Lód - Ice

lód
Obraz lodu.
Właściwości fizyczne
Gęstość (ρ) 0,9167–0,1168 g/cm 3
Współczynnik załamania (n) 1,309
Właściwości mechaniczne
Moduł Younga (E) 3400 do 37500 kg-siła /cm 3
Wytrzymałość na rozciąganiet ) 5 do 18 kg-siła/cm 2
Wytrzymałość na ściskanie (σ c ) 24 do 60 kg-siła/cm 2
Współczynnik Poissona (ν) 0,36 ± 0,13
Właściwości termiczne
Przewodność cieplna (k) 0,0053(1 + 0,105 θ ) cal/(cm·s·K), θ = temperatura w °C
Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej (α) 5,5 x 10 -5
Ciepło właściwe (c) 0,5057 − 0,001863 θ cal/(g K), θ = wartość bezwzględna temperatury w °C
Właściwości elektryczne
Stała dielektryczna (ε r ) ~3,15
Właściwości lodu różnią się znacznie w zależności od temperatury, czystości i innych czynników.

Lód to woda zamrożona w stanie stałym . W zależności od obecności zanieczyszczeń, takich jak drobinki ziemi lub pęcherzyki powietrza, może mieć przezroczysty lub mniej lub bardziej nieprzejrzysty niebieskawo-biały kolor.

W Układzie Słonecznym lód jest obfity i występuje naturalnie tak blisko Słońca, jak Merkury, aż po obiekty w chmurze Oorta . Poza Układem Słonecznym występuje jako lód międzygwiezdny . Występuje obficie na powierzchni Ziemi – szczególnie w regionach polarnych i powyżej linii śniegu  – i jako powszechna forma opadów i osadzania odgrywa kluczową rolę w ziemskim obiegu wody i klimacie . Opada w postaci płatków śniegu i gradu lub występuje w postaci szronu, sopli lub kolców lodu i agregatów ze śniegu w postaci lodowców i pokryw lodowych.

Lód wykazuje co najmniej osiemnaście faz ( geometrii upakowania ), w zależności od temperatury i ciśnienia. Gdy woda jest szybko schładzana ( hartowanie ), mogą tworzyć się do trzech rodzajów lodu amorficznego, w zależności od jego historii ciśnienia i temperatury. Po powolnym chłodzeniu skorelowane tunelowanie protonów zachodzi poniżej-253,15  °C (20  K ,-423,67  ° F ) dając początek makroskopowym zjawiskom kwantowym . Praktycznie cały lód na powierzchni Ziemi i w jej atmosferze ma heksagonalną strukturę krystaliczną, oznaczoną jako lód I h (wypowiadany jako „lód jeden h”) z drobnymi śladami sześciennego lodu, oznaczona jako lód I c i, ostatnio znaleziony, Lód VII inkluzje w diamentach. Najczęstsze przejście fazowe w lód I h występuje, gdy woda w stanie ciekłym jest schładzana poniżej°C (273,15  K ,32  ° F ) przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym . Może być również osadzany bezpośrednio przez parę wodną , jak to ma miejsce przy powstawaniu szronu. Przejście od lodu do wody topi się, a od lodu bezpośrednio do pary wodnej następuje sublimacja .

Lód jest używany na różne sposoby, w tym do chłodzenia, do uprawiania sportów zimowych i rzeźbienia w lodzie .

Właściwości fizyczne

Trójwymiarowa struktura krystaliczna lodu H 2 O I h (c) składa się z zasad cząsteczek lodu H 2 O (b) zlokalizowanych w punktach sieci w obrębie dwuwymiarowej heksagonalnej sieci przestrzennej (a).

Jako naturalnie występujące krystaliczne nieorganiczne ciało stałe o uporządkowanej strukturze, lód uważany jest za minerał . Posiada regularną strukturę krystaliczną opartą na cząsteczce wody, która składa się z pojedynczego atomu tlenu kowalencyjnie związanego z dwoma atomami wodoru , czyli H–O–H. Jednak wiele właściwości fizycznych wody i lodu jest kontrolowanych przez tworzenie wiązań wodorowych między sąsiednimi atomami tlenu i wodoru; chociaż jest to słabe wiązanie, ma jednak kluczowe znaczenie w kontrolowaniu struktury zarówno wody, jak i lodu.

Niezwykłą właściwością wody jest to, że jej postać stała – lód zamarznięty pod ciśnieniem atmosferycznym – ma około 8,3% mniej gęstości niż jej postać ciekła; odpowiada to ekspansji objętościowej o 9%. Gęstość lodu jest 0.9167-0.9168 g / cm 3 w 0 ° C i pod standardowym ciśnieniem atmosferycznym (101325 Pa), przy czym woda ma gęstość 0.9998-0.999863 g / cm 3, w tej samej temperaturze i ciśnieniu. Woda w stanie płynnym jest najgęstsze zasadniczo do 1,00 g / cm 3 , w temperaturze 4 ° C i zaczyna tracić swoją gęstość, ponieważ cząsteczki wody zaczyna tworzyć się heksagonalne kryształy z lodem po osiągnięciu punktu zamrażania. Wynika to z dominujących sił międzycząsteczkowych wiązań wodorowych, co powoduje, że upakowanie cząsteczek jest mniej zwarte w ciele stałym. Gęstość lodu wzrasta nieznacznie wraz ze spadkiem temperatury i ma wartość 0.9340 g / cm 3 w temperaturze -180 ° C (93 K).

Gdy woda zamarza, zwiększa swoją objętość (około 9% dla świeżej wody). Efekt ekspansji podczas zamarzania może być dramatyczny, a ekspansja lodu jest podstawową przyczyną wietrzenia skał w warunkach zamarzania i rozmrażania oraz uszkodzeń fundamentów budynków i jezdni spowodowanych falowaniem mrozu . Jest to również częsta przyczyna zalania domów, gdy rury wodociągowe pękają z powodu ciśnienia rozprężającej się wody podczas zamarzania.

