4.20. Ледяные шипы и другие образования изо льда

Почему у большинства замороженных в формочках кубиков льда в центре есть округлый бугорок? Почему из некоторых кубиков льда растут вверх ледяные шипы? Иногда холодной зимой можно увидеть совершенно невероятные ледяные шипы, растущие во дворе из купален для птиц и других небольших емкостей с водой.

Почему с обратной стороны льда на луже иногда образуются несколько рубчиков в форме колец? Как на некоторых реках образуются крутящиеся ледяные диски, отделенные узкой щелью от остального льда? Такие диски примерно 50 м в диаметре существуют месяцами и совершают полный оборот примерно за полтора часа. Почему на ледяном покрове некоторых рек образуются длинные трещины, напоминающие синусоиду? Почему иногда лед на поверхности некоторых озер, прудов и даже кубиков льда не плоский, а со складками, хотя за все время замерзания ветра не было?

ОТВЕТ • Когда из молекул воды образуется кристалл льда, вода расширяется. Если лед растет в формочке, вода может увеличивать свой объем, только продвигаясь вверх. В середине кубика льда вода замерзает последней, поэтому расширяющиеся области с краев гонят воду к центру и вверх.

Такой процесс может привести к образованию ледяных шипов, если сначала на поверхности воды образуется тонкий слой льда, а затем расширяющаяся вода взламывает этот слой, выталкивая оставшуюся жидкую воду в центре через этот пролом (рис. 4.4). В результате оболочка растет вверх. Когда вся вода замерзает, оболочка превращается в твердый, направленный вверх шип. Подобные шипы встречаются редко, поскольку возможность их образования определяется соотношением скорости выдавливания жидкости вверх через трещину в оболочке и скоростью замерзания остающейся в кубике льда воды.

Рис. 4.4 / Задача 4.20. Ранняя стадия образования ледяного шипа.

Складки в форме колец, образующиеся на поверхности льда при замерзании лужи, связаны с циклическим замерзанием при просачивании воды из-подо льда. Сначала, когда лужа только начинает замерзать, она покрывается от края до края тонким слоем льда. Затем снизу на поверхность льда через трещины просачивается вода, а по внешнему краю под лед просачивается воздух. В какой-то момент поступление воды замедляется или совсем останавливается. Подо льдом, недалеко от края лужи, там, где холодный воздух встречается с водой, вода замерзает, и образуется направленная вниз складка. Затем вода опять начинает интенсивно просачиваться, на поверхность попадает больше воды, изолируя эту складку. Если просачивание опять замедлится или остановится, ближе к центру лужи образуется еще одна складка. До того, как вся вода из лужи просочится на ее покрытую льдом поверхность и замерзнет, может образоваться несколько подобных складок.

Иногда зимой на реках, там, где есть водовороты, образуются диски больших размеров. Если образовавшиеся выше по течению льдины попадают в водоворот, они постепенно объединяются в одну большую льдину, которую раскручивает вращающаяся вода. Когда вся остальная река застывает, вращение не дает замерзнуть воде на границе между этой льдиной и остальным ледяным покровом реки, а трение между ней и льдом вокруг постепенно сглаживает края льдины, превращая ее в круглый диск. Раскручивание может возникать, в частности, потому, что скорость течения у берегов меньше, чем вдали от них.

Когда на ледяное покрытие водоема действуют разнонаправленные силы (такое бывает, если, например, лед, под которым продолжает течь вода, примерзает к скале) изначально прямолинейная трещина, распространяясь по льду, меняет форму и становится волнообразной. Такие трещины иногда возникают на стеклянной пластинке, если ее пронести над нагревателем, что приводит к появлению в пластинке растягивающих напряжений. В зависимости от скорости движения пластинки трещина может быть прямой (малая скорость), волнистой (средняя скорость), либо трещина делится на две или четыре трещины (большая скорость).

При замерзании вода образует гексагональный кристалл. Ось, проходящую через центр кристалла перпендикулярно двум граням шестигранника, обозначают буквой c. Наиболее быстро кристалл растет параллельно граням шестигранника, в так называемых базисных плоскостях. Предположим, что кристалл начал расти, когда ось c направлена по вертикали, а базисная плоскость горизонтальна. Тогда кристалл растет в горизонтальной плоскости и поверхность льда остается плоской. Если же кристалл льда начал расти, когда ось c была направлена не вертикально, то он образует гребень на поверхности. Если несколько соседних кристаллов ориентированы подобным образом, на поверхности льда образуется несколько гребней.