Gelo - Ice

Gelo
Uma imagem de gelo.
Propriedades físicas
Densidade (ρ) 0,9167–0,9168 g / cm 3
Índice de refração (n) 1.309
Propriedades mecânicas
Módulo de Young (E) 3.400 a 37.500 kg-força / cm 3
Resistência à traçãot ) 5 a 18 kg-força / cm 2
Resistência à compressão (σ c ) 24 a 60 kg-força / cm 2
Coeficiente de Poisson (ν) 0,36 ± 0,13
Propriedades térmicas
Condutividade térmica (k) 0,0053 (1 + 0,105 θ ) cal / (cm s K), θ = temperatura em ° C
Coeficiente de expansão térmica linear (α) 5,5 × 10 −5
Capacidade de calor específico (c) 0,5057 - 0,001863 θ cal / (g K), θ = valor absoluto da temperatura em ° C
Propriedades elétricas
Constante dielétrica (ε r ) ~ 3,15
As propriedades do gelo variam substancialmente com a temperatura, pureza e outros fatores.

O gelo é a água congelada em um estado sólido . Dependendo da presença de impurezas , como partículas de sujeira ou bolhas de ar, pode ser transparente ou ter uma cor branco-azulada mais ou menos opaca .

No Sistema Solar , o gelo é abundante e ocorre naturalmente de tão perto do Sol como Mercúrio até tão longe quanto os objetos da nuvem de Oort . Além do Sistema Solar, ocorre como gelo interestelar . É abundante na superfície da Terra - particularmente nas regiões polares e acima da linha da neve  - e, como uma forma comum de precipitação e deposição , desempenha um papel fundamental no ciclo da água da Terra e no clima . Ele cai como flocos de neve e granizo ou ocorre como geada, pingentes de gelo ou picos de gelo e agregados da neve como geleiras e mantos de gelo.

O gelo exibe pelo menos dezoito fases ( geometrias de empacotamento ), dependendo da temperatura e da pressão. Quando a água é resfriada rapidamente ( extinção ), até três tipos de gelo amorfo podem se formar, dependendo de seu histórico de pressão e temperatura. Quando resfriado lentamente, o tunelamento de prótons correlacionado ocorre abaixo-253,15  ° C (20  K ,−423,67  ° F ) dando origem a fenômenos quânticos macroscópicos . Praticamente todo o gelo na superfície da Terra e em sua atmosfera é de uma estrutura cristalina hexagonal denotada como gelo I h (falado como "gelo um h") com traços diminutos de gelo cúbico, denotado como gelo I c e, mais recentemente encontrado, Gelo VII inclusões em diamantes. A transição de fase mais comum para o gelo I h ocorre quando a água líquida é resfriada abaixo° C (273,15  K ,32  ° F ) à pressão atmosférica padrão . Também pode ser depositado diretamente pelo vapor d'água , como ocorre na formação de geadas. A transição do gelo para a água está derretendo e do gelo diretamente para o vapor de água é a sublimação .

O gelo é usado de várias maneiras, inclusive para resfriamento, esportes de inverno e escultura de gelo .

Propriedades físicas

A estrutura cristalina tridimensional de H 2 O gelo I h (c) é composta de bases de moléculas de H 2 O de gelo (b) localizadas em pontos de rede dentro da rede de espaço hexagonal bidimensional (a).

Como um sólido inorgânico cristalino de ocorrência natural com uma estrutura ordenada, o gelo é considerado um mineral . Possui uma estrutura cristalina regular baseada na molécula de água, que consiste em um único átomo de oxigênio covalentemente ligado a dois átomos de hidrogênio , ou H – O – H. No entanto, muitas das propriedades físicas da água e do gelo são controladas pela formação de ligações de hidrogênio entre átomos de oxigênio e hidrogênio adjacentes; embora seja uma ligação fraca, não deixa de ser crítica para controlar a estrutura da água e do gelo.

Uma propriedade incomum da água é que sua forma sólida - gelo congelado à pressão atmosférica - é aproximadamente 8,3% menos densa que sua forma líquida; isso equivale a uma expansão volumétrica de 9%. A densidade do gelo é 0,9167–0,9168 g / cm 3 a 0 ° C e pressão atmosférica padrão (101,325 Pa), enquanto a água tem uma densidade de 0,9998–0,999863 g / cm 3 à mesma temperatura e pressão. A água líquida é mais densa, essencialmente 1,00 g / cm 3 , a 4 ° C e começa a perder sua densidade à medida que as moléculas de água começam a formar os cristais hexagonais de gelo quando o ponto de congelamento é atingido. Isso se deve às ligações de hidrogênio dominando as forças intermoleculares, o que resulta em um empacotamento de moléculas menos compactas no sólido. A densidade do gelo aumenta ligeiramente com a diminuição da temperatura e tem um valor de 0,9340 g / cm 3 a -180 ° C (93 K).

Quando a água congela, aumenta de volume (cerca de 9% para água doce). O efeito da expansão durante o congelamento pode ser dramático, e a expansão do gelo é a causa básica do desgaste por congelamento-descongelamento das rochas na natureza e danos às fundações de edifícios e estradas por causa do gelo . É também uma causa comum de inundação de casas quando os encanamentos de água se rompem devido à pressão da água em expansão quando ela congela.