W wyniku tego procesu lód (w swojej najpowszechniejszej postaci) unosi się na ciekłej wodzie, co jest ważną cechą biosfery Ziemi . Argumentowano, że bez tej właściwości naturalne zbiorniki wodne zamarzałyby, w niektórych przypadkach na stałe, od dołu do góry, powodując utratę życia zwierząt i roślin zależnych od dna w wodzie słodkiej i morskiej. Wystarczająco cienkie pokrywy lodowe przepuszczają światło, jednocześnie chroniąc spód przed krótkotrwałymi ekstremalnymi warunkami pogodowymi, takimi jak zimny wiatr . Tworzy to osłonięte środowisko dla kolonii bakterii i glonów. Kiedy woda morska zamarza, lód jest podziurawiony kanałami wypełnionymi solanką, w których żyją organizmy sympatyczne, takie jak bakterie, glony, widłonogi i pierścienice, które z kolei dostarczają pożywienia zwierzętom, takim jak kryl i wyspecjalizowanym rybom, takim jak łysy notthen , żywiący się z kolei przez większe zwierzęta, takie jak pingwiny cesarskie i płetwale karłowate .

Kiedy lód topi się, pochłania tyle energii, ile potrzeba do podgrzania równoważnej masy wody o 80 °C. Podczas procesu topienia temperatura pozostaje stała na poziomie 0 °C. Podczas topienia każda dodana energia rozrywa wiązania wodorowe między cząsteczkami lodu (wody). Energia staje się dostępna do zwiększenia energii cieplnej (temperatury) dopiero po zerwaniu wystarczającej ilości wiązań wodorowych, aby lód można było uznać za ciekłą wodę. Ilość energii zużywanej na zerwanie wiązań wodorowych w przejściu z lodu do wody jest znana jako ciepło topnienia .

Podobnie jak w przypadku wody, lód absorbuje światło na czerwonym końcu widma preferencyjnie w wyniku nadtonu rozciągnięcia wiązania tlen-wodór (O-H). W porównaniu z wodą ta absorpcja jest przesunięta w kierunku nieco niższych energii. Tak więc lód wydaje się niebieski, z nieco bardziej zielonym odcieniem niż woda w stanie ciekłym. Ponieważ absorpcja się kumuluje, efekt koloru nasila się wraz ze wzrostem grubości lub jeśli wewnętrzne odbicia powodują, że światło obiera dłuższą drogę przez lód.

Inne kolory mogą pojawiać się w obecności zanieczyszczeń absorbujących światło, gdzie zanieczyszczenie dyktuje kolor, a nie sam lód. Na przykład góry lodowe zawierające zanieczyszczenia (np. osady, glony, pęcherzyki powietrza) mogą mieć kolor brązowy, szary lub zielony.

Fazy

Zależność topnienia lodu od ciśnienia

Lód może być dowolną z 19 znanych stałych krystalicznych faz wody lub amorficznym stanem stałym o różnych gęstościach.

Większość cieczy pod zwiększonym ciśnieniem zamarza w wyższych temperaturach, ponieważ ciśnienie pomaga utrzymać cząsteczki razem. Jednak silne wiązania wodorowe w wodzie sprawiają, że jest inaczej: dla niektórych ciśnień wyższych niż 1 atm (0,10 MPa) woda zamarza w temperaturze poniżej 0 ° C, jak pokazano na poniższym diagramie fazowym. Uważa się, że topnienie lodu pod wysokim ciśnieniem przyczynia się do ruchu lodowców .

Lód, woda i para wodna mogą współistnieć w punkcie potrójnym , czyli dokładnie 273,16 K (0,01°C) pod ciśnieniem 611,657  Pa . Kelwin był w rzeczywistości określa się jako1/273,16różnicy między tym punktem potrójnym a zerem bezwzględnym , chociaż definicja ta uległa zmianie w maju 2019 r. W przeciwieństwie do większości innych ciał stałych lód jest trudny do przegrzania . W eksperymencie lód o temperaturze -3 °C został przegrzany do około 17 °C przez około 250 pikosekund .

Poddawany działaniu wyższych ciśnień i zmieniających się temperatur lód może tworzyć się w 19 oddzielnych znanych fazach krystalicznych. Ostrożnie co najmniej 15 z tych faz (jednym ze znanych wyjątków jest lód X) można odzyskać pod ciśnieniem otoczenia i w niskiej temperaturze w postaci metastabilnej . Typy różnią się strukturą krystaliczną, uporządkowaniem protonów i gęstością. Istnieją również dwie metastabilne fazy lodu pod ciśnieniem, obie całkowicie nieuporządkowane wodorem; są to IV i XII . Lód XII odkryto w 1996 r. W 2006 r . odkryto XIII i XIV . Lody XI , XIII i XIV są formami wodoru uporządkowane z obszaru I h , V, XII, odpowiednio. W 2009 r. lód XV został znaleziony pod ekstremalnie wysokim ciśnieniem i -143 °C. Przewiduje się, że przy jeszcze wyższych ciśnieniach lód stanie się metalem ; Szacuje się, że występuje to na różne sposoby przy 1,55 TPa lub 5,62 TPa.

Oprócz postaci krystalicznych woda w stanie stałym może występować w stanach amorficznych jako lód amorficzny (ASW) o różnej gęstości. Woda w ośrodku międzygwiazdowym jest zdominowana przez amorficzny lód, co czyni ją prawdopodobnie najpowszechniejszą formą wody we wszechświecie. ASW o niskiej gęstości (LDA), znana również jako hiperhartowana woda szklista, może być odpowiedzialna za nocne chmury na Ziemi i zwykle powstaje przez osadzanie się pary wodnej w warunkach zimna lub próżni. ASW o wysokiej gęstości (HDA) powstaje przez ściskanie zwykłego lodu I h lub LDA pod ciśnieniem GPa. ASW o bardzo wysokiej gęstości (VHDA) to HDA ​​lekko podgrzany do 160K pod ciśnieniem 1-2 GPa.

W kosmosie heksagonalny lód krystaliczny (dominująca forma występująca na Ziemi) jest niezwykle rzadki. Częściej występuje lód amorficzny; jednak heksagonalny lód krystaliczny może powstawać w wyniku działania wulkanu.

