отступление от темы.
Название «лед 9» родилось еще до того, как группа
Уолли сделала свое открытие. Оно упоминалось в
научно-фантастическом романе Воннегута «Колыбель
для кошки» [4] (1963 г.).
Лед-9 Воннегута, конечно, вымышленный. Из
книги читатель узнает, что это вещество создано лау-
Лед и давление. Различные типы льда
185
реатом Нобелевской премии по физике д-ром Фелик-
сом Хоникером. Температура плавления льда-9 рав-
на 55 °C. Имея в кармане хотя бы один его кусочек
и очутившись, к примеру, на болоте, можно мгновен-
но превратить топь в твердую дорогу. Это свойство
приводит в восторг военных. Далее рассказывается о
загадочном учении Боконона, о М.оне — первой кра-
савице острова Сан-Лоренцо (или просто Острова),
расположенного в Карибском море, и о папе Монза-
но. Цепь удивительных событий приводит к тому, что
лед-9 превращает всю воду на свете в лед. Вся вода
в морях и реках, в растениях и животных при сопри-
косновении со льдом-9 становится этим веществом.
Земля покрывается инеем из льда-9 и настает конец
света. Д-р Хоникер олицетворяет в романе тех, кто
сделал атомную бомбу, сброшенную на Хиросиму.
Возможно, лед-9 придуман Воннегутом как сатири-
ческий образ беспечно созданной людьми атомной
бомбы.
Но вернемся к теме нашего разговора. Всего раз-
новидностей льда с упорядоченным расположением
Рис. 6.11. Изменение диэлектрической проницаемости вследствие
фазового перехода «лед III лед IX». Давление равно 2,3 кбар.
{Уолли и др„ 1968 г.)
186
Глава. 5
протонов насчитывается три — это открытые группой
Уолли лед VIII и лед IX, а также лед II. Поскольку
они обладают упорядоченным расположением прото-
нов, ориентационная поляризация дипольных моле-
кул воды в данном случае происходить не может, я
диэлектрические проницаемости малы (табл. 6.1).
Как мы уже говорили в четвертой главе, рассмат-
ривая свойства льда I, отсутствие порядка в распо-
ложении протонов объясняется тем, что разные кон-
фигурации расположения мало отличаются по энер-
гиям. С другой стороны, упорядочение расположения
протонов в случае льда II, льда VIII и льда IX мож-
но объяснить появлением при высоких давлениях в
низких температурах заметного различия в энергиях
между разными конфигурациями.
Но тогда, взглянув на диаграмму состояний
рис. 6.1, можно предсказать существование упорядо-
ченной фазы и в области льда VI при низких темпе-
ратурах. И действительно, Кэмбу (США) и группе
Джохари (Канада) удалось получить эксперимен-
тальные данные, косвенно подтверждающие суще-
ствование такого льда. Видимо, в скором времени
предположение о новой упорядоченной фазе получит
окончательное подтверждение и список разновидно-
стей льда пополнится льдом X.
Лед в предельном состоянии
Плотность льда VII и льда VIII достигает
1,50 г/см3. Является ли такая плотность максималь-
ной для льда? Что произойдет, если увеличивать при-
ложенное ко льду давление до бесконечности? Раз-
рушится ли структура льда в этом предельном со-
стоянии?
Самое высокое на сегодняшний день давление,
приложенное ко льду, было достигнуто группой
Писториуса (Государственный физический институт
ЮАР, 1963 г.). Писториус и его сотрудники исследо-
вали кривую плавления льда VII при сверхвысоких
давлениях до 200 000 атм. При этом наблюдался
лишь монотонный рост температуры плавления с
Лед к давление. Различные типы льда
187
увеличении давления, но никаких признаков появ-
ления новвх фаз обнаружить не удалось. При давле-
нии в 200)00 атм температура плавления льда VII
поднялась хо 442 °C.
Согласи Кэмбу и Дэйвису (Калифорнийский
технологический институт), лед VII обладает наиболее
плотной кристаллической структурой, которая только
может быъ у льда [5]. Лед VII можно считать со-
стоящим и двух вставленных один в другой кубиче-
ских криоаллов льда 1е; таким образом, он име-
ет ОЦК-решетку с координационным числом 8
(рис. 6.6, б|. Наиболее плотной считается ГЦК-ре-
шетка с координационным числом 12, однако при со-
хранении молекулами воды своих молекулярных
свойств и наличии водородных связей энергия такой
структуры оказывается слишком большой, и решетка
подобного типа не реализуется.
Совсем недавно группа Каваи (Университет
г. Осака) провела измерения электросопротивления
воды, находящейся при сверхвысоких давлениях, ко-
торые прекде во время таких исследований не до-
стигались [6]. Согласно полученным в результате
этих экспериментов данным, повышение давления
при комнатой температуре приводит к тому, что при
внешней нтрузке в 80 т вода превращается в лед VI
и электроопротивление увеличивается примерно на
порядок. Однако при внешней нагрузке в 970 т
электросопротивление уменьшается примерно на 6
порядков, г. е. лед переходит в новую фазу с элек-
тропроводюстью примерно в 1 000 000 раз большей.
Каваи и ею сотрудники объяснили это явление пре-
вращением льда в металл.
В четвертой главе мы говорили, что в обычном
льде К сзободные электроны отсутствуют. То же
можно повторить и для других разновидностей льда,
существующих при высоких давлениях. Однако при
сверхвысошх давлениях, при которых кристалличе-
ская структура льда разрушается, связанные элек-
троны, по-зидимому, получают возможность двигать-
ся, и лед превращается в металл. Впрочем, группе
Каваи ие удалось измерить абсолютные значения
188
Глава 6
давлений и степень чистоты воды, кроме того, оста-
лись невыясненными и некоторые другие моменты,
поэтому не следует безусловно полагаться на эти ре-
зультаты. Тем не менее выполненные исследования
весьма интересны и можно ожидать, что в следую-
щий раз при более точных экспериментах наблюде-
ния группы Каваи получат окончательное подтвер-
ждение.
Метастабильный лед
Из известных на сегодняшний день одиннадцати
разновидностей льда три являются метастабильны-
ми — это лед 1с, лед IV и стеклообразный лед: их
можно получить с помощью определенных манипуля-
ций, но они не существуют в термодинамически
устойчивом состоянии и постепенно переходят в дру-
гие более устойчивые разновидности.
Лед IV существует в метастабильном состоянии в
той области, где устойчивым является лед V (рис. 6.1).
Он еще недостаточно хорошо исследован. Показан-
ные на рис. 6.1 границы области существования этой
фазы были с большими трудностями установлены
Бриджмэном, который использовал в указанных це-
лях тяжелую воду.
Лед 1с и стеклообразный лед представляют собой
фазы, обнаруженные при нормальном давлении. Рас-
сказывая об обычном льде Н, мы отмечали (с. 43),
что существуют всего две кристаллические структу-
ры, в которых молекулы воды могут сохранять стро-
го тетраэдрическое расположение — это гексагональ-
ная структура вюртцита (рис. 3.10) и кубическая
структура алмаза (рис. 3.11). В первом случае обра-
зуется обычный лед Ift, а во втором—метастабиль-
ный лед 1с.
Кубический лед 1с может существовать только
при температурах ниже —100 °C. Однако если охла-
дить обычный лед Ift ниже —100°C, в лед 1с, он не
превратится. По Кениху (ФРГ), лед /с образуется
при сухой конденсации паров воды на поверхности
Лед и давление. Различные типы льда
189
металла, охлажденного ниже —100 °C. Недавно
группа Бертье (Канада) сообщила о новом способе
получения льда 1С. Согласно их данным, для этого
надо, поддерживая лед III при температуре жид-
кого азота, вернуться к нормальному давлению, а
затем начать медленно повышать температуру. В ре-
зультате вблизи —100° С произойдет фазовый пере-
ход льда III в лед 1с и можно будет получить доста-
точно крупный кубический кристалл.
Стеклообразный лед представляет собой аморф»
ное вещество с неупорядоченным расположением мо-
лекул воды. Выше мы говорили, что во всех других
разновидностях льда расположение атомов кислоро-
да упорядочено. Что же касается расположения про-
тонов, то оно упорядочено только в трех из указан-
ных разновидностей, а в остальных не упорядочено.
В стеклообразном льде не упорядочено как располо-
жение атомов кислорода, так и расположение про-
тонов.
Имеется несколько сообщений о том, что стекло-
образный лед образуется в результате быстрой
конденсации паров воды при температурах ниже
—160 °C. При исследованиях применялись самые
разные методы: рентгеноструктурный анализ, элек-
тронная микроскопия, измерения теплоемкости и т. д.,
в частности, видимо, поэтому результаты совпадают
не во всех случаях.
Клеточный (клатратный) лед
В заключение главы о льде под давлением рас-
смотрим клеточный лед или, как его еще называют,
клатратный лед. Вопросы, которых мы сейчас кос-
немся, имеют отношение к исследованиям ледяной
керамики, существующей на большой глубине в ле-
довом панцире Антарктиды.
Двадцать девятого января 1968 г. американской
антарктической научной экспедиции удалось пробу-
рить ледовый панцирь Антарктиды до дна. Это со-
бытие явилось великим начинанием человечества.
Произошло оно на американской станции. Берд (ее
190
Глава в
координаты: 80° южной широты и 119° западной
долготы; см. рис. 5.19). Глубина до материкового
основания составляла 2164 м. Извлеченные из сква-
жины образцы были охлаждены в твердой углекис-
лоте и в таком состоянии доставлены по воздуху в
американские исследовательские центры, где и хра-
нились в дальнейшем в холодильных камерах. С тех
пор группа, к которой принадлежит и автор данной
книги, дважды получала от американских коллег по-
сылки с этим льдом и исследовала его всевозможные
физические свойства. В результате, как мы уже гово-
рили в пятой главе, был сделан вывод о том, что ан-
тарктический лед представляет собой спеченное ве-
щество.
