Ледниковый лед появляется не сразу, а формируется в результате длительного уплотнения и перекристаллизации снега, выпавшего из атмосферы. Для того чтобы снежные массы начали двигаться под собственным весом и превратились в ледник, толщина слоя должна превышать примерно 30 метров. Молодой снег, переживший хотя бы одно лето, но еще не ставший льдом, называется фирном. В процессе преобразования фирна в настоящий лед происходит закрытие пор: сначала воздушные промежутки между крупицами снега соединены, но по мере уплотнения они изолируются, и воздух запирается в пузырьках. Эта глубина «закрытия пор» зависит от климата: в холодных сухих районах, как Антарктика, она достигается на глубинах свыше 100 метров и требует сотен или тысяч лет, а в влажных регионах с обильными осадками (например, на побережье Аляски) — за несколько лет на небольшой глубине.
Плотность материала изменяется на всем пути превращения снега в лед: у свежего снега она составляет 50–200 кг/м³, у фирна 400–830 кг/м³, а чистый ледник имеет плотность около 917 кг/м³, которая может варьироваться в зависимости от содержания пузырьков воздуха, примесей и температуры. Кристаллы льда имеют гексагональную структуру, обусловленную тетраэдрическим расположением молекул воды. По мере того как лед становится старше и опускается глубже, его зерна укрупняются: на глубинах встречаются кристаллы диаметром от 2 миллиметров до 2 сантиметров и более, которые постепенно ориентируются по направлению движения льда благодаря рекристаллизации и пластической деформации.
Лед демонстрирует две стадии деформации под нагрузкой: сначала он ведет себя как упругое тело, но при длительном воздействии напряжения переходит в пластическую стадию, известную как «ползучесть». Этот процесс реализуется за счет скольжения по граням кристаллов, движения дислокаций и рекристаллизации. Прочность чистого льда при разных типах нагрузок составляет: при сжатии — 38 бар, изгибе — 14 бар, растяжении — 9 бар, сдвиге — 7 бар. Для льда характерно отсутствие четкого предела текучести: при долгом воздействии нагрузки он всегда будет медленно деформироваться. Теплоемкость льда при 0°C составляет 2,04 кДж/кг·°C, теплопроводность — 2,24 Вт/м·К. Температура плавления под давлением понижается: на каждые 100 бар давления (примерно 1 км глубины) точка плавления снижается на 0,74°C, поэтому у основания антарктического щита (глубина до 4 км) лед может плавиться при температуре около –2,5°C.
Ледник кажется белым из-за диффузного отражения света многочисленными гранями кристаллов и пузырьками воздуха, хотя сам по себе лед прозрачен. С увеличением толщины и уменьшением количества пузырьков лед приобретает голубоватый или зеленоватый оттенок, поскольку поглощает красную часть спектра. Альбедо свежего снега очень велико (0,5–0,9), но по мере уплотнения и загрязнения оно снижается (у фирна 0,3–0,65, у льда — 0,15–0,35). В инфракрасном диапазоне лед почти не отражает свет (альбедо < 0,01). В радиодиапазоне и микроволнах сухой снег и лед проницаемы для электромагнитных волн, что используется при радиолокационном зондировании ледников.
Преобразование атмосферного снега в ледниковый лед включает несколько стадий. На первом этапе происходит механическое уплотнение: зерна скользят друг относительно друга, пока плотность не достигнет примерно 0,55 г/см³. Затем начинается фирнификация — связывание зерен увеличивается, и количество контактов между ними возрастает с 6 до 16.
При достижении плотности 830–910 кг/м³ воздушные поры замыкаются, воздух оказывается в пузырьках, и дальнейшее уплотнение происходит уже за счет сжатия этих пузырьков. Скорость и глубина этого процесса зависят от температуры и количества осадков. Специальный случай — формирование «глубинного инея» (depth hoar): крупные, рыхлые кристаллы образуются при сильных градиентах температуры в толще снега, что существенно увеличивает лавинную опасность.
