El hielo es agua congelada en estado sólido , que se forma típicamente a temperaturas de 0 ° C , 32 ° F o 273,15 K o inferiores . Se encuentra de forma natural en la Tierra , en otros planetas, en objetos de la nube de Oort y como hielo interestelar . Como sólido inorgánico cristalino de estructura ordenada que se encuentra en la naturaleza, el hielo se considera un mineral . Dependiendo de la presencia de impurezas como partículas de tierra o burbujas de aire , puede aparecer transparente o de un color blanco azulado más o menos opaco .
Prácticamente todo el hielo de la Tierra tiene una estructura cristalina hexagonal denominada hielo I h (pronunciado como "hielo uno h"). Dependiendo de la temperatura y la presión, pueden existir al menos diecinueve fases ( geometrías de empaquetamiento ). La transición de fase más común a hielo I h ocurre cuando el agua líquida se enfría por debajo de0 °C (273,15 K ,32 °F ) a presión atmosférica estándar . Cuando el agua se enfría rápidamente ( apagado ), se pueden formar hasta tres tipos de hielo amorfo. El hielo interestelar es en su gran mayoría hielo amorfo de baja densidad (LDA), lo que probablemente hace que el hielo LDA sea el tipo más abundante en el universo. Cuando se enfría lentamente, se produce un efecto túnel de protones correlacionado debajo-253,15 °C (20 mil ,−423,67 °F ) dando lugar a fenómenos cuánticos macroscópicos .
El hielo es abundante en la superficie de la Tierra, particularmente en las regiones polares y por encima de la línea de nieve , donde puede agregarse a partir de la nieve para formar glaciares y capas de hielo . En forma de copos de nieve y granizo , el hielo es una forma común de precipitación , y también puede depositarse directamente por vapor de agua en forma de escarcha . La transición de hielo a agua es la fusión y de hielo directamente a vapor de agua es la sublimación . Estos procesos juegan un papel clave en el ciclo del agua y el clima de la Tierra . En las últimas décadas, el volumen de hielo en la Tierra ha estado disminuyendo debido al cambio climático . Las mayores disminuciones se han producido en el Ártico y en las montañas ubicadas fuera de las regiones polares. La pérdida de hielo en tierra (a diferencia del hielo marino flotante ) es el principal contribuyente al aumento del nivel del mar .
Los seres humanos han utilizado el hielo para diversos fines durante miles de años. Algunas estructuras históricas diseñadas para contener hielo para proporcionar refrigeración tienen más de 2000 años de antigüedad. Antes de la invención de la tecnología de refrigeración , la única forma de almacenar alimentos de forma segura sin modificarlos mediante conservantes era utilizar hielo. Una superficie de hielo lo suficientemente sólida hace que las vías fluviales sean accesibles para el transporte terrestre durante el invierno y se pueden mantener carreteras dedicadas al hielo . El hielo también desempeña un papel importante en los deportes de invierno .
El hielo posee una estructura cristalina regular basada en la molécula de agua, que consiste en un solo átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno , o H–O–H. Sin embargo, muchas de las propiedades físicas del agua y del hielo están controladas por la formación de enlaces de hidrógeno entre átomos de oxígeno e hidrógeno adyacentes; si bien es un enlace débil, es, no obstante, crítico para controlar la estructura tanto del agua como del hielo. [6]
Una propiedad inusual del agua es que su forma sólida (hielo congelado a presión atmosférica ) es aproximadamente un 8,3 % menos densa que su forma líquida; esto es equivalente a una expansión volumétrica del 9 %. La densidad del hielo es de 0,9167 [1] –0,9168 [2] g/cm 3 a 0 °C y presión atmosférica estándar (101 325 Pa), mientras que el agua tiene una densidad de 0,9998 [1] –0,999863 [2] g/cm 3 a la misma temperatura y presión. El agua líquida es más densa, esencialmente 1,00 g/cm 3 , a 4 °C y comienza a perder su densidad a medida que las moléculas de agua comienzan a formar los cristales hexagonales de hielo a medida que se alcanza el punto de congelación. Esto se debe a que los enlaces de hidrógeno dominan las fuerzas intermoleculares, lo que da como resultado un empaquetamiento de moléculas menos compacto en el sólido. La densidad del hielo aumenta ligeramente al disminuir la temperatura y tiene un valor de 0,9340 g/cm 3 a -180 °C (93 K). [7]
Cuando el agua se congela, aumenta de volumen (aproximadamente un 9 % en el caso del agua dulce). [8] El efecto de la expansión durante la congelación puede ser dramático, y la expansión del hielo es una causa básica de la erosión por congelación y descongelación de las rocas en la naturaleza y de los daños a los cimientos de los edificios y a las carreteras debido al levantamiento por congelación . También es una causa común de las inundaciones de las casas cuando las tuberías de agua estallan debido a la presión del agua en expansión cuando se congela. [9]
Debido a que el hielo es menos denso que el agua líquida, flota, y esto evita que los cuerpos de agua se congelen de abajo hacia arriba. En cambio, se forma un entorno protegido para la vida animal y vegetal debajo del hielo flotante, que protege la parte inferior de los extremos climáticos a corto plazo, como el enfriamiento por el viento . El hielo flotante suficientemente delgado permite que la luz pase a través de él, lo que favorece la fotosíntesis de las colonias de bacterias y algas. [10] Cuando el agua de mar se congela, el hielo está plagado de canales llenos de salmuera que sustentan organismos simpáticos como bacterias, algas, copépodos y anélidos . A su vez, proporcionan alimento a animales como el krill y peces especializados como el notothen calvo , de los que se alimentan a su vez animales más grandes como los pingüinos emperador y las ballenas minke . [11]
Cuando el hielo se derrite, absorbe tanta energía como la que se necesitaría para calentar una masa equivalente de agua a 80 °C (176 °F). [12] Durante el proceso de fusión, la temperatura permanece constante a 0 °C (32 °F). Mientras se derrite, cualquier energía añadida rompe los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de hielo (agua). La energía se vuelve disponible para aumentar la energía térmica (temperatura) solo después de que se rompan suficientes enlaces de hidrógeno para que el hielo pueda considerarse agua líquida. La cantidad de energía consumida para romper los enlaces de hidrógeno en la transición de hielo a agua se conoce como calor de fusión . [12] [8]