O resultado desse processo é que o gelo (em sua forma mais comum) flutua na água líquida, que é uma característica importante da biosfera terrestre . Argumentou-se que, sem essa propriedade, os corpos d'água naturais congelariam, em alguns casos permanentemente, de baixo para cima, resultando na perda de vida animal e vegetal dependente do fundo na água doce e do mar. Lençóis de gelo suficientemente finos permitem que a luz passe, enquanto protegem a parte inferior de extremos climáticos de curto prazo, como a sensação térmica . Isso cria um ambiente protegido para colônias de bactérias e algas. Quando a água do mar congela, o gelo é crivado de canais cheios de salmoura que sustentam organismos simpágicos , como bactérias, algas, copépodes e anelídeos, que por sua vez fornecem alimento para animais como krill e peixes especializados como o notothen careca , alimentados por sua vez por animais maiores, como pinguins-imperadores e baleias minke .

Quando o gelo derrete, ele absorve tanta energia quanto seria necessária para aquecer uma massa equivalente de água em 80 ° C. Durante o processo de fusão, a temperatura permanece constante em 0 ° C. Durante o derretimento, qualquer energia adicionada quebra as ligações de hidrogênio entre as moléculas de gelo (água). A energia torna-se disponível para aumentar a energia térmica (temperatura) somente depois que ligações de hidrogênio suficientes são quebradas para que o gelo possa ser considerado água líquida. A quantidade de energia consumida na quebra das ligações de hidrogênio na transição do gelo para a água é conhecida como calor de fusão .

Assim como a água, o gelo absorve luz na extremidade vermelha do espectro, preferencialmente como resultado de um sobretom de um trecho de ligação oxigênio-hidrogênio (O-H). Em comparação com a água, essa absorção é desviada para energias ligeiramente mais baixas. Assim, o gelo parece azul, com uma tonalidade ligeiramente mais verde do que a água líquida. Como a absorção é cumulativa, o efeito da cor se intensifica com o aumento da espessura ou se os reflexos internos fazem com que a luz tome um caminho mais longo através do gelo.

Outras cores podem aparecer na presença de impurezas que absorvem a luz, onde a impureza está ditando a cor, e não o próprio gelo. Por exemplo, icebergs contendo impurezas (por exemplo, sedimentos, algas, bolhas de ar) podem ter aparência marrom, cinza ou verde.

Fases

Dependência da pressão do derretimento do gelo

O gelo pode ser qualquer uma das 19 fases cristalinas sólidas conhecidas de água , ou em um estado sólido amorfo em várias densidades.

A maioria dos líquidos sob pressão elevada congela em temperaturas mais altas porque a pressão ajuda a manter as moléculas unidas. No entanto, as fortes ligações de hidrogênio na água o tornam diferente: para algumas pressões superiores a 1 atm (0,10 MPa), a água congela a uma temperatura abaixo de 0 ° C, conforme mostrado no diagrama de fase abaixo. Acredita-se que o derretimento do gelo sob altas pressões contribui para o movimento das geleiras .

Gelo, água e vapor d'água podem coexistir no ponto triplo , que é exatamente 273,16 K (0,01 ° C) a uma pressão de 611,657  Pa . O Kelvin foi de fato definido como1/273,16da diferença entre esse ponto triplo e o zero absoluto , embora essa definição tenha mudado em maio de 2019. Ao contrário da maioria dos outros sólidos, o gelo é difícil de superaquecer . Em um experimento, o gelo a -3 ° C foi superaquecido a cerca de 17 ° C por cerca de 250 picossegundos .

Sujeito a pressões mais altas e temperaturas variáveis, o gelo pode se formar em 19 fases cristalinas conhecidas separadas. Com cuidado, pelo menos 15 dessas fases (uma das exceções conhecidas sendo o gelo X) podem ser recuperadas à pressão ambiente e à baixa temperatura na forma metaestável . Os tipos são diferenciados por sua estrutura cristalina, ordenação de prótons e densidade. Existem também duas fases metaestáveis de gelo sob pressão, ambas totalmente desordenadas por hidrogênio; estes são IV e XII . Ice XII foi descoberto em 1996. Em 2006, XIII e XIV foram descobertos. Os Ices XI , XIII e XIV são formas de gelo I h , V e XII ordenadas por hidrogênio , respectivamente. Em 2009, gelo XV foi encontrado em pressões extremamente altas e −143 ° C. Em pressões ainda mais altas, prevê-se que o gelo se torne um metal ; estima-se que isso ocorra em 1,55 TPa ou 5,62 TPa.

Assim como as formas cristalinas, a água sólida pode existir em estados amorfos como gelo amorfo (ASW) de densidades variadas. A água no meio interestelar é dominada por gelo amorfo, tornando-a provavelmente a forma mais comum de água no universo. ASW de baixa densidade (LDA), também conhecido como água vítrea hiperquenched, pode ser responsável por nuvens noctilucentes na Terra e é geralmente formado por deposição de vapor de água em condições de frio ou vácuo. ASW de alta densidade (HDA) é formado pela compressão de gelo comum I h ou LDA em pressões GPa. ASW de densidade muito alta (VHDA) é HDA ligeiramente aquecido a 160 K sob pressões de 1–2 GPa.

No espaço sideral, o gelo cristalino hexagonal (a forma predominante encontrada na Terra) é extremamente raro. O gelo amorfo é mais comum; entretanto, o gelo cristalino hexagonal pode ser formado por ação vulcânica.

O gelo de uma água superiônica teorizada pode possuir duas estruturas cristalinas. Em pressões superiores a 500.000 bar (7.300.000 psi), esse gelo superiônico assumiria uma estrutura cúbica centrada no corpo . No entanto, a pressões superiores a 1.000.000 de barras (15.000.000 psi), a estrutura pode mudar para uma rede cúbica de face centrada mais estável . Especula-se que o gelo superiônico poderia compor o interior de gigantes de gelo como Urano e Netuno.