Лед, который извлекают со дна глубоких сква-
жин, пробуренных в ледовом панцире Антарктиды,
обнаруживает массу интересных свойств. Одно из
них — наличие пузырьков воздуха внутри льда. Как
показано на рис. 5.21, антарктический лед всегда со-
держит пузырьки воздуха, поскольку его исходным
материалом служит падающий с неба снег. Объем
пузырьков постепенно уменьшается с увеличением
глубины и на глубинах от 1200 м и ниже они про-
падают.
Но это вовсе не означает, что воздух исчезает из
льда. В самом деле, если взять прозрачный лед, в
котором даже под микроскопом не удается найти пу-
зырьки воздуха, и расплавить его в масле, то масло
вспенится от образующихся воздушных пузырей. На
сегодняшний день микроскопическая структура ан-
тарктического льда понята не до конца, но предпо-
лагают, что молекулы газа образуют соответствую-
щие гидраты, т. е. превращают лед в клатратное со-
единение.
Вокруг молекул инертных газов собирается пр не-
сколько молекул, воды, из которых выстраиваются
многогранники, напоминающие клетки. Лед, состоя-
щий из подобных многогранников, называется кле-
точным льдом (клатратным льдом). Известно три
типа таких многогранников: это 12-, 14-, и 16-гран-
цик (рис, 6,12). Они образованы соответственно два-
Jed и давление. Различные типы льда
191
Четырнсдцатигранник
Шесгтадцатигранник
Рис. 6.12. Кл'тки-многогранники, из которых построен клеточ-
ный лед. 12-г{аиники имеют 12 пятиугольных граней. 14-граини-
ки имеют 2 шестиугольные и 12 пятиугольных граней. 16-гран-
ннки имеют 4 шестиугольные и 12 пятиугольных граней. В цен-
тре каждого такого многогранника находится молекула газа.
Двенадцатигранник
дцатью, двадцатью четырьмя и двадцатью восемью
молекулами воды, соединенными водородными свя-
зями. Внутри каждой такой клетки находится моле-
кула газа. Между молекулами газа и клетками хи-
мических сизей нет.
Согласш экспериментальным данным Миллера
(Калифоржйский университет), молекулы азота и
кислорода 'т. е. молекулы основных компонент воз-
духа) образуют клеточный лед только тогда, когда
давление превышает некоторую критическую величи-
ну [7]. Гвдраты этих газов обладают кубической
кристаллической структурой, элементарная ячейка
192
Глава б
которой состоит из двух 12-гранников и шести 14-
гранников. В элементарной ячейке содержится 46
молекул воды. Таким образом, в случае, если во всех
клетках находятся молекулы газа М, химическая
формула этого клеточного льда должна иметь вид
М-6Н2О.
На рис. 6.13 показаны зависимости критического
давления (т. е. давления, при котором клеточный лед
уже может существовать в устойчивом состоянии) от
температуры для различных случаев. У клеточного
льда, включающего азот, критическое давление не-
сколько выше, чем у льда, включающего кислород.
Можно предположить, что критическое давление
льда, включающего воздух, лежит в интервале меж-
ду этими двумя значениями.
На антарктической станции Берд среднегодовая
температура равна —28 °C. Но даже там, в Ан-
тарктиде, из недр Земли притекает геотермическое
тепло, кроме того, течение ледового панциря приво-
дит к выделению теплоты внутреннего трения. В ре-
зультате температура растет с глубиной. На рис. 6.13
по данным замеров, сделанных на глубинах до
Рис. 6.13. Крити-
ческие давления,
при которых обра-
зуется клеточный
лед, и распределе-
ние температур по
глубине ледового
панциря на ан-
тарктической стан-
ции Берд. (Мил-
лер, 1969 г.)
Лед и давление. Различные типы льда
193
2164 м, построено распределение температур по глу-
бине.
Из рис. 6.13 видзо, что условия, при которых кле-
точный лед, включающий воздух, может существо-
вать в устойчивом состоянии, создаются на глубинах,
превышающих примерно 800 м. Можно предполо-
жить, что до глубины 800 м молекулы воздуха при-
сутствуют внутри льда в пузырьках, а на больших
глубинах они постепенно диффундируют в его кри-
сталлическую решетку, молекулы воды при этом пе-
регруппируются и образуется клеточный лед. Глуби-
на, на которой исчезают пузырьки воздуха, в дей-
ствительности несколько отличается от указанной
выше. Тем не менег появление воздуха при плавле-
нии абсолютно прозрачного антарктического льда,
извлеченного с глубин более 1200 м, видимо, вызвано
именно тем механизмом, о котором мы сейчас гово-
рили.
Давно известно, что пропускная способность труб,
по которым течет природный газ, ухудшается из-за
нарастания гидрата метана на их внутренних стен-
ках. Но обнаружить гидраты газов в естественных
условиях впервые удалось только в антарктическом
клеточном льде. Правда, масса воздуха, содержаще-
гося в антарктическом льде, даже по самым завы-
шенным оценкам яе превышает 0,1 %. Клеточный
лед с большим содержанием газов может существо-
вать в космосе. Считают, например, что такой лед
есть на полярных шапках Марса, в кольцах Сатур-
на, в кометах и т. д
l/t7 Зак. 600
Глава 7
Космический лед
Происхождение воды Солнечной системы
Землю часто называют планетой воды. 70 % ее
поверхности покрыто морями, пары воды вместе с
воздухом разносятся во все уголки планеты. На
Земле, наверно, нет вещества, которое бы вовсе не
содержало воды. Без воды все живое на нашей пла-
нете, видимо, не просуществовало бы и часу. Таким
образом, называть Землю планетой воды вполне
оправданно.
Является ли наличие воды исключительной осо-
бенностью Земли? Можно ли сказать, что на других
небесных телах вода отсутствует? Наконец, каким
образом вода появилась на Земле?
Предполагают, что Земля возникла приблизи-
тельно 4,5 млрд, лет назад. Но сразу после ее обра-
зования воды на земной поверхности не было. Счи-
тают, что современные моря и атмосфера в течение
долгого времени выходили наверх из глубин плане-
ты. Когда в одном из уголков Вселенной вместе с
другими планетами Солнечной системы в'озникла
первобытная Земля, внутри нее уже была вода. В та-
ком случае не приходится удивляться тому, что кро-
ме Земли существуют и другие небесные тела, на ко-
торых есть вода.
Вопрос о том, как образовалась Солнечная систе-
ма, возник очень давно. В XVIII в. Кант и Лаплас
выдвинули небулярную гипотезу Недостатком не-
булярной гипотезы было то, что она не могла объяс-
нить вращение планет. Этот недостаток устранил
Джинс, предложивший в начале нашего века гипоте-
зу приливов и отливов. Согласно Канту, Лапласу и
Джинсу, Солнечная система возникла из газового
о Название происходит от латинского слова nebula — ту-
манность. — Прим, перев.
Космический лед
195
облака, имевшего высокую температуру. Этим и объ-
ясняется второе название данной гипотезы — гипоте-
за «горячего» происхождения Солнечной системы.
В 1940-х годах появилась гипотеза вихревого (турбу-
лентного) потока, разработанная Вейцзеккером (Гер-
мания) и Койпером (США), а также метеоритная
гипотеза Шмидта (СССР). Новые гипотезы приобре-
ли большую, чем гипотеза приливов и отливов, по-
пулярность. Согласно Вейцзеккеру, Койперу и Шмид-
ту, вокруг Солнца первоначально вращалось несмет-
ное количество частиц, образовывавших пылевое
космическое облако. Частицы внутри такого облака
многократно сталкивались и сцеплялись друг с дру-
гом, в результате чего постепенно формировались
огромные планеты, В отличие от гипотезы «горячего»
происхождения Солнечной системы этот вариант
можно называть гипотезой возникновения Солнечной
системы из холодного облака.
В настоящее время считается, что возникновение
Солнечной системы правильно описывают гипотезы
вихревого потока и метеоритная, в основе которых
лежит предположение о сцеплении пылеобразного
вещества при низких температурах. За последние
10—20 лет к традиционным астрономическим мето-
дам исследований добавились новые. С их помощью
также была получена ценная информация о проис-
хождении Солнечной системы. В частности, быстрое
развитие техники космических зондов открыло воз-
можность для космохимических исследований грунта
и многочисленных метеоритов, доставляемых с по-
верхности Луны. Эти исследования оказались весьма
плодотворными и в настоящее время успешно про-
должаются.
Совсем недавно Льюис (Массачусетский техноло-
гический институт) разработал модель равновесной
конденсации, которая вызвала интерес у ученых все-
го, мира. Модель Льюиса представляет собой новую
теорию происхождения Солнечной системы, основан-
ную на данных космохимических исследований [1].
Подобно многим другим теориям, выдвигавшимся
прежде, модель равновесной конденсации также-
'/27*
196
Глава 7
содержит несколько спорных моментов, и говорить,
что она принята большинством ученых, пока прежде-
временно. Тем не менее, поскольку эта модель дает
весьма наглядное представление о происхождении
химического состава планет и о появлении на них
воды, мы вкратце изложим ее здесь.
Согласно модели равновесной конденсации, Солн-
це вначале было окружено туманностью, имевшей
температуру порядка 2000 К, из которой потом и
сформировалась Солнечная система. По мере того
как туманность постепенно остывала, в ней происхо-
дила конденсация веществ. Сначала этот процесс за-
хватил те из них, у которых температура конденса-
ции была самой высокой, а затем последовательно
распространился и на остальные.
Согласно расчетам, выполненным с учетом темпе-
ратур, состава и строения планет Солнечной систе-
мы и их спутников, при температурах свыше 1000 К
последовательно сконденсировались по мере остыва-
ния туманности окись алюминия, сплавы железа с
никелем, силикаты и прочие окисные химические со-
единения с высокими температурами плавления
(рис. 7.1). Сказанное хорошо объясняет внутреннее
строение Меркурия и Венеры.
После того, как температура туманности опусти-
лась ниже примерно 600 К (327°C), в образовании
различных минералов начала участвовать вода, при-
чем в некоторых сконденсировавшихся веществах ее
содержание достигло максимально высокой величи-
ны— 0,3 % от общей массы. Это произошло на на-
шей планете. Впоследствии вода, заключенная в ми-
нералах, постепенно собралась на поверхности Зем-
ли и вошла в состав морей и атмосферы.
