Кислород плюс водород плюс холод порождают лед. На первый взгляд, это прозрачное вещество кажется очень простым. В действительности же, лед таит в себе множество загадок.
Лед, сотворенный африканцем
Эрасто Мпемба не помышлял о славе. Стояли жаркие дни. Ему хотелось фруктового льда. Он брал упаковку сока и клал ее в морозильник. Он проделывал это не раз и потому заметил, что особенно быстро сок замерзает, если перед этим подержать его на солнцепеке — прямо таки накалить! Странно это, думал танзанийский школьник, поступавший наперекор житейской мудрости. Неужели, чтобы жидкость быстрее превратилась в лед, ее надо предварительно… нагреть? Юноша был так удивлен, что поделился своей догадкой с учителем. Тот сообщил об этом курьезе в печати.
Эта история случилась еще в шестидесятые годы прошлого века. Теперь «эффект Мпембы» хорошо известен ученым. Но долгое время этот как будто простой феномен оставался загадкой. Почему же горячая вода замерзает быстрее холодной?
Лишь в 1996 году физик Дэвид Ауэрбах нашел решение. Чтобы ответить на этот вопрос, он целый год проводил эксперимент: подогревал воду в стакане и вновь охлаждал ее. Итак, что же он выяснил? При нагревании пузырьки воздуха, растворенные в воде, улетучиваются. Вода, лишенная газов, легче намерзает на стенки сосуда. «Конечно, вода с высоким содержанием воздуха тоже замерзнет, — говорит Ауэрбах, — но не при нуле градусов Цельсия, а лишь при минус четырех шести градусах». Понятное дело, ждать придется дольше. Итак, горячая вода замерзает раньше холодной, это научный факт.
По чему скользит конькобежец?
Едва ли найдется вещество, которое возникало бы на наших глазах с такой же легкостью, как лед. Он состоит лишь из молекул воды — то есть элементарных молекул, содержащих два атома водорода и один — кислорода. Тем не менее лед, возможно, самое загадочное вещество во Вселенной. Некоторые его свойства ученые так и не сумели пока объяснить. Другие тайны разгадали недавно.
Вот, например, бег на коньках. Почему коньки скользят по льду? На других твердых веществах, таких как дерево или бетон, коньки вовсе не скользят. Еще несколько лет назад ученые это объясняли следующим образом: под узкими полозьями коньков возникает высокое давление, в результате чего лед плавится. Значит, конькобежец на самом деле катится не по льду, а по скользкой, залитой водой колее.
Этому верили целые поколения физиков и химиков, но такое объяснение оказалось неверным.
Ошибка выявилась три года назад, когда американские ученые сканировали поверхность льда с помощью медленного электронного луча. Поверхность ледовой дорожки была и впрямь залита водой, но, удивительное дело, вода появлялась даже при нормальном давлении! Молекулы, составляющие самый верхний слой льда, слабо связаны друг с другом, поэтому они почти беспрепятственно переходят из одного фазового состояния в другое. Лишь при температуре —60 С поверхность льда становится вязкой. «Тогда и скользить на коньках будет проблематично», — замечает химик Габор Саморджаи из Берклийской лаборатории им. Лоуренса (Калифорния, США). Итак, дело не в высоком давлении, а в поверхностных свойствах самого льда. Впрочем, каждому из нас — на бытовом уровне — это было известно давно: если выйти на лед не в коньках, звучно его режущих, а в обычных ботинках, все равно по льду будешь скользить.
Еще одно удивительное свойство льда откроется нам, когда мы прижмем друг к другу две ледышки: две скользкие поверхности, сложенные вместе, склеиваются! Как мы уже выяснили, поверхность любого куска льда являет собой череду слабо связанных между собой молекул. Когда мы прижимаем эти куски льда (или комья снега), молекулы их поверхностных слоев крепко сцепливаются, соединяя ледышки надежнее, чем клей «Момент». Это свойство снега и льда мы используем, когда лепим снежки. Эскимосы же, например, строят целые снежные дома — иглу. Если бы снег был сухим, то крыши этих жилищ непрестанно осыпались бы на головы эскимосов, словно песок.