Diagrama de fase da pressão-temperatura Log-lin da água. Os algarismos romanos correspondem a algumas fases do gelo listadas abaixo.
Uma formulação alternativa do diagrama de fases para certos gelos e outras fases da água
Estágio Características
Gelo amorfo O gelo amorfo é um gelo sem estrutura cristalina. O gelo amorfo existe em três formas: baixa densidade (LDA) formado à pressão atmosférica, ou abaixo, alta densidade (HDA) e gelo amorfo de densidade muito alta (VHDA), formando-se a pressões mais altas. O LDA se forma por resfriamento extremamente rápido de água líquida ("água vítrea hiperquenched", HGW), por depósito de vapor de água em substratos muito frios ("água sólida amorfa", ASW) ou por aquecimento de formas de alta densidade de gelo à pressão ambiente ("LDA ").
Gelo eu h Gelo cristalino hexagonal normal. Praticamente todo o gelo na biosfera é gelo I h , com exceção apenas de uma pequena quantidade de gelo I c .
Gelo I c Uma variante cristalina cúbica metaestável de gelo. Os átomos de oxigênio estão dispostos em uma estrutura de diamante. É produzido em temperaturas entre 130 e 220 K, podendo existir até 240 K, quando se transforma em gelo I h . Ocasionalmente, pode estar presente na alta atmosfera. Mais recentemente, foi demonstrado que muitas amostras que foram descritas como gelo cúbico estavam, na verdade, empilhando gelo desordenado com simetria trigonal. As primeiras amostras de gelo I com simetria cúbica (ou seja, gelo cúbico) foram relatadas apenas em 2020.
Ice II Um romboédrica forma cristalina com estrutura altamente ordenada. Formado a partir do gelo I h ao comprimi-lo a uma temperatura de 190–210 K. Quando aquecido, ele sofre transformação em gelo III.
Ice III Um gelo cristalino tetragonal , formado pelo resfriamento da água até 250 K a 300 MPa. Menos densa das fases de alta pressão. Mais denso que a água.
Ice IV Uma fase romboédrica metaestável. Pode ser formado aquecendo lentamente gelo amorfo de alta densidade a uma pressão de 810 MPa. Não se forma facilmente sem um agente nucleante.
Ice V Uma fase cristalina monoclínica . Formado por água de resfriamento a 253 K a 500 MPa. Estrutura mais complicada de todas as fases.
Ice VI Uma fase cristalina tetragonal. Formado por água de resfriamento a 270 K a 1,1 GPa. Exposições Debye relaxamento .
Ice VII Uma fase cúbica. As posições dos átomos de hidrogênio estão desordenadas. Exibe relaxamento Debye. As ligações de hidrogênio formam duas redes interpenetrantes.
Ice VIII Uma versão mais ordenada do gelo VII, onde os átomos de hidrogênio assumem posições fixas. É formado a partir do gelo VII, por resfriamento abaixo de 5 ° C (278 K) a 2,1 GPa.
Ice IX Uma fase tetragonal. Forma-se gradualmente a partir do gelo III por resfriamento de 208 K a 165 K, estável abaixo de 140 K e pressões entre 200 MPa e 400 MPa. Possui densidade de 1,16 g / cm 3 , ligeiramente superior ao gelo comum.
Ice X Gelo simétrico ordenado por prótons. Formulários em cerca de 70 GPa.
Ice XI Uma forma ortorrômbica de equilíbrio de baixa temperatura de gelo hexagonal. É ferroelétrico . O gelo XI é considerado a configuração mais estável do gelo I h .
Ice XII Uma fase cristalina tetragonal, metaestável e densa. É observada no espaço de fase do gelo V e do gelo VI. Pode ser preparado aquecendo gelo amorfo de alta densidade de 77 K a cerca de 183 K a 810 MPa. Ele tem uma densidade de 1,3 g cm- 3 a 127 K (ou seja, aproximadamente 1,3 vezes mais denso que a água).
Ice XIII Uma fase cristalina monoclínica. Formado por água de resfriamento abaixo de 130 K a 500 MPa. A forma ordenada por prótons de gelo V.
Ice XIV Uma fase cristalina ortorrômbica. Formado abaixo de 118 K a 1,2 GPa. A forma de gelo ordenada por prótons XII.
Ice XV Forma de gelo VI ordenada por prótons, formada por água de resfriamento a cerca de 80–108 K a 1,1 GPa.
Gelo XVI A forma cristalina menos densa de água, topologicamente equivalente à estrutura vazia dos clatratos hidratados II .
Gelo quadrado Cristais de gelo quadrados se formam em temperatura ambiente quando espremidos entre duas camadas de grafeno . O material era uma nova fase cristalina do gelo quando foi relatado pela primeira vez em 2014. A pesquisa derivou da descoberta anterior de que o vapor d'água e a água líquida podiam passar por folhas laminadas de óxido de grafeno , ao contrário de moléculas menores como o hélio . Acredita-se que o efeito seja impulsionado pela força de van der Waals , que pode envolver mais de 10.000 atmosferas de pressão.
Ice XVIII Forma de água também conhecida como água superiônica ou gelo superiônico em que os íons de oxigênio desenvolvem uma estrutura cristalina enquanto os íons de hidrogênio se movem livremente.
Ice XIX Outra forma de gelo ordenada por prótons VI formada por água de resfriamento a cerca de 100 K a aproximadamente 2 GPa.