При 175 К (—98 °C) началась конденсация льда.
Затем при 150 К (—123 °C) стал конденсироваться
лед, включающий аммиак, а при 120 К (—153 °C) —
лед, включающий метан. Считается, что в образова-
нии таких спутников Юпитера, как Европа, Ганимед
и Каллисто, главную роль сыграла конденсация ука-
занных разновидностей льда.
Космический лед
197
2000
Температура, К
1600
800
400
200
100
Венера.
-^-Марс
^-Церера
Каллисто „
клатратный лед,
включающий
CHt
50
g- Состав небесных тел
Оксиды с высокими температу-
рами плавления
спутники
Урана
Меркурии
Земля
Европа
Ганимед
Титан
Рис. 7.1. Модель райновесио! конденсация, описывающая форми-
рование Солнечной системы. При построении диаграммы за осно-
ву был взят ржунок Льюиса (1974 г.).
198
Глава 7
Итак, согласно новой теории происхождения Сол-
нечной системы, вода есть не только на Земле, но и
на других планетах. Можно ожидать, что на плане-
тах и спутниках, расположенных дальше от Солнца,
чем Земля, имеется много воды или льда. Если сле-
довать этой теории, то логично, в частности, предпо-
ложить, что на Марсе воды примерно в 6 раз боль-
ше, чем на нашей планете, а спутники Юпитера, Са-
турна, а также Урана, вероятно, состоят из льда.
Приведем теперь некоторые новейшие химические
данные, которыми мы располагаем на сегодняшний
день, и расскажем о космическом льде.
Лед Луны
Для нас, жителей Земли, самым известным после
Солнца небесным телом является Луна. Растущий
или убывающий месяц на ночном небе притягивает
к себе взоры и разжигает огонь в сердцах влюблен-
ных. Многие японцы слышали в детстве сказку о
том, что на Луне живет заяц, который в полнолуние
толчет рис для лепешек моти. Конечно, с научной
точки зрения сказка о лунном зайце — чистейший
вымысел, но это не мешает японцам в душе всегда
помнить о ней.
И вот, благодаря науке, человечеству удалось до-
тянуться даже до Луны. Американские космические
корабли «Аполлон» 6 раз доставляли на нее людей,
а советские космические аппараты «Луна» дважды
возвращались с ее поверхности с пробами грунта.
Однако результаты изучения доставленных с
Луны образцов и результаты всевозможных научных
исследований лунной поверхности показали, что
Луна представляет собой очень бедное водой небес-
ное тело; тем самым были окончательно развеяны
надежды найти на ней воду и живые организмы. Одно
время пошли разговоры об обнаружении гидратов в
доставленных с Луны образцах, но потом оказалось,
что образцы были попросту загрязнены земной водой.
Однако есть твердая убежденность в том, что на
Луне все-таки существуют участки, содержащие мно-
Космический лед
199
Рис. 7.2. Луна.
го льда. Согласно американским исследователям
Уотсону, Муррею и Брауну (1961 г.), довольно боль-
шая высокоширотная область Луны в течение очень
долгого времени не освещается солнечным светом и
температура поверхности в этой области держится
ниже —153°C. Следовательно, лед может сохра-
няться там несколько миллиардов лет. Блестящие
результаты исследований по программе «Аполлон»
на какое-то время заслонили эту гипотезу, но совсем
недавно группа Арнольда (Калифорнийский универ-
ситет), основываясь ла новейших экспериментальных
данных о Луне, внсвь проанализировала гипотезу
Уотсона, Муррея и Брауна и показала, что существо-
вание льда в полярных областях Луны весьма веро-
ятно [2].
Если в полярных областях Луны и в самом деле
существует такой лед то он должен быть таким же,
как вечная мерзлота Аляски и Сибири на Земле. Ви-
димо, в скором времени в один из этих лунных райо-
нов будет послан космический корабль, и придет
день, когда существование льда на Луне подтвер-
дится.
Лгд на Марсе
При наблюдении Марса в телескоп более всего
бросается в глаза егс полярная шапка. Тот факт, что
в зависимости от сезона ее размеры то
ся, то сокращаются, известен уже 200
совсем недавно удалось выяснить, из
ства она состоит.
В 1969 г. космический аппарат
увеличивают-
лет, но лишь
какого веще-
«Маринер-7»,
предназначенный для зондирования Марса, измерил
200
Глава 7
Рис. 7.3. Марс. Фотография, сде-
ланная «Маринером-7», находив-
шимся в момент съемки иа рас-
стоянии 535 131 км от Марса (ав-
густ 1969 г.). Отлично видна Юж-
ная полярная шапка. (Снимок
предоставлен НАСА.)
температуру и спектр поглощения инфракрасного из-
лучения южной полярной шапки. Обнаружилось, что
она состоит не из обычного льда, а из твердой угле-
кислоты, т. е. из сухого льда. Впрочем, существует
мнение о том, что заметную долю в составе шапки за-
нимает лед, включающий углекислый газ.
Полярные шапки Марса на Южном и Северном по-
люсах не могут существовать одновременно (рис. 7.3).
Северная полярная шапка появляется только спустя
некоторое время после постепенного сжатия и исчез-
новения Южной полярной шапки. Этот факт был об-
наружен в начале нашего века Пикерингом, прово-
дившим астрономические наблюдения на о. Ямайка.
Атмосфера Марса почти на 100 % состоит из угле-
кислого газа. Среднее атмосферное давление состав-
ляет там всего лишь 6,1 мбар. Поэтому даже с на-
ступлением в Северной полярной области зимы и с
понижением температуры ниже точки конденсации
углекислого газа (—125 °C) полярная шапка сразу
не образуется. Только после того, как за счет цир-
куляции марсианской атмосферы туда будет перене-
сен из Южной полярной области углекислый газ, там
вырастет полярная шапка из сухого льда. Затем в
Северной полярной области начинается потепление,
ее шапка вновь превращается в углекислый газ и
этот газ опять переносится к Южному полюсу. Дан-
ным обстоятельством и объясняется образование по-
лярных шапок Марса не зимой, когда температура
опускается до самой низкой отметки, а с наступле-
нием весны.
Космический лед
201
В течение лета полярная шапка сокращается в
размерах, но не исчезает окончательно: от нее оста*
ется область, дсктигающая широты, отстоящей от по-
люса на 5—6°. Недавно было установлено, что эта
остающаяся от полярной шапки область в действи-
тельности состоит из льда [3].
31 августа 1)76 г. американский спускаемый ап-
парат «Викинг-2», отыскивая наиболее подходящий
для посадки ра!он, выполнил воздушную разведку
обширной обласги на поверхности Марса. Во время
этих исследований, проводившихся с помощью ин-
фракрасного дагчика температуры, была получена
карта распределения температур в окрестности Се-
верной полярной шапки (рис. 7.4).
Согласно полученным с «Викинга-2» данным,
температура пшерхности Северной полярной шапки
была в тот момгнт равна 205 К (—68°C), а темпе-
ратура в прилепющих к шапке районах—несколько
выше: например, температура покрытого инеем кра-
тера, вышедшей на фотографиях светлым, оказа-
лась равной 215 К (—58°C). Такие температуры
намного превышают температуру конденсации угле-
кислого газа, поэтому полученные результаты свиде-
тельствуют об отсутствии сухого льда. Оценки тол-
щины ледяного :лоя показали, что она лежит в ин-
тервале от нескольких сантиметров до одного кило-
метра.
Итак, лед суцествует на Северном полюсе Марса
с очень давних времен. С приходом зимы он покры-
вается гигантскими горами твердой углекислоты, а с
наступлением лета опять освобождается от них. Ве-
роятно, то же с1мое происходит и с Южной поляр-
ной шапкой.
Согласно мсдели равновесной конденсации, на
Марсе должно быть больше воды, чем на Земле. Од-
нако на фотографиях, сделанных космическими зон-
дами «Маринера и «Викинг», такого изобилия воды
и льда не заметно. Считают, что на всей поверхно-
сти Марса средгяя температура нигде не превышает
—60°C, а температура марсианской коры, достига-
ющей в глубину нескольких километров, держится
8 Зак. 600
202
Глава 7
/Л / \ 1 / s(t \ 1 Г 85 В|Х/ жЖ ' /г///Улг7У7%
so ' \ s'
Рис. 7.4. Распределение температур в окрестности Северного по-
люса Марса. Измерения проводились станцией «Викинг-2» 31 ав-
густа 1976 г. Числа указывают температуру в кельвинах. Выде-
ленные более темным цветом области, лежащие внутри замкну-
тых изотерм, имеют меньшую температуру, нежели области, ле-
жащие вне этих изотерм. Рисунок Кифера и др. (1976 г.) с
внесенными в него частичными изменениями.
ниже 0°C [4]. Значит, вся вода, по-видимому, скры-
та в недрах в виде вечной мерзлоты.
Результаты изучения разнообразных форм мар-
сианского рельефа подтверждают это предположе-
Космический лед
203
Рис. 7.5. Рельеф марсианской поверхности. Изображение, состав-
ленное из фотографий, сделанных станцией «Викинг-1» (район
Крис). (Бейкер и Кочел, 1979 г.)
ние. Например, на поверхности Марса можно обна-
ружить формы рельефа, которые напоминают разло-
мы, овраги или наблюдаемые на Земле в холодных
районах карстовые формы рельефа. Такой рельеф,
видимо, образовался из-за того, что по какой-то при-
чине лед, скрытый в недрах, некогда растаял и про-
изошло наводнение либо оползни (рис. 7.5).
Марсианский снег
На рис. 7.6 воспроизведена фотография марсиан-
ского снежного пейзажа. Она была получена с по-
мощью космического аппарата «Викинг-2» во второй
половине дня 18 мая 1979 г. Белое вещество, покры-
вающее поверхность Марса и скалы, представляет
собой снег. Разумеется, это не твердая углекислота,
а снег, состоящий из молекул Н2О. Однако по спо-
собу образования он сильно отличается от того, кото-
рый выпадает на Земле,
8*
204
Глава 7
Рис. 7.6. Марсианский
снежный пейзаж. Фото-
графия, сделанная 18 мая
1979 г. станцией «Ви-
кинг-2» в точке призем-
ления на равнине Уто-
пия. (Снимок предостав-
лен НАСА.)
