Gheață
Gheața este apă înghețată într-o stare solidă, formându-se de obicei la sau sub temperaturi de 0 °C, 32 °F sau 273,15 K. Ca solid anorganic cristalin natural, cu o structură ordonată, gheața este considerată a fi un mineral. În funcție de prezența impurităților, cum ar fi particule de pământ sau bule de aer, poate apărea transparentă sau de o culoare alb-albăstruie mai mult sau mai puțin opacă.
În Sistemul Solar, gheața este abundentă și apare în mod natural de la fel de aproape de Soare ca Mercur și până la distanță de obiectele norului Oort. Dincolo de Sistemul Solar, apare ca gheață interstelară. Este abundent pe suprafața Pământului – în special în regiunile polare și deasupra liniei de zăpadă – și, ca formă obișnuită de precipitații și depuneri, joacă un rol cheie în ciclul apei și clima Pământului. Cade sub formă de fulgi de zăpadă și grindină sau apare sub formă de îngheț, țurțuri sau vârfuri de gheață și se adună din zăpadă sub formă de ghețari și calote de gheață.
Gheața prezintă cel puțin nouăsprezece faze (geometrii de împachetare), în funcție de temperatură și presiune. Când apa este răcită rapid (stingere), se pot forma până la trei tipuri de gheață amorfă, în funcție de istoricul său de presiune și temperatură. Când este răcit lent, tunelul de protoni corelat are loc sub -253,15 ° C (20 K, -423,67 ° F) dând naștere unor fenomene cuantice macroscopice. Aproape toată gheața de pe suprafața Pământului și din atmosfera sa are o structură cristalină hexagonală desemnată ca gheață Ih (spusă ca „gheață o h”) cu urme minuscule de gheață cubică, denumită gheață Ic și, mai recent găsite, incluziuni de gheață VII în diamante. Cea mai comună tranziție de fază la gheață Ih are loc atunci când apa lichidă este răcită sub 0 °C (273,15 K, 32 °F) la presiunea atmosferică standard. De asemenea, poate fi depus direct de vaporii de apă, așa cum se întâmplă la formarea înghețului. Trecerea de la gheață la apă se numește topire și de la gheață direct la vapori de apă se numește sublimare.
Gheața este folosită într-o varietate de moduri, inclusiv pentru răcire, pentru sporturi de iarnă și pentru sculptarea gheții.
Proprietăți fizice
Gheața posedă o structură cristalină obișnuită bazată pe molecula de apă, care constă dintr-un singur atom de oxigen legat covalent la doi atomi de hidrogen, sau H–O–H. Cu toate acestea, multe dintre proprietățile fizice ale apei și gheții sunt controlate de formarea de legături de hidrogen între atomii de oxigen și hidrogen adiacenți; deși este o legătură slabă, este totuși critică în controlul structurii atât a apei, cât și a gheții.
O proprietate neobișnuită a apei este că forma sa solidă - gheața înghețată la presiunea atmosferică - este cu aproximativ 8,3% mai puțin densă decât forma sa lichidă; aceasta este echivalentă cu o expansiune volumetrică de 9%. Densitatea gheții este de 0,9167 – 0,9168 g/cm3 la 0 °C și presiunea atmosferică standard (101.325 Pa), în timp ce apa are o densitate de 0,9998 – 0,999863 g/cm3 la aceeași temperatură și presiune. Apa lichidă este cea mai densă, în esență 1,00 g/cm3, la 4 °C și începe să-și piardă densitatea pe măsură ce moleculele de apă încep să formeze cristale hexagonale de gheață pe măsură ce se atinge punctul de îngheț. Acest lucru se datorează legăturilor de hidrogen care domină forțele intermoleculare, ceea ce are ca rezultat o împachetare de molecule mai puțin compacte în solid. Densitatea gheții crește ușor odată cu scăderea temperaturii și are o valoare de 0,9340 g/cm3 la -180 °C (93 K).
Când apa îngheață, aceasta crește în volum (aproximativ 9% pentru apa dulce). Efectul expansiunii în timpul înghețului poate fi dramatic. Este, de asemenea, o cauză comună a inundațiilor caselor atunci când țevile de apă explodează din cauza presiunii apei în expansiune atunci când îngheață.