Propriedades de fricção

Cachoeira congelada no sudeste de Nova York

O baixo coeficiente de atrito ("escorregadio") do gelo foi atribuído à pressão de um objeto em contato com o gelo, derretendo uma fina camada de gelo e permitindo que o objeto deslize pela superfície. Por exemplo, a lâmina de um patim de gelo, ao exercer pressão sobre o gelo, derreteria uma camada fina, proporcionando lubrificação entre o gelo e a lâmina. Essa explicação, chamada de "derretimento por pressão", teve origem no século XIX. No entanto, não levou em consideração a patinação em temperaturas de gelo inferiores a −4 ° C (25 ° F; 269 K), que costuma ser usada para patinar.

Uma segunda teoria que descreve o coeficiente de fricção do gelo sugere que as moléculas de gelo na interface não podem se ligar adequadamente às moléculas da massa de gelo abaixo (e, portanto, estão livres para se mover como moléculas de água líquida). Essas moléculas permanecem em um estado semilíquido, fornecendo lubrificação independente da pressão contra o gelo exercida por qualquer objeto. No entanto, a importância desta hipótese é contestada por experimentos que mostram um alto coeficiente de atrito para o gelo usando microscopia de força atômica .

Uma terceira teoria é o "aquecimento por fricção", que sugere que a fricção do material é a causa do derretimento da camada de gelo. No entanto, esta teoria não explica suficientemente por que o gelo é escorregadio quando parado mesmo em temperaturas abaixo de zero.

Uma teoria abrangente de fricção no gelo leva em consideração todos os mecanismos de fricção mencionados acima. Este modelo permite a estimativa quantitativa do coeficiente de atrito do gelo contra vários materiais em função da temperatura e da velocidade de deslizamento. Em condições típicas relacionadas a esportes de inverno e pneus de um veículo no gelo, o derretimento de uma fina camada de gelo devido ao aquecimento por atrito é a principal razão para o escorregadio. O mecanismo de controle das propriedades de fricção do gelo ainda é uma área ativa de estudo científico.

Formação natural

Gelo de penas no planalto perto de Alta, Noruega . Os cristais se formam em temperaturas abaixo de −30 ° C (−22 ° F).

O termo que descreve coletivamente todas as partes da superfície da Terra onde a água está em forma congelada é a criosfera . O gelo é um componente importante do clima global, principalmente no que diz respeito ao ciclo da água. As geleiras e os pacotes de neve são um importante mecanismo de armazenamento de água doce; com o tempo, eles podem se sublimar ou derreter. O degelo é uma importante fonte de água doce sazonal. A Organização Meteorológica Mundial define vários tipos de gelo, dependendo da origem, tamanho, forma, influência e assim por diante. Clatratos hidratados são formas de gelo que contêm moléculas de gás aprisionadas em sua estrutura cristalina.

Nos oceanos

O gelo encontrado no mar pode estar na forma de gelo flutuante na água, gelo rápido fixado à costa ou gelo âncora se preso ao fundo do mar. O gelo que vitelos (espedaça) a partir de uma plataforma de gelo ou geleira pode tornar-se um iceberg. O gelo marinho pode ser forçado a se unir por correntes e ventos para formar cristas de pressão de até 12 metros (39 pés) de altura. Navegação através de áreas de gelo do mar ocorre em aberturas de chamados " polynyas " ou " leads " ou requer o uso de um navio especial chamado de " quebra-gelo ".

Em terrenos e estruturas

Gelo em árvore caducifólia após chuva congelante

O gelo em terra varia do maior tipo, denominado " manto de gelo ", a calotas e campos de gelo menores , a geleiras e correntes de gelo até a linha de neve e campos de neve .

Aufeis é uma camada de gelo que se forma nos vales dos rios árticos e subárticos. O gelo, congelado no leito do rio, bloqueia a descarga normal da água subterrânea e faz com que o lençol freático local suba, resultando na descarga de água no topo da camada congelada. Essa água então congela, fazendo com que o lençol freático suba ainda mais e repita o ciclo. O resultado é um depósito de gelo estratificado, geralmente com vários metros de espessura.

Chuva de congelação é um tipo de tempestade de inverno chamado de uma tempestade de gelo , onde a chuva cai e depois congela produzindo um vidrado de gelo. O gelo também pode formar pingentes de gelo, semelhantes a estalactites na aparência, ou formas semelhantes a estalagmite, quando a água goteja e congela novamente.

O termo "barragem de gelo" tem três significados (outros discutidos abaixo). Em estruturas, uma represa de gelo é o acúmulo de gelo em um telhado inclinado que impede que a água derretida drene adequadamente e pode causar danos por vazamentos de água em edifícios.

Em rios e riachos

Um pequeno riacho congelado

O gelo que se forma em águas em movimento tende a ser menos uniforme e estável do que o gelo que se forma em águas calmas. Os congestionamentos de gelo (às vezes chamados de "represas de gelo"), quando pedaços quebrados de gelo se acumulam, são o maior perigo de gelo nos rios. Os congestionamentos de gelo podem causar inundações, danificar estruturas dentro ou perto do rio e causar danos às embarcações no rio. Os congestionamentos de gelo podem fazer com que algumas instalações industriais hidrelétricas fechem completamente. Uma barragem de gelo é um bloqueio do movimento de uma geleira que pode produzir um lago proglacial . O fluxo intenso de gelo nos rios também pode danificar as embarcações e exigir o uso de um quebra-gelo para manter a navegação possível.

Os discos de gelo são formações circulares de gelo rodeadas por água em um rio.

O gelo panqueca é uma formação de gelo geralmente criada em áreas com condições menos calmas.