Lód z teoretycznie nadjonowej wody może mieć dwie struktury krystaliczne. Przy ciśnieniu przekraczającym 500 000 barów (7 300 000 psi) taki superjonowy lód przybierałby sześcienną strukturę skoncentrowaną na ciele . Jednak przy ciśnieniu przekraczającym 1 000 000 barów (15 000 000 psi) struktura może zmienić się w bardziej stabilną sześcienną siatkę centrowaną powierzchniowo . Spekuluje się, że superjonowy lód może tworzyć wnętrze lodowych olbrzymów, takich jak Uran i Neptun.

Log-lin wykres fazowy ciśnienie-temperatura wody. W Cyfry rzymskie odpowiadają niektórych faz lodu wymienionych poniżej.
Alternatywne sformułowanie diagramu fazowego dla niektórych lodów i innych faz wody
Faza Charakterystyka
Lód amorficzny Lód amorficzny to lód pozbawiony struktury krystalicznej. Lód amorficzny występuje w trzech postaciach: lód o niskiej gęstości (LDA) powstający pod ciśnieniem atmosferycznym lub niższy o wysokiej gęstości (HDA) oraz lód amorficzny o bardzo dużej gęstości (VHDA), tworzący się pod wyższym ciśnieniem. LDA tworzy się przez niezwykle szybkie chłodzenie ciekłej wody („hiperhartowana szklana woda”, HGW), przez osadzanie pary wodnej na bardzo zimnych podłożach („amorficzna woda stała”, ASW) lub przez podgrzewanie form lodu o dużej gęstości pod ciśnieniem otoczenia („LDA”). ").
lód ja h Normalny sześciokątny lód krystaliczny. Praktycznie cały lód w biosferze to lód I h , z wyjątkiem niewielkiej ilości lodu I c .
lód ja c Metastabilny sześcienny krystaliczny wariant lodu. Atomy tlenu są ułożone w strukturę diamentu. Wytwarzany jest w temperaturach od 130 do 220 K i może istnieć do 240 K, gdy zamienia się w lód I h . Czasami może być obecny w wyższych warstwach atmosfery. Niedawno wykazano, że wiele próbek, które zostały opisane jako lód sześcienny, w rzeczywistości układało nieuporządkowany lód o symetrii trygonalnej. Pierwsze próbki lodu I o symetrii sześciennej (tj. lodu sześciennego) zostały zgłoszone dopiero w 2020 roku.
Lód II Romboedrycznej krystaliczna postać wysoce uporządkowaną strukturę. Powstaje z lodu I h przez ściskanie go w temperaturze 190–210 K. Po podgrzaniu przechodzi w lód III.
Lód III Czworokątny krystalicznym lodem, utworzone przez wodę chłodzącą do 250 K przy 300 MPa. Najmniej gęsta faza wysokiego ciśnienia. Gęstszy niż woda.
Lód IV Metastabilna faza romboedryczna. Można go utworzyć przez powolne ogrzewanie amorficznego lodu o dużej gęstości pod ciśnieniem 810 MPa. Nie tworzy się łatwo bez środka zarodkującego.
Lód V Jednoskośny faza krystaliczna. Powstaje przez wodę chłodzącą do 253 K przy 500 MPa. Najbardziej skomplikowana struktura wszystkich faz.
Lód VI Czterokątna faza krystaliczna. Utworzony przez wodę chłodzącą do 270 K przy 1,1 GPa. Wykazuje relaks Debye .
Lód VII Faza sześcienna. Pozycje atomów wodoru są nieuporządkowane. Wykazuje relaks Debye. Wiązania wodorowe tworzą dwie przenikające się sieci.
Lód VIII Bardziej uporządkowana wersja lodu VII, w której atomy wodoru zajmują stałe pozycje. Powstaje z lodu VII przez schłodzenie go poniżej 5 °C (278 K) przy 2,1 GPa.
Lód IX Faza tetragonalna. Powstaje stopniowo z lodu III przez ochłodzenie go z 208 K do 165 K, stabilny poniżej 140 K i ciśnienia od 200 MPa do 400 MPa. Ma gęstość 1,16 g/cm 3 , nieco większą niż zwykły lód.
Lód X Lód symetryczny o uporządkowaniu protonowym. Formy na około 70 GPa.
Lód XI Rombowej , o niskiej temperaturze formy równowagowe sześciokątnym lodu. Jest ferroelektryczny . Lód XI jest uważany za najbardziej stabilną konfigurację lodu I h .
Lód XII Czterokątna, metastabilna, gęsta faza krystaliczna. Obserwuje się to w przestrzeni fazowej lodu V i lodu VI. Można go wytworzyć przez ogrzewanie amorficznego lodu o dużej gęstości od 77 K do około 183 K przy 810 MPa. Ma gęstość 1,3 g cm- 3 w 127 K (tj. około 1,3 razy gęstsza niż woda).
Lód XIII Faza krystaliczna jednoskośna. Powstaje przez wodę chłodzącą do temperatury poniżej 130 K przy 500 MPa. Uporządkowana protonowo forma lodu V.
Lód XIV Ortorombowa faza krystaliczna. Powstały poniżej 118 K przy 1,2 GPa. Uporządkowana protonowo forma lodu XII.
Lód XV Uporządkowana protonowo forma lodu VI utworzona przez chłodzenie wody do około 80–108 K przy 1,1 GPa.
Lód XVI Najmniej gęsta postać krystaliczna wody, topologicznie równoważna pustej strukturze hydratów klatratu sII .
Kwadratowy lód Kwadratowe kryształki lodu tworzą się w temperaturze pokojowej, gdy są ściskane między dwiema warstwami grafenu . Materiał był nową krystaliczną fazą lodu, kiedy został po raz pierwszy ogłoszony w 2014 roku. Badania wywodzą się z wcześniejszego odkrycia, że para wodna i ciekła woda mogą przechodzić przez laminowane arkusze tlenku grafenu , w przeciwieństwie do mniejszych cząsteczek, takich jak hel . Uważa się, że efekt jest spowodowany siłą van der Waalsa , która może obejmować ciśnienie ponad 10 000 atmosfer .
Lód XVIII Forma wody znana również jako woda superjonowa lub lód superjonowy, w której jony tlenu rozwijają strukturę krystaliczną, podczas gdy jony wodoru poruszają się swobodnie.
Lód XIX Inna forma lodu o uporządkowaniu protonowym VI utworzona przez ochłodzenie wody do około 100 K przy około 2 GPa.