Итак, поверхность льда покрыта тонким влажным слоем. Это его свойство украшает нашу жизнь зимой — снежки, коньки. Это же свойство может разогреть нашу планету, чему свидетельством — озоновая дыра, разверзшаяся над Южным полушарием. Большую роль в ее появлении играют ледяные облака, расположившиеся в 35 километрах над землей. Антарктической зимой кристаллики льда улавливают из атмосферы соединения хлора и накапливают их до весны. «Когда Солнце начинает светить все ярче, частички льда ведут себя как катализатор», — говорит физик Алексей Глебов, сотрудник Института исследования течений при Обществе им. Макса Планка (Геттинген, Германия). По вине этих льдинок распадаются хлористые соединения, и в атмосферу устремляются многочисленные атомы хлора — агрессивные частицы, разрушающие молекулы озона. Если бы поверхность кристалликов льда была твердой, этого не случилось бы: соединения хлора попросту отскакивали бы от них, как мячи, отлетающие от стенки.
Чтобы спасти климатическое равновесие, надо сократить выброс хлористых соединений в атмосферу. Иначе перегрев планеты, таяние антарктических льдов и — читайте приведенный ниже сценарий!
Двенадцатый лед в воде не тонет
Когда мы произносим слово «лед», мы не совсем точны: нам следовало бы добавить «лед Ih». Ведь при более низких температурах и более высоких давлениях мы будем иметь дело с другими сортами льда. Сколько всего этих сортов? Пока их насчитывают двенадцать, в том числе «аморфный лед», который, как полагают, существует в космосе. Самой экзотической формой является, наверное, лед Х. Этот лед образуется при давлении, в миллионы раз превосходящем атмосферное давление. Такое давление возникнет, например, под острием иглы, если на игольное ушко взгромоздить целый автомобиль. Такие сверхвысокие давления встречаются только в космосе.
Из этих двенадцати модификаций льдa лишь одна легче воды — разумеется, та самая, с которой мы все хорошо знакомы. Ее плотность равна 0,931 г/см3, в то время как плотность воды достигает 1 г/см3. Особенность строения этой формы льда состоит в том, что молекулы в ее кристаллах располагаются очень свободно; между ними имеются большие зазоры. Если все другие вещества, замерзая, сжимаются, то вода, превращаясь в лед Ih, расширяется. Объем растет, масса остается неизменной. Так возникает «рыхлая» и легкая структура.
Представим себе, что уникальное свойство воды — расширяться при замерзании — исчезло. Как изменился бы наш мир?
Сперва о приятном: зимой перестали бы лопаться водопроводные трубы; мы без малейших колебаний ставили бы в морозильник банки с пивом или минеральной водой. Плавать в полярных морях можно было бы без всякой опаски, и знаменитый «Титаник» никогда бы не потонул, ибо во всем Атлантическом. океане невозможно было бы сыскать ни единого айсберга — эти горы льда шли бы ко дну как свинцовые грузила.
Теперь о страшном. Легко догадаться, что полярных медведей и других обитателей Арктики перемена свойства воды (и льда) ничуть не обрадовала бы. Их жизненное пространство сузилось бы до нескольких небольших островов, раскиданных по всему Северному Ледовитому океану, ведь огромные массы льда, сковывающие этот океан, неминуемо пошли бы ко дну. Погибли бы и рыбы, населяющие бессчетные реки и озера в северных широтах Евразии и Америки, потому что эти естественные водремы в зимнюю пору промерзали бы до дна. Толща воды, каменея, ледяными тисками сдавила бы всех своих обитателей. Ведь живые существа благополучно проводят зиму лишь потому, что лед, покрывая поверхность реки, озера или пруда, надежно защищает от холода все, что под ним ютится. Возле дна температура воды не опускается ниже 4о С.
