Лед в природе

Лед образуется повсюду, где замерзает вода,— в озерах, морях, реках, в грунте или в атмосфере. Мы привыкли видеть его в форме снега, который состоит из ажурных гексагональных кристаллов, очень изящных и красивых, но лед встречается и в различных других формах, например в виде кристаллов инея и игольчатых, ветвистых и похожих на перья масс, что оседают на оконных стеклах. В водоемах лед образует либо неправильные сростки крупных столбчатых (игольчатых) кристаллов, либо твердые массы, состоящие из вытянутых гексагональных кристаллов, длинные оси которых перпендикулярны поверхности воды.

Озерный лед. Водоем со спокойной водой, например озеро или внутреннее море, обычно не замерзает до тех пор, пока вся толща воды не охладится до температуры, близкой к точке замерзания. Пресная вода имеет максимальную плотность при температуре 4°С, и когда вода у поверхности водоема остывает до этой температуры, она опускается, а на ее место снизу поступает более теплая вода. Эта циркуляция в вертикальном направлении продолжается, пока вся масса воды не приобретет максимальную плотность. Теперь, хотя температура на поверхности озера продолжает понижаться и приближается к точке замерзания (0°С), эта более холодная вода остается наверху, и в конце концов из нее образуется корка льда. Следовательно, озера со средними глубинами полностью покрываются льдом только после того, как температура воздуха долгое время будет ниже 0°С. Глубокие озера, например Великие озера, не замерзают целиком даже в самые холодные зимы, так как зима слишком коротка для того, чтобы вода в озере охладилась на всю глубину до достаточно низкой температуры.
Если мелководье протягивается на некоторое расстояние от берега, лед примерзает ко дну, соединяясь с замерзшей водой, которая находится в осадках на дне озера, и тогда лед, покрывающий озеро, припаивается к промерзшим берегам. При колебаниях температуры лед расширяется и сжимается. Когда происходит сжатие, лед растрескивается и трещины заполняются водой, которая тоже замерзает и расширяется. Если температура немного повышается, лед расширяется и в результате возникают горизонтальные силы, которые действуют в направлении береговой линии и заставляют осадки и обломки надвигаться на берег. После того как лед растает, этот обломочный материал выглядит как стенка из песка, гравия и более крупных обломков, повторяющая очертания береговой линии. Сотни ледниковых озер в верхней части долины Миссисипи обрамлены озерными валами, которые сформировались именно таким образом. Они отличаются от пляжей и баров тем, что сложены несортированным материалом и что крутые их склоны обращены к озеру.
Морской лед. Морская вода не замерзает до тех пор, пока ее температура не понизится до -2 — -4°С в зависимости от солености. В высоких широтах температура всей морской воды близка к точке замерзания, но слой льда мощностью 2-3 м, образующийся на поверхности моря, защищает находящуюся под ним воду от сильного холода полярных зим. Там, где в приполярных районах лед формируется вдоль берегов, его мощность часто превышает 15 м. Такие массы льда образуются не в результате непосредственного замерзания океанской воды, а благодаря тому, что в лед превращается снег, возникающий из водяных брызг, которые летят от волн во время штормов и засыпают прибрежный лед. Такой лед играет важную роль в эрозии берегов. Зимой он защищает берег от разрушительного действия волн, а во время ледохода служит как бы плотом, на котором обломочный материал может выноситься в море.
Отламываясь, морской лед плавает в виде крупных пластин, которые называют плавучими льдинами. Эти льдины могут сбиваться вместе, образуя ледяные торосы (паковый лед), которые имеют очень неровную поверхность и возвышаются над водой из-за того, что льдины наползают друг на друга. Вдоль берегов полуострова Лабрадор и во многих заливах полярных морей лед формируется на морском дне, и тогда говорят о грунтовом, или донном, льде.
Речной лед. Когда вода в реке замерзает, она оказывает разрушающее действие на борта и дно русла подобно тому, как это происходит при замерзании грунтовых вод. Мелкие частицы, гравий и валуны вмерзают в лед и перемещаются вниз по течению, подплывая вместе с толстыми льдинами к берегам реки или останавливаясь из-за ледяных заторов, перегораживающих долину. Если в сужении долины накапливается много льда, то вода подпруживается и в результате река откладывает осадки. Когда вода в конце концов прорывает такой затор, объем потока значительно увеличивается и сопровождающее этот процесс увеличение скорости течения намного повышает транспортирующую способность реки. Так подпруживаются у порогов реки Канады и Сибири, текущие на север. Когда лед взламывается, он тает сначала в южных верховьях этих рек, которые выносят льдины к северу, туда, где лед еще не растаял. Возникающие ледяные заторы вызывают разливы рек и участвуют в процессах эрозии и аккумуляции.