Al igual que el agua, el hielo absorbe la luz en el extremo rojo del espectro preferentemente como resultado de un sobretono de estiramiento del enlace oxígeno-hidrógeno (O-H). En comparación con el agua, esta absorción se desplaza hacia energías ligeramente más bajas. Por lo tanto, el hielo aparece azul, con un tinte ligeramente más verde que el agua líquida. Dado que la absorción es acumulativa, el efecto de color se intensifica con el aumento del espesor o si las reflexiones internas hacen que la luz tome un camino más largo a través del hielo. [13] Otros colores pueden aparecer en presencia de impurezas que absorben la luz, donde la impureza es la que dicta el color en lugar del hielo en sí. Por ejemplo, los icebergs que contienen impurezas (por ejemplo, sedimentos, algas, burbujas de aire) pueden aparecer marrones, grises o verdes. [13]
Como el hielo en entornos naturales suele estar cerca de su temperatura de fusión, su dureza muestra variaciones de temperatura pronunciadas. En su punto de fusión, el hielo tiene una dureza de Mohs de 2 o menos, pero la dureza aumenta a aproximadamente 4 a una temperatura de −44 °C (−47 °F) y a 6 a una temperatura de −78,5 °C (−109,3 °F), el punto de vaporización del dióxido de carbono sólido (hielo seco). [14]
La mayoría de los líquidos sometidos a mayor presión se congelan a temperaturas más altas porque la presión ayuda a mantener unidas las moléculas. Sin embargo, los fuertes enlaces de hidrógeno en el agua lo hacen diferente: para algunas presiones superiores a 1 atm (0,10 MPa), el agua se congela a una temperatura inferior a 0 °C (32 °F). El hielo, el agua y el vapor de agua pueden coexistir en el punto triple , que es exactamente 273,16 K (0,01 °C) a una presión de 611,657 Pa . [16] [17] El kelvin se definió como 1/273,16 de la diferencia entre este punto triple y el cero absoluto , [18] aunque esta definición cambió en mayo de 2019. [19] A diferencia de la mayoría de los demás sólidos, el hielo es difícil de sobrecalentar . En un experimento, el hielo a −3 °C se sobrecalentó a aproximadamente 17 °C durante aproximadamente 250 picosegundos . [20]
Sometido a presiones más altas y temperaturas variables, el hielo puede formarse en diecinueve fases cristalinas conocidas separadas a varias densidades, junto con fases hipotéticas propuestas de hielo que no han sido observadas. [21] Con cuidado, al menos quince de estas fases (una de las excepciones conocidas es el hielo X) se pueden recuperar a presión ambiente y baja temperatura en forma metaestable . [22] [23] Los tipos se diferencian por su estructura cristalina, ordenamiento de protones, [24] y densidad. También hay dos fases metaestables de hielo bajo presión, ambas completamente desordenadas por hidrógeno; estas son el hielo IV y el hielo XII. El hielo XII se descubrió en 1996. En 2006, se descubrieron el hielo XIII y el hielo XIV. [25] Los hielos XI, XIII y XIV son formas ordenadas por hidrógeno de los hielos I h , V y XII respectivamente. En 2009, se encontró hielo XV a presiones extremadamente altas y −143 °C. [26] Se predice que a presiones aún más altas, el hielo se convertirá en un metal ; se ha estimado que esto ocurre a 1,55 TPa [27] o 5,62 TPa. [28]
Además de las formas cristalinas, el agua sólida puede existir en estados amorfos como agua sólida amorfa (ASW) de densidades variables. En el espacio exterior, el hielo cristalino hexagonal está presente en los volcanes de hielo , [29] pero es extremadamente raro en otros lugares. Incluso se espera que las lunas heladas como Ganímedes consistan principalmente de otras formas cristalinas de hielo. [30] [31] El agua en el medio interestelar está dominada por hielo amorfo, lo que la convierte probablemente en la forma más común de agua en el universo. [32] La ASW de baja densidad (LDA), también conocida como agua vítrea hiperextinguida, puede ser responsable de las nubes noctilucentes en la Tierra y generalmente se forma por deposición de vapor de agua en condiciones de frío o vacío. [33] La ASW de alta densidad (HDA) se forma por compresión de hielo ordinario 1 h o LDA a presiones de GPa. La ASW de muy alta densidad (VHDA) es HDA ligeramente calentada a 160 K bajo presiones de 1-2 GPa. [34]
El hielo de un agua superiónica teóricamente puede poseer dos estructuras cristalinas. A presiones superiores a 500.000 bares (7.300.000 psi), dicho hielo superiónico adoptaría una estructura cúbica centrada en el cuerpo . Sin embargo, a presiones superiores a 1.000.000 bares (15.000.000 psi), la estructura puede cambiar a una red cúbica centrada en las caras más estable . Se especula que el hielo superiónico podría componer el interior de gigantes de hielo como Urano y Neptuno. [35]
El hielo es " resbaladizo " porque tiene un bajo coeficiente de fricción. Este tema fue investigado científicamente por primera vez en el siglo XIX. La explicación preferida en ese momento era la " fusión por presión ", es decir, la cuchilla de un patín de hielo, al ejercer presión sobre el hielo, derretiría una capa delgada, proporcionando suficiente lubricación para que la cuchilla se deslice sobre el hielo. [36] Sin embargo, la investigación de 1939 de Frank P. Bowden y TP Hughes descubrió que los patinadores experimentarían mucha más fricción de la que realmente experimentan si fuera la única explicación. Además, la temperatura óptima para el patinaje artístico es de -5,5 °C (22 °F; 268 K) y de -9 °C (16 °F; 264 K) para el hockey; sin embargo, según la teoría de la fusión por presión, patinar por debajo de -4 °C (25 °F; 269 K) sería absolutamente imposible. [37] En cambio, Bowden y Hughes argumentaron que el calentamiento y el derretimiento de la capa de hielo se debe a la fricción. Sin embargo, esta teoría no explica suficientemente por qué el hielo es resbaladizo cuando está en reposo incluso a temperaturas bajo cero. [36]