Em lagos

O gelo se forma em águas calmas a partir da costa, uma fina camada se espalhando pela superfície e depois para baixo. O gelo em lagos é geralmente de quatro tipos: primário, secundário, sobreposto e aglomerado. O gelo primário se forma primeiro. O gelo secundário se forma abaixo do gelo primário em uma direção paralela à direção do fluxo de calor. O gelo sobreposto forma-se no topo da superfície do gelo devido à chuva ou água que se infiltra através das fendas no gelo que frequentemente se depositam quando carregadas com neve.

O gelo de plataforma ocorre quando pedaços flutuantes de gelo são impulsionados pelo vento que se acumula na costa de barlavento.

O gelo da vela é uma forma de gelo podre que se desenvolve em colunas perpendiculares à superfície de um lago.

Um empuxo de gelo ocorre quando o movimento do gelo, causado pela expansão do gelo e / ou ação do vento, ocorre a ponto de o gelo atingir as margens dos lagos, muitas vezes deslocando os sedimentos que constituem a costa.

No ar

Formação de gelo no exterior do pára-brisa do veículo

Rime

Gelo é um tipo de gelo formado em objetos frios quando gotas de água se cristalizam sobre eles. Isso pode ser observado em tempo de nevoeiro , quando a temperatura cai durante a noite. A geada mole contém uma alta proporção de ar aprisionado, fazendo com que pareça branco em vez de transparente e dando-lhe uma densidade de cerca de um quarto da do gelo puro. O tempo duro é comparativamente denso.

Pelotas

Um acúmulo de pelotas de gelo

Pelotas de gelo são uma forma de precipitação que consiste em pequenas bolas translúcidas de gelo. Essa forma de precipitação também é conhecida como "granizo" pelo Serviço Nacional de Meteorologia dos Estados Unidos . (No inglês britânico, "granizo" refere-se a uma mistura de chuva e neve .) As pelotas de gelo são geralmente menores do que granizo. Eles costumam quicar quando atingem o solo e geralmente não congelam em uma massa sólida, a menos que sejam misturados com chuva congelante . O código METAR para pellets de gelo é PL .

Pelotas de gelo se formam quando uma camada de ar acima do congelamento está localizada entre 1.500 e 3.000 metros (4.900 e 9.800 pés) acima do solo, com ar sub-congelante acima e abaixo dele. Isso causa o derretimento parcial ou total de todos os flocos de neve que caem pela camada quente. À medida que caem de volta para a camada de subcongelamento mais próxima da superfície, eles se congelam novamente em pelotas de gelo. No entanto, se a camada sub-congelante abaixo da camada quente for muito pequena, a precipitação não terá tempo de congelar novamente e a chuva congelante será o resultado na superfície. Um perfil de temperatura mostrando uma camada quente acima do solo é mais provável de ser encontrado antes de uma frente quente durante a estação fria, mas pode ocasionalmente ser encontrado atrás de uma frente fria que passa .

Saudação

Uma grande pedra de granizo, com cerca de 6 cm (2,4 pol.) De diâmetro

Como outras precipitações, o granizo se forma em nuvens de tempestade quando gotículas de água super-resfriada congelam em contato com núcleos de condensação , como poeira ou sujeira . A corrente ascendente da tempestade sopra as pedras de granizo para a parte superior da nuvem. A corrente ascendente se dissipa e as pedras de granizo caem, de volta à corrente ascendente, e são levantadas novamente. O granizo tem um diâmetro de 5 milímetros (0,20 pol.) Ou mais. Dentro do código METAR , GR é usado para indicar granizo maior, de um diâmetro de pelo menos 6,4 milímetros (0,25 pol.) E GS para menor. Pedras um pouco maiores do que o tamanho de uma bola de golfe são um dos tamanhos de granizo mais freqüentemente relatados. As pedras de granizo podem crescer até 15 centímetros (6 pol.) E pesar mais de 0,5 kg (1,1 lb). Em grandes pedras de granizo, o calor latente liberado por congelamento adicional pode derreter a casca externa da pedra de granizo. A pedra de granizo então pode sofrer 'crescimento úmido', onde a camada externa líquida coleta outras pedras de granizo menores. O granizo ganha uma camada de gelo e fica cada vez maior a cada subida. Assim que uma pedra de granizo se torna muito pesada para ser suportada pela corrente ascendente da tempestade, ela cai da nuvem.

Granizo se forma em fortes nuvens de trovoada , particularmente aquelas com correntes ascendentes intensas, alto conteúdo de água líquida, grande extensão vertical, grandes gotas de água e onde uma boa parte da camada de nuvem está abaixo de 0 ° C (32 ° F). Nuvens produtoras de granizo costumam ser identificadas por sua coloração verde. A taxa de crescimento é maximizada em cerca de −13 ° C (9 ° F) e torna-se extremamente pequena muito abaixo de −30 ° C (−22 ° F) à medida que as gotas de água super-resfriadas tornam-se raras. Por esta razão, o granizo é mais comum nos interiores continentais das latitudes médias, pois a formação de granizo é consideravelmente mais provável quando o nível de congelamento está abaixo da altitude de 11.000 pés (3.400 m). A retenção de ar seco em fortes tempestades sobre os continentes pode aumentar a frequência do granizo, promovendo o resfriamento evaporacional que reduz o nível de congelamento das nuvens de tempestade, dando ao granizo um volume maior para crescer. Consequentemente, o granizo é realmente menos comum nos trópicos, apesar de um frequência de tempestades do que nas latitudes médias porque a atmosfera sobre os trópicos tende a ser mais quente em profundidades muito maiores. O granizo nos trópicos ocorre principalmente em altitudes mais elevadas.