Ледники делятся по морфологии — внешнему виду и зависимости от рельефа. Крупнейшие из них — ледяные щиты, которые перекрывают целые континенты, полностью скрывая под собой рельеф (Гренландия, Антарктида, в прошлом — Лаврентийский, Кордильерский, Евразийский щиты). Ледяные шапки — уменьшенные аналоги щитов (до 50 000 км²), встречаются на островах и в высоких широтах (Северная Земля, Исландия, Шпицберген). Ледовые потоки — быстро движущиеся зоны внутри щитов, способны достигать скорости до 1 км в год (Сипл-Кост, северо-восточная Гренландия), часто не связаны с рельефом дна. Выходные ледники (outlet glaciers) дренируют ледяные щиты и шапки через долины и фьорды, обеспечивая до 90% стока льда (например, Ламберт, Кангердлугсуак).
Плавучие продолжения ледников — ледяные полки — образуют массивные платформы, прикрепленные к берегу (Антарктида: свыше 1,5 млн км², толщина до 2,5 км, ширина до 1000 км). В Арктике они встречаются редко (например, у острова Элсмир). Для ледяных полок характерно наличие «ледяных куполов» (ice rises), где полка опирается на подводные возвышенности. Масса теряется в основном при откалывании айсбергов. К топографически обусловленным ледникам относят ледовые поля (огромные массы льда, ограниченные горами), долинные ледники (двигаются в руслах, формируют U-образные долины), цирковые (формируются в нишах у вершин), пьемонтные (выходят из гор на равнины и расползаются веером, как Мараспина на Аляске), нависающие (крепятся к крутым склонам, часто дают начало лавинам).
По температурному режиму различают ледники умеренного (теплого) типа — весь лед находится при температуре плавления, возможна быстрая динамика за счет скольжения основания и деформации подстилающих пород; характерны для влажных и относительно теплых районов (Альпы, Новая Зеландия, Скандинавия). Холодные (полярные) ледники полностью проморожены, в них отсутствует свободная вода, движение происходит исключительно за счет внутренней деформации льда; распространены в Антарктиде, высоких и сухих широтах. Политермальные ледники сочетают оба типа: у них могут быть теплые основания и холодная поверхность либо наоборот. Пример — ледники Шпицбергена, Скандинавии, Канады и Гималаев (например, Джон Эванс на острове Элсмир, Кхумбу в Непале). В крупнейших ледяных щитах, например в Антарктиде, до 55% основания может быть при температуре плавления, что подтверждается данными бурения и геофизических исследований.
Ледники также различают по зонам массового баланса: область сухого снега (нет таяния даже летом), зона просачивания (вода от таяния просачивается и замерзает в толще снега), зона влажного снега (весь снег подтаивает к концу сезона), зона наледного льда (оттаявшая вода замерзает на поверхности), и область абляции (годовой убыток массы).
Снег — это минеральное образование, возникающее, когда водяной пар в холодном, насыщенном влагой воздухе непосредственно кристаллизуется в лед. Кристаллы снега формируются при температурах ниже 0°C и имеют четко организованную атомную структуру, поэтому считаются минералом. Снежинка — это либо одиночный кристалл, либо их агрегат, обладающий достаточным размером для выпадения осадков.
Молекула воды имеет форму равнобедренного треугольника, где атом кислорода соединен с двумя атомами водорода, и каждая молекула водорода может образовывать водородные связи с четырьмя соседями, создавая тетраэдрическую структуру. Такая организация приводит к формированию гексагональных слоев, которые легко скользят друг относительно друга — это основа пластичности льда. Обычная форма кристаллов под атмосферным давлением — Ice Ih (гексагональный лёд), устойчива от 0°C до –100°C.
Образование снежинок начинается с замерзания пересыщенной переохлажденной капли на мелкой частице (пыли, пыльце, частице глины, даже на бактерии или искусственном ядре наподобие серебра йодида). После этого кристалл растет за счет осаждения пара — этот процесс называется механизмом Вегенера–Бергерона–Финдеизена. Кристаллы могут слипаться в большие агрегаты, иногда достигая рекордных размеров до 38 сантиметров (штат Монтана, 1887 год). Иногда снежинки покрываются инеем и превращаются в крупинки граупеля.