Investigaciones posteriores sugirieron que las moléculas de hielo en la interfaz no pueden unirse adecuadamente con las moléculas de la masa de hielo debajo (y por lo tanto son libres de moverse como moléculas de agua líquida). Estas moléculas permanecen en un estado semilíquido, proporcionando lubricación independientemente de la presión ejercida contra el hielo por cualquier objeto. Sin embargo, la importancia de esta hipótesis es cuestionada por experimentos que muestran un alto coeficiente de fricción para el hielo utilizando microscopía de fuerza atómica . [37] Por lo tanto, el mecanismo que controla las propiedades de fricción del hielo sigue siendo un área activa de estudio científico. [38] Una teoría integral de la fricción del hielo debe tener en cuenta todos los mecanismos mencionados anteriormente para estimar el coeficiente de fricción del hielo contra varios materiales en función de la temperatura y la velocidad de deslizamiento. La investigación de 2014 sugiere que el calentamiento por fricción es el proceso más importante en la mayoría de las condiciones típicas. [39]
El término que describe colectivamente todas las partes de la superficie de la Tierra donde el agua está en forma congelada es la criosfera . El hielo es un componente importante del clima global, particularmente en lo que respecta al ciclo del agua. Los glaciares y los mantos de nieve son un importante mecanismo de almacenamiento de agua dulce; con el tiempo, pueden sublimar o derretirse. El deshielo es una fuente importante de agua dulce estacional. [40] [41] La Organización Meteorológica Mundial define varios tipos de hielo según el origen, el tamaño, la forma, la influencia, etc. [42] Los hidratos de clatrato son formas de hielo que contienen moléculas de gas atrapadas dentro de su red cristalina. [43] [44]
El hielo que se encuentra en el mar puede estar en forma de hielo a la deriva flotando en el agua, hielo fijo fijado a una costa o hielo de anclaje si está adherido al fondo marino. [45] El hielo que se desprende (se rompe) de una plataforma de hielo o un glaciar costero puede convertirse en un iceberg. [46] Las consecuencias de los eventos de desprendimiento producen una mezcla suelta de nieve y hielo conocida como Ice mélange . [47]
El hielo marino se forma en varias etapas. Al principio, se acumulan pequeños cristales de escala milimétrica en la superficie del agua en lo que se conoce como hielo frágil . A medida que se vuelven algo más grandes y más consistentes en forma y cobertura, la superficie del agua comienza a verse "aceitosa" desde arriba, por lo que esta etapa se llama hielo graso . [48] Luego, el hielo continúa agrupándose y solidificándose en piezas planas y cohesivas conocidas como témpanos de hielo . Los témpanos de hielo son los bloques de construcción básicos de la cubierta de hielo marino, y su tamaño horizontal (definido como la mitad de su diámetro ) varía drásticamente, siendo los más pequeños medidos en centímetros y los más grandes en cientos de kilómetros. [49] Se dice que un área que tiene más del 70% de hielo en su superficie está cubierta por hielo flotante. [50]
El hielo marino completamente formado puede ser forzado a unirse por las corrientes y los vientos para formar crestas de presión de hasta 12 metros (39 pies) de altura. [51] Por otro lado, la actividad de las olas puede reducir el hielo marino a piezas pequeñas y de forma regular, conocidas como hielo panqueque . [52] A veces, la actividad del viento y las olas "pulen" el hielo marino a piezas perfectamente esféricas conocidas como huevos de hielo . [53] [54]
Las formaciones de hielo más grandes de la Tierra son las dos capas de hielo que cubren casi por completo la isla más grande del mundo, Groenlandia , y el continente de la Antártida . Estas capas de hielo tienen un espesor promedio de más de 1 km (0,6 mi) y existen desde hace millones de años. [55] [56]
Otras formaciones de hielo importantes en la tierra incluyen los casquetes polares , los campos de hielo , los arroyos de hielo y los glaciares . En particular, la región del Hindu Kush es conocida como el "Tercer Polo" de la Tierra debido a la gran cantidad de glaciares que contiene. Cubren un área de alrededor de 80.000 km2 ( 31.000 millas cuadradas), y tienen un volumen combinado de entre 3.000 y 4.700 km3 . [ 40] Estos glaciares son apodados "torres de agua asiáticas", porque su escorrentía de agua derretida alimenta ríos que proporcionan agua a aproximadamente dos mil millones de personas. [41]
El permafrost se refiere al suelo o sedimento submarino que permanece continuamente por debajo de 0 °C (32 °F) durante dos años o más. [57] El hielo dentro del permafrost se divide en cuatro categorías: hielo intersticial, hielo en venas (también conocido como cuñas de hielo), hielo superficial enterrado y hielo intrasedimental (de la congelación de aguas subterráneas). [58] Un ejemplo de formación de hielo en áreas de permafrost es el aufeis , hielo estratificado que se forma en los valles fluviales del Ártico y subártico. El hielo, congelado en el lecho del río, bloquea la descarga normal de agua subterránea y hace que el nivel freático local suba, lo que resulta en la descarga de agua sobre la capa congelada. Esta agua luego se congela, lo que hace que el nivel freático suba aún más y se repita el ciclo. El resultado es un depósito de hielo estratificado, a menudo de varios metros de espesor. [59] La línea de nieve y los campos de nieve son dos conceptos relacionados, en el sentido de que los campos de nieve se acumulan sobre un depósito de hielo y se eliminan hasta el punto de equilibrio (la línea de nieve). [60]
El hielo que se forma en aguas en movimiento tiende a ser menos uniforme y estable que el que se forma en aguas tranquilas. Los atascos de hielo (a veces llamados "presas de hielo"), cuando se acumulan trozos de hielo roto, son el mayor peligro de hielo en los ríos. Los atascos de hielo pueden causar inundaciones, dañar las estructuras en el río o cerca de él y dañar los barcos en el río. Los atascos de hielo pueden hacer que algunas instalaciones industriales de energía hidroeléctrica cierren por completo. Una presa de hielo es un bloqueo causado por el movimiento de un glaciar que puede producir un lago proglacial . Los flujos de hielo intensos en los ríos también pueden dañar los barcos y requieren el uso de un barco rompehielos para mantener la navegación posible. [61] [62]
