Свойства метастабильных форм воды: новая интерпретация эксперимента 

А.Н. Невзоров, кандидат физико-математических наук ЦАО Росгидромета, г. Долгопрудный, Московская обл.

Оставим в стороне порождённую незнанием легенду о мистических свойствах воды – пока
хватает и чисто физических проблем. На наш
взгляд, сегодня наименее (наименее адекватно) ис
следованными остаются полиморфные, т.е. различа
ющиеся по внутренней структуре и свойствам формы
воды, существующие в метастабильном состоянии
при температурах ниже 0°С. 

Метастабильным называется такое состояние веще
ства, которое, будучи потенциально неустойчивым,
способно к неопределённо длительному существованию
благодаря отсутствию внешнего воздействия, “запу
скающего” процесс самопроизвольного перехода веще
ства в устойчивое состояние. Предметом нашего рас
смотрения служат те полиморфные формы вещества
H2O – воды, чьи состояния при T < 0°C являются мета
стабильными в отношении спонтанного фазового пере
хода в кристаллический лёд. Самым простым “пуско
вым механизмом” этого перехода служит контакт мета
стабильной воды с кристаллическим льдом или с гете
рогенным (инородным) центром кристаллизации.
Известно [1], что вода склонна к полиморфизму в
твёрдом состоянии, где образует около 10 форм кри
сталлического льда. Хорошо известному природному
льду с плотностью 0,92 г·см-3 присвоено имя лёд I;
остальные льды образованы при сверхвысоких давле
ниях и имеют более высокую плотность – до 1,6 г·см-3. 

Вместе с тем науке известны и такие формы H2O, кото
рые способны сохранять при отрицательных темпера
турах жидкое или консистентное состояние и при этом
легко превращаться в лёд I. Сюда входят:

– обычная жидкая вода с плотностью ~1 г·см-3, ко
торую для краткости будем именовать водой-1. Её
жидкое состояние при T < 0°C принято называть пе
реохлаждённой водой; 

– модификация H2O, получаемая в лабораторных
условиях в виде твёрдого либо вязкого стеклообраз
ного продукта конденсации водяного пара на под
ложке при сверхнизких (100…150 K) температурах
[2–4]. В отличие от кристаллического льда и воды-1,
не обнаруживает признаков внутреннего порядка по
данным структурно-чувствительного анализа (рент
геноскопического, электронографического и др.).
Вопрос о структуре и свойствах этого аморфного кон
денсата [2], или аморфного льда [3], или аморфной
воды [4], ещё недостаточно ясен; 

– так называемая А-вода, обладающая плотно
стью около 2,1 г·см-3, обнаруженная в виде жидкока
пельной фракции в природных облаках [5–8].
В литературе упоминаются и другие жидкие фор
мы воды, не подпадающие под приведённое выше
определение метастабильности. Это “незамерзаю
щая” вода, содержащаяся в биологических тканях
[3], а также “капиллярная” вода с плотностью около
1,4 г·см-3, сохраняющая жидкое состояние до -90°С
даже в контакте с кристаллическим льдом [9]. Не ис
ключено, что обе формы имеют общую природу.
Низкая устойчивость метастабильных форм в
контакте с инородными телами является серьёзным
препятствием к исследованию их характеристик тра
диционными методами, пригодными для жидкости,
заключённой в сосуде. На практике приходилось 

Самое обычное и распространённое на Земле вещество с простой химической
формулой H2O – вода во всех её формах – привлекает пристальное внимание
исследователей различных направлений. В попытках углубления наших зна
ний об этом веществе обнаруживаются всё новые, своеобразные и загадочные
его свойства, природа которых ещё нуждается в осмыслении.


     Рис. 1
     Геометрия    молекулы    воды.    В    центре    –    атом    кислорода,    на    линиях    связи    –         
     протоны.    В    плоскости    XY    валентные    связи,    в    плоскости    XZ    –    водородные    (пунктир) 

прибегать к косвенным методам измерений [2–4]. К
сожалению, физическая интерпретация и оценка до
стоверности их результатов по существу оставались
за пределами понимания, так же, как их основа –
принципы внутреннего строения воды. Как показано
далее, это породило ряд неопределённостей и недо
разумений в сложившихся представлениях о свой
ствах метастабильных форм воды. 