На Марсе полное атмосферное давление равно
всего лишь 6,1 мбар, при этом на 95 °/о атмосфера
состоит из углекислого газа. Таким образом, хотя
пары воды и присутствуют в ней, однако их количе-
ство крайне невелико. Если обратиться к диаграмме
состояний воды (рис. 3.3), то окажется, что точки,
характеризующие состояние воды на Марсе, обычно
лежат левее тройной точки. Значит, вода в жидкой
фазе на Марсе не встречается, а фазовые переходы,
как правило, происходят между парами воды и
льдом. Снег на Марсе, вероятно, выпадает следую-
щим образом.
Атмосферная пыль хотя и конденсирует на себе
небольшое количество льда, тем не менее набранно-
го веса не хватает для выпадения снега на поверх-
ность планеты. Однако если температура еще боль-
ше понизится и начнется конденсация углекислого
газа, то под действием силы тяжести такой «снег»
все-таки выпадает.
Когда выглянет Солнце и станет теплее, твердая
углекислота испарится и в конце концов на поверх-
ности останутся только обледенелые пылинки. Таков
марсианский снег. Толщина снежного покрова на
Марсе крайне мала и не превышает 0,01 мм. По
сравнению с земным снегом марсианский действи-
тельно скромен.
Ледяные спутники Юпитера
В соответствии с моделью равновесной конденса-
ции можно предположить, что такие спутники Юпи-
Космический лд
205
Рис 7.7. Юпитер и его спут-
ники. Фотография, сделан-
ная 5 февраля 1979 г. «Во-
яджером-1», находившимся
в этот момент на расстоя-
нии 28 400 000 км от Юпи-
тера. На снимке можно раз-
личить три спутника. (Фо-
тография предоставлена
НАСА.)
тера, как Европа, Ганимед и Каллисто, а также
спутник Сатурна Титан предст!вляют собой небес-
ные тела, содержащие много лыа (рис. 7.1). Но это
всего лишь гипотеза. Предполокения о возможном
существовании льда на перечисленных спутниках до
недавнего времени основывались на результатах на-
блюдений спектров поглощения инфракрасного излу-
чения, проводившихся с Земли Однако объектами
наблюдений в данном случае (ыли небесные тела,
удаленные от Земли на несколыо миллиардов кило-
метров, поэтому надежность полученных результатов
оставалась под сомнением. Вопрос был разом разре-
шен благодаря развитию в последние годы техники
космических исследований.
Запущенный американским Управлением по аэро-
навтике и исследованию косми>еского пространства
(НАСА) космический аппарат «Вояджер-1» ровно
через 2 года достиг Юпитера. 5 парта 1979 г. «Вояд-
жер-1» пролетел сквозь группу лращающихся вокруг
Юпитера спутников и передал на Землю большое
число снимков (см. рис. 7.7) [5] Девятого июля того
же года Юпитера достиг «Воаджер-2», предназна-
ченный для других целей. Он таже передал на Зем-
лю интереснейшие снимки [6].
Новые факты, открытые с поющью «Вояджера-1»
и «Вояджера-2», столь многочисленны, что всех и не
перечесть, Например, было устаювлено, что у Юпи-
208
Глава 7
Рис. 7.8. Вулканические взрывы на Ио: а — фотография трех
вулканических взрывов, происшедших одновременно в разных
точках спутника (снимок сделан станцией «Вояджер-2»), б —
снимок, сделанный станцией «Вояджер-1» (изображение, полу-
ченное после обработки фотографии на ЭВМ). Высота вулкани-
ческого выброса достигает примерно 210 км. (Снимок предо-
ставлен НАСА.)
тера так же, как у Сатурна, имеются кольца. Кроме
того, был открыт его четырнадцатый карликовый
спутник с диаметром менее 40 км, который вращает-
ся у самой поверхности планеты с периодом, равным
всего 7 ч 8 мин. Пока он имеет лишь временное на-
звание— «1979 Л». Четыре галилеевых спутника
(Ио, Европа, Ганимед и Каллисто), о которых мы
сейчас будем говорить, названы по именам возлюб-
ленных Зевса (Юпитера), взятым из греко-римской
мифологии. Хотелось бы, чтобы и вновь открытый
спутник «1979 Л» получил столь же красивое на-
звание.
«Вояджеры», кроме того, передали несколько фо-
тографий Ио, из которых видно, что на этом спутни-
ке и по сей день продолжается сильная вулканиче-
ская деятельность (рис. 7.8). Это было первое на-
блюдение вулканических взрывов, происходящих не
на Земле, а на другом небесном теле.
Однако у автора наибольший интерес вызвали
фотографии Европы, Ганимеда и Каллисто (рис. 7.9—
7.11): полученные с «Вояджеров» снимки доказали,
Космический лед
207
Рис. 7 9. Поверхность Ев-
ропы. Пересекающиеся
трещина нередко тянут-
ся в длину на 1000 км
и более, а их ширина в
отдельных случаях до-
стигает 200—300 км. Фо-
тография сделана стан-
цией «Вояджер-2».
(Предоставлена НАСА.)
Рис. 7.10. Поверхность Гани-
меда. Видно, что светлые по-
лосы делят темную поверх-
ность на многоугольные обла-
сти, размеры которых варьи-
руются от нескольких сотен до
тысячи километров. Снимок,
сделанвый «Вояджером-1» с
расстояния 165 000 км. (Пре-
доставлен НАСА.)
Рис. 7.11. Поверхность Калли-
сто. Видны многокольцевые си-
стемы фатеров. Снимок, сде-
ланный «Вояджером-1» с рас-
стояния 350 000 км. (Предо-
ставлен НАСА.)
что на поверхности трех указанных спутников имеет-
ся толстый слой льда.
На фотографии Европы (рис. 7.9) получились
сложным образом переплетенные длинные прямые
трещины и разломы. Как возникли эти трещины и
208
Глава 7
разломы, пока не вполне понятно. Возможно, однако,
что основную роль сыграло изменение объема яри
превращении глубокого моря, покрывавшего поверх-
ность Европы, в ледяную кору, а также тектониче-
ское течение этой коры. Предполагают, что толщина
ледяной коры Европы равна примерно 70 км и что
под ней находится состоящая из воды мантия, кото-
рая имеет толщину около 100 км. В этом скрытой в
недрах спутника море под влиянием приливноот-
ливных сил и тепловой конвекции возникает движе-
ние гигантских масс воды. В результате ледячая
кора подвергается сильной деформации, вызванной
механическими причинами. Видимо, бесчисленные
трещины и разломы на поверхности Европы свиде-
тельствуют о высвобождении энергии этой деформа-
ции, во время которого происходят мощные земле-
трясения (точнее сказать, «льдотрясения»).
Среди галилеевых спутников Ганимед (рис.
7.10)—самый большой. Однако его средняя плот-
ность равна всего 1,93 г/см3, поэтому считают, что
примерно на половину он состоит из воды. Соглгсно
расчетам, толщина ледяной коры Ганимеда равна
приблизительно 100 км, а под ней находится состоя-
щая из воды мантия, которая имеет толщину 4(Ю—
800 км (см. разрез на рис. 7.1).
На полученных фотографиях хорошо видно, что
поверхность Ганимеда разделена светлыми полосо-
выми поясами на большое число темных многоуголь-
ных областей. Изучение снимка с наиболее высоким
разрешением показывает, что светлые пояса пред-
ставляют собой зоны с сетью многочисленных тре-
щин, имеющих глубину несколько сотен метров и ши-
рину 5—15 км. Что же касается темных областей, то
это зоны с большим количеством старых кратеров,
имеющих диаметр 10—50 км. Испещренная кратера-
ми поверхность Ганимеда служит живым свидетель-
ством многократных столкновений и объединений
бесчисленных пылевых скоплений и мелких небесных
тел, в результате которых образовывались спуттики
и планеты.
Космический лед
209
Каллисто имеет еще более низкую плотность, рав-
ную 1,79 г/см3. Следовательно, можно ожидать, что
воды на этой спутнике еще больше (толщина ледя-
ной коры равна примерно 200 км, а толщина на-
ходящейся под ней водяной мантии — примерно
1000 км). Правда, у Каллисто коэффициент отраже-
ния света (альбедо) меньше, чем у Европы и Гани-
меда — это, вероятно, вызвано тем, что ко льду, из
которого состоит кора, примешано большое количе-
ство скальной породы. Многокольцевые системы, хо-
рошо различимые на фотографиях Каллисто, видимо,
представляюг собой следы кратеров. Существование
таких систем стало еще одним открытием, сделан-
ным с помоцью «Вояджера-2». Однако у нас пока
нет явных доказательств того, что эти гигантские
многокольцеБые системы, достигающие в диаметре
1500 км и напоминающие круговые волны на поверх-
ности воды, действительно возникли от ударов ме-
теоритов. Для внесения в этот вопрос окончательной
ясности потребуются более подробные исследования.
Далее, ледяная кора Европы, Ганимеда и Каллисто,
если можно гак выразиться, плавает на поверхности
глубокого моря, поэтому ее механические свойства
весьма своеобразны. Вероятно, случаются даже та-
кие события, когда крупные метеориты и мелкие не-
бесные тела пробивают ледяную кору насквозь.
Характерная особенность трех ледяных спутни-
ков— Европы, Ганимеда и Каллисто, отличающая
их от других небесных тел, состоит в том, что неров-
ностей на ьх поверхностях мало, а высокие горы
практически совсем не встречаются. Правда, на этих
спутниках можно обнаружить множество кратеров с
возвышающимися кромками и поверхностными не-
ровностями, но высота таких неровностей не превы-
шает 1 км. Учитывая, что на Земле самый высокий
пик достигает в высоту почти 9 км и что на Марсе
есть горы внсотой более 10 км, рассматриваемые ле-
дяные спутники можно назвать небесными телами с
очень гладкой поверхностью.