Форма и симметрия снежинок определяются температурой и влажностью на разных этапах роста. Основная форма — шестиугольная пластина или столбик, обусловленная закономерностями водородных связей. Наиболее часто встречается шестиугольная радиальная симметрия, но абсолютно идентичные снежинки в природе практически не встречаются: у каждой уникальный путь формирования в облаке. Искусственно одинаковые кристаллы можно получить только в лаборатории. По классификации Магоно и Ли различают восемь основных типов и более 80 подтипов снежных кристаллов, в том числе звездчатые дендриты, столбики, иглы, пластины, полые призмы, граупель и другие сложные формы. В редких случаях встречаются даже треугольные снежинки (около –2°C).
Снег обладает выдающимися теплоизоляционными свойствами благодаря большому количеству воздуха, заключенного в структуре. Коэффициент теплового сопротивления (R-value) свежего снега около 1 на дюйм — это выше, чем у древесины или кирпича, но ниже, чем у стекловаты. Тем не менее, значительная толщина снежного покрова обеспечивает эффективную защиту почвы и живых организмов от морозов, что особенно важно для зимующих растений и животных. В традиционном иглу температура внутри даже при сильных морозах не опускается ниже –7°C, а при наличии источника тепла может достигать +16°C. Свежий, рыхлый снег изолирует лучше всего, а плотный, старый или влажный — хуже.
Снег также является отличным звукоизолятором: благодаря воздушным полостям он поглощает и рассеивает звуковые волны, поэтому во время снегопада становится тихо. По мере уплотнения снега его теплопроводность растет, а отражательная способность (альбедо) снижается. Толстый снежный покров задерживает весеннее таяние, продолжая защищать землю от солнечного тепла.
Для обильного снегопада требуется сочетание низких температур и высокого содержания влаги в воздухе, поэтому снег — обычное явление в высоких широтах и горах. В умеренных широтах наблюдаются особые типы осадков: озерный снег («lake-effect snow») возникает, когда холодный воздух проходит над теплыми водоемами, насыщается влагой и выбрасывает интенсивные осадки на наветренных берегах (Великие озера, Великобритания, Япония, Корея). Редкое явление — грозовой снег («thundersnow»), сопровождающийся молниями и громом из-за сильной турбулентности в атмосфере. В восточной части США бывают мощные зимние шторма («nor'easters»), приносящие снег, дождь и штормовой ветер.
Особенности рельефа, направление ветра и наличие растительности значительно влияют на распределение снега, формируя микроклиматические зоны. Толщина и плотность снежного покрова определяют не только теплоизоляцию, но и скорость накопления и таяния воды, что важно для водного баланса и экосистем.
В мире гляциологии существует множество специальных терминов: абляция — процесс утраты массы льда, аккумуляция — ее накопление, фирн — промежуточная стадия между снегом и льдом, ледниковые эпохи (глациальные и межглациальные периоды), равновесная линия — граница между зонами накопления и таяния, нунатаки — выступающие из-под льда скалы, ледовые водоразделы и др.
Крупнейшие современные исследования и открытия принадлежат ученым, таким как Люк Копленд (Оттава), авторы фундаментальных трудов Дуглас Бен и Дэвид Эванс, Джон Кэффи и Уилфрид Патерсон, а также японский исследователь снежинок Укихиро Накая. Классификация снежных кристаллов была расширена Магоно и Ли. Ключевые публикации выходят в журналах Journal of Glaciology, Science, Nature, GRL.
Снежинка традиционно ассоциируется с чистотой, зимой и холодом, часто используется в новогодней и рождественской символике. В Канаде она стала эмблемой высшей государственной награды — Ордена Канады, а в Олимпийских играх — символом зимних видов спорта. Бумажные снежинки — популярное детское и праздничное творчество. В культуре Востока снежинки символизировали космическую энергию и вдохновляли поэтов, например в поэзии династии Тан.