Строение молекулы  и межмолекулярные водородные связи 

Необычные свойства Н2О, включая ярко выражен
ный полиморфизм, связаны с особенностями строения
её молекулы, составленной из уникальных по свойствам
атомов водорода и кислорода. Водород не только самый
лёгкий из элементов Периодической системы, но и
единственный из них, который способен “внедряться” в
электронную оболочку более тяжёлого атома и присое
динять к себе один из её электронов. Если при этом он
соединён валентной (химической) связью с другим ино
родным атомом, то образует так называемую водород
ную связь между обоими атомами. В свою очередь внеш
няя электронная оболочка атома кислорода (О-атома)
имеет две “вакансии” для присоединения валентных
электронов, а также содержит пару электронов, способ
ных участвовать в водородных связях. 

В свободной молекуле воды каждый из двух ато
мов водорода, или протонов, соединён с атомом кис
лорода валентной связью, образованной “обобщест
влением” электрона из атома водорода. Угол между
линиями связи протонов с ядром О-атома равен 104,6
град. Такая величина молекулярного угла резко вы
деляет воду из смежного гомологического ряда соеди
нений – гидридов элементов 6-й группы Периодиче
ской системы (где этот угол составляет от 92 град. для
H2S до 90 град. для H2Se и H2Te), позволяя ей созда
вать различные формы с уникальным внутренним
строением. Линии водородных связей каждой моле
кулы Н2О разделены тем же углом, что и линии ва
лентных связей; биссектрисы обоих углов направле
ны в прямо противоположные стороны, а их плоско
сти развёрнуты на 90 град. относительно друг друга
(рис. 1). С протонами, “присоединёнными” к данному
О-атому, аналогично могут находиться в химической
и водородной связи другие О-атомы и т.д. Каждая ли
ния О–Н···О (точками обозначена водородная связь)
упруго стремится быть прямой, но может и несколько
изогнуться под воздействием сторонних факторов. 

Самой простой и наглядной выглядит межмолеку
лярная структура льда I [1]. В ней задействованы все
четыре водородные связи на каждую молекулу, так
что все молекулы оказываются жёстко соединенными
между собой системой связей в виде регулярной про
странственной решётки. В структуре обычного, так
называемого гексагонального льда Ih (названного так
по конфигурации одной из проекций решётки) водо
родные связи изогнуты таким образом, что О-атомы,
связанные с отдельной молекулой, составляют верши
ны правильного тетраэдра (рис. 2). Похожей структу
рой обладает мало устойчивый кубический лёд Iс. 

Структурным отличием жидкой воды-1 от кри
сталлического льда является хаотическая простран
ственно-временная незавершённость системы связей.
В каждый момент времени в ней присутствуют моле
кулы, охваченные всеми возможными (от нуля до че
тырёх) количествами водородных связей [10]. Такое
статически неустойчивое строение воды-1 с непрерыв
но мигрирующими водородными связями придаёт ей
свойство текучести, определяющее жидкое состояние.
Структурный анализ обнаруживает сходство усред
нённого “ближнего порядка” структуры воды-1 с эле
ментом решетки льда Ih (см. рис. 2) [11].

Для объяснения известных и вновь выявляемых
аномалий в свойствах воды-1 примем во внимание тот
незаметный и, казалось бы, малозначительный факт,
что водородные связи отдаляют друг от друга охвачен
ные ими молекулы по сравнению с колебательными
связями, свойственными простым жидкостям [1]. 

Именно поэтому плотность воды-1 с её частично реали
зованными водородными связями оказывается уни
кально выше плотности льда Ih с его полностью водо
родосвязанной структурой. Здесь мы приходим к важ
ному основополагающему выводу о том, что истинная
плотность воды в некристаллической форме находится
в обратной зависимости от удельной концентрации во
дородных связей в её структуре. Максимальной плот
ностью должна обладать структура, полностью лишён
ная водородных связей. Этот вывод не распространяет
ся на кристаллические льды, составленные из водородо
связанных решёток различной конфигурации [1]. 

Кристаллизация метастабильной воды 

В экспериментальном определении характери
стик воды в метастабильном состоянии часто исполь
зуются эффекты, связанные с её кристаллизацией
(замерзанием) [2, 4]. При этом не учитывается такой
неизбежный фактор, как испарение части воды под
действием выделяющейся энергии фазового перехо
да. Справедливости ради отметим, что решение этой
задачи на основе существующих знаний далеко не
тривиально. Предлагаемый физический подход к
внутреннему процессу кристаллизации [12–14] обе
спечивает простое её объяснение. 

