Лед—твердое состояние воды. Каждый год в наших умеренных широтах настает такая пора в жизни природы, когда стекленеют по утрам лужи, покрываются гладким зеркальным паркетом озера, реки сковываются от берега до берега ледяным панцирем. Пришла зима.
Причиной массового перехода воды в лед является понижение температуры воздуха, а затем и воды до 0°С. Как только температура воды становится близкой к нулю, в ней возникают молекулы льда, которые отличаются от молекул воды только тем, что атомы кислорода и водорода располагаются строго по углам шестиугольной кристаллической решетки. В этой структуре появляется больше свободного пространства, поэтому лед оказывается легче воды и плавает в собственном расплаве. И это его свойство очень важно. Плавая по поверхности морей, озер и рек, лед защищает нижележащие слои воды от охлаждения. Если бы он был тяжелее воды, то погружался бы на дно и постепенно нарастал там, предохраненный от таяния пленкой воды, пока не заполнил бы весь водоем.
Сколько на Земле льда? Лед—один из самых распространенных из всех минералов земного шара. Ледники занимают площадь 16,2 млн км2, морские льды — 25 млн км2. Каждый год на нашей планете образуется снежный покров на площади до 126 млн. км2, из атмосферы выпадают на поверхность многие миллионы тонн снега. К концу зимы северного полушария Земля несет на своих плечах груз 24,2 квадрильона тонн льда. Масса только постоянно существующих льдов в полярных областях впятеро превышает вес всей атмосферы.
Образование льда на поверхности озера начинается с появлением игл и очень тонкой пленки льда («сало»); потом возникает так называемый «блинчатый лед», который, смерзаясь, превращается в ледяной покров. Подверженный действию ветра и течений, лед озер и водохранилищ образует нередко полосы торошения близ берегов.
На реках с быстрым течением (да и в озерах при большом волнении) лед образуется первоначально на некоторой глубине, а не прямо на поверхности. Здесь формируется внутриводный (или донный) лед, всплывающий большой рыхлой массой, которую называют народным сибирским словом «шуга». Скопление такого льда может вызвать образование мешающих течению реки «зажор», которые являются причиной зимних разливов рек, угрожают искусственным сооружениям на реках.
С процессами превращения воды в лед связано и такое очень распространенное, особенно в Сибири, явление, как образование наледей. По-якутски наледь называется «тарын», что означает «творог». В самом деле, наледи, часто встречающиеся летом в зеленых долинах таежных рек, издалека напоминают творожную массу. Подойдешь ближе — настоящее ледяное поле, медленно тающее под горячим летним солнцем. Некоторые наледи в Якутии и Забайкалье достигают размеров 8—10 км . Большие наледи сохраняются до конца лета. Зимой они увеличиваются, восстанавливая утраченную за лето ледяную массу. Источник питания наледи — грунтовые воды, прорывающиеся через слой многолетней мерзлоты.
В Сибири в морозный солнечный день иной раз весь воздух вдруг покажется пронизанным алмазным сверканием. Это мириады мельчайших кристалликов льда, сковавших водяные пары воздуха. Они так легки, что не падают на землю, а висят в пространстве, отражая от своих граней солнечный свет, подобно бриллиантам. Явление это так и называется — «алмазной пылью».
В туманную и ветреную погоду на арктических островах наблюдается интенсивное нарастание льда на всех выступающих над поверхностью земли предметах, на их наветренной стороне. Тончайший столбик может быстро превратиться в большое бревно. Ледяная «рубашка» такого столбика состоит из очень плотной смеси льда и изморози, осаждавшихся из тумана как бы под давлением ветра.
Лед выпадает на поверхность земли в виде инея, образующегося при первых еще осенних заморозках и изморози. Он осаждается при понижении температуры насыщенного влагой воздуха. Наконец, и снег, выпадающий из облаков (его разновидности — крупа, град), тоже, по сути, является льдом — он состоит из кристалликов, разнообразных по своей форме, в зависимости от условий температуры, влажности и давления в том облаке, где шел процесс льдообразования.
Ежегодно лед образуется на поверхности морей Северного и Южного Ледовитых океанов, на севере Атлантики и Тихого океана. Он покрывает до 7% площади Мирового океана, представляя существенное препятствие для свободного плавания и рыболовства.
Растворенные в морской воде соли несколько задерживают образование льда и после охлаждения воздуха ниже 0°С. Температура замерзания воды со средней для морей соленостью 35% на 1,8°С ниже нуля. Из соленой воды лед постепенно освобождается от солей. При этом на нем образуется желтоватый налет.
Осеннее льдообразование на море начинается с появления на поверхности воды тонкого белесого слоя, так называемого «сала», переходящего при продолжении охлаждения в нежный «блинчатый лед». Смерзающийся лед образует «ледяные поля», постепенно соединяющиеся в сплошной покров льда. Толщина морского льда, образующегося даже в центральной части Арктического бассейна и у берегов Антарктиды, не превышает 2—3 м.
Под действием морских течений и ветра лед движется, дрейфует. При этом ледяной покров разбивает трещины, ледяные поля расходятся, образуя полыньи, иногда очень широкие, и сближаются, сталкиваются, нагромождая огромные льдины—торосы, нередко целые полосы торошения, труднопреодолимые для путешественников с собачьими упряжками и на лыжах. Не раз именно торосы останавливали тех, кто стремился достичь Северного полюса.
Мощные современные ледоколы преодолевают ледяной покров, проводя за собой караваны судов. Атомный ледокол «Арктика» летом 1977 г. впервые в истории достиг в свободном плавании Северного полюса. В последние годы на Северном морском пути внедряется практика зимней навигации, продолжающейся и во тьме полярной ночи. Для того чтобы в весеннее время сдвинуть сроки начала навигации, применяется метод искусственного разрушения льдов зачернением их поверхности угольной пылью или сажей, что способствует более быстрому таянию; используются также энергия взрыва и химическая энергия специально подобранных солей. Проводятся испытания воздействия на лед ультразвуком.