Neve

Cristais de neve se formam quando minúsculas gotículas de nuvem super-resfriada (cerca de 10 μm de diâmetro) congelam . Essas gotículas são capazes de permanecer líquidas em temperaturas inferiores a −18 ° C (255 K; 0 ° F), porque para congelar, algumas moléculas na gotícula precisam se reunir por acaso para formar um arranjo semelhante ao do gelo treliça; então a gota congela em torno deste "núcleo". Experimentos mostram que esta nucleação "homogênea" de gotículas de nuvem ocorre apenas em temperaturas abaixo de -35 ° C (238 K; -31 ° F). Em nuvens mais quentes, uma partícula de aerossol ou "núcleo de gelo" deve estar presente (ou em contato com) a gota para atuar como um núcleo. Nossa compreensão de quais partículas formam núcleos de gelo eficientes é pobre - o que sabemos é que elas são muito raras em comparação com os núcleos de condensação de nuvem em que as gotas de líquido se formam. Argilas, poeira do deserto e partículas biológicas podem ser eficazes, embora não esteja claro até que ponto. Os núcleos artificiais são usados ​​na semeadura de nuvens . A gota então cresce por condensação de vapor d'água nas superfícies de gelo.

pó de diamante

O chamado "pó de diamante", também conhecido como agulhas de gelo ou cristais de gelo, se forma a temperaturas próximas de −40 ° C (−40 ° F) devido ao ar com umidade um pouco mais alta do alto se misturando com o ar mais frio da superfície. O identificador METAR para pó de diamante nos relatórios meteorológicos internacionais de hora em hora é o IC .

Ablação

A ablação do gelo refere-se tanto ao seu derretimento quanto à sua dissolução .

O derretimento do gelo significa a quebra das ligações de hidrogênio entre as moléculas de água. A ordenação das moléculas no sólido é desfeita para um estado menos ordenado e o sólido derrete para se tornar um líquido. Isso é conseguido aumentando a energia interna do gelo além do ponto de derretimento . Quando o gelo derrete, ele absorve tanta energia quanto seria necessária para aquecer uma quantidade equivalente de água a 80 ° C. Durante o derretimento, a temperatura da superfície do gelo permanece constante a 0 ° C. A taxa do processo de fusão depende da eficiência do processo de troca de energia. Uma superfície de gelo em água doce derrete apenas por convecção livre com uma taxa que depende linearmente da temperatura da água, T , quando T é menor que 3,98 ° C, e superlinearmente quando T é igual ou maior que 3,98 ° C, com a taxa sendo proporcional a (T  - 3,98 ° C) α , com α  = 5/3para T muito maior que 8 ° C, e α = 4/3para temperaturas intermediárias T .

Em condições ambientais salgadas, a dissolução, em vez do derretimento, geralmente causa a ablação do gelo. Por exemplo, a temperatura do Oceano Ártico está geralmente abaixo do ponto de derretimento da remoção do gelo marinho. A transição de fase do sólido para o líquido é obtida pela mistura de moléculas de sal e água, semelhante à dissolução do açúcar na água, embora a temperatura da água esteja bem abaixo do ponto de fusão do açúcar. Assim, a taxa de dissolução é limitada pelo transporte de sal, enquanto a fusão pode ocorrer em taxas muito mais altas que são características do transporte de calor .

Papel nas atividades humanas

Os humanos têm usado gelo para resfriamento e preservação de alimentos por séculos, contando com a coleta de gelo natural em várias formas e, em seguida, fazendo a transição para a produção mecânica do material. O gelo também apresenta um desafio para o transporte em várias formas e um cenário para esportes de inverno.

Resfriamento

O gelo há muito é valorizado como meio de resfriamento. No Irã de 400 aC, os engenheiros persas já haviam dominado a técnica de armazenamento de gelo no meio do verão no deserto. O gelo era trazido durante os invernos das montanhas próximas em grandes quantidades e armazenado em geladeiras especialmente projetadas e resfriadas naturalmente , chamadas yakhchal (que significa armazenamento de gelo ). Este era um grande espaço subterrâneo (até 5000 m 3 ) que tinha paredes grossas (pelo menos dois metros na base) feitas de uma argamassa especial chamada sarooj , composta de areia, argila, clara de ovo, limão, pêlo de cabra e cinza em proporções específicas, e que era conhecido por ser resistente à transferência de calor. Essa mistura era considerada completamente impenetrável em água. O espaço costumava ter acesso a um qanat e, muitas vezes, continha um sistema de coletores de vento que podiam facilmente baixar as temperaturas dentro do espaço para níveis frios nos dias de verão. O gelo foi usado para esfriar guloseimas para a realeza.

Colheita

Coleta de gelo no Lago St. Clair em Michigan , c. 1905

Havia indústrias prósperas na Inglaterra do século 16 ao 17, em que áreas baixas ao longo do estuário do Tâmisa eram inundadas durante o inverno, e o gelo colhido em carroças e armazenado entre as estações em casas de madeira isoladas como uma provisão para uma casa de gelo frequentemente localizada em grandes países e amplamente utilizado para manter o peixe fresco quando pescado em águas distantes. Isso foi supostamente copiado por um inglês que presenciou a mesma atividade na China. O gelo foi importado da Noruega para a Inglaterra em uma escala considerável já em 1823.