Как известно [3], в основе процесса кристаллизации
метастабильной жидкой воды лежит продвижение гра
ницы раздела фаз, или фронта кристаллизации. При
различии плотностей фаз по обе стороны фронта, как в
случае с водой-1 и тем более А-водой, замерзающая ча
стица, казалось бы, должна изменять свою форму или
разрушаться от внутреннего напряжения. В действи
тельности, согласно многочисленным опытам, при за
мерзании сферическая капля воды-1 сохраняет свою
форму. В случае с А-водой этот эффект проявляется в
картине “обзернения” облачных кристаллов сфериче
скими ледяными частицами [15, 16]. Попытки объяс
нить этот парадокс образованием ледяной корки на по
верхности капли либо “складчатым” фронтом замерза
ния [3] лишены физического основания. 

Второй парадокс фронтальной кристаллизации
происходит от того общепринятого положения, что
скрытая энергия фазового перехода высвобождается
в чисто тепловой форме. По логике, эта теплота долж
на выделяться непосредственно на фронте образова
ния ледяной структуры. Однако при этом, согласно
простой оценке [12–14], новообразованный лёд дол
жен испытать начальный прирост температуры не
менее 100°С при замерзании переохлаждённой
воды-1 и 1100°С при кристаллизации А-воды, т.е. в
течение конечного времени температурной релакса
ции лёд лишён условий для физического существова
ния. Этот парадокс также не получил внятного физи
ческого объяснения. 

Между тем изложенные представления о молеку
лярной структуре воды предлагают единое объясне
ние обоих парадоксов, которое заключается в следую
щем. Непрерывное продвижение поверхности раздела
фаз в процессе кристаллизации обусловлено последо
вательным присоединением молекул из жидкости к
жёсткой кристаллической решётке льда. Сохраняю
щиеся и вновь образующиеся водородные связи слу
жат соединительными звеньями между обеими фаза
ми, обеспечивая их постоянное сцепление. Последнее
исключает возможность скольжения вдоль фронталь
ной поверхности прилегающего к ней слоя жидкости.
По этой причине жидкость, захватываемая движу
щимся фронтом, не испытывает деформации по отно
шению к твёрдой ледяной основе, в результате чего
новообразованная ледяная фаза с самого начала со
храняет исходный геометрический объём жидкой
фазы. Но поскольку плотность льда меньше плотно
сти жидкости, на фронте кристаллизации высвобож
дается избыточная относительно льда масса воды,
принимающая форму свободных молекул. Выделяю
щаяся на фронте энергия передаётся непосредственно
этим молекулам, превращаясь в их кинетическую
энергию. Отторгнутые от фронта молекулы покидают
конденсат через жидкую фазу аналогично тому, как
это происходит в процессе спокойного кипения. Тот
факт, что капли переохлаждённой воды могут быстро
замерзать при температуре, сколь угодно близкой к
0°С, означает, что процесс кристаллизации обладает
пространственно-временной изотермией и свободные
молекулы не передают жидкости сколько-нибудь за
метной энергии. Доля воды, обращающейся при кри
сталлизации в пар, поддаётся элементарному расчёту
из разности плотностей жидкости и льда. 

Важно отметить, что полученные здесь выводы
касаются также вязкого метастабильного состояния
аморфного конденсата при температурах между 135 К
и ~150 К. Экспериментальным подтверждением тому
может служить, например, упоминаемое в [3] выде
ление “неопознанного газа” при его кристаллизации. 

По всем очевидным соображениям, этим газом может 

    

Рис. 2
     Конфигурация    ближнего    порядка    пространственной    решётки    льда    I.         
     Пунктир    –    водородная    связь


     Рис. 3
     Зависимость    разности    плотностей    воды-1    и    льда    I    от    температуры 

быть только водяной пар, что, как ни странно, оста
лось без внимания. Более полная, построенная на
экспериментальных фактах аргументация деталей
описанного механизма кристаллизации содержится
в работах [12–14].