Los discos de hielo son formaciones circulares de hielo que flotan en el agua de los ríos. Se forman dentro de corrientes de remolino y su posición provoca una fusión asimétrica, lo que hace que giren continuamente a baja velocidad. [63] [64]
El hielo se forma en aguas tranquilas desde las orillas, una fina capa que se extiende por la superficie y luego hacia abajo. El hielo en los lagos es generalmente de cuatro tipos: primario, secundario, superpuesto y aglomerado. [65] [66] El hielo primario se forma primero. El hielo secundario se forma debajo del hielo primario en una dirección paralela a la dirección del flujo de calor. El hielo superpuesto se forma sobre la superficie del hielo a partir de la lluvia o el agua que se filtra a través de grietas en el hielo que a menudo se asienta cuando se carga con nieve. Un empuje de hielo ocurre cuando el movimiento del hielo, causado por la expansión del hielo y/o la acción del viento, ocurre hasta el punto de que el hielo empuja hacia las orillas de los lagos, a menudo desplazando los sedimentos que componen la costa. [67]
La plataforma de hielo se forma cuando los trozos de hielo flotantes son arrastrados por el viento y se acumulan en la orilla barlovento. Este tipo de hielo puede contener grandes bolsas de aire bajo una fina capa superficial, lo que hace que sea especialmente peligroso caminar sobre él. [68] Otra forma peligrosa de hielo podrido para atravesar a pie es el hielo en forma de vela, que se desarrolla en columnas perpendiculares a la superficie de un lago. Como carece de una estructura horizontal firme, una persona que se ha caído no tiene nada a lo que agarrarse para salir. [69]
Los cristales de nieve se forman cuando las minúsculas gotitas de nubes superenfriadas (de unos 10 μm de diámetro) se congelan . Estas gotitas pueden permanecer líquidas a temperaturas inferiores a −18 °C (255 K; 0 °F), porque para congelarse, unas pocas moléculas en la gotita necesitan reunirse por casualidad para formar una disposición similar a la de una red de hielo; luego la gotita se congela alrededor de este "núcleo". Los experimentos muestran que esta nucleación "homogénea" de las gotitas de las nubes solo ocurre a temperaturas inferiores a −35 °C (238 K; −31 °F). [70] En las nubes más cálidas, una partícula de aerosol o "núcleo de hielo" debe estar presente en (o en contacto con) la gotita para que actúe como núcleo. Nuestro conocimiento de qué partículas forman núcleos de hielo eficientes es pobre: lo que sí sabemos es que son muy raros en comparación con los núcleos de condensación de las nubes en los que se forman las gotitas líquidas. Las arcillas, el polvo del desierto y las partículas biológicas pueden ser eficaces, [71] aunque no está claro en qué medida. Se utilizan núcleos artificiales para sembrar nubes . [72] Luego, la gota crece por condensación de vapor de agua sobre las superficies de hielo. [73]
La tormenta de hielo es un tipo de tormenta invernal que se caracteriza por la lluvia helada , que produce una capa de hielo sobre las superficies, incluidas las carreteras y los cables eléctricos . En los Estados Unidos, una cuarta parte de los fenómenos meteorológicos invernales producen una capa de hielo, y las empresas de servicios públicos deben estar preparadas para minimizar los daños. [74]
El granizo se forma en las nubes de tormenta cuando las gotas de agua superenfriada se congelan al entrar en contacto con núcleos de condensación , como polvo o tierra . La corriente ascendente de la tormenta sopla las piedras de granizo hacia la parte superior de la nube. La corriente ascendente se disipa y las piedras de granizo caen, de nuevo dentro de la corriente ascendente, y se levantan de nuevo. El granizo tiene un diámetro de 5 milímetros (0,20 pulgadas) o más. [75] Dentro del código METAR , GR se utiliza para indicar granizo más grande, de un diámetro de al menos 6,4 milímetros (0,25 pulgadas) y GS para más pequeño. [76] Las piedras de 19 milímetros (0,75 pulgadas), 25 milímetros (1,0 pulgadas) y 44 milímetros (1,75 pulgadas) son los tamaños de granizo informados con mayor frecuencia en América del Norte. [77] Las piedras de granizo pueden crecer hasta 15 centímetros (6 pulgadas) y pesar más de 0,5 kilogramos (1,1 libras). [78] En el caso de los granizos de gran tamaño, el calor latente liberado por una mayor congelación puede derretir la capa exterior del granizo. El granizo puede entonces experimentar un "crecimiento húmedo", en el que la capa exterior líquida recoge otros granizos más pequeños. [79] El granizo gana una capa de hielo y se hace cada vez más grande con cada ascenso. Una vez que el granizo se vuelve demasiado pesado para ser sostenido por la corriente ascendente de la tormenta, cae de la nube. [80]
_in_Elko,_Nevada.JPG/1280px-2013-02-23_03_59_28_Graupel_(snow_pellets)_in_Elko,_Nevada.JPG)
El granizo se forma en nubes de tormenta fuertes , particularmente aquellas con corrientes ascendentes intensas, alto contenido de agua líquida, gran extensión vertical, gotas de agua grandes y donde una buena parte de la capa de nubes está por debajo del punto de congelación 0 °C (32 °F). [75] Las nubes productoras de granizo a menudo se identifican por su coloración verde. [81] [82] La tasa de crecimiento se maximiza alrededor de los −13 °C (9 °F), y se vuelve extremadamente pequeña mucho por debajo de los −30 °C (−22 °F) a medida que las gotas de agua superenfriadas se vuelven raras. Por esta razón, el granizo es más común en los interiores continentales de las latitudes medias, ya que la formación de granizo es considerablemente más probable cuando el nivel de congelación está por debajo de la altitud de 11.000 pies (3.400 m). [83] La incorporación de aire seco en las tormentas eléctricas fuertes sobre los continentes puede aumentar la frecuencia del granizo al promover el enfriamiento por evaporación, que reduce el nivel de congelación de las nubes de tormenta, lo que le da al granizo un mayor volumen para crecer. En consecuencia, el granizo es en realidad menos común en los trópicos a pesar de una frecuencia mucho mayor de tormentas eléctricas que en las latitudes medias porque la atmósfera sobre los trópicos tiende a ser más cálida a una profundidad mucho mayor. El granizo en los trópicos se produce principalmente en elevaciones más altas. [84]
