Tajemství „černého“ ledu, bílých talířů v něm a zpívajících jezer

Jak vzniká „přírodní sklo“?

Zatímco běžný led známe jako neprůhlednou, mléčnou nebo šedavou krustu, čirý led je výsledkem dokonalé shody fyzikálních podmínek.

Abychom pochopili, proč je čirý led tak vzácný, musíme se podívat na to, co se děje na molekulární úrovni, když teplota klesne pod bod mrazu. Voda je fascinující médium – je to jedna z mála látek, která při tuhnutí zvětšuje svůj objem a snižuje svou hustotu. Právě proto led plave na hladině a neklesá na dno.

Většina ledu, který potkáváme, je neprůhledná ze dvou důvodů: sníh a vzduch. Pokud na mrznoucí hladinu padá sníh, vytvoří se směs vody a krystalků, která zmrzne v neuspořádanou, bílou hmotu. Pokud voda mrzne rychle nebo za silného větru, v její struktuře se uvězní miliony mikroskopických bublinek kyslíku a dusíku, které byly v tekuté vodě rozpuštěny. Tyto bublinky fungují jako malá zrcadla – odrážejí světlo všemi směry a výsledkem je bílá barva.

Čirý led vyžaduje absolutní bezvětří a velmi pomalý, stabilní pokles teploty. Když voda mrzne pomalu, krystalky ledu mají dostatek času na to, aby se uspořádaly do perfektní šestiboké (hexagonální) mřížky. Během tohoto procesu led doslova „vytlačuje“ vše, co do jeho krystalové struktury nepatří – tedy i rozpuštěné plyny a nečistoty. Výsledkem je hmota tak čistá, že jí světelné paprsky procházejí bez jediného odrazu.

Je ale tento led skutečně černý?

Samozřejmě že ne. Led je průhledný, ale protože skrze něj vidíme temné dno hlubokého jezera, kde se světlo pohlcuje, jeví se nám jako černá plocha.

Tento jev má však i svou barevnou stránku. Pokud je led velmi silný a čistý, může vykazovat jemně modravý nádech. Je to podobný efekt, jaký vidíme u ledovců nebo hlubokého oceánu. Molekuly vody a ledu absorbují červenou část světelného spektra a rozptylují tu modrou. Čím je led čistší a silnější, tím intenzivnější může tento pocit „ledové modři“ být.

Proč led „zpívá“?

Pokud jste někdy strávili noc nebo mrazivé ráno u zamrzlého jezera, pravděpodobně jste slyšeli zvuky, které jako by vypadly ze sci-fi filmu. Praskání, dunění, hvízdání a zvuky připomínající výstřely z laserových děl. Seveřané těmto zvukům říkají „zpěv ledu“.

Nejde o žádné nadpřirozené jevy, ale o fascinující ukázku akustické fyziky. Led na jezeře není statická deska; je to obrovský živý organismus, který reaguje na změny teploty. Když v noci teplota prudce klesne, led se začne smršťovat. Vzniklé napětí se uvolňuje prasklinami. Tyto praskliny mohou být kilometry dlouhé.

V čirém ledu se zvuk šíří neuvěřitelnou rychlostí (kolem 3 000 metrů za sekundu, což je skoro 10x rychleji než ve vzduchu). Dochází zde k jevu zvanému akustická disperze. Vysokofrekvenční zvuky (vysoké tóny) cestují ledovou deskou rychleji než ty nízké. Pokud stojíte daleko od místa, kde led praskl, nejdříve k vašemu uchu dorazí vysoké „písknutí“ a až poté hluboké zadunění.

Bílé disky, aneb záznam toho, jak jezero zamrzalo

Jedním z nejfotogeničtějších úkazů čirého ledu jsou sloupce bílých disků, které vypadají jako naskládané UFO nebo zmrzlé palačinky pod hladinou. Tyto útvary jsou ve skutečnosti bubliny metanu.

Na dně jezer bakterie rozkládají organický materiál (listí, mrtvé rostliny). Při tomto procesu se uvolňuje metan, který ve formě bublin stoupá k hladině. Když narazí na rostoucí vrstvu ledu, zůstanou tam viset. Jak led postupně tloustne směrem dolů, uvězňuje další a další vrstvy bublin. Vznikají tak úchvatné vertikální galerie, které jsou v podstatě vizuálním záznamem historie toho, jak jezero zamrzalo.

Život pod skleněným poklopem

Co se děje s přírodou, když se hladina uzavře čirým ledem? Pro ekosystém je čirý led darem. Na rozdíl od bílého ledu pokrytého sněhem, který funguje jako neprostupná opona, čirý led funguje jako skleník. Propouští sluneční světlo hluboko do vody.

Díky tomu mohou vodní rostliny a fytoplankton pokračovat ve fotosyntéze i uprostřed zimy. Tento proces uvolňuje do vody kyslík, který je kriticky důležitý pro přežití ryb. Pokud by na led napadl sníh, světlo zmizí, fotosyntéza se zastaví a v malých rybnících může dojít k vyčerpání kyslíku a následnému úhynu ryb.

Ryby v tomto období šetří energii. Jejich metabolismus se zpomalí, ale díky průhlednosti ledu jsou stále aktivní a reagují na světlo. Pozorovat štiku nebo hejno okounů skrz 20 centimetrů křišťálového ledu je zážitek, který se vyrovná návštěvě nejlepšího světového akvária.

Fyzika pevnosti: Je bezpečný?

Existuje staré pravidlo mezi bruslaři na přírodním ledu: „Černý led je silný led, bílý led je slabý led.“ A fyzika jim dává za pravdu.

Čirý led má díky své homogenní struktuře (bez vzduchových kapes a sněhových příměsí) mnohem vyšší strukturální integritu. Udává se, že 10 cm čirého ledu unese stejnou váhu jako 20 cm ledu bílého (sněhového). Nicméně čirý led má jednu zrádnou vlastnost – jeho průhlednost klame lidské oko. Je nesmírně obtížné odhadnout jeho tloušťku pouhým pohledem. Může se zdát, že stojíte na tenké fólii, i když je pod vámi bezpečných 15 centimetrů.

Pomíjivé umění zimy

Čirý led je definicí pomíjivosti. Stačí jedna sněhová přeháňka nebo pár dní silného větru a křišťálové okno do hlubin se změní v neprostupnou bílou pláň. Je to připomínka toho, že v přírodě jsou ty nejkrásnější věci často ty nejkřehčí a nejvzácnější.

Až příště udeří suché mrazy a jezera se promění v obří zrcadla, zkuste si na ně opatrně stoupnout (samozřejmě s ohledem na bezpečnost!). Zaposlouchejte se do jejich kosmických zvuků, pozorujte tanec bublin metanu a užijte si ten krátký moment, kdy se zdá, že hranice mezi světem nad vodou a pod ní přestala existovat.

Nebezpečný Černý led na silnici

Oběma říká „černý led“, v jejich vzniku a chování je podstatný rozdíl, i když optický princip, proč jim tak říkáme, je naprosto stejný. To hlavní, co mají společné, je naprostá transparentnost. V obou případech je led tak čistý a bez bublinek, že jím světlo prochází bez rozptylu. To, co vidíš, není barva ledu, ale barva podkladu.

Na silnicích vzniká jako hladká ledovka.. Stačí, když se vlhkost ze vzduchu (mlha) usadí na vymrzlém asfaltu a okamžitě zmrzne. Zrádná je především v tom, že budí dojem pouze mokré silnice.

Zdroje
Petrenko, V. F., & Whitworth, R. W. (1999). Physics of Ice. Oxford University Press
NSIDC.org