Некоторые свойства переохлаждённой воды-1 

Как известно, вероятность замерзания переохлаж
дённой воды-1 с превращением в лёд I быстро растёт с
понижением температуры, а также с увеличением ве
роятности контакта с инородными зародышами
(ядрами) кристаллизации. Вот почему сохранить и
изучить её жидкое состояние в сосуде удалось только
до -34°С [3]. Зато она способна легко сохраняться в
природных облаках и лабораторных туманах в виде
взвешенных в воздухе капель. Температура -39°С,
при которой безусловно замерзают все взвешенные в
воздухе мельчайшие капельки, признана нижним
пределом существования воды-1. 

В объяснении и уточнении некоторых характери
стик воды-1 примем во внимание “расширительный”
эффект водородных связей. Этим эффектом легко объ
ясняется уникальная аномалия в плотности воды-1 –
максимум при температуре +4°С и прогрессирующее
уменьшение с понижением отрицательной температу
ры [3]. Дело в том, что удельная концентрация дей
ствующих водородных связей в воде-1 испытывает об
ратную зависимость от энергии их “разрушителей” –
тепловых колебаний молекул. Поэтому с понижением
температуры плотность воды-1 должна, с одной сторо
ны, увеличиваться за счёт ослабления тепловых коле
баний молекул, как в обычных веществах, а с другой
– уменьшаться за счёт увеличения концентрации во
дородных связей, отдаляющих молекулы друг от дру
га. При температурах выше 4°С преобладает первая
тенденция, ниже – вторая. 

На рис. 3 показана зависимость плотности перео
хлаждённой воды-1 от температуры, эксперименталь
но определённая вплоть до -34°С [3] и продолженная
нами в область более низких температур на основании
следующих соображений. Уменьшение плотности
воды-1 означает приближение её структуры к струк
туре кристаллического льда по удельной концентра
ции водородных связей и соответственно по относи
тельному суммарному объёму мгновенных льдопо
добных включений. При этом повышается вероятность 
возникновения активного зародыша льдообразования – 
начала превращения в лёд всего образца (капельки)
жидкости. То, что при -39°С эта вероятность становит
ся единицей, означает достижение тождественности
воды-1 со льдом по плотности и, естественно, по вну
тренней энергии. Последнее означает, что в этой точке
скрытая энергия замерзания воды-1 должна обратить
ся в нуль. На рис. 4 показано, как должна качественно
выглядеть температурная зависимость этого параме
тра. Между тем в официальных справочниках, напри
мер [17], приводятся значения скрытой теплоты за
мерзания воды, выведенные из линейной аппрокси
мации экспериментальной зависимости для темпера
тур выше -30°С и её линейной экстраполяции в область
более низких температур, согласно данным рис. 4. 

Доля воды-1, обращающейся в пар при кристал
лизации, зависит от её температуры в соответствии с
температурной зависимостью плотности (см. рис. 3).
Согласно расчёту при -1°С она составляет 8,3%, при
-35°С – 5,2%, а с приближением к -39°С всё быстрее
спадает до нуля. Эффективная скорость истечения
молекулярного пара оценивается в 60…70 м·с-1 неза
висимо от температуры [12–14]. 

     Рис. 4
     Справочная    (пунктир)    и    концептуальная    модели    температурной    зависимости         
     энергии    кристаллизации    переохлаждённой    воды-1 (смотрите на предыдущей странице)

Низкотемпературный аморфный конденсат 

Многочисленными опытами установлено, что про
дуктом конденсации чистого водяного пара на под
ложке при температурах 100…150 К является стекло
образное вещество, в отличие от льда I и воды-1 ли
шённое сколько-нибудь упорядоченной внутренней
структуры по данным структурно-чувствительного
анализа [2–4]. При T > 135 К этот аморфный, по опре
делению, конденсат, чаще именуемый аморфным
льдом или аморфной водой, переходит из твёрдого в
вязкое (консистентное) состояние. С ростом темпера
туры вязкость аморфного конденсата экспоненциаль
но уменьшается, при этом быстро растёт вероятность
его спонтанной кристаллизации с превращением в ку
бический лёд Ic и затем в гексагональный лед Ih. Устой
чивость вязкого состояния зависит от материала под
ложки конденсата и степени её чистоты. При 150…160 К
аморфный конденсат приобретает свойство текучести
и не удерживается на подложке, при этом полностью
теряя устойчивость к кристаллизации. Поэтому жид
кий расплав конденсата оказался недоступным для
исследований и под вопросом оставалось даже его су
ществование [4, 18]. 