Nos Estados Unidos, a primeira carga de gelo foi enviada da cidade de Nova York para Charleston, Carolina do Sul , em 1799 e, na primeira metade do século 19, a coleta de gelo se tornou um grande negócio. Frederic Tudor , que ficou conhecido como o "Rei do Gelo", trabalhou no desenvolvimento de melhores produtos de isolamento para remessas de gelo de longa distância, especialmente para os trópicos; isto ficou conhecido como comércio de gelo .

Trieste enviou gelo para o Egito , Corfu e Zante ; Suíça, para a França; e a Alemanha às vezes era abastecida por lagos bávaros . O edifício do Parlamento húngaro usava gelo colhido no inverno do Lago Balaton para ar condicionado.

Casas de gelo eram usadas para armazenar gelo formado no inverno, para disponibilizar gelo durante todo o ano, e um tipo antigo de geladeira conhecido como caixa de gelo era resfriado com um bloco de gelo colocado dentro dele. Em muitas cidades, não era incomum ter um serviço regular de entrega de gelo durante o verão. O advento da tecnologia de refrigeração artificial tornou obsoleta a entrega de gelo.

O gelo ainda é colhido para eventos de escultura de gelo e neve . Por exemplo, uma serra oscilante é usada para obter gelo para o Festival Internacional de Escultura em Gelo e Neve de Harbin a cada ano da superfície congelada do Rio Songhua .

Produção mecânica

Layout de uma fábrica de gelo do final do século 19

O gelo agora é produzido em escala industrial, para usos que incluem armazenamento e processamento de alimentos, fabricação de produtos químicos, mistura e cura de concreto e gelo de consumo ou embalado. A maioria dos fabricantes de gelo comerciais produz três tipos básicos de gelo fragmentário: em flocos, tubular e em placas, usando uma variedade de técnicas. Os fabricantes de gelo em grandes lotes podem produzir até 75 toneladas de gelo por dia. Em 2002, havia 426 empresas comerciais de fabricação de gelo nos Estados Unidos, com um valor combinado de embarques de $ 595.487.000. Geladeiras domésticas também podem fazer gelo com uma máquina de gelo embutida , que normalmente fará cubos de gelo ou gelo picado. As unidades autônomas de fabricação de gelo que fazem cubos de gelo costumam ser chamadas de máquinas de gelo.

Transporte

O gelo pode representar desafios para o transporte seguro em terra, mar e ar.

Viagem terrestre

Perda de controle no gelo por um ônibus articulado

A formação de gelo nas estradas é um perigo perigoso no inverno. O gelo preto é muito difícil de ver, porque não tem a superfície gelada esperada. Sempre que há chuva congelante ou neve que ocorre a uma temperatura próxima ao ponto de derretimento, é comum que o gelo se acumule nas janelas dos veículos. Dirigir com segurança requer a remoção do acúmulo de gelo. Raspadores de gelo são ferramentas projetadas para quebrar o gelo e limpar as janelas, embora a remoção do gelo possa ser um processo longo e trabalhoso.

Bem abaixo do ponto de congelamento, uma fina camada de cristais de gelo pode se formar na superfície interna das janelas. Isso geralmente acontece quando um veículo é deixado sozinho após um tempo de condução, mas pode acontecer durante a condução, se a temperatura externa estiver baixa o suficiente. A umidade da respiração do motorista é a fonte de água para os cristais. É difícil remover essa forma de gelo, então as pessoas muitas vezes abrem ligeiramente as janelas quando o veículo está estacionado para permitir que a umidade se dissipe, e agora é comum que os carros tenham descongeladores de vidros traseiros para resolver o problema. Um problema semelhante pode acontecer em casas, que é uma das razões pelas quais muitas regiões mais frias exigem janelas de painel duplo para isolamento.

Quando a temperatura externa fica abaixo de zero por longos períodos, camadas muito grossas de gelo podem se formar em lagos e outros corpos d'água, embora locais com água corrente exijam temperaturas muito mais frias. O gelo pode ficar espesso o suficiente para permitir a entrada de automóveis e caminhões . Fazer isso com segurança requer uma espessura de pelo menos 30 cm (um pé).

Viagem marítima

Canal através do gelo para tráfego de navios no Lago Huron com quebra-gelos ao fundo

Para navios, o gelo apresenta dois perigos distintos. Primeiro, a chuva torrencial e gelada pode produzir um acúmulo de gelo na superestrutura de um navio o suficiente para torná-lo instável e exigir que seja cortado ou derretido com mangueiras de vapor. Em segundo lugar, os icebergs  - grandes massas de gelo flutuando na água (normalmente criadas quando as geleiras atingem o mar) - podem ser perigosos se atingidos por um navio em andamento. Os icebergs foram responsáveis ​​pelo naufrágio de muitos navios, sendo o mais famoso o Titanic . Para portos próximos aos pólos , estar livre de gelo, idealmente durante todo o ano, é uma vantagem importante. Os exemplos são Murmansk (Rússia), Petsamo (Rússia, antiga Finlândia) e Vardø (Noruega). Portos que não são isentos de gelo são abertos usando quebra-gelos .

Viagem aérea

Gelo na ponta da asa de uma aeronave, parcialmente liberado pela bota pneumática preta .

Para aeronaves, o gelo pode causar vários perigos. Conforme uma aeronave sobe, ela passa por camadas de ar de diferentes temperaturas e umidade, algumas das quais podem levar à formação de gelo. Se o gelo se formar nas asas ou superfícies de controle, isso pode afetar adversamente as qualidades de vôo da aeronave. Durante o primeiro vôo sem escalas através do Atlântico , os aviadores britânicos Capitão John Alcock e Tenente Arthur Whitten Brown encontraram tais condições de gelo - Brown deixou a cabine e subiu na asa várias vezes para remover o gelo que estava cobrindo as entradas de ar do motor do Aeronaves Vickers Vimy que estavam voando.