Замерзшие грунтовые воды. Во всех почвах имеются поры, и почти все твердые породы вблизи поверхности нарушены бесчисленными трещинами, в которых содержится вода. Расширение этой воды при замерзании имеет большое значение для дезинтеграции пород. К процессам, вызывающим дезинтеграцию, относятся морозное расклинивание и морозное вспучивание, которые приводят к формированию разнообразных форм рельефа, таких, как осыпи, узорчатый грунт и некоторые типы каменных глетчеров.
В полярных и высокогорных областях под действием мороза разрушается огромное количество пород. Морозное расклинивание, как известно, поднимает крупные глыбы (до 8 м в диаметре) более чем на 4 м по вертикали. Там, где имеются суточные колебания температуры, з результате замерзания воды и таяния льда от скал, валунов или более мелких обломков откалываются куски породы. У подножия крутых скал образующийся обломочный материал накапливается § виде осыпей. На крутых склонах эти осыпи могут перемещаться вниз под действием морозного расклинивания, образуя каменные потоки, или каменные глетчеры. Такое перемещение масс под влиянием силы тяжести уже рассматривалось в этой книге, но мы хотим здесь обратить внимание на то, что действие мороза ускоряет движение материала вниз по склону, а зачастую может вызвать его начало.
Замерзшая в почве вода образует ледяной цемент, который связывает частицы между собой и препятствует просачиванию воды во время весеннего таяния снега. На склонах холмов и гор такая поверхность мерзлого грунта может стать плоскостью скольжения, по которой насыщенные водой массы обломочного материала могут перемещаться либо медленно, либо быстро. В тех земледельческих районах, где почва представлена валунной глиной, во время ежегодного промерзания валуны выталкиваются вверх, ближе к поверхности, под действием сил, возникающих вследствие расширения водонасыщенной глины при замерзании. Когда весной действие мороза прекращается, частицы почвы и мелкие обломки пород оседают, а более крупным валунам мешают оседать глинистые частицы и галька, которые падают в полости, прежде занятые валунами. Со временем большинство валунов может оказаться на поверхности или вблизи нее. В некоторых районах фермеры, убирая эти валуны со своих полей, используют их для строительства каменных изгородей.
Многолетняя мерзлота. В областях, расположенных поблизости от ледяных шапок или материковых ледников и в некоторых высокогорных областях, почвы и коренные породы наполнены никогда не тающим льдом. Это явление называют многолетней (вечной) мерзлотой.
Помимо того что лед цементирует частицы породы и таким образом целиком заполняет поровое пространство, увеличиваются размеры и количество его кристаллов и образуются жилы, клинья, массы льда неправильной формы и протяженные линзовидные прослои относительно чистого льда, которые могут достигать больших размеров. Особенно благоприятные условия для формирования крупных линз чистого льда существуют на слабо дренируемых площадях, которые подстилаются глинами, очень тонкими алевритами или торфом.
Лед в почве быстро реагирует на изменение температуры. При замерзании объем почвенного слоя увеличивается отчасти вследствие расширения внутрипо-ровой (интерстиционной) воды, а отчасти в результате формирования в нем масс чистого льда. Мощность слоя алевритов может увеличиться таким образом больше чем вдвое.
В районах развития многолетней мерзлоты образуются характерные структуры грунта, в том числе торфяные и каменные круги и многоугольники, каменные гирлянды и каменные полосы. Подобные структуры, возникшие под действием мороза, можно наблюдать на многих горных вершинах, хотя настоящей многолетней мерзлоты там нет.