Из-за сложности прямых измерений почти все из
вестные оценки плотности аморфного конденсата осно
вывались на определении относительного изменения
его объема после превращения в лёд I. Итоговый резуль
тат выразился в значительном разбросе данных. В обоб
щающем обзоре [4] случаи с измеренной плотностью
0,94…1 г·см-3 отнесены к “низкоплотной” (low-dense)
аморфной воде, а с плотностью между 1,2 и 1,6 ·см-3 – 
к “высокоплотной” (high-dense). По скачку температу
ры оценивалась скрытая теплота кристаллизации, по
лученная также со значительным разбросом результа
тов – от 30 до 100 кДж·кг-1. В качестве объяснения по
добного разброса в [4] допускается существование раз
личных аморфных форм (“полиаморфизм”) воды. Мы
предлагаем иное, более обоснованное объяснение: 

1. Жёсткая геометрия линий связи молекулы
воды (см. рис. 1) исключает полностью хаотическое
взаиморасположение молекул, систематически охва
ченных водородными связями, но обусловливает его
регулярность в осреднённом ближнем порядке, как в
случае с водой-1 [11]. Отсутствие такой регулярности
в инструментальных показаниях означает отсутствие
структурообразующих водородных связей в исследу
емом конденсате. Отсюда следует, что все исследова
ния аморфной воды фактически относятся к одной и
той же форме, структура которой организована без
участия водородных связей. 

2. Судя по всему, плотность аморфного конденсата
заведомо превосходит плотность льда. Поэтому образо
вавшийся при кристаллизации лёд I должен сохранять
объём и температуру исходного образца с выделением
излишка массы в виде пара. Пренебрежение этим фак
тором приводит к занижению оценки измеряемого зна
чения плотности. Однако одновременно возникает пе
ресыщение пара в рабочей камере экспериментальной
установки и как результат обратная конденсация неко
торой доли его пересыщающего избытка на образовав
шийся лед, которая несколько увеличивает его объём.
Доля вторично сконденсированного пара зависит от эф
фективности отвода выделившегося пара от образца. 

Чем по условиям эксперимента сильнее отток пара, тем
меньшая доля пара “вернётся” к образцу и соответ
ственно тем ниже оказывается расчётная величина
плотности аморфной воды. Очевидно, что отмеченный
выше разброс данных происходит в результате кон
структивных различий экспериментальной техники. 

3. Повышение температуры образца при его кри
сталлизации является результатом не кристаллизации
аморфной воды, а вторичной конденсации пара на лёд.
В более ранней работе [19] сообщается о получении
и исследовании “сверхплотного льда”, сконденсиро
ванного при ~100 К. Его плотность 2,32 ± 0,17 г·см-3
определена по геометрическому объёму образца и
расходу водяного пара как затрачиваемого на его
конденсацию, так и выделившегося при испарении.
В отличие от описанного выше косвенного метода
данный метод является абсолютным и свободным от
ошибок принципиального характера, чем обеспечил
получение гораздо более достоверного результата. 

“Необычная” жидкая вода  в холодных облаках 

В отличие от лабораторных условий в атмосфер
ных облаках при T < 0°C (холодных облаках – ХО)
жидкая вода существует далеко не как исключение.
Eё длительная жизнеспособность в виде скопления
капель обусловлена достаточной вероятностью отсут
ствия центра кристаллизации в отдельной капле. По
этим соображениям облака способны служить более
благоприятной, чем лаборатория, базой для экспери
ментальных исследований различных свойств воды
при отрицательных температурах.

За многие десятилетия изучения физического стро
ения и эволюции облаков с самолётов-лабораторий за
мечено, что жидкая дисперсная фаза в ХО ведёт себя
неоднозначно. В одних случаях она, как свойственно
переохлаждённой воде-1, испаряется в присутствии ле
дяной дисперсной фазы, поскольку та снижает парци
альное давление пара ниже насыщающего над нею. В
других, далеко не редких случаях она аномально дли
тельно, с точки зрения названной конденсационной
неустойчивости, сосуществует с ледяной фазой. Более
того, наши измерения с помощью уникальных фазово
избирательных приборов с высокой чувствительностью
[20, 21] показали, что вопреки ожиданиям, жидкока
пельная вода – практически неизменный атрибут обла
ков любых форм, содержащих ледяную фазу, в том чис
ле с температурами ниже -39°С. Она не только не испа
ряется в присутствии льда, а, напротив, содержится
преимущественно в значительно более крупных (до со
тен микрометров) каплях, чем капли типичных водя
ных облаков [5, 6, 20, 22, 23], и при этом её удельное
содержание (водность) положительно коррелирует на
непрерывных записях с содержанием дисперсного
льда. Всё сказанное содержит полный набор признаков
широкотемпературного конденсационного равновесия
со льдом некоей жидкой формы воды, отличной от
воды-1 по физико-химическим свойствам. Положи
тельные результаты воздействия льдообразующим реа
гентом на облака смешанной фазы [24] позволяют от
нести эту форму к метастабильным. 