Los gránulos de hielo ( código METAR PL [76] ) son una forma de precipitación que consiste en pequeñas bolas de hielo translúcidas , que generalmente son más pequeñas que los granizos. [85] Esta forma de precipitación también se conoce como "aguanieve" por el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos . [86] (En inglés británico, "aguanieve" se refiere a una mezcla de lluvia y nieve ). Los gránulos de hielo generalmente se forman junto con la lluvia helada, cuando un frente cálido y húmedo termina entre capas atmosféricas más frías y más secas. Allí, las gotas de lluvia se congelarían y encogerían en tamaño debido al enfriamiento por evaporación. [87] Los llamados gránulos de nieve, o graupel , se forman cuando múltiples gotas de agua se congelan sobre copos de nieve hasta que se forma una forma suave similar a una bola. [88] El llamado " polvo de diamante " (código METAR IC [76] ), también conocido como agujas de hielo o cristales de hielo, se forma a temperaturas cercanas a -40 °C (-40 °F) debido a que el aire con un contenido de humedad ligeramente superior proveniente de las alturas se mezcla con el aire más frío de la superficie. [89]
A medida que el agua gotea y se vuelve a congelar, puede formar carámbanos colgantes o estructuras similares a estalagmitas en el suelo. [90] En los techos inclinados, la acumulación de hielo puede producir una presa de hielo , que impide que el agua derretida se drene correctamente y potencialmente conduce a fugas dañinas. [91] De manera más general, el vapor de agua que se deposita sobre las superficies debido a la alta humedad relativa y luego se congela da como resultado varias formas de formación de hielo atmosférico o escarcha . Dentro de los edificios, esto se puede ver como hielo en la superficie de las ventanas sin aislamiento. [92] La escarcha es común en el medio ambiente, particularmente en las áreas bajas como los valles . [93] En la Antártida, las temperaturas pueden ser tan bajas que la atracción electrostática aumenta hasta el punto en que la escarcha en la nieve se pega cuando el viento la sopla en bolas similares a plantas rodantes conocidas como yukimarimo . [94]
A veces, las gotas de agua se cristalizan sobre objetos fríos en forma de escarcha en lugar de glaseado. La escarcha blanda tiene una densidad de entre un cuarto y dos tercios de la del hielo puro, [95] debido a una alta proporción de aire atrapado, que también hace que la escarcha blanda parezca blanca. La escarcha dura es más densa, más transparente y es más probable que aparezca en barcos y aviones. [96] [97] El viento frío causa específicamente lo que se conoce como escarcha por advección cuando choca con objetos. Cuando se produce en plantas, a menudo les causa daños. [98] Existen varios métodos para proteger los cultivos agrícolas de las heladas, desde simplemente cubrirlos hasta usar máquinas de viento. [99] [100] En las últimas décadas, los aspersores de riego se han calibrado para rociar solo la cantidad de agua suficiente para crear preventivamente una capa de hielo que se formaría lentamente y así evitaría un choque repentino de temperatura en la planta, y no sería tan gruesa como para causar daños con su peso. [99]
.jpg/1280px-Aufbrechendes_Eis_auf_dem_Silvaplaner_See_bei_Tauwetter_April_2014_(1).jpg)
La ablación del hielo se refiere tanto a su fusión como a su disolución . [101]
La fusión del hielo implica la ruptura de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. El orden de las moléculas en el sólido se descompone a un estado menos ordenado y el sólido se funde para convertirse en líquido. Esto se logra aumentando la energía interna del hielo más allá del punto de fusión . Cuando el hielo se derrite, absorbe tanta energía como la que se requeriría para calentar una cantidad equivalente de agua a 80 °C. Mientras se derrite, la temperatura de la superficie del hielo permanece constante a 0 °C. La velocidad del proceso de fusión depende de la eficiencia del proceso de intercambio de energía. Una superficie de hielo en agua dulce se derrite únicamente por convección libre con una velocidad que depende linealmente de la temperatura del agua, T ∞ , cuando T ∞ es menor que 3,98 °C, y superlinealmente cuando T ∞ es igual o mayor que 3,98 °C, siendo la velocidad proporcional a (T ∞ − 3,98 °C) α , con α = 5/3 para T ∞ mucho mayor que 8 °C, y α = 4/3 para temperaturas intermedias T ∞ . [102]
En condiciones ambientales salinas, la disolución, en lugar de la fusión, suele provocar la ablación del hielo. Por ejemplo, la temperatura del océano Ártico suele ser inferior al punto de fusión del hielo marino en proceso de ablación. La transición de fase de sólido a líquido se logra mezclando moléculas de sal y agua, de forma similar a la disolución del azúcar en agua, aunque la temperatura del agua sea muy inferior al punto de fusión del azúcar. Sin embargo, la velocidad de disolución está limitada por la concentración de sal y, por lo tanto, es más lenta que la fusión. [103]
El hielo ha sido valorado desde hace mucho tiempo como un medio de refrigeración. En el año 400 a. C. en Irán, los ingenieros persas ya habían desarrollado técnicas para almacenar hielo en el desierto durante los meses de verano. Durante el invierno, el hielo se transportaba desde los estanques de recolección y las montañas cercanas en grandes cantidades para almacenarlo en refrigeradores especialmente diseñados y enfriados naturalmente , llamados yakhchal (que significa almacenamiento de hielo ). Los yakhchals eran grandes espacios subterráneos (hasta 5000 m3 ) que tenían paredes gruesas (al menos dos metros en la base) hechas de un tipo específico de mortero llamado sarooj hecho de arena, arcilla, claras de huevo, cal, pelo de cabra y ceniza. El mortero era resistente a la transferencia de calor, lo que ayudaba a mantener el hielo lo suficientemente frío como para no derretirse; también era impenetrable para el agua. Los yakhchals a menudo incluían un qanat y un sistema de atrapavientos que podían reducir las temperaturas internas a niveles gélidos, incluso durante el calor del verano. Uno de los usos del hielo era crear delicias heladas para la realeza. [104] [105]