Видимо, это объясняется тем, что их кора состоит
из льда. Атмосферы на Европе, Ганимеде и Каллисто
210
Глава 7
почти нет, поэтому температура поверхности спутни-
ков низкая. Согласно данным наблюдения спект-
ров в инфракрасной области, она равна примерно
— 120 °C. Таким образом, скорость пластического
течения льда, вызванного действием силы тяжести,
оказывается небольшой. Тем не менее даже в этих
условиях она более чем в 10000 раз превосходит
скорость течения остальных твердых пород. В част-
ности, можно утверждать, что, как бы сложно ни из-
менился рельеф в результате удара метеорита, спу-
стя относительно короткое время поверхность опять
будет гладкой.
Космические фонтаны: кометы
Уиппл (Гарвардский университет) сказал о коме-
тах, что они представляют собой космические фонта-
ны, бьющие из запачканных грязью снежных комь-
ев [7]. Ядро кометы имеет диаметр, равный самое
большее нескольким километрам, но вокруг ядра
располагается так называемая голова кометы, раз-
меры которой значительно больше, а за ней тянется
хвост, достигающий в длину нескольких десятков
миллионов километров. Каким образом столь ма-
ленькое ядро может постоянно выбрасывать из себя
на несколько десятков миллионов километров такой
фонтан вещества? Для объяснения этого необычного
свойства кометы надо предположить, что ее ядро
представляет собой не что иное, как глыбу льда.
Кометы вращаются вокруг Солнца по сильно вы-
тянутым орбитам. Самая известная из комет — коме-
та Галлея (рис. 7.12)—вращается вокруг Солнца с
периодом 76 лет. На рис. 7.12 воспроизведена фото-
графия, сделанная в 1910 г. В следующий раз подоб-
ный снимок можно будет получить только в 1986 г. 1>
Во время прохождения кометой участка орбиты,
расположенного близко к Солнцу, с ее поверхности,
’> Предварительные результаты исследований кометы Галлея
автоматическими станциями в 1986 г. действительно указывают
на то, что ядро кометы состоит в основном из льда. — Прим. ред.
Космический лед
211
Рис. 7.12. Комета Галлея. Фото-
графия, полученная в мае 1910 г.
в обсер>атории г. Сантьяго (Чи-
ли). Ксмета Галлея обращается
вокруг Солнца с периодом в
76 лет.
обращенной к Солнцу, идет возгонка льда. Образо-
вавшиеся водяные пары, смешавшись с другими га-
зами и пылью, извергаются в безвоздушное космиче-
ское пространство, подобно струе фонтана. Этот по-
ток газов и пыли, освещаемый Солнцем, мы и видим
на небе.
Кольца Сатурна
Таша Сатурна, которая выделяет его из других
плане? и околдовывает наше воображение, кроется в
его необыкновенных кольцах. Из какого вещества со-
стоят эти кольца и почему, вращаясь вокруг Сатур-
на, данное вещество принимает именно такую форму?
Космические аппараты «Вояджер» показали, что
кольца есть и у Юпитера, но у Сатурна они гораздо
более крупные и внушительные. Ширина системы ко-
лец достигает 270 000 км, а толщина не превышает
10 км, поэтому они выглядят как одна чрезвычайно
тонкая кольцеобразная пластина. Однако скорость
вращеяия по мере приближения к Сатурну возра-
стает, и говорить о том, что это и в самом деле
одна связанная пластина, нельзя.
До недавнего времени считалось, что система ко-
лец Сатурна состоит из пяти колец: А, В, С, D и Е.
212
Глава 7
Рис. 7.13. Открытие новых
колец и спутников Юпите-
ра. Слева на фотографии —
впервые обнаруженный
спутник «1979 S1». Снимок,
сделанный «Пионером-11»
1 сентября 1979 г. с рас-
стояния 940 000 км. (Предо-
ставлен НАСА.)
Кроме того, на основании проводившихся с Земли
наблюдений спектра в ближней инфракрасной обла-
сти высказывалось предположение о том, что кольца
построены из частиц льда размером 4—30 см. Этим
и ограничивались сведения о кольцах Сатурна. Од-
нако в последние годы объем информации о нем на-
чал нарастать с головокружительной скоростью. Та-
кой рост вызван активными, вызывающими восхище-
ние исследованиями, которые проводились с по-
мощью американских межпланетных космических
станций «Пионер» и «Вояджер».
В сентябре 1979 г. «Пионер-11» приблизился к
Сатурну на расстояние до 20 000 км и, исследуя саму
планету, а также ее спутники, прошел сквозь кольца
Сатурна [8]. «Пионер-11» был запушен с Земли в
апреле 1973 г.; в декабре 1974 г. с его помощью про-
водилось изучение Юпитера, а затем он устремился
к Сатурну. Расстояние до Сатурна, равное
1 500 000 000 км, «Пионер-11» преодолел за 6,5 лет.
Проведенные с помощью «Пионера-11» исследо-
вания привели к открытию нового кольца Сатурна
(кольца F) и к обнаружению одиннадцатого спутни-
ка этой планеты (рис. 7.13), которому пока дано
лишь временное название «1979 S1». При прохожде-
нии «Пионером-11» одного из колец Сатурна (коль-
ца Е) по красивой методике было подсчитано число
столкновений станции с образующими кольцо твер-
дыми частицами, а затем определена концентрация
Космический лед
213
этих частиц в пространстве и толщина самого коль--
на. Всестороннее изучение полученных данных будет
продолжено, и через некоторое время, видимо, по-
явятся подробные сообщения о результатах.
После того, как «Вояджер-1» и «Вояджер-2» за-
кончили исследования Юпитера, им была поставлена
следующая цель — Сатурн. Как и предполагалось,
в ноябре 1980 г. «Вояджер-1» приблизился к Сатур-
ну на расстояние 124 000 км. При этом удалось про-
вести наблюдения в ультрафиолетовой и инфракрас-
ной областях спектра, а также сделать множество
снимков.
Полученные данные в настоящее время обрабаты-
ваются и подробные отчеты о результатах пока не
опубликовшы, тем не менее есть сведения о боль-
шом количестве новых открытий. Прежде всего, от-
крыты тр! новых спутника и подтверждено суще-
ствование нового кольца (кольца G). Кроме того, вы-
яснилось удивительное обстоятельство: оказывается
внутри обнаруженного «Пионером-11» кольца F име-
ется область, состоящая из нескольких тонких колец,
переплетенных между собой, словно витой шнур.
Однако особый интерес у автора этой книги вы-
звали изображения тонкой структуры колец Сатур-
на, попавшие в 1500-миллиметровый телеобъектив
«Вояджера» (рис. 7.14). Дело в том, что внутри ко-
лец обнаружились бесчисленные полосы, подобные
бороздкам на грампластинке. Если результаты под-
робного анализа всех фотографий считать оконча-
тельными, то по имеющимся сведениям число полос
превосходит тысячу.
Проводившиеся с «Вояджера» наблюдения пока-
зали, что среди частиц, формирующих кольца (веро-
ятно, это частицы льда с примесью скальных пород),
много таких, диаметр которых превышает 1 м, при-
чем частицы вращаются вокруг Сатурна с очень
большой скоростью, равной примерно 20 км/с. В ре-
зультате на фотографиях, сделанных с «Вояджера»,
ряд момечтальных изображений сливается в непре-
рывные орбиты. Наличие на снимках бесчисленных
полос говорит, вероятно, о том, что концентрация ча-
214
Глава 7
Рис. 7.14. Тонкая
структура колец
Сатурна. Снимок,
сделанный «Вояд-
жером-1» 6 ноября
1980 г. с расстоя-
ния 8 000 000 км
от Сатурна. Вну-
три колец разли-
чимы многочислен-
ные тонкие поло-
сы. На поверхно-
сти самого Сатур-
на, освещенной
Солнцем, видна
тень от колец.
(Фотография пре-
доставлена НАСА.)
стиц в пространстве сильно меняется от участка к
участку.
По-видимому, частицы внутри колец двигаются
чрезвычайно сложным- образом. Полет в космиче-
ском пространстве частиц льда самых разных разме-
ров и форм, во время которого они сталкиваются,
разрушаются и соединяются вместе, можно называть
своего рода течением. Исследования «Вояджера» по-
казали, что сами кольца излучают сильные электро-
магнитные волны. Эти волны, вероятно, возникают в
результате взаимодействия заряженных частиц с ча-
стицами льда либо в результате разрушения я тре-
ния частиц льда при соударениях. В таком случае
необходимо, видимо, признать, что сложное движе-
ние частиц, формирующих кольца Сатурна, зависит
не только от механических сил, которые учитывались
и прежде, но и от других взаимодействий — напри-
мер, от электромагнитных.
Проводившиеся с помощью «Вояджера-1» наблю-
дения показали, что среди вращающихся вокруг Са-
турна спутников по меньшей мере пять — Мимас, Те-
Космический лд
215
Рас. 7.15. Диона — ледяной
спутник Сатурна. Диаметр Дио-
нн равен примерно 1100 км.
На ее поверхности обнаружены
Помадные кратеры, диаметр
которых превышает 100 км, п
гигантские ущелья, тянущиеся
в длину на несколько сотен
километров. Фотография, еде-
лишая «Вояджером-1» 12 но-
ября 1980 г. с расстояния
160 000 км. (Предоставлена
НАСА.)
(}ия, Диона, Рея и Энцелад—юкрыты толстым сло-
ем льда. На поверхности эти ледяных спутников
так же, как и на спутниках Юпитера Ганимеде и
Каллисто, видны многочисленше кратеры, лощины и
другие структурные линии (ри. 7.15). Данные о са-
ком крупном спутнике Сатура — Титане — пока не
«публикованы.
Запущенный через некоторе время после «Вояд-
жера-1» «Вояджер-2» сейчас гоже приближается к
Сатурну. Он должен подойти i этой планете в авгу-
сте 1981 г. и выполнить болееподробные по сравне-
нию с «Вояджером-1» наблюдния. Сообщается, что
затем «Вояджер-2» возьмет кур на Уран.