Обнаруженная таким образом жидкая полиморф
ная форма воды названа нами А-водой. Её основные фи
зические характеристики были оценены в [5] путём
сравнительных измерений микрофизических параме
тров жидкой фазы в смешанном облаке. Измерения вы
полнялись с помощью комплекса приборов, градуиро
вочные характеристики которых зависят от разных
физических свойств вещества капель – показателя пре
ломления n, плотности ρ, теплоты испарения L – и из
начально установлены применительно к воде-1. При
этом результаты расчёта оптического показателя осла
бления (коэффициента экстинкции) по измеренным
спектрам размеров частиц систематически превосходи
ли результаты прямых измерений в 7 раз, а для жидко
капельной составляющей водности – примерно в 40
раз. Подобные расхождения не поддаются объяснению
приборными и методическими погрешностями. Со
гласно детальному анализу, проведённому в [5], удо
влетворительное согласие данных при Т ≈ -30° обеспе
чивается градуировочными характеристиками прибо
ров для значений n = 1,8…1,9, ρ = 2,1…2,2 г·см-3 (соглас
но расчёту из n по формуле Лоренц – Лорентца [11]) и 
L ≈ 550 Дж·г-1. Очевидно, что эти значения представля
ют собой физические характеристики А-воды. 

Независимым подтверждением устойчивого суще
ствования А-воды в ХО послужило оптическое явление
глории, имеющее вид радужного кольца вокруг сол
нечной тени самолёта на облаке (рис. 5). Общепризна
но, что глория формируется в результате обратного рас
сеяния света на сферических частицах, поэтому само
по себе её наличие должно служить индикатором при
сутствия жидких капель в облаке. Она наблюдается
при отрицательной температуре на верхней границе об
лака [25] и стойко удерживается на облаках верхней
тропосферы, в том числе с температурами ниже -39°С. 

Вопрос о природе глории детально рассмотрен в рабо
тах [22, 23]. Несколько похожее явление может, хотя и
с малой вероятностью, возникать в облаках, состоящих
из капель воды-1 (n = 1,33). Однако только при усло
вии, что объектом рассеяния света являются прозрач
ные сферические частицы с показателем преломления
n = 1,81…1,82 и с размерами свыше 20 мкм, расчётная
(по теории немецкого учёного Г. Ми) модель углового
рассеяния полностью идентична по всем свойствам
природному явлению глории на ХО. На рис. 6 сопостав
лены зависимости углового радиуса жёлтого кольца
глории от показателя преломления рассеивающих сфе
рических частиц, рассчитанные на основе теории Ми 
и геометрической теории радуги.  Здесь “геометриче
ская” кривая наглядно занимает место асимптотиче
ской зависимости при увеличении размеров частиц.

     Рис. 5
     Фото    глории    с    близко    пролетающего    самолета 

     Рис. 6
     Расчётные    зависимости    углового    радиуса    радуги    рассеяния    от    показателя         
     преломления    и    диаметра    рассеивающих    сфер    в    пределах    углов,    включающих    глорию


ность аморфной воды более чем в 2 раза превышает
плотность льда I, в процессе кристаллизации в пар об
ращается 55…60% её массы [12–14], что, естественно,
не принималось в расчёт при измерениях её плотности
наиболее распространённым способом. 