Właściwości tarcia

Zamarznięty wodospad w południowo-wschodniej części Nowego Jorku

Niski współczynnik tarcia („śliskość”) lodu przypisuje się naciskowi obiektu, który styka się z lodem, topiąc cienką warstwę lodu i umożliwiając obiektowi ślizganie się po powierzchni. Na przykład ostrze łyżwy pod wpływem nacisku na lód stopiłoby cienką warstwę, zapewniając smarowanie między lodem a ostrzem. To wyjaśnienie, zwane „topieniem ciśnieniowym”, pochodzi z XIX wieku. To jednak nie uwzględniało jazdy na łyżwach na lodzie o temperaturze niższej niż -4 ° C (25 ° F; 269 K), na którym często jeździ się na łyżwach.

Druga teoria opisująca współczynnik tarcia lodu sugerowała, że ​​cząsteczki lodu na granicy faz nie mogą prawidłowo wiązać się z cząsteczkami o masie lodu pod spodem (a zatem mogą poruszać się swobodnie jak cząsteczki płynnej wody). Cząsteczki te pozostają w stanie półpłynnym, zapewniając smarowanie niezależnie od nacisku na lód wywieranego przez dowolny przedmiot. Jednak istotność tej hipotezy jest kwestionowana przez eksperymenty wykazujące wysoki współczynnik tarcia lodu przy użyciu mikroskopii sił atomowych .

Trzecia teoria to „ogrzewanie tarcia”, które sugeruje, że tarcie materiału jest przyczyną topnienia warstwy lodu. Jednak ta teoria nie wyjaśnia wystarczająco, dlaczego lód jest śliski, gdy stoi nieruchomo, nawet w temperaturach poniżej zera.

Kompleksowa teoria tarcia lodu uwzględnia wszystkie wyżej wymienione mechanizmy tarcia. Model ten umożliwia ilościowe oszacowanie współczynnika tarcia lodu o różne materiały w funkcji temperatury i prędkości poślizgu. W typowych warunkach związanych ze sportami zimowymi i ogumieniem pojazdu na lodzie głównym powodem śliskości jest topienie cienkiej warstwy lodu na skutek nagrzewania się tarcia. Mechanizm kontrolujący właściwości cierne lodu jest nadal aktywnym obszarem badań naukowych.

Naturalna formacja

Piórkowy lód na płaskowyżu w pobliżu Alta, Norwegia . Kryształy tworzą się w temperaturach poniżej -30 ° C (-22 ° F).

Termin, który zbiorczo opisuje wszystkie części powierzchni Ziemi, na których woda jest zamrożona, to kriosfera . Lód jest ważnym elementem globalnego klimatu, szczególnie w odniesieniu do obiegu wody. Lodowce i śniegi są ważnym mechanizmem magazynowania słodkiej wody; z czasem mogą sublimować lub topić się. Topniejący śnieg jest ważnym źródłem sezonowej świeżej wody. Światowa Organizacja Meteorologiczna definiuje kilka rodzajów lodu w zależności od pochodzenia, wielkości, kształtu, wpływów i tak dalej. Hydraty klatratu to formy lodu, które zawierają cząsteczki gazu uwięzione w jego sieci krystalicznej.

Na oceanach

Lód znaleziony na morzu może mieć postać dryfującego lodu unoszącego się w wodzie, szybkiego lodu przymocowanego do linii brzegowej lub lodu zakotwiczonego, jeśli jest przymocowany do dna morskiego. Lód, który cielę się (odrywa) z szelfy lodowej lub lodowca, może stać się górą lodową. Lód morski może być spychany przez prądy i wiatry, tworząc grzbiety ciśnieniowe o wysokości do 12 metrów (39 stóp). Nawigacja przez obszary lodu morskiego odbywa się w otworach zwanych „ polynias ” lub „ prowadzi ” lub wymaga użycia specjalnego statku zwanego „ lodołamaczem ”.

Na ziemi i budowlach

Lód na drzewie liściastym po marznącym deszczu

Lód na granicach lądowych z największych typu nazywa się „ pokrywa lodowa ” do mniejszych czap lodowych i polach lodowych na lodowce i strumienie lodu do linii śniegu i pól śnieżnych .

Aufeis to warstwowy lód, który tworzy się w arktycznych i subarktycznych dolinach strumieni. Lód zamarznięty w dnie strumienia blokuje normalne odpływy wód gruntowych i powoduje podnoszenie się lokalnego zwierciadła wody, co skutkuje zrzutem wody na wierzch zamarzniętej warstwy. Woda ta następnie zamarza, powodując dalszy wzrost poziomu wód gruntowych i powtórzenie cyklu. Rezultatem jest warstwowe złoże lodu, często o grubości kilku metrów.

Marznący deszcz jest rodzajem zimowej burzy zwane burza lodowa gdzie pada deszcz, a następnie zamarza tworząc glazury lodu. Lód może również tworzyć sople przypominające wyglądem stalaktyty lub formy podobne do stalagmitów , gdy woda kapie i ponownie zamarza.

Termin „zapora lodowa” ma trzy znaczenia (inne omówione poniżej). Na konstrukcjach zapora lodowa to nagromadzenie lodu na pochyłym dachu, które uniemożliwia prawidłowe odprowadzanie wody z roztopów i może powodować uszkodzenia spowodowane wyciekami wody w budynkach.

Na rzekach i strumieniach

Mały mrożony strumyk

Lód, który tworzy się na ruchomej wodzie, jest zwykle mniej jednolity i stabilny niż lód, który tworzy się na spokojnej wodzie. Zatory lodowe (nazywane czasami „zaporami lodowymi”), w których piętrzą się połamane kawałki lodu, stanowią największe zagrożenie lodowe na rzekach. Zatory lodowe mogą powodować powodzie, uszkadzać konstrukcje w rzece lub w jej pobliżu oraz uszkadzać statki na rzece. Zatory lodowe mogą spowodować całkowite zamknięcie niektórych elektrowni wodnych . Zapora lodowa jest przeszkodą w ruchu lodowca, która może spowodować powstanie jeziora proglacjalnego . Ciężkie strumienie lodu w rzekach mogą również uszkodzić statki i wymagają użycia lodołamacza, aby umożliwić nawigację.

