Весьма редкое свойство воды проявляется при ее превращении из жидкого состояния в твердое. Этот переход связан с увеличением объема, а следовательно, с уменьшением плотности.

Ученые доказали, что вода в твердом состоянии имеет ажурное строение с полостями и пустотами. При плавлении они заполняются молекулами воды, поэтому плотность жидкой воды оказывается выше плотности твердой. Поскольку лед легче воды, он плавает на ней, а не опускается на дно. Это играет в природе очень важную роль. Если бы плотность льда была выше, чем у воды, то, появившись на поверхности вследствие охлаждения воды холодным воздухом, он погружался бы на дно, в результате весь водоем должен был бы промерзнуть. Это катастрофически сказалось бы на жизни многих организмов в водоемах.

Способность воды расширяться при замерзании приносит много хлопот в быту и технике. Практически каждый наблюдал, как замерзшая вода разрывает стеклянную емкость, будь то бутылка или графин. Гораздо большую неприятность доставляет промерзание водопровода, так как при этом почти неизбежным результатом являются лопнувшие трубы. По этой же причине в предстоящую морозную ночь воду сливают из радиаторов охлаждения автомобильных двигателей.

Поскольку вода при замерзании увеличивается в объеме, то в соответствии с законами физики при увеличении давления должно начаться плавление льда. Действительно, это хорошо видно при скольжении коньков на льду. Площадь лезвия конька невелика, поэтому давление на единицу площади большое, и лед под коньком подплавляется, трение резко падает и ледяная поверхность становится скользкой.

Второй и более важной причиной скольжения коньков по льду и лыж по снегу является трение движущегося тела о поверхность: выделяется значительное количество тепла, которое идет на расплавление льда и образование смазки. Натирание лыж специальными мазями улучшает скольжение, поскольку мази отталкивают воду и тем самым уменьшают сцепление воды и лыж.

Любопытно, что морской лед менее скользкий, чем пресноводный, поскольку в процессе его таяния сначала плавится соляная прослойка и лишь затем сам лед.

Одно из важнейших свойств воды, вызывающее далеко идущие последствия, связано с неравномерным изменением ее температурной плотности. Уже давно установлено, что наибольшей плотностью вода обладает при температуре около 4^о. Это создает совершенно особые условия существования незамерзающих слоев воды в зимнее время.

Когда на севере наступает осень, в реках начинается быстрое остывание водной массы, которое убыстряется под воздействием вечной мерзлоты, одновременно идет ассоциация молекул H₂O. Наконец наступает критический момент максимальной плотности: температура воды всюду чуть ниже 4 °C. И тогда в придонной зоне на некоторых участках интенсивно намораживается рыхлый подводный лед.

В отличие от обычного льда он не имеет правильной кристаллической решетки, у него иная структура. Центры его кристаллизации различны: камни, коряги и разные неровности, причем не обязательно лежащие на дне и связанные с мерзлым грунтом. Появляется рыхлый лед на реках глубоких, со спокойным – ламинарным – течением.

Подводное ледообразование обычно заканчивается всплытием льдин на поверхность, хотя в это время никакого другого льда нет. Подводный лед иногда появляется и летом. Возникает вопрос: что это за «вода в воде», которая меняет свое агрегатное состояние, когда установившаяся температура в реке слишком высока для того, чтобы в лед превращалась обычная вода, чтобы, как говорят физики, произошел фазовый переход?

Можно допустить, что рыхлый лед представляет собой обогащенные концентрации тяжелой воды. Кстати, если это так, нужно помнить, что тяжелая вода неотличима от обычной, однако употребление ее внутрь может вызвать тяжелые отравления. К слову сказать, местные жители высоких широт не употребляют речной лед для приготовления пищи – только озерный лед или снег.

Кроме дождя и града атмосферные осадки также выпадают в виде снега. Снег образует и гигантские горные ледники. Эти колоссальные потоки льда преимущественно атмосферного происхождения, очень медленно текущие с гор под действием силы тяжести. Обычно они имеют вид купола, щита или плиты.

Ледники образуются в результате накопления и последующего уплотнения льда и снега при их положительном многолетнем балансе. Общим условием возникновения ледников является сочетание низких температур воздуха с большим количеством атмосферных осадков, что имеет место в полярных областях и высоко в горах. Больше всего высокоширотных ледников в Антарктике, Арктике и Гренландии, а высокогорных – в Средней Азии, на Тибете, Кавказе, в Скандинавии и Патагонии.