Таким образом, ледники и снежинки — это не просто проявления зимней природы, а сложные и многогранные феномены, сочетающие в себе уникальные физические, химические, климатические и культурные аспекты, влияющие на глобальные процессы и человеческую жизнь.
Плотность материала изменяется на всем пути превращения снега в лед: у свежего снега она составляет 50–200 кг/м³, у фирна 400–830 кг/м³, а чистый ледник имеет плотность около 917 кг/м³, которая может варьироваться в зависимости от содержания пузырьков воздуха, примесей и температуры. Кристаллы льда имеют гексагональную структуру, обусловленную тетраэдрическим расположением молекул воды. По мере того как лед становится старше и опускается глубже, его зерна укрупняются: на глубинах встречаются кристаллы диаметром от 2 миллиметров до 2 сантиметров и более, которые постепенно ориентируются по направлению движения льда благодаря рекристаллизации и пластической деформации.
Механика и теплофизика льда
Лед демонстрирует две стадии деформации под нагрузкой: сначала он ведет себя как упругое тело, но при длительном воздействии напряжения переходит в пластическую стадию, известную как «ползучесть». Этот процесс реализуется за счет скольжения по граням кристаллов, движения дислокаций и рекристаллизации. Прочность чистого льда при разных типах нагрузок составляет: при сжатии — 38 бар, изгибе — 14 бар, растяжении — 9 бар, сдвиге — 7 бар. Для льда характерно отсутствие четкого предела текучести: при долгом воздействии нагрузки он всегда будет медленно деформироваться. Теплоемкость льда при 0°C составляет 2,04 кДж/кг·°C, теплопроводность — 2,24 Вт/м·К. Температура плавления под давлением понижается: на каждые 100 бар давления (примерно 1 км глубины) точка плавления снижается на 0,74°C, поэтому у основания антарктического щита (глубина до 4 км) лед может плавиться при температуре около –2,5°C.
Ледник кажется белым из-за диффузного отражения света многочисленными гранями кристаллов и пузырьками воздуха, хотя сам по себе лед прозрачен. С увеличением толщины и уменьшением количества пузырьков лед приобретает голубоватый или зеленоватый оттенок, поскольку поглощает красную часть спектра. Альбедо свежего снега очень велико (0,5–0,9), но по мере уплотнения и загрязнения оно снижается (у фирна 0,3–0,65, у льда — 0,15–0,35). В инфракрасном диапазоне лед почти не отражает свет (альбедо < 0,01). В радиодиапазоне и микроволнах сухой снег и лед проницаемы для электромагнитных волн, что используется при радиолокационном зондировании ледников.
Преобразование снега в лед: этапы и особенности
Преобразование атмосферного снега в ледниковый лед включает несколько стадий. На первом этапе происходит механическое уплотнение: зерна скользят друг относительно друга, пока плотность не достигнет примерно 0,55 г/см³. Затем начинается фирнификация — связывание зерен увеличивается, и количество контактов между ними возрастает с 6 до 16.
При достижении плотности 830–910 кг/м³ воздушные поры замыкаются, воздух оказывается в пузырьках, и дальнейшее уплотнение происходит уже за счет сжатия этих пузырьков. Скорость и глубина этого процесса зависят от температуры и количества осадков. Специальный случай — формирование «глубинного инея» (depth hoar): крупные, рыхлые кристаллы образуются при сильных градиентах температуры в толще снега, что существенно увеличивает лавинную опасность.
Классификация ледников по форме и тепловому режиму
Ледники делятся по морфологии — внешнему виду и зависимости от рельефа. Крупнейшие из них — ледяные щиты, которые перекрывают целые континенты, полностью скрывая под собой рельеф (Гренландия, Антарктида, в прошлом — Лаврентийский, Кордильерский, Евразийский щиты). Ледяные шапки — уменьшенные аналоги щитов (до 50 000 км²), встречаются на островах и в высоких широтах (Северная Земля, Исландия, Шпицберген). Ледовые потоки — быстро движущиеся зоны внутри щитов, способны достигать скорости до 1 км в год (Сипл-Кост, северо-восточная Гренландия), часто не связаны с рельефом дна. Выходные ледники (outlet glaciers) дренируют ледяные щиты и шапки через долины и фьорды, обеспечивая до 90% стока льда (например, Ламберт, Кангердлугсуак).