Lodowe dyski to okrągłe formacje lodu otoczone wodą w rzece.

Lód naleśnikowy to formacja lodu zwykle tworzona na obszarach o mniej spokojnych warunkach.

Na jeziorach

Lód tworzy się na spokojnej wodzie z brzegów, cienka warstwa rozprzestrzenia się po powierzchni, a następnie w dół. Lód na jeziorach jest generalnie cztery rodzaje: pierwotny, wtórny, nałożony i aglomeratowy. Pierwotny lód tworzy się pierwszy. Lód wtórny tworzy się poniżej lodu pierwotnego w kierunku równoległym do kierunku przepływu ciepła. Nałożony lód tworzy się na powierzchni lodu z deszczu lub wody, która sączy się przez szczeliny w lodzie, które często osadzają się po załadowaniu śniegiem.

Lód półkowy występuje, gdy pływające kawałki lodu są napędzane przez wiatr spiętrzający się na nawietrznym brzegu.

Lód świecowy to forma zgniłego lodu, który rozwija się w kolumnach prostopadłych do powierzchni jeziora.

Lód popchnięcie występuje wtedy, gdy ruch lodu, spowodowane przez rozszerzalność lodu i / lub działanie wiatru, zachodzi w zakresie który popycha lodu na brzegu jeziora, często wypierający osad, który składa się na brzegu.

W powietrzu

Tworzenie się lodu na zewnętrznej stronie przedniej szyby pojazdu

Rym

Szron to rodzaj lodu, który tworzy się na zimnych przedmiotach, gdy krystalizują na nich krople wody. Można to zaobserwować przy mglistej pogodzie, gdy temperatura spada w nocy. Miękki szadź zawiera dużą ilość uwięzionego powietrza, przez co wydaje się raczej biały niż przezroczysty i nadaje mu gęstość około jednej czwartej gęstości czystego lodu. Szadź twarda jest stosunkowo gęsta.

Pellet

Nagromadzenie granulek lodu

Granulki lodowe to forma opadów składających się z małych, przezroczystych kulek lodu. Ta forma opadów jest również określana przez US National Weather Service jako „ze śniegiem” . (W brytyjskim angielskim „sleet” oznacza mieszankę deszczu i śniegu ). Granulki lodu są zwykle mniejsze niż grad. Często odbijają się, gdy uderzają o ziemię i na ogół nie zamarzają w solidną masę, chyba że zostaną zmieszane z marznącym deszczem . METAR kod na pelety lodu jest PL .

Granulki lodu tworzą się, gdy warstwa powietrza nad zamarzaniem znajduje się na wysokości od 1500 do 3000 metrów (4900 do 9800 stóp) nad ziemią, a powietrze o temperaturze poniżej zamarzania znajduje się zarówno nad, jak i pod nią. Powoduje to częściowe lub całkowite topienie płatków śniegu, które wpadają przez ciepłą warstwę. Gdy opadają z powrotem do warstwy poniżej zamarzania bliżej powierzchni, ponownie zamarzają w granulki lodu. Jeśli jednak warstwa przemarzania pod warstwą ciepła będzie zbyt mała, opady nie zdążą ponownie zamarznąć i na powierzchni pojawi się marznący deszcz. Profil temperaturowy pokazujący ciepłą warstwę nad ziemią najprawdopodobniej można znaleźć przed frontem ciepłym podczas zimnej pory roku , ale czasami można go znaleźć za przechodzącym frontem zimnym .

Grad

Duży grad o średnicy około 6 cm (2,4 cala)

Podobnie jak inne opady, grad tworzy się w chmurach burzowych, gdy przechłodzone krople wody zamarzają w kontakcie z jądrami kondensacji , takimi jak kurz lub brud . Wiatr wznoszący burzy zdmuchuje grad w górną część chmury. Prąd wstępujący rozprasza się, a grad spada z powrotem do prądu wstępującego i ponownie zostaje podniesiony. Grad ma średnicę 5 milimetrów (0,20 cala) lub więcej. W kodzie METAR , GR jest używany do oznaczenia większego gradu, o średnicy co najmniej 6,4 milimetra (0,25 cala), a GS dla mniejszego. Kamienie nieco większe niż rozmiar piłeczki golfowej to jeden z najczęściej zgłaszanych rozmiarów gradu. Grad może wzrosnąć do 15 centymetrów (6 cali) i ważyć ponad 0,5 kilograma (1,1 funta). W przypadku dużych gradów ciepło utajone uwalniane przez dalsze zamrażanie może stopić zewnętrzną powłokę gradową. Grad może następnie ulec „mokrym wzrostom”, w którym płynna zewnętrzna powłoka zbiera inne mniejsze gradówki. Grad zdobywa warstwę lodu i powiększa się z każdym wznoszeniem. Gdy grad staje się zbyt ciężki, aby mógł być podtrzymywany przez prąd wznoszący burzy, spada z chmury.

Grad tworzy się w silnych chmurach burzowych , szczególnie tych z intensywnymi prądami wstępującymi, dużą zawartością wody w stanie ciekłym, dużym rozciągłością pionową, dużymi kroplami wody i gdy znaczna część warstwy chmur ma temperaturę poniżej zera 0°C (32°F). Chmury wytwarzające grad często można rozpoznać po ich zielonym zabarwieniu. Tempo wzrostu jest zmaksymalizowane przy około -13 ° C (9 ° F) i staje się znikomo małe znacznie poniżej -30 ° C (-22 ° F), ponieważ przechłodzone krople wody stają się rzadkie. Z tego powodu grad występuje najczęściej we wnętrzach kontynentalnych średnich szerokości geograficznych, ponieważ powstawanie gradu jest znacznie bardziej prawdopodobne, gdy poziom zamarzania jest niższy niż 11 000 stóp (3400 m). Wprowadzanie suchego powietrza do silnych burz nad kontynentami może zwiększyć częstotliwość gradu poprzez sprzyjanie chłodzeniu przez parowanie, które obniża poziom zamarzania chmur burzowych, co powoduje, że grad ma większą objętość. burze z piorunami niż na średnich szerokościach geograficznych, ponieważ atmosfera nad tropikami jest cieplejsza na znacznie większej głębokości. Grad w tropikach występuje głównie na wyższych wysokościach.