«Пионер-11», посетивший Опитер и Сатурн и
предоставивший в наше расшряжение большое ко-
личество новых сведений об згих планетах, продол-
жает свое странствие в дали Вселенной. Вслед за
«Пионером-10» он стал вторьи космическим кораб-
лем, простившимся с Солнечно! системой.
«Вояджер-1» и «Вояджер-2| через некоторое вре-
йя тоже покинут Солнечную астему. Как предпола-
гают, примерно через 20 000 лет они, возможно,
пройдут неподалеку от самой близкой к нам непод-
вижной звезды — Проксимы Цнтавра.
216
Глава 7
Космические зонды «Пионер» и «Вояджер» доль-
ше уже никогда не вернутся на Землю, их полет
будет продолжаться вечно. Но этот полет станет
воплощением мечты землян о путешествиях в беспре-
дельном космосе. Доброго пути, «Пионеры» и «Вояд-
жеры»!
Космогляциология
В этой книге мы рассматривали с самых разных
сторон структуру и свойства одного и того же веще-
ства— льда. Читатели, несомненно, усвоили, что
хотя лед имеет очень простой состав и образован
всего из двух элементов — кислорода и водорода,
тем не менее его свойства и поведение чрезвычайно
сложны и самым непосредственным образом свгзаны
с поразительно большим количеством окружающих
нас явлений. Такую роль во всех этих явления; лед
способен играть потому, что он обладает исключи-
тельно своеобразными свойствами, отличающими его
от других веществ.
В широкой области температур и давлений суще-
ствует 11 различных фаз льда. Тот лед, к которому
мы привыкли, представляет собой всего лишь одну
из этих одиннадцати разновидностей, но среди них
он самый своеобразный. Обычный лед, существую-
щий в окружающей нас природе, отличается совер-
шенно особыми свойствами не только от всех прочих
веществ, но и от остальных разновидностей льда. Не
подлежит, однако, сомнению тот факт, что лед спосо-
бен выполнять на Земле все свои функции лишь бла-
годаря этим особым свойствам.
Установлено, что точно такой же лед существует
не только на Земле, но и на других планетах и спут-
никах Солнечной системы. Модель равновесной кон-
денсации Льюиса, описывающая образование Сол-
нечной системы, говорит о весьма вероятном наличии
льда на небесных телах, расположенных не слишком
близко к Солнцу. Кроме того, недавно была высказа-
на мысль о том, что лед не просто существует на
планетах и спутниках, но что он был даже необхо-
Космический лед
217
дим, когда за счет многократных столкновений и со-
единений частиц шло их формирование. Иными сло-
вами, при формировании первоначальных планет
лед, видимо, сыграл незаменимую универсальную
роль.
Итак, можно утверждать, что наука о льде всту-
пила в новый этап — этап космогляциологии [9].
В настоящее время уже окончательно доказано, что
лед есть не только на Земле, но также и на других
небесных телах. Космогляциологические исследова-
ния сделались теперь просто необходимыми. Изуче-
ние льда на Луне, Марсе, галилеевых спутниках,
Юпитере, Сатурне и Уране важно для правильного
понимания нынешнего состояния Земли. Кроме того,
оно очень помогает прогнозировать будущее нашей
планеты.
Однако важнейшая черта космогляциологии со-
стоит, по мнению автора, в том, что эта наука дает
прекрасную возможность взглянуть на лед с более
широких позиций. Имея дело только с земным льдом,
исследователи считали лед, существующий при высо-
ких давлениях, веществом фантастическим. Но вот,
например, лед спутника Юпитера Каллисто, форми-
рующий кору 200-километровой толщины, существу-
ет, как считают, по меньшей мере в трех фазах —
в виде льда I, льда II и льда III. Кроме того, в нед-
рах перечисленных выше ледяных планет и спутни-
ков сразу после их конденсации из туманности, дав-
шей начало Солнечной системе, должны были суще-
ствовать такие разновидности льда при высоких дав-
лениях, как лед VI, лед VII и лед VIII.
При изучении этих планет и спутников совершен-
но необходимо детально знать физические свойства
льда, существующего при высоких давлениях. Можно
утверждать, что именно космогляциология впервые
придала практическую значимость исследованиям
таких разновидностей льда.
Кроме того, для космогляцнологии необходимы
сведения о течении ледников в гравитационных по-
лях, которые в несколько десятков раз слабее
земного, а также сведения о деформации льда при
218
Глава 7
температурах ниже —100°C за времена порядка не-
скольких миллиардов лет.
Поведение льда при таких низких температурах
и в масштабе таких больших времен, а также под
действием слабых сил до сих пор практически не
изучалось. Автор однако убежден что новый взгляд
на лед со столь широких позиций в наши дни просто
необходим для понимания истинной природы земно-
го льда. Ограничиваясь исследованиями одного
лишь земного льда, т. е. льда, близкого к плавлению,
мы рискуем проглядеть его истинную природу,
В этом смысле название «космогляциология» не сле-
дует воспринимать чересчур буквально. В какой-то
мере такое название придумано даже для того, что-
бы пробудить у читателей интерес рассматривать
лед с более широких позиций. Снежинки, ледники,
метели, лавины и айсберги представляют собой до-
вольно любопытные объекты для исследований. Но,
занимаясь только этими исследованиями, вряд ли
можно получить представление об истинной природе
снега и льда.
Обратив взгляд в космос, мы научились одному
из надежных методов, позволяющих увидеть подлин-
ный облик льда. Выше не раз говорилось, что гото-
вый вот-вот расплавиться лед, с которым мы посто-
янно встречаемся в повседневной жизни, точно так
же не похож на лед в естественном для него состоя-
нии, как не похоже раскаленное докрасна железо на
железо в нормальном состоянии. До недавнего вре-
мени наши представления о льде были во многом
ошибочными. Сейчас мы стремимся к тому, чтобы
постепенно избавиться от подобных заблуждений.
Автор будет рад, если его книга хоть в какой-то мере
послужит этому делу.
Литература °
На сегодняшний день изданы следующие специальные моно-
графии о льде:
Fletcher N. Н., The chemical physics of ice, Cambridge Univer-
sity Press, 1970. Перевод на японский Маэно Норикадзу: «Кори-
не кагаку буцури», изд-во «Кёрицу сюппан», 1974.
Hobbs Р. V., Ice physics, Oxford University Press, 1974.
К главе 1
1. Мурссаки Сикибу, Гэндзи моногатари, книга пятая. -Перевод
на современный японский Танидзаки Дзюнъитиро, Тюбкброн-
ся «Тюкб бунко», 1973. (Яп. яз.)
2. Судзуки Бокуси, Хокуэцу сэппу (в переработке Окады Такэ-
мацу), Иванами сётэн «Иванами бунко», 1936. (Яп. яз.)
3. Итишва Такэо, Юкигуни бунка си, Ниппон хбеб сюппан кёкай
«Эн-эйч-кей букс», 1980. (Яп. яз.) _
4. Ёсида Сэйго, Тэрада Кадзуо, Дзиируйгаку июмон, изд. Токий-
ского университета (Тбкё дайгаку сюппан кай), 1974. (Яп.
яз.)
5. Кобаяси Кунио, Саката Ютака, Хёга дзидай-о минаосу, Кагаку
(Наука), 47, № 10, 578 (1977), нзд-во «Иванами сётэн». (Яп.
яз.)
К главе 3
1. Kepleris Joannis, Strena, Seu de Nive Sexagula, Godefridum
Tampach, 1611. Перевод на английский: Kepler J., The Six-cor-
nered Snowflake, Oxford Univ. Press, 1966.
2. Bernal J. D., Fowler R. H., A theory of water and ionic solu-
tion, with particular reference to hydrogen and hydroxyl ions,
J. Chem. Phys., 1, № 8, 515 (1933).
3. Аракава Киёси, Экитай-но мидзу-но кодзб, Кагаку (Химия),
26, № 12, 1172 (1971), изд. химического общества (Кагаку
дбдзин). (Яп. яз.)
4. Higuchi К-, The etching of ice crystals, Acta Metal., 6, 636
(1958).
’> Ссылки на японские издания даны по фонетическому прин-
ципу с использованием русского алфавита. — Прим, перев.
220
Литература
5. Накая Укитирд, Хётанкэссё-но буцури, Кагаку (Наука), 26,
Ns 6, 272 (1956), Кагаку, 26, № 7, 346 (1956); Кагаку, 26,
Ns 8, 401 (1956), изд-во «Иванами сётэн». (Яп. яз.)
6. Маэно Норикадзу, Кбри-ио нака-но кихб, Сэппё 28, Ns 1, 8
(1966), изд. японского гляциологического общества (Ниппон
сэппё гаккай). (Яп. яэ.)
7. Араока Куниаки, Маэно Норикадзу, Кбри-но хампацу кэйсу-
но сокутэй, Тэйон кагаку, Буцури хэн 36, 55 (1978), изд.
Института низкотемпературных исследований при Универси-
тете о. Хоккайдо (Хоккайдо дайгаку тэйон кагаку кзпкюдзё),
(Яп. яз.)
8. О течении ледников можно прочесть в следующих книгах; Хи-
гаси Акира, Хёга, _изд-во «Тюбкбронся», 1974. (Яп. яз.)
Вакахама Горд, Хёга-но кагаку, Ниппон хбсб сюппан кёкай
«Эи-эйч-кей букс», 1978. (Яп. яз.)
9. Корис J. S., Мидзу-сидзэн то нингэн. Перевод на японский
Фукумото Гбитирб, изд. отдел Университета г. Тамагава, 1978.
(Яп. яз.)
10. McConnel J. С., On the plasticity of an ice crystal, Proc. Roy.
Soc. (London), 49, 323 (1891).
11. Накая Укитирд: «Кбри-но танкэссё-но хэнкэй», Киндзоку бу-
цури, 4, Ns 3, 89 (1958), изд-во «Агунэ». (Яп. яз.) Там же, 4,
Ns 4, 133 (1958).
12. Там же. _
13. Хигаси Акира, Кбри-ио танкэссё-но сосэй, Оёбуцури, 34, Ns 2,
80 (1975), изд. общества Оёбуцури гаккай. (Яи. яз.)