Плавучие продолжения ледников — ледяные полки — образуют массивные платформы, прикрепленные к берегу (Антарктида: свыше 1,5 млн км², толщина до 2,5 км, ширина до 1000 км). В Арктике они встречаются редко (например, у острова Элсмир). Для ледяных полок характерно наличие «ледяных куполов» (ice rises), где полка опирается на подводные возвышенности. Масса теряется в основном при откалывании айсбергов. К топографически обусловленным ледникам относят ледовые поля (огромные массы льда, ограниченные горами), долинные ледники (двигаются в руслах, формируют U-образные долины), цирковые (формируются в нишах у вершин), пьемонтные (выходят из гор на равнины и расползаются веером, как Мараспина на Аляске), нависающие (крепятся к крутым склонам, часто дают начало лавинам).
По температурному режиму различают ледники умеренного (теплого) типа — весь лед находится при температуре плавления, возможна быстрая динамика за счет скольжения основания и деформации подстилающих пород; характерны для влажных и относительно теплых районов (Альпы, Новая Зеландия, Скандинавия). Холодные (полярные) ледники полностью проморожены, в них отсутствует свободная вода, движение происходит исключительно за счет внутренней деформации льда; распространены в Антарктиде, высоких и сухих широтах. Политермальные ледники сочетают оба типа: у них могут быть теплые основания и холодная поверхность либо наоборот. Пример — ледники Шпицбергена, Скандинавии, Канады и Гималаев (например, Джон Эванс на острове Элсмир, Кхумбу в Непале). В крупнейших ледяных щитах, например в Антарктиде, до 55% основания может быть при температуре плавления, что подтверждается данными бурения и геофизических исследований.
Ледники также различают по зонам массового баланса: область сухого снега (нет таяния даже летом), зона просачивания (вода от таяния просачивается и замерзает в толще снега), зона влажного снега (весь снег подтаивает к концу сезона), зона наледного льда (оттаявшая вода замерзает на поверхности), и область абляции (годовой убыток массы).
Снег и кристаллы льда: природа и закономерности
Снег — это минеральное образование, возникающее, когда водяной пар в холодном, насыщенном влагой воздухе непосредственно кристаллизуется в лед. Кристаллы снега формируются при температурах ниже 0°C и имеют четко организованную атомную структуру, поэтому считаются минералом. Снежинка — это либо одиночный кристалл, либо их агрегат, обладающий достаточным размером для выпадения осадков.
Молекула воды имеет форму равнобедренного треугольника, где атом кислорода соединен с двумя атомами водорода, и каждая молекула водорода может образовывать водородные связи с четырьмя соседями, создавая тетраэдрическую структуру. Такая организация приводит к формированию гексагональных слоев, которые легко скользят друг относительно друга — это основа пластичности льда. Обычная форма кристаллов под атмосферным давлением — Ice Ih (гексагональный лёд), устойчива от 0°C до –100°C.
Образование снежинок начинается с замерзания пересыщенной переохлажденной капли на мелкой частице (пыли, пыльце, частице глины, даже на бактерии или искусственном ядре наподобие серебра йодида). После этого кристалл растет за счет осаждения пара — этот процесс называется механизмом Вегенера–Бергерона–Финдеизена. Кристаллы могут слипаться в большие агрегаты, иногда достигая рекордных размеров до 38 сантиметров (штат Монтана, 1887 год). Иногда снежинки покрываются инеем и превращаются в крупинки граупеля.