En la Inglaterra de los siglos XVI y XVII existían industrias florecientes que inundaban las zonas bajas a lo largo del estuario del Támesis durante el invierno y recolectaban hielo en carros y lo almacenaban entre temporadas en casas de madera aisladas como provisión para una hielera que a menudo se ubicaba en grandes casas de campo y que se usaba ampliamente para mantener fresco el pescado capturado en aguas lejanas. Se dice que un inglés que había presenciado la misma actividad en China copió esta práctica. El hielo se importó a Inglaterra desde Noruega en una escala considerable ya en 1823. [106]
En los Estados Unidos, el primer cargamento de hielo se envió desde la ciudad de Nueva York a Charleston, Carolina del Sur , en 1799, [106] y, en la primera mitad del siglo XIX, la recolección de hielo se había convertido en un gran negocio. Frederic Tudor , que llegó a ser conocido como el "Rey del Hielo", trabajó en el desarrollo de mejores productos de aislamiento para envíos de hielo a larga distancia, especialmente a los trópicos; esto llegó a conocerse como el comercio del hielo. [107]
Entre 1812 y 1822, bajo la dirección de Lloyd Hesketh Bamford Hesketh , se construyó el castillo de Gwrych con 18 grandes torres, una de las cuales se llama la «Torre de Hielo». Su único propósito era almacenar hielo. [108]
Trieste enviaba hielo a Egipto , Corfú y Zante ; Suiza, a Francia; y Alemania, a veces, recibía suministros de los lagos bávaros . [106] Desde la década de 1930 hasta 1994, el edificio del Parlamento húngaro utilizó hielo cosechado en invierno en el lago Balaton para el aire acondicionado. [109]
Las casas de hielo se utilizaban para almacenar el hielo formado en invierno, de modo que hubiera hielo disponible durante todo el año, y un tipo primitivo de refrigerador, conocido como hielera, se enfriaba utilizando un bloque de hielo colocado en su interior. Muchas ciudades tenían un servicio regular de entrega de hielo durante el verano. La llegada de la tecnología de refrigeración artificial hizo que la entrega de hielo quedara obsoleta. [110]
Todavía se recolecta hielo para eventos de esculturas de hielo y nieve . Por ejemplo, cada año se utiliza una sierra oscilante para extraer hielo de la superficie congelada del río Songhua para el Festival Internacional de Esculturas de Hielo y Nieve de Harbin . [111]
El proceso escrito más antiguo conocido para fabricar hielo artificialmente se encuentra en los escritos del siglo XIII del historiador árabe Ibn Abu Usaybia en su libro Kitab Uyun al-anba fi tabaqat-al-atibba sobre medicina, en el que Ibn Abu Usaybia atribuye el proceso a un autor aún más antiguo, Ibn Bakhtawayhi, de quien no se sabe nada. [112]
El hielo se produce ahora a escala industrial, para usos que incluyen el almacenamiento y procesamiento de alimentos, la fabricación de productos químicos, la mezcla y el curado del hormigón y el hielo de consumo o envasado. [113] La mayoría de las máquinas de hielo comerciales producen tres tipos básicos de hielo fragmentario: escamas, tubular y en placas, utilizando una variedad de técnicas. [113] Las máquinas de hielo de lotes grandes pueden producir hasta 75 toneladas de hielo por día. [114] En 2002, había 426 empresas de fabricación de hielo comercial en los Estados Unidos, con un valor combinado de envíos de $ 595,487,000. [115] Los refrigeradores domésticos también pueden hacer hielo con una máquina de hielo incorporada , que generalmente hará cubitos de hielo o hielo picado. El primer dispositivo de este tipo fue presentado en 1965 por Frigidaire . [116]
La formación de hielo en las carreteras es un peligro habitual en invierno, y el hielo negro es especialmente peligroso porque es muy difícil de ver. Es muy transparente y suele formarse específicamente en zonas sombreadas (y por lo tanto más frescas y oscuras), es decir, debajo de los pasos elevados . [117]
Siempre que hay lluvia helada o nieve que se produce a una temperatura cercana al punto de fusión, es común que se acumule hielo en las ventanas de los vehículos. A menudo, la nieve se derrite, se vuelve a congelar y forma una capa fragmentada de hielo que efectivamente "pega" la nieve a la ventana. En este caso, la masa congelada se elimina comúnmente con raspadores de hielo . [118] Una fina capa de cristales de hielo también puede formarse en la superficie interior de las ventanas de los automóviles cuando el clima es lo suficientemente frío. En los años 1970 y 1980, algunos vehículos como el Ford Thunderbird podían actualizarse con parabrisas calefactados como resultado. Esta tecnología pasó de moda porque era demasiado cara y propensa a dañarse, pero los desempañadores de la ventana trasera son más baratos de mantener y, por lo tanto, están más extendidos. [119]
En lugares suficientemente fríos, las capas de hielo sobre las superficies del agua pueden llegar a ser lo suficientemente gruesas como para que se construyan carreteras de hielo . Algunas regulaciones especifican que el espesor mínimo seguro es de 4 pulgadas (10 cm) para una persona, 7 pulgadas (18 cm) para una moto de nieve y 15 pulgadas (38 cm) para un automóvil de menos de 5 toneladas. Para los camiones , el espesor efectivo varía con la carga - es decir, un vehículo con un peso total de 9 toneladas requiere un espesor de 20 pulgadas (51 cm). En particular, el límite de velocidad para un vehículo que se desplaza por una carretera que cumple con su espesor mínimo seguro es de 25 km/h (15 mph), subiendo hasta 35 km/h (25 mph) si el espesor de la carretera es 2 o más veces mayor que el valor mínimo seguro. [120] Hay un caso conocido en el que se ha construido un ferrocarril sobre hielo. [121]
La ruta de hielo más famosa había sido la Ruta de la Vida a través del lago Ladoga . Funcionó en los inviernos de 1941-1942 y 1942-1943, cuando era la única ruta terrestre disponible para la Unión Soviética para aliviar el Sitio de Leningrado por parte del Grupo de Ejércitos Norte alemán . [122] : 76–80 Los camiones trasladaron cientos de miles de toneladas de suministros a la ciudad y cientos de miles de civiles fueron evacuados. [123] Ahora es Patrimonio de la Humanidad . [124]