Продолжим наше путешествие по Земле изменившегося льда. Здесь стало несравненно теплее. Сейчас льды, покрывающие приполярные области, содержат многочисленные пузырьки воздуха. Поэтому они не прозрачны, как вода, а окрашены в белый цвет. Они почти идеально отражают солнечные лучи. Когда огромные массы льда потонут в водах северных морей, поверхность Земли станет темнее. Она будет лучше поглощать солнечный свет, абсорбировать его энергию, и, как следствие, земная атмосфера разогреется. Постепенно растают материковые льды, покрывающие сейчас Антарктиду. Уровень моря возрастет. Портовые города скроются под толщей воды. Лишь фотографии и киноленты будут напоминать нашим потомкам о таких знаменитых мегаполисах, как Рио де Жанейро, Гамбург, Нью Йорк. Воды разлившегося Голландского моря станут излюбленным местом отдыха аквалангистов, которые будут с любопытством осматривать затонувшие селения и города, подводные мельницы, стадионы и аэропорты.
Страшное оружие Природы
Конечно, все это из области фантазий. Однако и в реальности лед таит для нас огромную опасность. Если льда будет чуть больше или меньше, наша цивилизация рухнет. Жители Мюнхена или Москвы легко вспомнят сильнейший град, выпавший в нашей столице в июле 1999 года, а в Мюнхене— в 1984 году. В тот год в этом южном немецком городе пострадало около 240 000 автомобилей. Все они получили различные вмятины — так тяжелы были удары градин. Общий ущерб тогда превысил три миллиарда марок. А ведь то была одна из самых безобидных катастроф, которые может уготовить нам лед!
Хуже пришлось жителям Монреаля. До недавних пор — а точнее до 5 января 1998 года — считалось, что этот крупнейший канадский город выдержит любые козни зимы. Однако в тот январский день внезапно пошел необычный град. С неба посыпался рыхлый лед, превращая улицы в каток, по которому можно было двигаться лишь со скоростью улитки. Через три дня толщина ледового слоя составила целых 30 сантиметров. Под тяжестью льда рушились, словно спички, опоры линий электропередачи — между прочим, самые массивные во всей Америке. Железнодорожное сообщение в провинции Квебек прекратилось. Сто семьдесят поездов безнадежно застряли в пути. Около миллиона домов осталось без электричества — и в большинстве случаев без отопления, поскольку 70 процентов канадских жилищ обогреваются с помощью электрического тока. Итак, многие сотни тысяч людей оказались заточены в темных, холодных квартирах и коттеджах — при температуре воздуха —28С!
Для жителей альпийских стран лед (точнее говоря, снег) тоже — штука коварная и ненадежная. С одной стороны, любители горных лыж неизменно пополняют бюджеты этих государств, а некоторые кантоны и округа только и живут туризмом. С другой стороны, горные деревушки часто страдают от снежных лавин. Так, в Швейцарии в одном только 1951 году с гор в долины сошло более 1400 лавин, сравняв с землей 1527 домов.
В годы Первой мировой войны снег служил мощным оружием: приспособились стрелять по горным кручам, вызывая сход лавин на вражеские позиции. В ту пору в Альпах пролегала линия фронта, разделявшая армии Италии и Австро Венгрии. Нередко окопы, в которых укрывались солдаты, превращались для них в ледяные могилы после нацеленных залпов по горным вершинам. Всего за время войны около 12 000 солдат были погребены под снежными лавинами.
Впрочем, и в мирное время стреляют по горным склонам. Швейцарцы упреждают таким способом внезапный сход лавин. Каждый год приходится тратить миллиарды марок на то, чтобы с помощью бронебойных снарядов спровоцировать сход лавины в тот момент, когда населенные пункты будут готовы отгородиться от снежной массы многотонными стальными щитами. В общине Ла Фули (кантон Вале) жители укрываются от лавин за громадными земляными валами высотой с порядочный дом.