Rezultatul acestui proces este că gheața (în forma sa cea mai comună) plutește pe apa lichidă, care este o caracteristică importantă în biosfera Pământului. S-a susținut că, fără această proprietate, corpurile naturale de apă ar îngheța, în unele cazuri permanent, de jos în sus, rezultând o pierdere a vieții animale și vegetale dependente de apa dulce. Plăcile de gheață suficient de subțiri permit luminii să treacă, protejând în același timp partea inferioară de condițiile meteorologice extreme pe termen scurt, cum ar fi frigul. Acest lucru creează un mediu protejat pentru coloniile de bacterii și alge. Când apa de mare îngheață, gheața este plină de canale pline cu apă sărată care susțin organisme precum bacteriile, algele, copepodele și anelidele, care, la rândul lor, furnizează hrană pentru animale marine.
Când gheața se topește, absoarbe atâta energie cât ar fi nevoie pentru a încălzi o masă echivalentă de apă cu 80 °C. În timpul procesului de topire, temperatura rămâne constantă la 0 °C. În timp ce se topește, orice energie adăugată rupe legăturile de hidrogen dintre moleculele de gheață (apă). Energia devine disponibilă pentru a crește energia termică (temperatura) numai după ce sunt rupte suficiente legături de hidrogen încât gheața poate fi considerată apă lichidă. Cantitatea de energie consumată în ruperea legăturilor de hidrogen în tranziția de la gheață la apă este cunoscută sub numele de căldură de fuziune.
Ca și în cazul apei, gheața absoarbe lumina la capătul roșu al spectrului, de preferință, ca rezultat al unei tonuri a unei întinderi a legăturii oxigen-hidrogen (O-H). În comparație cu apa, această absorbție este deplasată către energii puțin mai scăzute. Astfel, gheața apare albastră, cu o nuanță puțin mai verde decât apa lichidă. Deoarece absorbția este cumulativă, efectul de culoare se intensifică odată cu creșterea grosimii sau dacă reflexiile interne fac ca lumina să parcurgă un drum mai lung prin gheață.
Alte culori pot apărea în prezența impurităților care absorb lumina, unde impuritatea dictează culoarea mai degrabă decât gheața în sine. De exemplu, aisbergurile care conțin impurități (de exemplu, sedimente, alge, bule de aer) pot apărea maro, gri sau verzi.
Deoarece gheața din mediile naturale este de obicei aproape de temperatura de topire, duritatea ei prezintă variații pronunțate de temperatură. La punctul său de topire, gheața are o duritate Mohs de 2 sau mai puțin, dar duritatea crește la aproximativ 4 la o temperatură de -44 °C (-47 °F) și la 6 la o temperatură de -78,5 °C (-109,3 °C). °F), punctul de vaporizare al dioxidului de carbon solid (gheață carbonică).
Formarea gheții în natură
Gheață cu pene pe platoul de lângă Alta, Norvegia. Cristalele se formează la temperaturi sub -30 °C (-22 °F).
Termenul care descrie colectiv toate părțile suprafeței Pământului în care apa este în formă înghețată este criosfera. Gheața este o componentă importantă a climei globale, în special în ceea ce privește ciclul apei. Ghețarii și straturile de zăpadă sunt un mecanism important de stocare a apei proaspete; în timp, acestea se pot sublima sau se topesc. Topirea zăpezii este o sursă importantă de apă dulce sezonieră. Organizația Meteorologică Mondială definește mai multe tipuri de gheață în funcție de origine, dimensiune, formă, influență și așa mai departe.
Pe oceane
Gheața care se găsește pe mare poate fi sub formă de gheață în derivă care plutește în apă, gheață rapidă fixată pe o linie de țărm sau gheață de ancorare dacă este atașată de fundul mării. Gheața care se desprinde (se desprinde) dintr-o platformă de gheață sau ghețar poate deveni un aisberg. Gheața de mare poate fi forțată împreună de curenți și vânturi pentru a forma creste de presiune de până la 12 metri înălțime. Navigarea prin zone de gheață de mare are loc în deschideri numite „polinii” sau „plumb” sau necesită utilizarea unei nave speciale numite „spărgător de gheață”.
Pe teren și structuri
Gheața de pe uscat variază de la cel mai mare tip numit „calotă de gheață” la calote glaciare mai mici și câmpuri de gheață la ghețari și fluxuri de gheață până la linia de zăpadă și câmpurile de zăpadă.
