Лед озадачивает

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Во времена моего советского детства в Москве едва ли не в каждом дворе были самодеятельные катки. Мужчины из соседних домов расчищали площадку, а потом, когда ударяли морозы, вытягивали из ближайшего окна первого этажа шланг, пускали по нему горячую воду и заливали каток.

Почему горячей? Да потому что быстрее и ровнее застывает. Так говорили все — как о само собой разумеющемся. Лед и правда был гладкий и схватывался быстро. Но почему же горячая вода замерзает быстрее холодной? Это же не логично?!

О том, что есть такой странный эффект быстрого замерзания горячей воды, ученые заговорили в середине 60-х годов. Этот эффект назвали именем танзанийского школьника Эрасто Мпембы, который его и открыл. История известная. Тринадцатилетний школьник вместе с одноклассниками на практикуме по кулинарии делал мороженое.

Он растворил сахар в горячем молоке и поставил в холодильник, забыв, что прежде надо было бы молоко остудить. Но оказалось, что его молоко замерзло быстрее, чем у его одноклассников, хотя они-то все сделали правильно.

Эрасто поделился своим открытием с учителем, но тот отшутился.  Однако Мпембе оказался твердым орешком, упорным. Именно таким место в науке. Он продолжил успешно экспериментировать с горячей и холодной водой.

И когда в школу приехал университетский профессор Дэнис Осборн, чтобы почитать старшеклассникам лекцию по физике, Мпембе задал ему тот же вопрос — почему горячая воды замерзает быстрее? Чем, надо сказать, поставил профессора в тупик.

Но профессор Осборн оказался настоящим ученым и немедленно проверил наблюдения школьника в собственном эксперименте. И несказанно удивился — наблюдаемое противоречило здравому смыслу.

Профессор Осборн оказался еще и приличным ученым, поскольку опубликовал научную статью про необычный эффект вместе со школьником, его открывателем. Так в науку вошел эффект Мпембе. Говорят, что о нем знали еще во времена Аристотеля и Декарта. Но поди — проверь!

Эффект — эффектом, однако наука должна отвечать на вопросы. В данном случае — почему горячая вода замерзает быстрее холодной? Существует много разных гипотез. Кто-то считает, что горячая вода быстрее охлаждается за счет ее испарения с поверхности, а этот процесс происходит с поглощением тепла. Да к тому же при испарении объем воды уменьшается, а меньший объем замерзает быстрее.

Кто-то полагает, что все дело в газах, всегда растворенных в воде, которые мешают воде замерзать. А вот в горячей воде их сильно меньше. А кто-то и вовсе уверен, что никакого эффекта Мпембе нет, а есть только некорректно поставленный эксперимент. В общем — объяснений много, но единого мнения нет.

И вот свежая гипотеза пришла недавно из Технологического университета Наньян в Сингапуре. Как выяснили китайские химики, секрет кроется в количестве энергии, запасенной в водородных связях между молекулами воды. Таким образом, оказывается, что в водородных связях горячей воды хранится больше энергии, а значит, ее высвобождается больше при охлаждении до минусовых температур. По этой причине застывание происходит быстрее.

Как вам такая версия? Мне, если честно, не очень. Но вообще, вода — самое необыкновенное, самое загадочное вещество на Земле, состоящее сплошь из аномалий. Так всегда говорил академик И.В. Петрянов-Соколов, создатель и бессменный главный редактор нашего журнала. Соответственно — и у льда много сюрпризов.

Вот, например, вода, превращаясь в лед, увеличивает свой объем примерно на 9%. Поэтому бутылку, заполненную водой под самое горлышко и положенную в морозилку, обязательно разорвет. Кстати, по этой же причине сливают воду из труб на летних дачах на зиму, иначе лед может разорвать и трубы.

Если вода при замерзании расширяется, то, значит, плотность льда меньше, чем у воды, и он должен быть легче воды. Так и есть. Природа придумала это не случайно. Зимой лед образуется на поверхности водоемов, поскольку он легче. Этот ледяной щит не дает воде на глубине охлаждаться и замерзать. Поэтому водные обитатели выживают в холода.