Самую же большую опасность для населения нашей планеты таит в себе низкая температура таяния льда. Сейчас полярные области Земли скованы мощным ледяным покровом. Если он начнет таять, в Мировой океан хлынут громадные массы воды. Такое развитие событий вполне возможно. Ведь парниковый эффект способствует таянию полярных льдов, и, значит, талая вода постепенно затопит обширные прибрежные территории.
Нечто подобное уже наблюдалось около 18 000 лет назад, когда в Северном полушарии начали таять гигантские ледники. На протяжении нескольких последующих тысячелетий Океан неизменно, наступал на сушу. В конце концов, его уровень вырос на 110 метров! Вода затопила обширные районы Евразии, образовав такие моря, как Северное, Карское, Восточно Сибирское и Чукотское. Новое наступление водной стихии, очевидно, не будет столь мощным. По прогнозам ученых, уровень Мирового океана в ближайшее тысячелетие повысится как минимум на 20—100 сантиметров, но ведь ситуация может и ухудшиться.
Лед слезы льет
Обычно в Антарктике наблюдается стабильное равновесие Выпавший снег под тяжестью собственного веса спрессовывается в лед. Огромные массы льда медленно соскальзывают с антарктических гор в сторону океана, проползая со скоростью 10 метров в год. Возле воды застывшие глыбы разламываются, от них отделяются огромные айсберги.
Однако так бывает не всегда и не везде. На фотографиях, сделанных спутниками, в западной части Антарктиды были обнаружены реки изо льда. Эти ледовые потоки движутся в 50 раз быстрее, чем остальной лед. Всего за сутки они перемещаются на целый метр. Ширина некоторых ледовых рек достигает полусотни километров, а глубина — одного километра! По сравнению с ними Нил или Амазонка покажутся ручейками!
Как повлияет на эти реки парниковый эффект? Ученые пока теряются в догадках, хотя все отчетливее вырисовывается мрачный сценарий. Вполне возможно, что эти реки будут вовлекать в свое движение глыбы льда, расположенные пока что по их берегам. Так, постепенно расширяясь, эти реки заполнят весь континент В океан соскользнет столько льда, что уровень его поднимется на шесть метров. «Подобные катастрофические изменения могут произойти отнюдь не за тысячелетие, а за каких нибудь шестьдесят—семьдесят лет — срок, соизмеримый с человеческой жизнью», — опасается гляциолог Ричард Аллей из Пенсильванского университета. Вот тут и придет пора попрощаться с портовыми городами, знаменитыми мегаполисами и старой, доброй Голландией. Начнется Величайшее переселение народов: половина жителей Земли будет вынуждена покинуть районы, уходящие под воду.
Впрочем, все может пойти и по другому антарктические реки ведут себя очень своенравно. Некоторые из них внезапно, без всякой видимой причины, застывают. Почему? «Мы не знаем даже, почему эти реки текут, — говорит гляциолог Уильям Харрисон из Фэрбенксского университета (Аляска, США) — И уж тем более не понимаем, почему они останавливаются».
Снежинка снежинке — не пара
Снег более изучен и понятен, чем лед. В былые века многие светлые головы интересовались хлопьями, летящими с небес. Так, немецкий астроном Иоганн Кеплер выяснил, что почти все снежинки представляют собой шестиконечные кристаллики Рене Декарт занимался не только философией («Cogito ergo sum», «Я мыслю — значит, существую»), но и наблюдениями в области естественных наук. Так, еще в 1637 году он опубликовал первые реалистичные зарисовки снежинок. На его эскизах можно увидеть даже двенадцати — и восемнадцатиконечные кристаллики, которые в природе встречаются очень редко.