14. Hayes С. Е., Webb W. W., Dislocations in ice, Science, 147, 44
(1965).
15. Fukuda A., Higashi A., Dinamical behaviour of dislocations in
ice crystals, Cryst. Lattice Defects, 4, Ns 3, 203 (1973).
16. Budd Ц7, F., Radok U., Glaciers and other large ice masses,
Rep. Prog. Phys., 34, 1 (1971).
17. Baker R. N., The influence of ice-crystal on creep, J. Glacio-
logy 21, Ns 85, 485 (1978).
К главе 4
1. Сэки Сюдзо, Тихара Хидэаки, Судзуки Кэйсукэ, Суасо-кэцу-
гб, серия Иванами кбдза «Гэндай кагаку», изд-во «Иванами
сётэн», 1956. (Яп. яз.)
Пдринг L., Кагаку кэцуго рои (исправленное изд.). Перевод
на японский Коидзуми Macao, изд-во «Кёрицу сюппан», 1962.
(Яп. яз.)
Фрэття N. Н„ Кбри-но кагаку буцури. Перевод на японский
Маэно Норикадзу, изд-во «Кёрицу сюппан», 1974. (Яп. яз.)
Айдзэнбэрк D., Каудзман W., Кори-но кбдзб то бусс»й. Пере-
вод на японский Сэки Сюдзо и Мацуо Такасати, изд-во «Мн-
судзу сёбб», 1975. (Яп. яз.)
2. Bernal Fowler, op. cit.
Литература
221
3. Halda О., Matsuo Т., Suga Н., Seki S., Relaxation proton or-
dering and glassy crystalline state in hexagonal ice, Proc. Ja-
pan Acad., 48, № 7, 489.
4. Маэно Нориюдзу, Кбри-но дэнкидэндб: кэнкю-но рэкйси то
сайкин-но дою, Кагаку (Наука), 45, № 5, 296 (1975), изд-во
«Иванами сётэн». (Яп. яз.)
5. Eigen М., De Maeyer L., Spatz H.-Ch., Ober das kinetische Ver-
halten von Prctonen und Deuteronen in Eiskristallen, Ber. Bun-
senges. Phys. Chem., 68, № 1, 19 (1964).
6. Debye P., Polar Molecules, Dover Pub., 1929.
7. Там же.
8. Bierrum N., Structure and properties of ice, Science, 115, 385
(1951).
9. Granicher H., laccard C., Scherrer P., Steinemann A., Dielectric
relaxation and the electrical conductivity of ice crystals, Disc.
Faraday Soc., 23, 50 (1957).
10. laccara C., Etude theorique et experimentale des proprietes elec-
triques de la ?lace, Helv. Phys. Acta, 32, 89 (1959).
11. Маэно, op. cit («Кбри-но дэнкидэндб»).
12. Voa Hippel A, Traesfer of protons through «pure» ice I л sin-
gle crystal II Molecular models for polarization and conduc-
tion, J. Chem.Phys., 54, 145 (1971).
К главе 5
1. lellinek H. H Q., Liquid-like (transition) layer on ice, J. Col-
loid & Interface Sei., 25, № 2, 192 (1967).
2. Fletcher N. H, Surface structure of water and ice II. A revised
model, Phil. Mag.. 18, 1287 (1968).
3. lellinek, op. cit,
4. lellinek, op. cit
5. Kvlividze V. L, Kiselev V. F., Kurzaev A. B., Ushakova L. A.,
The mobile vater phase on ice surface, Surface Set, 44, 60
(1974).
6. Maeno N., Nishimura H., The electrical properties of ice surface,
J. Glaciology, 21, № 85, 193 (1978).
7. Nye 1. F., Theory of regelation, Phil. Mag., 16, 1249 (1967);
Drake L. D., Shreve R. L., Pressure melting and regelation of
ice by round wires, Proc. Roy. Soc. (London), A332, 51 (1973).
8. Бауден F. D., Тэйба D., Котай-но масацу то дзюнкацу. Пере-
вод на японский — Сода Норимуна, изд-во «Марудзэн», 1961.
(Яп. яз.)
9. Barnes Р-, Tibor D., Walker 1. C. F., The friction and creep of
polycrystaliine ice, Proc. Roy. Soc. (London), A324, 127 (1971),
10. Накая Укитиро, Юки, изд-во «Иванами сётэн», серия «Ивана-
ми синсё», 1S78. (Яп. яз.)
11. Mason В. 1., Bryant G. W., Van den Heuvel A. P., The Growth
habits and structure of ice crystals, Phyl. Mag., 8, 505 (1963);
Lamb D., Scott W. D. The mechanism of ice growth and habit
formation, J. Atmosph. Sci., 31, 570 (1974)_; Курода Тосно,
Lacmann R., Юкикэссё-но сэйтё кикб сёби сёхэки хэнка, Нин-
222
Литература
пон кэссё сэйтё гаккай си, 6, № 3, № 4, 51 (1979), изо., науч-
ного общества Ниппон кэссё сэйтё гаккай. (Яп. яз.)
12. Kingery W. D., Regelation, surface diffusion and ice sintering,
J. Appl. Phys., 31, 833 (1960).
13. Kuroiwa D., A study of ice sintering, Tellus, 13, 252 (1961)';
Hobbs P. V., Mason B. J., The sintering and adhesion of ice,
Phil. Mag., 9, 181 (1964);
Jellinek H. H. G., Ibrahim S. H., Sintering of powdered ice
J. Colloid & Interface Sci., 25,_245 (1967).
14. Комацу Вадзб, Симодайра Сёдзиро, Сёкэиу, Котай-но каньё-
суру муки ханнб (Ннппон кагаку кайхэн), Кагаку сссэцу 9,
237 (1975), нзд. Токийского университета (Токе дайгаку сюп-
пан кай). (Яп. яз.)
15. Маэно Норикадзу, Нанкёку-но кбрн-о якимоно-то миру, Сэ-
рамиккусу, 13, № 8, 663 (1978), изд. общества Ёгё кёкай.
(Яп. яз.)
Маэно Норикадзя, Нарита Хидэки, Кбри-но якимоно: нанкё-
ку-но корн, Сидзэн, 33, № 12, 86 (1978), изд-во «Ткбкброн-
ся». (Яп. яз.)
16. Маепо N., The electrical behaviours of Antarctic ice drilled at
Mizuho Station, East Antarctica, Memoirs of National Institute
of Polar Research, Special Issue № 10, 77 (1978).
17. Williams R. E., Space-filling polyhedron: its relation tc aggre-
gates of soap bubbles, plant cells and metal crystallites, Scien-
ce, 161, 276 (1968).
К главе 6
1. Tamman G., Aggregatzustande, Verlag von Voss, 1922.
2. Bridgmann P. W., The phase diagram of water to 45 000 kg/cm3,
J. Chem. Phys, 5, 964 (1937).
3. Яги Такэхико, Дайамондо анбнру, Кагаку (Наука), 4», № 8,
498 (1979), изд-во «Иванами сётэн». (Яп. яз.)
4. Вонэгатто К, Jr. Нэко-но юрнкаго. Перевод на японский —
•Ито Норно, изд-во «Хаякава сёбо», серия Хаякава бунко SF»,
1979. (Яп. яз.). Английское название «Cat’s Cradle». Впервые
опубликована в США в 1963 г. [Имеется перевод: Воннегут К,
Колыбель для кошки. — М.: Молодая гвардия, 1970.]
5. Kamb В., Davis В. L., Ife VII, the densest form of ice, Proc.
Natn. Acad. Sci. USA, 52, 1433 (1964).
6. Kaeau Наото, Тёкоацука-но буссэй, Кёкугэн дзётай-но буцури
(Ннппон буцуригаку кайхэн), с. 91, изд-во «Марудзэн», 1976.
(Яп. яз.)
7. Miller S. L., Clathrate hydrates of air in Antarctic ice, Science,
165, 489 (1969).
К главе 7
1. Lewis J. S., The temperature gradient in the solar nebula, Sci-
ence, 186, 440 (1974); The chemistry of the solar system, Sci,
American, 230, № 3, 50 (1974).
Литература
223
2, Arnold J. R., Ice in the lunar poar regions, J. Geophys. Res.. 84,
№ BIO, 5659 (1979).
3. Kieffer H. H., Chase S.C., Jr., Martin T. Z., Miner E. L., Mar-
tian north pole summei temperatures: Dirty water ice, Science,
194, 1341 (1976).
4. Carr M. H., Shaber G.G., Martian permafrost features, J. Geo-
phys. Res., 82, 4039 (1917).
5. Smith B. A. et al., The Jupiter system through the eye of Voya-
ger 1, Science, 204, 951 (1979).
6. Smith B. A. et al., The Galilean satellites and Jupiter: Voyager
2 imaging science results, Science, 206, 927 (1979).
7. Whipple F. L., The naure of comets, Scientific American, 230,
№ 2, 49 (1974).
8. Baker T. G. L. R. et cl., Imaging photopolarimeter on Pioneer
Saturn, Science, 207, 431 (1980).
9. Маэно Норикадзу, Ут» сэппёгаку, Тикю, 2, № 3, 250 (1980)»
изд-во «Кайё сюппан». (Яп. яз.)
Послесловие
В старших классах школы автор этой книги увле-
ченно учил английский и немецкий языки и мечтал
в будущем посвятить себя языкознанию. Круто изме-
нить планы его заставила книга Эйнштейна и Ин-
фельда «Эволюция физики». В студенческие годы ав-
тору посчастливилось прочесть «Рассеяние тумана»
Накая Укитиро, что определило его выбор заняться
изучением геофизики.
После подобных перемен в судьбе автор все вре-
мя держал в уме мысль о том, что, если когда-ни-
будь ему приведется писать книгу, он постарается
сделать так, чтобы она тоже повлияла на судьбы чи-
тателей или, если это невозможно, хотя бы вызвала
у них глубокий интерес. Осенью прошлого года, вняв
советам приниматься за работу над данной книгой,
автор, погруженный в подобные мечты, решился
взяться за перо.