Форма и симметрия снежинок определяются температурой и влажностью на разных этапах роста. Основная форма — шестиугольная пластина или столбик, обусловленная закономерностями водородных связей. Наиболее часто встречается шестиугольная радиальная симметрия, но абсолютно идентичные снежинки в природе практически не встречаются: у каждой уникальный путь формирования в облаке. Искусственно одинаковые кристаллы можно получить только в лаборатории. По классификации Магоно и Ли различают восемь основных типов и более 80 подтипов снежных кристаллов, в том числе звездчатые дендриты, столбики, иглы, пластины, полые призмы, граупель и другие сложные формы. В редких случаях встречаются даже треугольные снежинки (около –2°C).
Снег: теплоизоляция, звукоизоляция и климатические эффекты
Снег обладает выдающимися теплоизоляционными свойствами благодаря большому количеству воздуха, заключенного в структуре. Коэффициент теплового сопротивления (R-value) свежего снега около 1 на дюйм — это выше, чем у древесины или кирпича, но ниже, чем у стекловаты. Тем не менее, значительная толщина снежного покрова обеспечивает эффективную защиту почвы и живых организмов от морозов, что особенно важно для зимующих растений и животных. В традиционном иглу температура внутри даже при сильных морозах не опускается ниже –7°C, а при наличии источника тепла может достигать +16°C. Свежий, рыхлый снег изолирует лучше всего, а плотный, старый или влажный — хуже.
Снег также является отличным звукоизолятором: благодаря воздушным полостям он поглощает и рассеивает звуковые волны, поэтому во время снегопада становится тихо. По мере уплотнения снега его теплопроводность растет, а отражательная способность (альбедо) снижается. Толстый снежный покров задерживает весеннее таяние, продолжая защищать землю от солнечного тепла.
Зоны и закономерности выпадения снега
Для обильного снегопада требуется сочетание низких температур и высокого содержания влаги в воздухе, поэтому снег — обычное явление в высоких широтах и горах. В умеренных широтах наблюдаются особые типы осадков: озерный снег («lake-effect snow») возникает, когда холодный воздух проходит над теплыми водоемами, насыщается влагой и выбрасывает интенсивные осадки на наветренных берегах (Великие озера, Великобритания, Япония, Корея). Редкое явление — грозовой снег («thundersnow»), сопровождающийся молниями и громом из-за сильной турбулентности в атмосфере. В восточной части США бывают мощные зимние шторма («nor'easters»), приносящие снег, дождь и штормовой ветер.
Особенности рельефа, направление ветра и наличие растительности значительно влияют на распределение снега, формируя микроклиматические зоны. Толщина и плотность снежного покрова определяют не только теплоизоляцию, но и скорость накопления и таяния воды, что важно для водного баланса и экосистем.
Термины и научные исследования
В мире гляциологии существует множество специальных терминов: абляция — процесс утраты массы льда, аккумуляция — ее накопление, фирн — промежуточная стадия между снегом и льдом, ледниковые эпохи (глациальные и межглациальные периоды), равновесная линия — граница между зонами накопления и таяния, нунатаки — выступающие из-под льда скалы, ледовые водоразделы и др.
Крупнейшие современные исследования и открытия принадлежат ученым, таким как Люк Копленд (Оттава), авторы фундаментальных трудов Дуглас Бен и Дэвид Эванс, Джон Кэффи и Уилфрид Патерсон, а также японский исследователь снежинок Укихиро Накая. Классификация снежных кристаллов была расширена Магоно и Ли. Ключевые публикации выходят в журналах Journal of Glaciology, Science, Nature, GRL.
Символика и культурное значение снежинок
Снежинка традиционно ассоциируется с чистотой, зимой и холодом, часто используется в новогодней и рождественской символике. В Канаде она стала эмблемой высшей государственной награды — Ордена Канады, а в Олимпийских играх — символом зимних видов спорта. Бумажные снежинки — популярное детское и праздничное творчество. В культуре Востока снежинки символизировали космическую энергию и вдохновляли поэтов, например в поэзии династии Тан.
Таким образом, ледники и снежинки — это не просто проявления зимней природы, а сложные и многогранные феномены, сочетающие в себе уникальные физические, химические, климатические и культурные аспекты, влияющие на глобальные процессы и человеческую жизнь.