Para los barcos, el hielo presenta dos peligros distintos. En primer lugar, el rocío y la lluvia helada pueden producir una acumulación de hielo en la superestructura de un buque lo suficiente como para volverlo inestable, potencialmente hasta el punto de volcar . [125] Anteriormente, los miembros de la tripulación se veían obligados regularmente a quitar manualmente la acumulación de hielo. Después de la década de 1980, la pulverización de productos químicos descongelantes o el derretimiento del hielo mediante mangueras de agua caliente o vapor se volvieron más comunes. [126] En segundo lugar, los icebergs (grandes masas de hielo que flotan en el agua (normalmente creadas cuando los glaciares llegan al mar)) pueden ser peligrosos si son golpeados por un barco en movimiento. Los icebergs han sido responsables del hundimiento de muchos barcos, el más famoso de los cuales es el Titanic . [127]
Para los puertos cercanos a los polos , estar libres de hielo, idealmente durante todo el año, es una ventaja importante. Algunos ejemplos son Murmansk (Rusia), Petsamo (Rusia, antigua Finlandia) y Vardø (Noruega). Los puertos que no están libres de hielo se abren utilizando buques especializados, llamados rompehielos. [128] Los rompehielos también se utilizan para abrir rutas a través del hielo marino para otros buques, ya que la única alternativa es encontrar las aberturas llamadas " polinias " o " conductos ". Una producción generalizada de rompehielos comenzó durante el siglo XIX. Los diseños anteriores simplemente tenían proas reforzadas en forma de cuchara o diagonal para aplastar eficazmente el hielo. Los diseños posteriores agregaron una hélice delantera debajo de la proa saliente, ya que las hélices traseras típicas eran incapaces de dirigir eficazmente el barco a través del hielo [128]
.jpg/1280px-Some_Ice_on_the_boots_(1527659244).jpg)
Para los aviones, el hielo puede causar una serie de peligros. A medida que un avión asciende, pasa a través de capas de aire de diferente temperatura y humedad, algunas de las cuales pueden favorecer la formación de hielo. Si se forma hielo en las alas o las superficies de control, esto puede afectar negativamente a las cualidades de vuelo del avión. En 1919, durante el primer vuelo sin escalas a través del Atlántico , los aviadores británicos Capitán John Alcock y Teniente Arthur Whitten Brown se encontraron con tales condiciones de formación de hielo: Brown abandonó la cabina y subió al ala varias veces para quitar el hielo que cubría las tomas de aire del motor del avión Vickers Vimy que estaban volando. [131]
Una vulnerabilidad que se ve afectada por la formación de hielo asociada a los motores de combustión interna alternativos es el carburador . A medida que el aire es succionado a través del carburador hacia el motor, la presión de aire local se reduce, lo que provoca un enfriamiento adiabático . Por lo tanto, en condiciones húmedas cercanas al punto de congelación, el carburador estará más frío y tenderá a congelarse. Esto bloqueará el suministro de aire al motor y provocará su falla. Entre 1969 y 1975, se registraron 468 casos de este tipo, que causaron 75 pérdidas de aeronaves, 44 muertes y 202 lesiones graves. [132] Por lo tanto, se desarrollaron calentadores de entrada de aire del carburador . Además, los motores alternativos con inyección de combustible no requieren carburadores en primer lugar. [133]
Los motores a reacción no sufren la formación de hielo en el carburador, pero pueden verse afectados por la humedad inherentemente presente en el combustible para aviones, que se congela y forma cristales de hielo que pueden obstruir la entrada de combustible al motor. Para solucionar este problema se utilizan calentadores de combustible o aditivos antihielo. [134]
El hielo juega un papel central en la recreación invernal y en muchos deportes como el patinaje sobre hielo , el patinaje sobre hielo , el hockey sobre hielo , el bandy , la pesca en el hielo , la escalada en hielo , el curling , el broomball y las carreras de trineos en bobsleigh , luge y skeleton . Muchos de los diferentes deportes que se juegan sobre hielo reciben atención internacional cada cuatro años durante los Juegos Olímpicos de Invierno . [135]
Las embarcaciones pequeñas similares a botes pueden montarse sobre aspas y ser impulsadas a través del hielo mediante velas . Este deporte se conoce como navegación a vela sobre hielo y se ha practicado durante siglos. [136] [137] Otro deporte vehicular son las carreras sobre hielo , donde los conductores deben acelerar sobre el hielo del lago, al mismo tiempo que controlan el derrape de su vehículo (similar en algunos aspectos a las carreras en pistas de tierra ). El deporte incluso se ha modificado para las pistas de hielo . [138]
.jpg/1280px-Castello_di_neve_in_lapponia_02_(2108559776).jpg)
Las emisiones de gases de efecto invernadero de las actividades humanas desequilibran el presupuesto energético de la Tierra y, por lo tanto, causan una acumulación de calor . [150] Aproximadamente el 90% de ese calor se agrega al contenido térmico del océano , el 1% se retiene en la atmósfera y el 3-4% se destina a derretir partes importantes de la criosfera. [150] Entre 1994 y 2017, se perdieron 28 billones de toneladas de hielo en todo el mundo como resultado. [149] La disminución del hielo marino del Ártico representó la pérdida más grande (7,6 billones de toneladas), seguida por el derretimiento de las plataformas de hielo de la Antártida (6,5 billones de toneladas), el retroceso de los glaciares de montaña (6,1 billones de toneladas), el derretimiento de la capa de hielo de Groenlandia (3,8 billones de toneladas) y finalmente el derretimiento de la capa de hielo de la Antártida (2,5 billones de toneladas) y las pérdidas limitadas del hielo marino en el Océano Austral (0,9 billones de toneladas). [149]
Aparte del hielo marino (que ya desplaza agua debido al principio de Arquímedes ), estas pérdidas son una de las principales causas del aumento del nivel del mar (SLR) y se espera que se intensifiquen en el futuro. En particular, el derretimiento de la capa de hielo de la Antártida occidental puede acelerarse sustancialmente a medida que se pierdan las plataformas de hielo flotantes y ya no puedan sostener los glaciares. Esto desencadenaría procesos de inestabilidad de la capa de hielo marino poco comprendidos , que podrían aumentar el SLR esperado para finales de siglo (entre 30 cm (1 pie) y 1 m ( 3+1 ⁄ 2 pie), dependiendo del calentamiento futuro), en decenas de centímetros más. [151] : 1302