Aufeis este gheață stratificată care se formează în văile râurilor arctice și subarctice. Gheața, înghețată în albia pârâului, blochează scurgerea normală a apei subterane și determină creșterea pânzei freatice locale, ducând la deversarea apei deasupra stratului înghețat. Apoi, această apă îngheață, determinând creșterea în continuare a panzei freatice și repetarea ciclului. Rezultatul este un depozit de gheață stratificat, adesea de câțiva metri grosime.
Ploaia înghețată este un tip de furtună de iarnă numită furtună de gheață în care ploaia cade și apoi îngheață producând o glazură de gheață. Gheața poate forma, de asemenea, țurțuri, asemănătoare stalactitelor ca aspect, sau forme asemănătoare stalagmitelor, pe măsură ce apa picură și reîngheață.
Termenul „baraj de gheață” are mai multe semnificații. Pe structuri, un baraj de gheață este acumularea de gheață pe un acoperiș înclinat care împiedică scurgerea corectă a apei topite și poate provoca daune din cauza scurgerilor de apă din clădiri.
Pe râuri și pâraie
Gheața care se formează pe apa în mișcare tinde să fie mai puțin uniformă și mai puțin stabilă decât gheața care se formează pe apa calmă. Blocajele de gheață (numite uneori „baraje de gheață”), atunci când bucățile de gheață sparte se adună, reprezintă cel mai mare pericol de gheață pe râuri. Blocajele de gheață pot provoca inundații, deteriorarea structurilor din sau în apropierea râului și deteriorarea navelor de pe râu. Blocajele de gheață pot determina oprirea completă a unor instalații industriale hidroenergetice. Fluxurile mari de gheață în râuri pot deteriora, de asemenea, navele și necesită utilizarea unui sparg de gheață pentru a menține posibilă navigația.
Pe lacuri
Gheața se formează pe apa calmă de pe țărmuri, un strat subțire se răspândește pe suprafață și apoi în jos. Gheața de pe lacuri este în general de patru tipuri: primară, secundară, suprapusă și aglomerată. Gheața primară se formează mai întâi. Gheața secundară se formează sub gheața primară într-o direcție paralelă cu direcția fluxului de căldură. Gheața suprapusă se formează deasupra suprafeței de gheață din ploaie sau apă care se infiltrează prin crăpăturile din gheață care adesea se așează atunci când este încărcată cu zăpadă.
O împingere a gheții apare atunci când mișcarea gheții, cauzată de expansiunea gheții și/sau acțiunea vântului, are loc în măsura în care gheața împinge pe malul lacurilor, deseori deplasând sedimentele care formează linia țărmului.
Peleți
Peleții de gheață sunt o formă de precipitație constând din bile mici de gheață translucide. Această formă de precipitații este denumită și „lapoviță” (în engleză britanică „lapovița” se referă la un amestec de ploaie și zăpadă.) Peleții de gheață sunt de obicei mai mici decât grindina. Adesea sar când lovesc pământul și, în general, nu îngheață într-o masă solidă decât dacă sunt amestecate cu ploaia înghețată.
Peleții de gheață se formează atunci când un strat de aer peste îngheț este situat între 1.500 și 3.000 de metri deasupra solului, cu aer sub îngheț atât deasupra, cât și dedesubtul acestuia. Acest lucru determină topirea parțială sau completă a oricăror fulgi de zăpadă care cad prin stratul cald. Pe măsură ce cad înapoi în stratul sub-îngheț mai aproape de suprafață, ei reîngheață în pelete de gheață. Cu toate acestea, dacă stratul subîngheț de sub stratul cald este prea mic, precipitațiile nu vor avea timp să înghețe din nou, iar ploaia înghețată va fi rezultatul la suprafață.