Śnieg

Kryształki śniegu tworzą się, gdy maleńkie przechłodzone kropelki chmur (o średnicy około 10 μm ) zamarzają . Kropelki te są w stanie pozostać w stanie ciekłym w temperaturach niższych niż -18 ° C (255 K; 0 ° F), ponieważ aby zamarznąć, kilka cząsteczek w kropli musi przypadkowo połączyć się, tworząc układ podobny do tego w lodzie krata; wtedy kropla zamarza wokół tego „jądra”. Eksperymenty pokazują, że to „jednorodne” zarodkowanie kropel chmur występuje tylko w temperaturach niższych niż -35°C (238 K; -31°F). W cieplejszych chmurach cząsteczka aerozolu lub „jądro lodu” musi znajdować się w kropelce (lub w kontakcie z nią), aby działać jako jądro. Nasza wiedza na temat tego, jakie cząstki tworzą wydajne jądra lodu, jest słaba – wiemy, że są one bardzo rzadkie w porównaniu z jądrami kondensacji chmur, na których tworzą się krople cieczy. Gliny, pył pustynny i cząsteczki biologiczne mogą być skuteczne, choć w jakim stopniu jest niejasne. Sztuczne jądra są wykorzystywane do wysiewu chmur . Kropelka następnie rośnie w wyniku kondensacji pary wodnej na powierzchni lodu.

pył diamentowy

Tak zwany „pył diamentowy”, znany również jako igły lodu lub kryształki lodu, tworzy się w temperaturach zbliżonych do -40 ° C (-40 ° F) z powodu powietrza o nieco wyższej wilgotności z mieszania w powietrzu z zimniejszym powietrzem na powierzchni. Identyfikatorem METAR dla pyłu diamentowego w międzynarodowych cogodzinnych raportach pogodowych jest IC .

Ablacja

Ablacja lodu odnosi się zarówno do jego topnienia jak i rozpadu .

Topienie lodu oznacza zerwanie wiązań wodorowych między cząsteczkami wody. Uporządkowanie cząsteczek w ciele stałym załamuje się do stanu mniej uporządkowanego, a ciało stałe topi się, stając się cieczą. Osiąga się to poprzez zwiększenie energii wewnętrznej lodu poza punkt topnienia . Kiedy lód topi się, pochłania tyle energii, ile byłoby potrzebne do podgrzania równoważnej ilości wody o 80 °C. Podczas topienia temperatura powierzchni lodu utrzymuje się na stałym poziomie 0°C. Szybkość procesu topienia zależy od wydajności procesu wymiany energii. Powierzchnię lodu w słodkiej wody topnieje wyłącznie przez swobodną konwekcję , z szybkością, która zależy liniowo od temperatury wody, T , gdy T wynosi poniżej 3,98 ° C, a superlinearly gdy T jest równa lub większa niż 3,98 ° C z szybkością proporcjonalną do (T  − 3,98 °C) α , gdzie α  = 5/3dla T znacznie większej niż 8 °C, a α = 4/3dla temperatur pośrednich T .

W słonych warunkach otoczenia, rozpuszczanie zamiast topnienia często powoduje ablację lodu. Na przykład temperatura Oceanu Arktycznego jest generalnie niższa od temperatury topnienia ablującego lodu morskiego. Przejście fazowe ze stanu stałego w ciecz uzyskuje się przez zmieszanie cząsteczek soli i wody, podobnie jak w przypadku rozpuszczania cukru w wodzie, nawet jeśli temperatura wody jest znacznie niższa od temperatury topnienia cukru. Tak więc szybkość rozpuszczania jest ograniczona transportem soli, podczas gdy topnienie może zachodzić ze znacznie wyższymi szybkościami charakterystycznymi dla transportu ciepła .

Rola w działalności człowieka

Ludzie od wieków wykorzystywali lód do chłodzenia i konserwacji żywności , opierając się na zbieraniu naturalnego lodu w różnych formach, a następnie przechodzeniu na mechaniczną produkcję tego materiału. Lód stanowi również wyzwanie dla transportu w różnych formach i jest miejscem uprawiania sportów zimowych.

Chłodzenie

Lód od dawna jest ceniony jako środek chłodzący. W 400 rpne w Iranie perscy inżynierowie opanowali już technikę przechowywania lodu w środku lata na pustyni. Lód sprowadzano zimą z pobliskich gór w dużych ilościach i przechowywano w specjalnie zaprojektowanych, naturalnie chłodzonych lodówkach , zwanych yakhchal (co oznacza magazyn lodu ). Była to duża przestrzeń podziemna (do 5000 m 3 ), która miała grube ściany (co najmniej dwa metry u podstawy) wykonane ze specjalnej zaprawy zwanej sarooj , składającej się z piasku, gliny, białek jaj, wapna, koziej sierści i popiołu w określonych proporcjach i o którym wiadomo było, że jest odporny na przenoszenie ciepła. Uważano, że ta mieszanina jest całkowicie nieprzepuszczalna dla wody. Przestrzeń często miała dostęp do kanatu i często zawierała system łapaczy wiatru, który w letnie dni mógł z łatwością obniżyć temperaturę wewnątrz przestrzeni do lodowatego poziomu. Lód był używany do chłodzenia smakołyków dla członków rodziny królewskiej.

Żniwny

Zbieranie lodu na jeziorze St . Clair w Michigan , ok . 1905

W XVI–XVII wieku w Anglii kwitł przemysł, w którym nisko położone tereny wzdłuż ujścia Tamizy były zalewane zimą, a lód zbierano na wózkach i przechowywano między sezonami w izolowanych drewnianych domach jako zaopatrzenie dla lodowni często zlokalizowanej w dużym kraju domy i szeroko stosowane do utrzymywania świeżości ryb złowionych w odległych wodach. Zostało to rzekomo skopiowane przez Anglika, który widział tę samą działalność w Chinach. Lód był importowany do Anglii z Norwegii na znaczną skalę już w 1823 roku.

W Stanach Zjednoczonych pierwszy ładunek lodu został wysłany z Nowego Jorku do Charleston w Południowej Karolinie w 1799 roku, aw pierwszej połowie XIX wieku zbieranie lodu stało się wielkim biznesem. Frederic Tudor , znany jako „Król Lodu”, pracował nad opracowaniem lepszych produktów izolacyjnych do transportu lodu na duże odległości, zwłaszcza do krajów tropikalnych; stało się to znane jako handel lodem .