Uma vulnerabilidade afetada pela formação de gelo associada aos motores alternativos de combustão interna é o carburador . Conforme o ar é sugado pelo carburador para o motor, a pressão do ar local é reduzida, o que causa resfriamento adiabático . Assim, em condições úmidas quase congelantes, o carburador ficará mais frio e tenderá a congelar. Isso bloqueará o suprimento de ar para o motor e fará com que ele falhe. Por esta razão, os motores alternativos de aeronaves com carburadores são fornecidos com aquecedores de admissão de ar do carburador . O uso crescente de injeção de combustível - que não requer carburadores - tornou o "carburador" menos um problema para os motores alternativos.

Os motores a jato não sofrem congelamento de carbos, mas evidências recentes indicam que eles podem ser desacelerados, parados ou danificados por congelamento interno em certos tipos de condições atmosféricas com muito mais facilidade do que se acreditava anteriormente. Na maioria dos casos, os motores podem ser reiniciados rapidamente e os voos não estão em perigo, mas as pesquisas continuam para determinar as condições exatas que produzem esse tipo de gelo e encontrar os melhores métodos para prevenir ou reverter isso em voo.

Recreação e esportes

Patinação divertida do pintor holandês do século 17 Hendrick Avercamp

Ice também desempenha um papel central na recreação de inverno e em muitos esportes, como patinação no gelo , patinagem turnê , hóquei no gelo , bandy , pesca no gelo , escalada no gelo , ondulação , broomball e trenó de corrida no bobsled , luge e skeleton . Muitos dos diferentes esportes praticados no gelo recebem atenção internacional a cada quatro anos durante os Jogos Olímpicos de Inverno .

Uma espécie de veleiro com pás dá origem ao iatismo no gelo . Outro esporte é a corrida no gelo , em que os motoristas devem acelerar no lago de gelo, ao mesmo tempo em que controlam a derrapagem do veículo (semelhante em alguns aspectos às corridas em pista de terra ). O esporte foi modificado até mesmo para pistas de gelo .

Outros usos

Como lastro térmico

  • O gelo é usado para resfriar e conservar alimentos em caixas de gelo .
  • Cubos de gelo ou gelo picado podem ser usados ​​para resfriar bebidas. Conforme o gelo derrete, ele absorve o calor e mantém a bebida perto de 0 ° C (32 ° F).
  • O gelo pode ser usado como parte de um sistema de ar condicionado , usando ventiladores movidos a bateria ou a energia solar para soprar ar quente sobre o gelo. Isso é especialmente útil durante ondas de calor, quando há falta de energia e os condicionadores de ar padrão (alimentados eletricamente) não funcionam.
  • O gelo pode ser usado (como outras bolsas de gelo ) para reduzir o inchaço (diminuindo o fluxo sanguíneo) e a dor, pressionando-o contra uma área do corpo.

Como material estrutural

Píer de gelo durante as operações de carga de 1983. Estação McMurdo , Antártica
  • Os engenheiros usaram a força substancial do bloco de gelo quando construíram o primeiro píer flutuante de gelo da Antártica em 1973. Esses píeres de gelo são usados ​​durante as operações de carga para carregar e descarregar navios. O pessoal de operações da frota constrói o cais flutuante durante o inverno. Eles se baseiam na água do mar congelada que ocorre naturalmente em McMurdo Sound até que o cais atinja uma profundidade de cerca de 22 pés (6,7 m). Os cais de gelo têm uma vida útil de três a cinco anos.
    Uma sala de jantar feita de gelo do hotel de gelo Kemi 's SnowCastle na Finlândia
  • Estruturas e esculturas de gelo são construídas com grandes pedaços de gelo ou pulverizando água. As estruturas são principalmente ornamentais (como no caso dos castelos de gelo ) e não são práticas para habitação de longo prazo. Os hotéis de gelo existem sazonalmente em algumas áreas frias. Os iglus são outro exemplo de estrutura temporária, feita principalmente de neve.
  • Em climas frios, as estradas são regularmente preparadas em lagos congelados e áreas do arquipélago. Temporariamente, até mesmo uma ferrovia foi construída no gelo.
  • Durante a Segunda Guerra Mundial, o Projeto Habbakuk era um programa aliado que investigava o uso de pykrete (fibras de madeira misturadas com gelo) como possível material para navios de guerra, especialmente porta-aviões, devido à facilidade com que um navio imune a torpedos, e um grande convés, pode ser construído por gelo. Um protótipo em pequena escala foi construído, mas a necessidade de tal navio na guerra foi removida antes de construí-lo em escala real.
  • O gelo já foi usado como material para uma variedade de instrumentos musicais, por exemplo, pelo percussionista Terje Isungset .

Sem água

As fases sólidas de várias outras substâncias voláteis também são chamadas de gelos ; geralmente, um volátil é classificado como gelo se seu ponto de fusão estiver acima ou em torno de 100 K. O exemplo mais conhecido é o gelo seco , a forma sólida de dióxido de carbono .

Um "análogo magnético" do gelo também é realizado em alguns materiais magnéticos isolantes nos quais os momentos magnéticos imitam a posição dos prótons no gelo de água e obedecem a restrições energéticas semelhantes às regras de gelo de Bernal-Fowler decorrentes da frustração geométrica da configuração do próton em agua gelada. Esses materiais são chamados de spin ice .

Veja também

Referências

links externos