Grindină
Ca și alte precipitații, grindina se formează în norii de furtună atunci când picăturile de apă suprarăcite îngheață la contactul cu nucleele de condensare, cum ar fi praful sau murdăria. Curentul ascendent al furtunii aruncă grindina în partea superioară a norului. Curentul ascendent se risipește și grindina cade în jos, înapoi în curent ascendent și sunt ridicate din nou. Grindina are un diametru de 5 milimetri sau mai mult. Bucățile de 19 milimetri, 25 milimetri și 44 de milimetri sunt cele mai frecvent raportate dimensiuni ale grindinei în America de Nord. Grindina poate crește până la 15 centimetri și poate cântări mai mult de 0,5 kilograme. În cazul grindinei mari, căldura latentă eliberată de înghețarea ulterioară poate topi învelișul exterior al grindinei. Grindina poate suferi apoi „creștere umedă”, în cazul în care învelișul exterior lichid colectează alte pietre de grindină mai mici. Grindina capătă un strat de gheață și devine din ce în ce mai mare cu fiecare ascensiune. Odată ce o piatră de grindină devine prea grea pentru a fi susținută de curentul ascendent al furtunii, ea cade din nor.
Grindina se formează în norii puternici de furtună, în special cei cu curent ascendent intens, conținut ridicat de apă lichidă, întindere verticală mare, picături mari de apă și în cazul în care o bună parte a stratului de nor este sub 0 °C (32 °F). Norii care produc grindina sunt adesea identificabili prin colorarea lor verde. Rata de creștere este maximizată la aproximativ -13 ° C (9 ° F) și devine extrem de mică mult sub -30 ° C (-22 ° F) pe măsură ce picăturile de apă suprarăcite devin rare. Din acest motiv, grindina este cel mai frecventă în interiorul continental de la latitudini medii, deoarece formarea grindinei este considerabil mai probabilă atunci când nivelul de îngheț este sub altitudinea de 3.400 m. Antrenarea aerului uscat în furtuni puternice de pe continente poate crește frecvența grindinei prin promovarea răcirii evaporaționale, care scade nivelul de îngheț al norilor de furtună, oferind grindinei un volum mai mare pentru a crește. frecvența furtunilor decât la latitudinile mijlocii, deoarece atmosfera de peste tropice tinde să fie mai caldă la o adâncime mult mai mare. Grindină la tropice apare în principal la altitudini mai mari.
Zăpadă
Cristalele de zăpadă se formează atunci când minuscule picături de nor suprarăcite (aproximativ 10 μm în diametru) îngheață. Aceste picături sunt capabile să rămână lichide la temperaturi mai mici de -18 °C (255 K; 0 °F), deoarece pentru a îngheța, câteva molecule din picătură trebuie să se adună întâmplător pentru a forma un aranjament similar cu cel dintr-o gheață. Apoi picătura îngheață în jurul acestui „nucleu”. Experimentele arată că această nucleare „omogenă” a picăturilor de nor are loc doar la temperaturi mai mici de -35 °C (238 K; -31 °F). În norii mai caldi, o particulă de aerosol sau „nucleu de gheață” trebuie să fie prezentă în (sau în contact cu) picătură pentru a acționa ca nucleu.
Praf de diamant
Așa-numitul „praf de diamant”, cunoscut și sub denumirea de ace de gheață sau cristale de gheață, se formează la temperaturi care se apropie de -40 °C (-40 °F) din cauza aerului cu umiditate puțin mai mare de la sus, amestecându-se cu aer mai rece, de la suprafață.
Ablația
Ablația gheții se referă atât la topirea, cât și la dizolvarea acesteia.
Topirea gheții înseamnă ruperea legăturilor de hidrogen dintre moleculele de apă. Ordinea moleculelor în solid se descompune într-o stare mai puțin ordonată și solidul se topește pentru a deveni lichid. Acest lucru se realizează prin creșterea energiei interne a gheții dincolo de punctul de topire. Când gheața se topește, absoarbe atâta energie cât ar fi necesară pentru a încălzi o cantitate echivalentă de apă cu 80 °C. În timp ce se topește, temperatura suprafeței gheții rămâne constantă la 0 °C. Viteza procesului de topire depinde de eficiența procesului de schimb de energie. O suprafață de gheață în apă dulce se topește numai prin convecție liberă cu o viteză care depinde liniar de temperatura apei.
În condiții de mediu sărat, mai degrabă dizolvarea decât topirea cauzează adesea ablația gheții. De exemplu, temperatura Oceanului Arctic este, în general, sub punctul de topire al ablației gheții marine. Tranziția de fază de la solid la lichid se realizează prin amestecarea moleculelor de sare și apă, similar cu dizolvarea zahărului în apă, chiar dacă temperatura apei este mult sub punctul de topire al zahărului. Astfel, viteza de dizolvare este limitată de transportul de sare, în timp ce topirea poate avea loc la viteze mult mai mari, care sunt caracteristice pentru transportul de căldură.