Triest wysłał lód do Egiptu , Korfu i Zante ; Szwajcaria do Francji; a Niemcy czasami były zasilane z bawarskich jezior. Budynek węgierskiego parlamentu do klimatyzacji wykorzystywał lód pozyskiwany zimą z Balatonu .

Domy lodu były wykorzystywane do przechowywania lodu powstałego w zimie, aby udostępnić lodu przez cały rok, a wczesny typ lodówki znanej jako lodówce chłodzi się za pomocą bloku lodu umieszczonego wewnątrz niego. W wielu miastach latem regularne dostarczanie lodu nie było niczym niezwykłym . Pojawienie się technologii sztucznego chłodzenia sprawiło, że dostawa lodu stała się przestarzała.

Lód jest nadal zbierany na imprezy rzeźbiarskie w lodzie i śniegu . Na przykład huśtawka jest używana do pozyskiwania lodu na Międzynarodowy Festiwal Rzeźby Lodowej i Śnieżnej w Harbinie każdego roku z zamarzniętej powierzchni rzeki Songhua .

Produkcja mechaniczna

Układ fabryki lodu z końca XIX wieku

Lód jest obecnie produkowany na skalę przemysłową, do zastosowań obejmujących przechowywanie i przetwarzanie żywności, produkcję chemiczną, mieszanie i utwardzanie betonu oraz lód konsumencki lub pakowany. Większość komercyjnych maszyn do lodu wytwarza trzy podstawowe rodzaje lodu fragmentarycznego: płatkowy, rurowy i płytowy, przy użyciu różnych technik. Maszyny do lodu w dużych partiach mogą wyprodukować do 75 ton lodu dziennie. W 2002 roku w Stanach Zjednoczonych było 426 komercyjnych firm produkujących lód, o łącznej wartości wysyłek 595 487 000 USD. Lodówki domowe mogą również wytwarzać lód za pomocą wbudowanej kostkarki do lodu , która zazwyczaj wytwarza kostki lodu lub lód kruszony. Samodzielne kostkarki do lodu, które wytwarzają kostki lodu, są często nazywane maszynami do lodu.

Transport

Lód może stanowić wyzwanie dla bezpiecznego transportu na lądzie, morzu iw powietrzu.

Podróże lądowe

Utrata kontroli na lodzie przez autobus przegubowy

Lód tworzący się na drogach jest niebezpiecznym zagrożeniem zimowym. Czarny lód jest bardzo trudny do zauważenia, ponieważ brakuje mu oczekiwanej mroźnej powierzchni. Ilekroć występuje marznący deszcz lub śnieg, które występują w temperaturze bliskiej temperatury topnienia, często na szybach pojazdów osadza się lód . Bezpieczna jazda wymaga usunięcia nagromadzonego lodu. Skrobaczki do lodu to narzędzia zaprojektowane do usuwania lodu i czyszczenia okien, chociaż usuwanie lodu może być długim i pracochłonnym procesem.

Dość daleko poniżej punktu zamarzania na wewnętrznej powierzchni okien może tworzyć się cienka warstwa kryształków lodu. Zwykle dzieje się tak, gdy pojazd został pozostawiony sam po pewnym czasie jazdy, ale może się zdarzyć podczas jazdy, jeśli temperatura na zewnątrz jest wystarczająco niska. Wilgoć z oddechu kierowcy jest źródłem wody dla kryształów. Usunięcie tego rodzaju lodu jest kłopotliwe, więc ludzie często lekko otwierają okna, gdy pojazd jest zaparkowany, aby umożliwić rozproszenie wilgoci, a obecnie samochody mają odmrażacze tylnej szyby, aby rozwiązać ten problem. Podobny problem może wystąpić w domach, co jest jednym z powodów, dla których wiele chłodniejszych regionów wymaga do izolacji okien z podwójnymi szybami .

Gdy temperatura na zewnątrz utrzymuje się poniżej zera przez dłuższy czas, na jeziorach i innych zbiornikach wodnych mogą tworzyć się bardzo grube warstwy lodu , chociaż miejsca z płynącą wodą wymagają znacznie niższych temperatur. Lód może stać się na tyle gęsty, że można po nim wjechać samochodami i ciężarówkami . Wykonanie tego w bezpieczny sposób wymaga grubości co najmniej 30 cm (jedna stopa).

Podróże wodne

Kanał przez lód dla ruchu statków na jeziorze Huron z lodołamaczami w tle

W przypadku statków lód stwarza dwa różne zagrożenia. Po pierwsze, rozpryskiwany i marznący deszcz może spowodować nagromadzenie się lodu na nadbudówce statku, które może spowodować jego niestabilność i wymagać odcięcia lub stopienia za pomocą węży parowych. Po drugie, góry lodowe  – duże masy lodu unoszące się w wodzie (zwykle powstające, gdy lodowce docierają do morza) – mogą być niebezpieczne, jeśli uderzy je statek w drodze. Góry lodowe były odpowiedzialne za zatonięcie wielu statków, z których najsłynniejszym jest Titanic . W przypadku portów w pobliżu biegunów dużą zaletą jest brak lodu, najlepiej przez cały rok. Przykładami są Murmańsk (Rosja), Petsamo (Rosja, dawniej Finlandia) i Vardø (Norwegia). Porty, które nie są wolne od lodu, otwierane są za pomocą lodołamaczy .

Podróże powietrzne

Szron na krawędzi natarcia skrzydła samolotu, częściowo uwalniany przez czarny but pneumatyczny .

W przypadku samolotów lód może powodować szereg niebezpieczeństw. Podczas wznoszenia się samolot przechodzi przez warstwy powietrza o różnej temperaturze i wilgotności, z których niektóre mogą sprzyjać tworzeniu się lodu. Jeśli lód tworzy się na skrzydłach lub powierzchniach sterowych, może to niekorzystnie wpłynąć na właściwości lotu samolotu. Podczas pierwszego nieprzerwanego lotu przez Atlantyk brytyjscy lotnicy kapitan John Alcock i porucznik Arthur Whitten Brown napotkali takie warunki oblodzenia – Brown opuścił kokpit i kilkakrotnie wspiął się na skrzydło, aby usunąć lód, który pokrywał wloty powietrza do silnika samolotu. Samoloty Vickers Vimy , którymi latali.