Кольцевые структуры могут сформироваться под действием горизонтальных сил, возникающих при замерзании воды, как в случае торфяных кругов, или в результате сжатия, вызванного промерзанием грунта в холодное время года, как в случае каменных кругов. Торфяные круги лучше всего развиваются на лишенных растительности почвах, но могут возникнуть и на участках с растительным покровом; в этих местах вспучивание почвы и горизонтальное давление, связанные с замерзанием и оттаиванием, разрывают почвенный слой и раздвигают его, и там, где произошло отделение, остаются зияющие трещины. Каменные круги формируются из трещин усадки, которые образуются по мере того, как промерзшая земля охлаждается. Весенние талые воды стекают в эти трещины усадки и выносят с собой тонкозернистый материал, оставляя грубые обломки на поверхности или вблизи нее. В результате возникает полигональная схема расположения обломков, образующаяся под действием замерзания или многолетней мерзлоты.
На склонах, где есть раздробленные массы породы, движение структурного грунта приводит к тому, что изометричные каменные круги вытягиваются, превращаясь в эллипсы или петли, которые называют каменными гирляндами. Когда такие гирлянды или петли попадают на более крутые склоны, они продолжают удлиняться и таким образом принимают вид каменных полос. Они представляют собой параллельные каменные гребни, которые могут прослеживаться на сотни метров, пока не утратят связности и не разрушатся.
Сейчас остатки древних каменных кругов и полос можно обнаружить на поверхности земли далеко от современной границы многолетней мерзлоты, даже на
юге провинции Новая Шотландия, в Новой Англии и шт. Пенсильвания. Другие характерные для вечной мерзлоты структуры встречаются у границ ледниковых отложений в шт. Висконсин и в других штатах, где были ледники. Все эти структуры сформировались, вероятно, когда субарктический климат распространялся на более южные районы, чем в настоящее время.
Глубина многолетней мерзлоты изменяется от места к месту даже в областях с очень холодным климатом. В северном полушарии вдоль южной границы многолетнемерзлых пород располагается обширная зона шириной до 800 км, где многолетняя мерзлота развита в отдельных участках и существует спорадически. На Аляске мощность многолетнемерзлых пород изменяется от нуля близ озер, больших родников и горячих источников до 300 м и более. Максимальная глубина постоянного промерзания пород превышает 600 м.

Снег. Когда водяной пар конденсируется непосредственно в твердое состояние, образуются кристаллы снега. Эти симметричные кристаллы возникают чаще всего, когда нет ветра и воздух очень холодный. Обычно снежные кристаллы слипаются в хлопья, которые падают на землю.
Зимой снег, как правило, покрывает значительную часть земной поверхности, а на высоких вершинах или высокогорных плато встречается даже в экваториальной зоне.
У свежевыпавшего сухого снега очень низкая плотность и, следовательно, высокая пористость. Эти свойства, вместе с очень неправильной формой снежных, хлопьев, обеспечивают чрезвычайно большую площадь поверхности, что позволяет снегу легко обмениваться влагой с атмосферой посредством испарения и сублимации. Влагообмен бывает наибольшим там, где снежные кристаллы и хлопья соприкасаются, и поэтому форма снежных хлопьев постепенно меняется, и они превращаются в округлые, почти сферические зерна. Такой зернистый снег называют фирном (термин немецкого происхождения) или невё (термин, употребляемый во Франции).
В районах, где среднегодовая температура близка к точке замерзания воды, снег не тает в любое время года и, следовательно, накапливается, образуя массу так называемых вечных снегов. Нижняя граница, до которой они опускаются, называется снеговой линией. Снеговая линия обычно в разных местах располагается на разной высоте; ее положение зависит от рельефа местности, характера ветров, вариаций средних температур и количества выпадающего снега.
Там, где в холодное время года снега выпадает больше, чем может растаять весной и летом, формируются снежные поля. Внутри такого поля снег с глубиной постепенно превращается в лед, и снежное поле становится ледяным полем. Превращение снега в фирн, а фирна в лед происходит очень медленно; этот процесс обусловлен рядом причин, которые приводят к тому, что более крупные зерна растут за счет более мелких. Хотя фирновый снег состоит из округлых зерен льда, между ними все еще имеются значительные пространства, вследствие чего общая плотность фирна меньше плотности льда. По мере роста крупных кристаллов фирновый лед уплотняется, и пористость с увеличением плотности уменьшается. В конце концов твердая масса зернистых кристаллов льда преобретает отчетливую сцепленную структуру. При постоянном давлении накапливающегося сверху снега и фирна эти кристаллы продолжают расти и меняют ориентировку. По мере того ка к толщина ледяного поля увеличивается, подвижность молекул, как и при перекристаллизации минералов, переходит в подвижность собственно массы льда, и ледяное поле становится ледником.