La pérdida de hielo en Groenlandia y la Antártida también produce grandes cantidades de agua de deshielo fresca , lo que altera la circulación meridional del Atlántico (CMA) y la circulación del océano Austral , respectivamente. [152] Estas dos mitades de la circulación termohalina son muy importantes para el clima global. La continuación de los altos flujos de agua de deshielo puede causar una grave alteración (hasta el punto de un "colapso") de cualquiera de las dos circulaciones, o incluso de ambas. Cualquier evento se consideraría un ejemplo de puntos de inflexión en el sistema climático , porque sería extremadamente difícil de revertir. [152] En general, no se espera que la CMA colapse durante el siglo XXI, mientras que solo hay un conocimiento limitado sobre la circulación del océano Austral. [151] : 1214
Otro ejemplo de punto de inflexión relacionado con el hielo es el deshielo del permafrost. Si bien el contenido orgánico del permafrost causa emisiones de CO2 y metano una vez que se descongela y comienza a descomponerse, [ 152] el derretimiento del hielo licúa el suelo, lo que hace que todo lo construido sobre el antiguo permafrost se derrumbe. Para 2050, se espera que los daños económicos derivados de esa pérdida de infraestructura cuesten decenas de miles de millones de dólares. [153]
En el futuro, es probable que el océano Ártico pierda prácticamente todo su hielo marino durante al menos algunos meses de septiembre (el final de la temporada de derretimiento del hielo), aunque parte del hielo se volvería a congelar durante el invierno. Es decir, es probable que se produzca un septiembre sin hielo una vez cada 40 años si el calentamiento global se sitúa en 1,5 °C (2,7 °F), pero se produciría una vez cada 8 años con un aumento de 2 °C (3,6 °F) y una vez cada 1,5 años con un aumento de 3 °C (5,4 °F). [155] Esto afectaría al clima regional y global debido a la retroalimentación hielo-albedo . Debido a que el hielo refleja en gran medida la energía solar, la capa de hielo marino persistente reduce las temperaturas locales. Una vez que esa capa de hielo se derrite, las aguas oceánicas más oscuras comienzan a absorber más calor, lo que también ayuda a derretir el hielo restante. [158]
Las pérdidas globales de hielo marino entre 1992 y 2018, casi todas ellas en el Ártico, ya han tenido el mismo impacto que el 10% de las emisiones de gases de efecto invernadero durante el mismo período. [159] Si todo el hielo marino del Ártico desapareciera cada año entre junio y septiembre ( día polar , cuando el sol brilla constantemente), las temperaturas en el Ártico aumentarían más de 1,5 °C (2,7 °F), mientras que las temperaturas globales aumentarían alrededor de 0,19 °C (0,34 °F). [154]
Para el año 2100, al menos una cuarta parte de los glaciares de montaña fuera de Groenlandia y la Antártida se derretirían, [161] y es probable que todos los casquetes polares en las montañas no polares se pierdan alrededor de 200 años después de que el calentamiento global alcance los 2 °C (3,6 °F). [156] [157] La capa de hielo de la Antártida occidental es muy vulnerable y probablemente desaparecerá incluso si el calentamiento no avanza más, [162] [163] [164 ] [165] aunque podrían pasar alrededor de 2000 años antes de que su pérdida sea completa. [156] [157] La capa de hielo de Groenlandia probablemente se perderá con el calentamiento sostenido entre 1,7 °C (3,1 °F) y 2,3 °C (4,1 °F), [166] aunque su pérdida total requiere alrededor de 10 000 años. [156] [157] Por último, la capa de hielo de la Antártida Oriental tardará al menos 10.000 años en derretirse por completo, lo que requiere un calentamiento de entre 5 °C (9,0 °F) y 10 °C (18 °F). [156] [157]
Si todo el hielo de la Tierra se derritiera, el nivel del mar aumentaría en unos 70 m (229 pies 8 pulgadas), [167] con unos 53,3 m (174 pies 10 pulgadas) provenientes de la Antártida Oriental. [56] Debido al rebote isostático , la tierra libre de hielo eventualmente se volvería 301 m (987 pies 6 pulgadas) más alta en Groenlandia y 494 m (1,620 pies 9 pulgadas) más alta, en promedio. Las áreas en el centro de cada masa terrestre se volverían hasta 783 m (2,568 pies 11 pulgadas) y 936 m (3,070 pies 10 pulgadas) más altas, respectivamente. [168] El impacto en las temperaturas globales por la pérdida de la Antártida occidental, los glaciares de montaña y la capa de hielo de Groenlandia se estima en 0,05 °C (0,090 °F), 0,08 °C (0,14 °F) y 0,13 °C (0,23 °F), respectivamente, [154] mientras que la falta de la capa de hielo de la Antártida oriental aumentaría las temperaturas en 0,6 °C (1,1 °F). [156] [157]
Las fases sólidas de otras sustancias volátiles también se denominan hielos ; por lo general, un volátil se clasifica como hielo si su punto de fusión o sublimación se encuentra por encima o alrededor de 100 K (−173 °C; −280 °F) (asumiendo la presión atmosférica estándar). El ejemplo más conocido es el hielo seco , la forma sólida del dióxido de carbono . Su punto de sublimación/deposición se produce a 194,7 K (−78,5 °C; −109,2 °F). [169]
También se ha encontrado un "análogo magnético" del hielo en algunos materiales magnéticos aislantes en los que los momentos magnéticos imitan la posición de los protones en el hielo de agua y obedecen a restricciones energéticas similares a las reglas de Bernal-Fowler para el hielo que surgen de la frustración geométrica de la configuración de los protones en el hielo de agua. Estos materiales se denominan hielo de espín . [170]
._05.jpg/1280px-J%C3%A4%C3%A4_on_kulmunud_pallideks_(Looduse_veidrused)._05.jpg)
.jpg/1280px-Ice_on_stairway,_1968_(32085554416).jpg)
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de noviembre de 2024 ( enlace )El calentamiento del carburador es un sistema antihielo que precalienta el aire antes de que llegue al carburador y tiene como objetivo mantener la mezcla de combustible y aire por encima del punto de congelación para evitar la formación de hielo en el carburador.
El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia Creative Commons Attribution 4.0 International License. Bibcode :2021TCry...15..233S. doi : 10.5194/tc-15-233-2021 . hdl : 20.500.11820/df343a4d-6b66-4eae-ac3f-f5a35bdeef04 .El material fue copiado de esta fuente, que está disponible bajo una licencia Creative Commons Attribution 4.0 International License. Bibcode :2023ESSD...15.1675V. doi : 10.5194/essd-15-1675-2023 . hdl : 20.500.11850/619535 .