А вообще-то существует более двух десятков модификаций льда, аморфных и кристаллических. У самого обычного льда, который образуется в природе, — гексагональная структура. Молекулы воды при охлаждении выстраиваются в шестиугольники, которые соединяются и образуют ажурную структуру.

Но есть и другие виды льда, у которых структура совсем другая, а потому — и свойства другие. Есть лед с явно выраженными магнитными свойствами, есть лед, хорошо проводящий электрический ток. Разные модификации получаются в зависимости от условий кристаллизации — температуры и давления. Бытие определяет структуру.

Кстати, в том же 1963 году появился роман Курта Воннегута «Колыбель для кошки». Он был модный много лет, все его читали. Сюжет строится вокруг вещества, именуемого лед-9. Это искусственный материал, страшно опасный для жизни. Дело в том, что вода при контакте с ним, превращается в лед-9. Попади он в Мировой океан, планета превратится в ледышку. В конце концов, так все и происходит.

Среди модификаций льда, открытых учеными, есть и лед-9. Но ничего общего с воннегутовским он не имеет. Просто у него тетрагональная структура. А вот обычного льда на Земле много — около 30 млн км³. В основном он сосредоточен в полярных шапках, прежде всего — в Антарктиде. Здесь толщина льда достигает 4 км.

В общем, лед — уникальный природный материал, и было бы странно, если бы никто не захотел его использовать. В 1942 году, в разгар Второй мировой войны, англичанин Джеффри Натаниэль Пайк, журналист, разведчик и по совместительству изобретатель, предложил сделать плавучую авиабазу для самолетов, которые будут бомбить суда и подводные лодки немцев.

Причем сделать этот плавучий остров он предложил изо льда, армированного древесными опилками. Материал не тонул, был невероятно прочный, и изготавливать его было легко. Древесную пульпу смешивают с водой (15% и 85%), заливают в формы и замораживают. В общем — обычное литье. Получался материал, который легко поддавался обработке. И таял гораздо медленнее. Медленнее, чем айсберг. Его назвали «пайкрит» в честь изобретателя.

Лорд Луи Маунтбеттен, адмирал флота, навестил Уинстона Черчилля в его доме и представил ему новый материал прямо в ванной премьер-министра. Твердый монолитный брусок не тонул. Наблюдая за изумлением премьер-министра, лорд Маунтбеттен тут же предложил ему проект плавучей военной авиабазы «Аввакум».

Черчилль одобрил проект. Дело оставалось за малым — убедить американцев финансировать этот проект. Лорд Маунтбеттен поехал в США и на военном совете с союзниками положил на столь два куска льда — обычного и пайкрита. Потом достал револьвер и на глазах изумленной публики выстрелил в обычный лед. Тот разлетелся. Потом выстрелил в пайкрит. Пуля отскочила от прочного материала и зацепила ногу генерала Кинга. Все были в шоке. Но генерал был не в претензии, а в восхищении. Вопрос был решен.

В Канаде, на озере Патриция, совместными усилиями стали возводить прототип «Аввакума». Но вскоре возникли трудности, и прежде всего — с финансированием. Время было тяжелое, деньги требовались для другого. Проект «Аввакум» не состоялся, и модель плавучей авиабазы размером 18х9 м при высоте 6 м и весе больше 1000 тонн, осталась на приколе в этом озере. Она полностью растаяла только лишь через три года. При этом, замечу, что три года она стояла без всякого охлаждения.

Про лед как строительный материал не забыли. Ледяные скульптуры, ледяные бары, ледяные отели и много чего еще. Но это все так мелко на фоне «Аввакума» водоизмещением 1 млн 800 тысяч тонн, размером 600 х 90 м, высотой 60 м, толщиной днища и бортов 12 м, на котором могли уместиться 200 истребителей или 100 бомбардировщиков. Нет сегодня таких масштабных проектов, увы.