Хрупкие, легчайшие снежинки проходят долгий и прихотливый путь Зарождаются они в облаках, конденсируясь из водяных паров в виде крохотных капелек. Все происходит согласно упомянутому нами «эффекту Мпембы»: капельки остывают до температуры ниже О С, но не замерзают. Лишь витающие в воздухе пылинки способствуют их превращению в снег. Как только капельки воды сталкиваются с этими «центрами кристаллизации», они тут же «взрываются», застывая шестиконечными кристалликами.
По мере приближения к Земле, они притягивают к себе все новые капли, постепенно увеличиваясь в размерах. Японский физик Укихиро Накая еще в 1930 е годы выяснил, что форма снежинок зависит от температуры окружающего их воздуха. Так, если на пути снежинки встретится поток очень холодного воздуха, кристаллик начинает расти в высоту, вытягиваясь словно небольшой столбик. Более теплые слои воздуха формируют симметричные многогранные пластинки. Если температура воздуха оказывается выше точки замерзания, снежинка тает, вновь превращаясь в дождевую каплю.
Все это выглядит слишком схематично: если тепло — в воздухе носятся миллионы пластинок, если холодно — с неба сыплются одинаково удлиненные кристаллики. А вот этого — единообразия — как раз нет! На самом деле снежные хлопья минуют не один температурный слой, а множество. Постоянное чередование температуры превращает кристаллики снега в уникальное творение. Четыре года назад американские ученые, обследовав около 12 000 снежинок, выявили у них самые разнообразные дефекты, нарушавшие симметрию. Под электронным микроскопом были видны многочисленные точечные и нитевидные «довески», портившие безупречную форму снежинок. Немецкие метеорологи подсчитали, что каждый год на Германию падает несколько септильонов (число с 24 нулями) снежинок. Но среди них не найти двух одинаковых!
Снежный покров, устилающий землю в зимние месяцы, жизненно важен для растений. Он спасает их от вымерзания. Рыхлый снег содержит большое количество воздуха. Порой «снежная перина» на 90 процентов состоит из воздушной начинки, а та, как известно, является превосходным изолятором. Недаром окна в наших домах двойные, с прослойкой воздуха между стеклами, который защищает жилище от холода. Тот же эффект используют эскимосы, строя свои зимние хижины из снега. Внутри иглу тепло (температура доходит до 10 С), и, как мы выяснили, потолок никогда не осыпается.
Космический град жизни
Возможно, что жизнь на Земле тоже зародилась благодаря льду — космическому льду. Оживленная дискуссия на эту тему вспыхнула в 1981 году, когда в руки ученых попали фотоснимки, сделанные в верхних слоях атмосферы спутником «Dynamics Explorer». Это были потрясающие цо качеству фотографии, на которых, впрочем, имелся один изъян: там виднелось множество черных точек. Эксперты предположили, что фотопленка оказалась с дефектом. Совсем по иному рассудил Луис Френк, профессор физики из Айовского университета. По его мнению, фотокамера запечатлела многочисленные космические «снежки», летящие в сторону Земли. Каждый день, по словам Френка, нашу планету обстреливает около 30 000 ледяных комет. Впрочем, эти глыбы высотой с дом испаряются, попав в атмосферу, поэтому до сих пор их никто никогда не замечал.
Смелое утверждение! Так можно объяснить не только появление водяных паров в атмосфере. За миллионы лет эти космические «снежки» принесли на Землю, наверное, столько воды, что все впадины и низменности рельефа покрылись океанами и морями! Земля — это пустой сосуд, без устали наполняемый Космосом. Довольно! Коллеги посчитали профессора Френка фантазером. На научных конференциях с ним перестали разговаривать. Его исследовательские заявки отклонялись. Научно популярные журналы возвращали его статьи. Однако физик не сдавался. В 1997 году, вооружившись новой фотокамерой, он заснял на пленку светящиеся следы. Их оставляли распадавшиеся снежные глыбы — те самые мини кометы. Ученый был реабилитирован и стал знаменитостью. «Его гипотеза подтверждается!» — вынуждены были признать противники профессора Френка.