Utilizări
Răcire
Gheața a fost mult timp apreciată ca mijloc de răcire. În 400 î.Hr. inginerii persani stăpâniseră deja tehnica depozitării gheții în mijlocul verii în deșert. Gheața era adusă din bazinele de gheață sau în timpul iernilor din munții din apropiere în cantități mari și depozitată în frigidere special concepute, răcite natural, numite yakhchal (însemnând depozitarea gheții). Acesta era un spațiu mare subteran (până la 5000 m3) care avea pereți groși (cel puțin doi metri la bază) formați dintr-un mortar special numit sarooj, compus din nisip, argilă, albușuri de ou, var, păr de capră și cenușă. proporții specifice și care era cunoscut ca fiind rezistent la transferul de căldură. Se credea că acest amestec este complet impenetrabil cu apă.
Recoltarea
Au existat industrii înfloritoare în Anglia secolelor XVI-XVII, în care zonele joase de-a lungul estuarului Tamisei erau inundate în timpul iernii, iar gheața recoltată în cărucioare și depozitată intersezonal în case izolate din lemn și folosit pe scară largă pentru a menține peștele proaspăt atunci când este prins în ape îndepărtate. Acesta ar fi fost copiat de un englez care a văzut aceeași activitate în China. Gheața a fost importată în Anglia din Norvegia la o scară considerabilă încă din 1823.
În Statele Unite, prima încărcătură de gheață a fost trimisă din New York către Charleston, Carolina de Sud, în 1799, și până în prima jumătate a secolului al XIX-lea, recoltarea gheții a devenit o afacere mare. Frederic Tudor, care a devenit cunoscut drept „Regele gheții”, a lucrat la dezvoltarea unor produse de izolare mai bune pentru transporturile de gheață pe distanțe lungi, în special către tropice; acest lucru a devenit cunoscut sub numele de comerțul cu gheață.
Între 1812 și 1822, sub instrucțiunile lui Lloyd Hesketh Bamford Hesketh, Castelul Gwrych a fost construit cu 18 turnuri mari, unul dintre aceste turnuri fiind numit „Turnul de gheață”. Singurul său scop a fost de a stoca gheață.
Trieste a trimis gheață în Egipt, Corfu și Zante; Elveția, către Franța; iar Germania era uneori aprovizionată din lacuri bavareze. Clădirea Parlamentului Ungariei a folosit pentru aer condiționat gheața recoltată iarna din Lacul Balaton.
Casele de gheață erau folosite pentru a stoca gheața formată în timpul iernii, pentru a face gheața disponibilă pe tot parcursul anului. În multe orașe, nu era neobișnuit să existe un serviciu regulat de livrare a gheții în timpul verii. Apariția tehnologiei de refrigerare artificială a făcut ca livrarea gheții să fie depășită.
Gheața este încă recoltată pentru evenimentele de sculptură în gheață și zăpadă.
Productia artificială
Interiorul unei fabrici de gheață din secolul XIX.
Cel mai vechi proces scris cunoscut de a face gheață în mod artificial este din scrierile din secolul al XIII-lea ale istoricului arab Ibn Abu.
Gheața este acum produsă la scară industrială, pentru utilizări inclusiv depozitarea și prelucrarea alimentelor, fabricarea chimică, amestecarea și întărirea betonului și gheața de consum sau ambalată. Majoritatea producătorilor de gheață comerciale produc trei tipuri de bază de gheață fragmentară: fulgi, tubular și plăci, folosind o varietate de tehnici. Aparatele mari de gheață pot produce până la 75 de tone de gheață pe zi. În 2002, existau 426 de companii comerciale de fabricare a gheții în Statele Unite, cu o valoare combinată a transporturilor de 595.487.000 USD. Frigiderele de acasă pot face, de asemenea, gheață cu un aparat de gheață încorporat, care va face de obicei cuburi de gheață sau gheață zdrobită. Unitățile de producție de gheață independente care fac cuburi de gheață sunt adesea numite mașini de gheață.