Однако в самом начале работы обнаружилось,
что многие вышедшие в свет книги по гляциологии
напоминают, как говорилось в предисловии, «траге-
дии хигэки на темы льда»; кроме того, выяснилось,
что такую книгу, которая пробудила бы в читателях
азарт исследователей и которую в то же время они
могли бы без труда прочитать от начала и до конца,
написать еще никому не удавалось. Автор не мог
примириться с тем, что ни в Японии, ни вообще в
мире нет ни одной книги, в которой «строго, но до-
ступно» рассказывалось бы о природе льда; написа-
ние «Книжки о льде» для людей впечатлительных
решено было отложить до других времен.
По указанным выше причинам автор не стремил-
ся строить книгу преимущественно на своих соб-
ственных научных достижениях, а старался по при-
Послесловие
225-
меру авторитет® включить в нее как можно более-
широкий круг вопросов о важнейших свойствах льда.
К сожалению, мрактер книги не позволил затронуть
здесь многие ос«бенно глубокие проблемы.
Так, напримф, в этой книге речь всюду шла о
льде, образованном из водорода 'Н и кислорода
16О, а между тм в окружающей нас природе встре-
чаются тяжелы» водород 2Н и тяжелый кислород
18О, имеющие большую массу. Значит, «тяжелый
лед», состоящие из такого водорода и кислорода так-
же существует в естественных условиях. Этот лед
используют дли определения возраста ледников и
антарктической ледового панциря. Далее, в послед-
ние годы был« опубликовано большое количество
эксперименталыых данных о микроскопических свой-
ствах льда — в частности, о его электрических свой-
ствах и о внутренней структуре дислокаций. Эти дан-
ные здесь тож| практически не затрагивались. По-
чти не затрапвались и результаты исследований
оптических и ппловых свойств льда. Читателям, ко-
торые особенш интересуются этой темой, рекомен-
дуем обратитьа к указанной в конце книги литера-
туре.
В книге бы;а предпринята попытка изложить не-
которые вопроы весьма нетрадиционно. Не претен-
дуя на обладание глубокими знаниями, автор пред-
полагает, что I подобных случаях он мог невольно
допустить ошибки, и ему хотелось бы услышать or
читателей откровенные критические замечания, а
также узнать и мнения по данным вопросам.
В заключеше автор считает своим долгом побла-
годарить всех, кто оказал ему помощь. Хотелось бы
выразить самуо искреннюю признательность стар-
шим товарища» по университету, друзьям и студен-
там, с которыми автора в разное время сводила
судьба и от кгорых он многому научился. Болыпое-
спасибо господину Яги Такэхико (Физический инсти-
тут Токийской университета) за алмазную нако-
вальню, а такке господину Тогари Кэндзо (физиче-
ский факультет Университета о. Хоккайдо), предо-
ставившего aiTopy кристаллы горного хрусталя..
226
Послесловие
Большую помощь при получении фотографий автору
оказали господа Оно Наомити (Японская радиове-
щательная корпорация NHK) и Кинэбути Нобуо (Га-
зетное изд-во о. Хоккайдо). Автор благодарит свою
жену Юко за литературное редактирование книги и
помощь при работе над корректурой. Особую благо-
дарность хотелось бы выразить г-ну Маэда Дзи-
ро (библиотечно-издательский отдел Университета
о. Хоккайдо) за работу над текстом, всеми рисунка-
ми и фотографиями. Автор еще раз искренне благо-
дарит всех, кто оказал ему помощь.
Февраль 1980 г.
Маэно Норикадзу
Послесловие к 2-му изданию
К моменту выхода в свет 2-го издания настоящей
книги автор получил от многочисленных читателей
всевозможные отзывы, а также критические и одоб-
рительные замечания. Обсуждение еще раз напомни-
ло о том, что льдом должны заниматься многие
науки и что он играет в этих науках такую роль, кото-
рую нельзя игнорировать. Во 2-м издании были ис-
правлены допущенные опечатки. Автор глубоко бла-
годарен всем, кто указал на них.
Сентябрь 1981 г.
Оглавление
Предисловие редактора перевода.........................5’
Предисловие ........................................... 7
Глава 1. Лед и человек ................................ Ю
Летний лед.......................................Ю
Снег и лед зимой................................12
Снег, лед и человек.............................15
Глава 2. Сиег, лед и круговорот воды в природе.........17
Начало великого множества вецей — вода .... 17
Круговорот воды в природе......................18-
Круговорот воды переносит энерию Солнца .... 20
Количество снега и льда на Земл................21
Белизна снега н льда............................23
Глава 3. Структура и свойства кристаллш льда...........26
Изучение воды .....................................26
Химический состав воды..........................26
Форма молекул воды..............................28
Диаграмма состояний воды........................29
Повышение температуры кипени! воды и понижение
температуры планления льда......................31
Скрытая теплота.................................32
Испарение (илн возгонка) льд....................33
Кристаллическая структура льда . ,.................34
Кристаллы и стекла..............................34
Первоначальное значение слова кристалл» — лед . . 35
Обладает ли лед гексагональной кристаллической
структурой? .......................... ....... 37
Рентгеноструктурный анализ .................... 38-
Кристаллическая структура льд..................40
Почему лед легче воды ..........................43
Монокристаллы льда .............................47
Метод термического травления....................49
Ледяные звездочки Тиндаля . ....................50
Прозрачный лед.............,...................52
. Цветной прозрачный лед .......................56
Упругость н пластичность льда .....................60
Упругий лед................................... 60
Текущий лед.....................................62
Пластическая деформация монофнсталлического льда 63
228
Оглавление
Механизм скольжения вдоль базисных плоскостей:
дислокации........................................66
Кривая напряжений — деформаций....................70
Непосредственное наблюдение дислокаций з кристал-
лах льда..................................... ... 73
Поликристаллический лед и упруговязкие свойства . 75
Установившаяся ползучесть поликристаллического
льда .............................................78
Глава 4. Неупорядоченные кристаллы льда ..... . , 82
Расположение атомов водорода.........................83
Устойчивые молекулы воды. Ковалентные, связи . . 83
Водородные связи, действующие между молекулами
воды .............................................84
Расположение протонов и правила Бернала — Фау-
лера .............................................88
Статистическая модель льда........................90
Замораживание неупорядоченности....................91
Положения протонов.................................93
Идеальный кристаллический лед......................95
Лед как протонный полупроводник......................98
Пионеры электрических измерений льда..............98
Лед как полупроводник.............................101
Почему лед прозрачный, а сиег белый...............104
Электролиз льда и ионные дефекты..................106
Диэлектрическая поляризация льда.................109
Молекулы воды — постоянные диполи.................113
Механизм поворота молекул воды: ориентационные
дефекты .........................................116
Свойства льда: общая картина.........................118
Единая теория швейцарской школы...................118
Свойства льда: обшая картина......................123
Глава 5. Поверхность льда, его физические свойства . . . 127
Температура льда и его поверхность..................127
Лед, плохо переносящий жару......................127
Поверхность льда — квазижидкость.................129
Лед — чрезвычайно чистое вещество................132
Ядерный магнитный резонанс и поверхностная элек-
тропроводность ............................... .135
Восстановление льда. Катание на коньках. Снежинки . . 139
Ледяная магия: восстановление льда................139
Теория восстановления льда........................141
Почему скользят коньки и лыжи.....................146
Формы снежинок................................... 150
Лед — спеченное вещество.............................155
Механизм образования керамики — спекание . . .155
Лед тоже может спекаться.........................157
Лед Антарктиды — спеченный.......................161
Антарктический лед и предел спекания ........... 165
Оглавление 229
Глава 6. Лед и давление. Различные типьльда .... 169
Открытие льда, существующего -ри высоких давле-
ниях .........................................169
Лед, существующий при высоких гавлениях, который
тонет в воде..................................172
Деформированный лед: лед II, лд III, лед V . . . 173
Лед с двойной структурой: лед 71 и лед VII . . 176
Лед, существующий при высоких давлениях, который
можно непосредственно увидеть . ..............178
Открытие льда VIII и льда IX................. . 182
Лед в предельном состоянии................. . 186
Метастабильный лед ...........................188
Клеточный (клатратный) лед....................189
Глава 7. Космический лед ............................194
Происхождение воды Солнечной системы..........194
Лед Луны .....................................198
Лед на Марсе..................................199
Марсианский снег..............................203
Ледяные спутники Юпитера......................204
Космические фонтаны: кометы...................210
Кольца Сатурна ...............................211
Космогляциология............................ 216
Литература ..........................................219
Послесловие .........................................224
Послесловие к 2-му изданию.......................... 226
УВАЖАЕМЫЙ ЧИТАТЕЛЬ!
Ваши замечания о содержании кни-
ги, ее оформлении, качестве перевода и
другие просим присылать по адресу:
129820, Москва, ГСП, 1-й Рижский пер.,
д. 2, изд-во «Мир».
Научно-популярное издание
НорнкадЗ; Маэно
НАУКА С ЛЬДЕ
Заведующий редакцией профессор А. Н. Матвеев
Зам. зав. редакцией С. М. Жебровский
Научный редакторЛ. И. Третьякова
Мл. редакторы В. И. Аксенова, И. А. Зиновьева
Худ ожннк А. Я. Мусин
Художественный редктор К- В. Радченко
Технический редактор О. Г. Лапко
Корректор Н. А, Мистрюкова
ИВ Ns 6221
Сдано в иа бор 05.05.87. Подписано s печати 01.12.87. Формат 84X1087».
Бумага книжно-журнальная. Печать высокая. Гарнитура литературная.
Объем 3,63 бум. л. Усл. печ. л. 12,18. Усл. кр.-отт. 12,50. Уч.-изд. л. 11,04.
Изд. № 2/5182. Тираж 36000 жз. Зак. 600. Цена 60 коп.
ИЗДАТЕЛЬСТВО "МИР”
129820, ГСП, Москва, И-110, 1-Й Рижский пер., 2
Ленинградская типография № 2 головое предприятие ордена Трудового
Красного Знамени Ленинградского объединения ’’Техническая книга” им.
Евгении Соколовой Союзполиграфпрзма при Государственном комитете
СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли? 198052*
г. Ленинград, Л-52, Измайловский проспект, 29.