Здесь, вероятно, у многих возникает вопрос: почему же нижняя кромка льда не тает, если она находится в соприкосновении с водой? Потому что тот слой воды, который непосредственно соприкасается с нижней кромкой льда, имеет нулевую температуру. При этой температуре одновременно существуют и лед, и вода. Но представьте теперь себе, что вода ведет себя так, как большинство других жидкостей. Достаточно было бы незначительного мороза, как все реки, озера, а может быть и северные моря, в течение зимы промерзли бы до дна. Многие из живых существ подводного царства были бы обречены на гибель.

Вот и получается, что, если бы не такие чудесные свойства воды, процесс замерзания содержимого Мирового океана начинался бы с придонных слоев, продолжаясь до самой поверхности; естественно, что при этом большинство земных озер, морей и океанов стали бы твердым льдом с поверхностным слоем воды глубиной несколько метров. Даже если бы температура воздуха увеличилась, лед на дне не растаял бы полностью. Иными словами, если бы вода вела себя как большинство жидкостей, то наша планета скорее всего была бы мертвым миром.

Между тем жизнь сегодня наполняет и приполярные районы, где есть даже местные жители, история которых насчитывает тысячелетия борьбы со льдом и снегом. Предки современных эскимосов, населявшие арктическое побережье Северной Америки, еще во второй половине первого тысячелетия нашей эры научились строить хижины из льда. В большинстве это были небольшие хижины (иглу) на семью из четырех человек, хотя встречаются и общественные постройки для игр и праздников, вмещающие до сотни человек. Эти хижины имели куполообразную форму с внутренним диаметром до 3 и высотой до 2 метров. Куполообразная форма придает иглу большую прочность, позволяющую выдерживать порывы полярного ветра и вес снежных заносов, она также сводит до минимума тепловые потери через внешнюю поверхность, сложенную из плотных снежно-ледяных блоков разной формы. При глубоком снеге вход обычно устраивается в полу, ко входу прорывается коридор. При этом вход в иглу должен быть ниже уровня пола для вентиляции свежего воздуха и сохранения тепла.

Свет в иглу проникает прямо через снежные стены, хотя иногда устраиваются окна из рыбьих пузырей или льда. Внутреннее помещение обычно застилают шкурами, иногда шкурами покрывают и стены. Для обогрева жилища и дополнительного его освещения используются плошки-жирники. В результате нагревания внутренние поверхности стен оплавляются, но стены не тают, так как снег легко выводит избыточное тепло наружу хижины. Поэтому в хижине может поддерживаться комфортная для жизни температура. Кроме того, снежная хижина впитывает изнутри излишнюю влагу, в результате чего в помещении достаточно сухо.

Эскимосы могут строить целые поселения из хижин иглу, соединенных переходами.

В Якутии иногда также создают ледяные хижины. Для этого деревянные жилые строения щедро обливают на морозе водой. Образующаяся после замерзания воды довольно толстая корка льда способствует лучшему сохранению тепла в помещениях.

Известны и целые дворцы, выполненные изо льда. Один из таких примеров ледяного зодчества был создан в 1740 году по приказу русской императрицы Анна Иоанновны для «потешной» свадьбы своего любимого скомороха и одной из придворных приживалок. Для этого в Петербурге на Неве выстроили ледяной дворец. Его стены и пол были выложены ледяными плитами, скрепленными застывшей водой. Современники отмечали красоту и прочность этого ледяного дома, который растаял только поздней весной.

Конструкции изо льда могут возникать и без участия человека. Крупные обломки скал в виде каменных плит, падающих иногда с горных склонов на поверхность ледников, предохраняют находящийся под ними лед от таяния. Поскольку не защищенный от прямого воздействия солнечных лучей лед тает, каменная плита через некоторое время оказывается стоящей на ледяной колонне на поверхности ледника. Небольшие камни на поверхности ледника, наоборот, довольно сильно нагреваются солнцем, расплавляют под собой лед и опускаются в него на некоторую глубину. В результате в леднике образуются «ледяные стаканы» с камнями на дне. Подобные явления наблюдаются и в Арктике. Так, через несколько лет после консервации одной из северных станций ее палатки были обнаружены как бы стоящими на высоких постаментах. Причиной этому послужило таяние льда вокруг палаток, в то время как их тенты заслоняли лед от солнечных лучей.

Большую роль до сих пор играет лед и в зимних переправах через необъятные сибирские реки. Еще сравнительно недавно на него даже укладывали железнодорожное полотно. Например, одна из таких переправ длиной почти в 50 километров долго существовала через озеро Байкал. А во время Великой Отечественной войны по льду Ладожского озера к осажденному Ленинграду проходила автомобильная дорога протяженностью без малого в 30 километров и известная в истории как Дорога жизни.

После создания в Арктике и Антарктике первых исследовательских станций посадка самолетов на лед толщиной в 1,5–2 метра стала обычным явлением. Наибольшая нагрузка на лед в этом случае имеет место не при начальном соприкосновении самолета со льдом, а при полной его остановке. При низких температурах посадка на лед более надежна, так как при этом больше и толщина льда, и прочность ледяного покрова. Морской лед менее прочен, чем пресноводный, зато более гибок и хорошо выдерживает посадку самолетов.

А знаем ли мы, что собой представляет обычный лед?

Самое любопытное, что до сих пор неизвестны все виды этого удивительного состояния воды. Ученые, занимающиеся исследованием льда, кристаллофизики и гляциологи, насчитывают 12 его основных разновидностей, в том числе загадочный «аморфный лед», встречающийся в открытом космосе. Одной из самых экзотических форм является, наверное, лед–9, образующийся при сверхвысоких давлениях. Он не тает при комнатной температуре и для перехода в жидкость его нужно нагреть почти до точки кипения воды в обычных условиях. Некоторые формы, лед–7 и лед–10, обладают феноменальной прочностью и твердостью, настолько высокой, что могут даже служить конструкционными материалами.

Давление обычно помогает жидкостям затвердевать: под давлением жидкости замерзают при более высокой температуре, и удивляться тут нечему, если вспомнить, что большинство веществ при застывании уменьшается в объеме. Давление вызывает уменьшение объема и этим облегчает переход жидкости в твердое состояние. Вода же при застывании, как мы уже знаем, не уменьшается в объеме, а наоборот, расширяется. Поэтому-то давление, препятствуя расширению воды, понижает температуру ее замерзания.

Само название единственного ледового континента, расположенного на самом крайнем юге нашей планеты, по-гречески означает «противоположность Арктике». Центр Антарктиды примерно совпадает с южным географическим полюсом, а самый южный континент омывают воды Южного океана. Антарктический ледниковый покров является крупнейшим на нашей планете и в десять раз превосходит льды Гренландии. В нем сосредоточено около 90 % всех земных льдов. Антарктический ледяной купол имеет многокилометровую толщину (до 5 километров) и увеличивает крутизну своих склонов с выходом к побережью, где он окружен шельфовыми ледниками. Гигантские массы льда на антарктическом куполе медленно текут на побережье континента, где откалываются в виде ледовых полей и отдельных айсбергов. Особенностью Антарктиды является большая площадь шельфовых ледников западной области континента, эти ледники являются источниками айсбергов рекордных размеров, значительно превосходящих северные «ледяные горы» ледников Гренландии. Так, самый большой известный айсберг представлял собой ледяное поле площадью свыше 10 тысяч квадратных километров.

Ледниковый покров Антарктиды сформировался около 14 млн лет назад, чему способствовал, по-видимому, разрыв перемычки, соединяющей Южную Америку и Антарктический полуостров. Это, в свою очередь, привело к возникновению антарктического течения западных ветров и своеобразной изоляции антарктических вод в акватории Южного океана.

Колоссальная масса льда сосредоточена и в Гренландии. Этот самый большой в мире остров омывается Атлантическим и Северным Ледовитым океаном. Большая часть Гренландии покрыта ледниковым щитом, занимающим всю внутреннюю часть и некоторые береговые районы. Поверхность ледникового щита постепенно повышается от берегов внутрь острова и имеет форму пологого свода, вытянутого с севера на юг. Ложе ледника имеет вогнутую форму со средней толщиной льда свыше 2 километров, а его поверхность покрыта слоем снега, пересеваемого ветром и образующим слабые всхолмления – заструги. На нижнем уровне ложе щита расчленено водными потоками, возникающими летом при таянии снега и льда, а у краев разбито глубокими трещинами. Верхние слои льда перемещаются от центра к западным и восточным краям ледника со средней скоростью около полутора сотен метров в год. У краев скорость возрастает, на отдельных участках в движение приходит вся толща льда, и образуются выводные ледники. Это узкие продолговатые отростки щита, которые по долинам достигают океана и дают начало айсбергам, выносимым в северную часть Атлантики. На северном склоне щита лед малоподвижен.

Антарктида и Гренландия порождают непрерывный поток айсбергов, некоторые из них быстрые течения доносят даже до тропиков. Эти ледяные горы, в точном переводе с немецкого, представляют собой свободно плавающую в приполярных водах массу льда. Чаще всего айсберги откалываются от шельфовых ледников – плавучих или частично опирающихся на дно и текущих от берега в море, в виде утончающейся к краю плиты, заканчивающейся обрывом. Они представляют собой продолжение наземных ледниковых покровов, реже образуются путем накопления снега на морском льду и цементирования снегом и льдом скоплений тех же айсбергов. Природа айсбергов была впервые объяснена еще Ломоносовым. Поскольку плотность льда составляет 920 кг/м³, а плотность морской воды – около 1025 кг/м³, то около 90 % объема айсберга находится под водой.

Большой айсберг часто выглядит как остров, особенно если посмотреть на него сверху. Тогда на нем можно увидеть очертания гор, русла рек. Лед нередко усеян валунами, обломками скал, в некоторых местах даже есть остатки почвы.

Многие месяцы и годы странствуют в морях и океанах опасные ледяные горы. Предполагают, что возраст их может достигать десятка лет, если, конечно, течения не вынесут айсберг в теплые воды. Постепенно ветер и туман, волны и теплый воздух разрушают айсберг – он тает, уменьшается, раскалывается на части. Но отдельные осколки ледяных гор, вернее, уже не осколки, а сглаженные волнами округлые льдины весом в несколько тонн – моряки называют их «орехами» – становятся еще опаснее, чем большие горы льда: айсберг хорошо виден на экране радиолокатора, а такой «орех» остается незамеченным и поэтому может стать причиной катастрофы.

В океанах встречаются ледяные стокилометровые исполины с рекордной площадью в десятки тысяч квадратных километров. Айсберги очень опасны, ведь даже современный океанский лайнер по сравнению с такой огромной плавающей глыбой льда – игрушка. Правда, сейчас у мореплавателей уже появилась возможность избежать столкновения: современные навигационные приборы, в частности радиолокаторы, позволяют видеть в любых метеорологических условиях. Тем не менее история мореплавания знает множество кораблекрушений, связанных с подобными столкновениями.

Родина столообразных айсбергов – шельфовые покровные ледники. Они, как мы уже говорили, покрывают поверхность арктических островов и Антарктического материка и постепенно сползают к океану. Иногда такой ледниковый покров растекается и по поверхности моря, образуя шельфовые прибрежные ледники. От них-то и отрываются временами большие столообразные ледяные поля, странствующие под действием ветров и течений. Пирамидальные айсберги рождаются в ледниках, спускающихся к океану с гор, и с оглушительным грохотом откалываются от «материнского» ледника, нависшего над морем.

«Ледяные бродяги» раньше интересовали только штурманов, прокладывающих курс, но в наши дни на них все чаще высаживаются экспедиции гидрологов, ищущих запасы воды, годной для питья. Айсберги – это естественные кладовые драгоценной влаги, ведь каждый из них несет огромное количество чистейшей пресной воды! Отсюда возникла заманчивая идея буксировать ледяные горы туда, где больше всего ощущается потребность в воде.

С транспортировкой айсберга средних размеров (а в нем около 10 млрд тонн) могли бы справиться несколько крупных буксирных судов. При благоприятных метеорологических условиях такое путешествие займет месяцы. Но зато целый год большой край может быть обеспечен чистейшей водой.

Еще более перспективны проекты использования гигантских дирижаблей, которые могли бы загружаться льдом из гренландского щита и транспортировать его в течение нескольких дней в Северную Америку, Европу и даже Северную Африку.