Jedną z podatności wywołaną oblodzeniem, która jest związana z silnikami spalinowymi o ruchu posuwisto-zwrotnym, jest gaźnik . Gdy powietrze jest zasysane przez gaźnik do silnika, lokalne ciśnienie powietrza jest obniżane, co powoduje chłodzenie adiabatyczne . Tak więc w wilgotnych warunkach zbliżonych do zera gaźnik będzie zimniejszy i będzie miał tendencję do oblodzenia. Zablokuje to dopływ powietrza do silnika i spowoduje jego awarię. Z tego powodu samolotowe silniki tłokowe z gaźnikami wyposażone są w nagrzewnice wlotu powietrza do gaźnika . Coraz częstsze stosowanie wtrysku paliwa – który nie wymaga gaźników – sprawiło, że „oblodzenie gaźnika” jest mniej problemem dla silników tłokowych.

Silniki odrzutowe nie doświadczają oblodzenia węgli, ale ostatnie dowody wskazują, że mogą one zostać spowolnione, zatrzymane lub uszkodzone przez wewnętrzne oblodzenie w pewnych typach warunków atmosferycznych znacznie łatwiej niż wcześniej sądzono. W większości przypadków silniki można szybko ponownie uruchomić, a loty nie są zagrożone, ale badania nadal mają na celu określenie dokładnych warunków, które powodują tego typu oblodzenie, i znalezienie najlepszych metod zapobiegania lub odwracania go w locie.

Rekreacja i sport

Zabawa na łyżwach autorstwa holenderskiego malarza z XVII wieku Hendricka Avercamp

Ice odgrywa również kluczową rolę w zimowej rekreacji i w wielu sportów, takich jak jazda na łyżwach , jazda na wycieczkę , hokej na lodzie , bandy , połowów pod lodem , wspinaczki lodowej , curling , broomball i sanki wyścigowe na Bobsleje , saneczkarstwie i szkieletu . Wiele różnych sportów uprawianych na lodzie przyciąga co cztery lata międzynarodową uwagę podczas Zimowych Igrzysk Olimpijskich .

Rodzaj żaglówki na łopatach daje początek żeglowaniu pod lodem . Innym sportem są wyścigi na lodzie , w których kierowcy muszą pędzić po lodzie, jednocześnie kontrolując poślizg swojego pojazdu (podobnie jak w przypadku wyścigów na torze brudnym ). Ten sport został nawet zmodyfikowany na lodowiska .

Inne zastosowania

Jako balast termiczny

  • Lód służy do chłodzenia i przechowywania żywności w lodówce .
  • Do schładzania napojów można używać kostek lodu lub kruszonego lodu . Gdy lód topi się, pochłania ciepło i utrzymuje napój w pobliżu 0 ° C (32 ° F).
  • Lód może być używany jako część systemu klimatyzacji , wykorzystując wentylatory zasilane bateriami lub energią słoneczną , aby wydmuchać gorące powietrze nad lód. Jest to szczególnie przydatne podczas fal upałów, gdy nie ma zasilania, a standardowe klimatyzatory (zasilane elektrycznie) nie działają.
  • Lód może być używany (podobnie jak inne zimne okłady ) w celu zmniejszenia obrzęku (poprzez zmniejszenie przepływu krwi) i bólu poprzez dociśnięcie go do obszaru ciała.

Jako materiał konstrukcyjny

Molo lodowe podczas operacji ładunkowych w 1983 roku. Stacja McMurdo , Antarktyda
  • Inżynierowie wykorzystali znaczną wytrzymałość paku lodowego, kiedy w 1973 roku zbudowali pierwszy pływający lodowiec na Antarktydzie . Takie lodowe mola są używane podczas operacji ładunkowych do załadunku i rozładunku statków. Personel operacyjny floty wykonuje pływający molo w okresie zimowym. Opierają się na naturalnie występującej zamarzniętej wodzie morskiej w McMurdo Sound, aż dok osiągnie głębokość około 22 stóp (6,7 m). Pomosty lodowe mają żywotność od trzech do pięciu lat.
  • Konstrukcje i rzeźby lodowe budowane są z dużych kawałków lodu lub przez spryskiwanie wodą. Konstrukcje są w większości ozdobne (jak w przypadku zamków lodowych ) i nie nadają się do długotrwałego zamieszkania. Hotele lodowe istnieją sezonowo w kilku zimnych obszarach. Igloo to kolejny przykład tymczasowej konstrukcji, wykonanej głównie ze śniegu.
  • W zimnym klimacie drogi są regularnie przygotowywane na pokrytych lodem jeziorach i obszarach archipelagów. Tymczasowo na lodzie zbudowano nawet linię kolejową.
  • Podczas II wojny światowej projekt Habbakuk był programem alianckim, który badał użycie pykretu (włókna drzewnego zmieszanego z lodem) jako możliwego materiału na okręty wojenne, zwłaszcza lotniskowce, ze względu na łatwość, z jaką statek jest odporny na torpedy i duży pokład, może być zbudowany z lodu. Zbudowano prototyp na małą skalę, ale potrzeba takiego statku podczas wojny została usunięta przed zbudowaniem go na pełną skalę.
  • Lód był nawet używany jako materiał na różne instrumenty muzyczne, na przykład przez perkusistę Terje Isungseta .

Bez wody

Fazy ​​stałe kilku innych lotnych substancji są również nazywane lodami ; ogólnie substancja lotna jest klasyfikowana jako lód, jeśli jej temperatura topnienia wynosi powyżej lub około 100 K. Najbardziej znanym przykładem jest suchy lód , stała postać dwutlenku węgla .

„Magnetyczny analog” lodu jest również realizowany w niektórych izolujących materiałach magnetycznych, w których momenty magnetyczne naśladują położenie protonów w lodzie wodnym i są zgodne z ograniczeniami energetycznymi podobnymi do reguł lodu Bernala-Fowlera , wynikających z geometrycznej frustracji konfiguracji protonów w lodzie. lód wodny. Materiały te nazywane są lodem spinowym .

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki