Лед

Если вы вдруг сомневались, то лед – это вода в твердом агрегатном состоянии. В большинстве случаев лед образуется, когда вода замерзает до 0 °C и ниже. Мы говорим «в большинстве случаев», поскольку, как уже упоминалось, вода может оставаться жидкостью и при температуре ниже 0 °C – это так называемая переохлажденная вода.

Она замерзает, когда молекулы водорода и кислорода (H₂O) становятся такими холодными, что замедляются и слипаются друг с другом, образуя твердый кристалл. Одна из самых интересных характеристик льда заключается в том, что он, хотя и твердый, на самом деле менее плотный, чем жидкая вода. Мы не будем вдаваться в подробности, но на молекулярном уровне во льду больше воздушных карманов между связанными водородом и кислородом, чем в жидкой воде. Вот почему лед плавает в воде и не тонет. Представьте себе, что было бы, если бы молекулярная структура льда была такова, что он бы не плавал, а шел ко дну сразу после образования. Условия жизни в океанах были бы совершенно иными, не появлялось бы полярных льдов и айсбергов. Планета выглядела бы совершенно иначе, а тех форм жизни, которые населяют ее сейчас, вероятнее всего, просто не существовало бы.

Совокупность замороженной воды на всем земном шаре называется криосферой. Этот термин охватывает все запасы льда на суше и на море, включая Антарктиду, Арктику, ледники, ледовые шапки, айсберги, вечную мерзлоту и замерзшие реки и озера. В течение года общее количество льда на Земле меняется со сменой сезонов. Наибольшим изменениям подвергается количество морского льда в Арктике и Антарктике: летом лед там активно тает. В Арктике зимой площадь ледяного покрова достигает 14–16 млн квадратных километров, а летом – только 7 миллионов. В Антарктике колебания еще более значительны: зимой это 17–20 миллионов, летом – 2–4 млн квадратных километров морского льда. Конечно, значительные запасы льда сосредоточены и на суше: в Антарктиде, например, ледяной покров простирается приблизительно на 14 млн квадратных километров, в Гренландии – 1,7 миллиона, а ледники в остальном мире занимают приблизительно 726 тысяч квадратных километров. Стоит отметить, что на Антарктиду и Гренландию приходится около 68 % мировых запасов пресной воды.

Как вы, возможно, помните из раздела этой главы о снеге, его белизна, или альбедо, очень важна для Земли, поскольку, отражая поступающие солнечные лучи, снег регулирует температуру на планете. Альбедо – это показатель отражательной способности поверхности. Черная поверхность поглощает поступающую солнечную энергию, а отражает очень мало, так что альбедо почти равно нулю. Альбедо белых поверхностей ближе к единице – они обладают очень хорошей отражающей способностью. Стоит заметить, что большинство домов в средиземноморском регионе белые, а на Ближнем Востоке – почти все машины. Дело просто в том, что белый цвет отражает большую часть солнечной энергии, так что находящимся внутри дома или автомобиля не так жарко, как было бы в черной машине или помещении.

Альбедо океанов безо льда составляет около 0,06, то есть всего 6 % поступающей солнечной энергии отражается обратно в атмосферу, а 94 % поглощается и используется для нагрева океана. Альбедо морского льда равно примерно 0,5–0,7, то есть поглощается только 30–50 % поступающей энергии, из-за чего поверхность остается более прохладной. Если на льду имеется слой снега, то альбедо еще выше – порядка 0,9, то есть поглощается всего 10 % солнечной энергии, а 90 % отражается обратно в космос. И все эти цифры действительно значимы. Летом и осенью происходит значительное нагревание этих ледовых районов, что сокращает время на восполнение запасов льда и снега за зиму. Равновесие здесь очень хрупкое. Общее альбедо снижается, система поглощает больше тепла, что ускоряет таяние льдов. Чем быстрее тают льды, тем ниже альбедо, и этот процесс вызывает значительное беспокойство, поскольку формируется положительная обратная связь. Правда, усмотреть положительные моменты здесь сложно: в системе климата таяние льдов – свой собственный злейший враг, поскольку таяние льдов вызывает еще большее таяние льдов.

Поверхность земли на 75 % состоит из воды, которая на 97 % соленая и только на 3 % пресная. Значительная часть пресной воды заключена в ледниках и ледовых шапках планеты. За лето таяние небольшого количества этого льда в горных районах обеспечивает людей необходимой пресной водой, а также снабжает сельское хозяйство, ирригационные системы, промышленность и гидроэлектростанции. Поскольку полярные области очень чувствительны к изменениям климата, а здешний лед особенно уязвим для антропогенных изменений, ученые интенсивно их изучают. Ледовые шапки и ледники сформировались здесь сотни тысяч лет назад: год за годом в этих местах выпадает и накапливается снег. Толщина некоторых ледников несколько километров. Каждый год количество выпавшего снега зависит от климата, и химия льда на молекулярном уровне может многое рассказать нам о состоянии атмосферы. Пробурив скважину в ледяном покрове и добыв ледяные керны[10], ученые могут изучить толщину соответствующих слоев льда и присутствующие в нем пузыри. Это может многое рассказать нам о концентрации парниковых газов, продолжительности ледниковых периодов и общей стабильности климата за последние 10 тысяч лет.

Изучив ледяной керн, ученые выясняют, какое количество углекислого газа, метана и других парниковых газов было в атмосфере в определенный период. Наличие пепла, пыли или других аэрозольных частиц может свидетельствовать о вулканической активности и ее влиянии на климат того времени. Изучение молекулярной структуры ледяного керна позволяет ученым получить представление о выпадавших в прошлом осадках, что, в свою очередь, может рассказать о стоявших в то время температурах. Как археолог или палеонтолог раскапывает почву или окаменелости, чтобы узнать что-то новое о прошлом, так и палеоклиматологи «копаются» в ледяном керне, чтобы узнать, какая погода была в прежние времена. Чем глубже слой, с которого мы можем извлечь ледяной керн, тем дальше мы можем путешествовать назад во времени. Одна из скважин, которые пробурили в Антарктиде, позволила извлечь образцы льда возрастом 2,7 миллиона лет. Это невероятное вещественное доказательство давно ушедшего климата, со всеми ледниковыми периодами и изменениями концентрации углекислого газа. В Антарктиде, Гренландии, Арктике и даже некоторых ледниках пробурено множество ледяных скважин. Ученые стараются собрать как можно больше данных для построения глобальной компьютерной модели. При помощи знаний в области атмосферной физики климатологи анализируют климат прошлых эпох и строят компьютерную модель для предсказания будущих изменений климата на нашей планете.

Мы уже говорили, как от таяния льдов изменяется альбедо поверхности Земли – она меньше отражает и больше поглощает солнечной энергии. Впрочем, вероятно, большинству людей не это кажется основной проблемой, связанной с таянием льдов. Одним из самых серьезных последствий глобального потепления и изменений климата считается подъем уровня моря. Однако не любое таяние льдов действительно приводит к подъему уровня моря – все зависит от того, где этот лед расположен.

Когда Саймон был еще юн и только собирался стать метеорологом, он посетил организованную Британской антарктической службой дискуссию о климате на этом огромном ледяном континенте, который простирается во все стороны от Южного полюса. Выступающие применили простой, но эффективный способ демонстрации разных типов влияния таяния плавучего льда и ледников суши. Этот эксперимент поразил его воображение и укрепил в намерениях!

Участники выступления взяли два стакана – один наполовину заполненный водой, другой – пустой. В каждый стакан бросили по паре кубиков льда и оставили таять. Многие из вас, вероятно, посчитают (как и Саймон), что уровень воды повысится в обоих стаканах. Однако когда весь лед растаял, в пустом сухом стакане появилась вода, а уровень воды во втором стакане, изначально наполненном водой наполовину, не изменился. Этот процесс можно масштабировать в миллион раз, но результат не изменится. Причина, по которой мы не видим существенных изменений уровня Мирового океана при таянии морских льдов, состоит в том, что имеющийся лед уже вытесняет определенный объем воды. А таяние – это просто восстановление того же объема воды, который был изначально вытеснен. Однако здесь есть один немаловажный факт: соленая и пресная вода имеют разную плотность. Пресная вода менее плотная, чем соленая, так что пресноводный лед обладает большим объемом, чем эквивалентная масса морской воды. Поэтому когда тает пресноводный лед, образуется больший объем воды, чем изначально вытесненный. Эта разница очень невелика – по оценкам ученых, таяние плавучего льда повышает уровень моря всего на 0,005 мм в год.

Мы имеем здесь в виду, что, хотя таяние льдов в Арктике определенно приводит к глобальному потеплению из-за снижения альбедо, уровень моря при этом почти не повышается. Но в случае с таянием континентальных ледников это не так. Главный фактор беспокойства за подъем уровня моря – разрушение и таяние ледяных щитов в Гренландии и в Антарктиде. Если растают и они, и другие континентальные ледники, то общий уровень моря может подняться на 70 метров. Последствия будут невероятными: сотням миллионов людей придется покинуть родные места, так как 40 % населения Земли живет в пределах 100 километров от морского побережья.

Все мы знаем, что H₂O может существовать в одном из трех состояний: газообразном (водяной пар), жидком (вода) или твердом (лед). Хорошо известно также, что если нагреть воду, то она станет паром, а если охладить ниже нуля, то превратится в лед. Но так бывает не всегда. В метеорологии мы порой имеем дело с веществом H₂O, все еще существующим в жидком состоянии при температуре до –40 °C. В таком виде она называется переохлажденной водой. Мы уже упоминали ее мельком в других главах книги, однако сейчас давайте остановимся на ней поподробнее.

При температурах ниже нуля молекулам воды, чтобы начать процесс кристаллизации в лед, нужно найти какое-либо ядро – микроскопическую пылинку, частичку грязи или пыльцы, или ледяной кристалл. Если такого ядра не находится и капелька воды остается «чистой» (содержит только молекулы водорода и кислорода), то кристаллизации не происходит. Вода не может замерзнуть сама по себе, пока не дойдет до температуры –40 °C, при которой начинается образование однородных кристаллов. Переохлажденная вода может присутствовать во многих облаках, но чаще всего – в облаках средней высоты, например высококучевых и высокослоистых, которые находятся достаточно высоко, чтобы температура в них была ниже нуля, но выше –40 °C, чтобы лед не образовывался сам по себе. Увидеть разницу можно невооруженным глазом: ледяные облака обычно имеют гладкий белый цвет и клочковатую структуру и парят очень высоко в небе.

Что? Ответ очевиден – конечно, нет. Если поставить в морозильную камеру два стакана с водой – один с холодной, другой с горячей, – можно предположить, что холодная вода достигнет точки замерзания быстрее, чем горячая. Однако проводились эксперименты, в которых более горячая вода действительно замерзала быстрее, и причины этого веками ставили ученых в тупик! Возможно, вам случалось видеть один великолепный эксперимент: при очень холодной погоде чашку кипятка выплескивают в воздух, и вода немедленно замерзает, образуя мельчайшие кристаллики льда. С холодной водой в тех же условиях такое не случится.

Все началось с танзанийского школьника, Эрасто Мпембы, который в 1963 году на одном из занятий по поварскому искусству заметил, что горячая вода остывает быстрее, чем холодная. Мальчик должен был приготовить мороженое: он разогрел в кастрюле сливки и сахар, но охладить смесь не успел, поэтому пришлось класть ее в морозильник горячей. Спустя время Эрасто, к своему удивлению, заметил, что его мороженое замерзло в холодильнике быстрее, чем у одноклассников. Пораженный этим результатом, он обратился к школьному учителю, но тот только посмеялся над его заявлением. Позднее Эрасто сменил школу, в которую однажды пригласили профессора Денниса Осборна. Мальчик поделился с ним своими наблюдениями, после чего тот провел собственный эксперимент и получил схожие результаты. Нужно также отметить, что еще Аристотель, греческий философ IV века до н. э., писал: «Если вода была предварительно нагрета, она быстрее замораживается; потому что так она быстрее охлаждается». Осборн и Мпемба опубликовали результаты экспериментов совместно, и эффект получил название «Эффект Мпембы».

Ученые, однако, разделились в своем отношении к этому эффекту, поскольку в нескольких экспериментах не удалось воспроизвести результаты Мпембы, но были и удачные повторения. Существует множество теорий относительно того, как работает этот эффект, но проблема в том, что ученые не вполне уверены, что какая-то из этих теорий может служить полным и единственным объяснением, так что горячие споры вокруг явления продолжаются.

Туман