Конденсационное равновесие А-воды с кристалли
ческим льдом I при недосыщении пара над водой-1 [26]
подтверждает высказанное в [27] предположение о том,
что так называемая “квазижидкая” плёнка, покрыва
ющая ледяную поверхность [16, 28], имеет аморфную
структуру. Иначе говоря, эта плёнка, в действительно
сти проявляющая свойства жидкости и делающая лёд
уникально скользким, состоит из А-воды. Это служит
одним из доказательств [6, 8, 12, 14] того, что аморфная
вода выполняет функцию промежуточной фазы в кон
денсационном льдообразовании в соответствии с прави
лом “ступенчатых переходов” Оствальда [29] и способ
на сохраняться в метастабильном состоянии при отсут
ствии льдообразующего центра. При таянии льда обра
зуется нерастворимая взвесь обрывков плёнки А-воды
в талой воде-1 [8, 12–14], чем, очевидно, и обусловлена
известная биологическая активность последней. 

Подытожим и сравним между собой эксперимен
тально установленные характеристики свойств 
обеих метастабильных форм – воды-1 и аморфной
воды, заимствованные из различных источников 
(см. таблицу).

Литература 

1. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. –
М.: Изд-во MГУ, 1998. – 172 с.
2. Скрипов В.П., Коверда В.П. Спонтанная кристаллизация
переохлаждённых жидкостей. – М.: Наука, 1984. – 231 с.
3. Вода и водные растворы при температурах ниже 0°С /
Пер. с англ. Под ред. Ф. Франкса. – Киев: Наукова думка,
1985. – 388 с.
4. Angell, C.A. Amorphous water. Annu. Rev. Phys. Chem.,
55, 559–583, 2004.
5. Невзоров А.Н. Исследования по физике жидкой фазы в
льдосодержащих облаках // Метеорология и гидрология. –
1993. – № 1. – С. 55–68.
6. Nevzorov A.N. Cloud phase composition and phase
evolution as deduced from experimental evidence and physico
chemical concepts. – 13th Int. Conf. on Clouds and Precipitation,
Reno, Nevada, USA, 2000, 728–731.
7. Невзоров А.Н. Из чего состоят облака // Химия и
жизнь. – 2006. – № 10. – С. 41–45.
8. Невзоров А.Н. Биморфизм и свойства жидкокапельной
воды в холодных облаках // Вопросы физики облаков. – М.:
Метеорология и гидрология, 2008. – С. 268–298.
9. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Новые свойства жидкостей. –
М.: Наука, 1971. – 176 с.
10. Stillinger F.H. Water revisited. – Science, 209, № 4455,
1980, 451–457.
11. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды /
Пер. с англ. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 280 с.
Такой результат убеждает в том, что глория оптически
формируется как радуга на достаточно крупных ка
плях А-воды, подобно тому, как хорошо знакомая до
ждевая радуга – на каплях воды-1. Анализ явления
глории позволил несколько уточнить значение показа
теля преломления А-воды в оптическом диапазоне и со
ответственно оценить её плотность величиной около
2,1 г·см-3 с точностью до адекватности формулы Лоренц
– Лорентца применительно к данному случаю.
А-вода – жидкая аморфная субстанция
Итак, с помощью существенно различающихся
методов получены довольно близкие оценки плотно
сти воды, находящейся в формально непохожих со
стояниях. С одной стороны, это лабораторный твёр
дый конденсат с температурой около -170°С и досто
вернее всего измеренной плотностью ~2,3 г·см-3 [19].
С другой стороны, это жидкокапельная А-вода, при
сутствующая в холодных тропосферных облаках со
средней температурой порядка -20°С, плотность кото
рой по косвенной аналитической оценке составляет
около 2,1 г·см-3. Напомним, что согласно [1] плотно
стью свыше 2 г·см-3 должна обладать единственная
полиморфная форма воды, межмолекулярная струк
тура которой организована без участия водородных
связей. Знак разности упомянутых значений плотно
сти на краях примерно 150-градусного температур
ного интервала соответствует положительному те
пловому расширению, свойственному необозримому
классу веществ с неводородосвязанной структурой.
Всё сказанное выше, включая свойство постепен
ного плавления аморфного льда при его нагревании
[2], заставляет заключить, что в данном случае мы
имеем дело с одной и той же структурной формой
воды, находящейся в разных агрегатных состояни
ях. А именно, А-вода представляет собой жидкий
расплав твёрдой аморфной воды (аморфного льда).
Именно она служит той субстанцией, которая вос
полняет пробел в знаниях о состоянии воды при от
рицательных температурах выше ~ -120°С.
Условимся по-прежнему называть А-водой аморф
ную воду в жидком состоянии. Изучение её свойств в
необычных условиях самолётного натурного экспери
мента позволило дополнить список известных свойств
и уточнить другие свойства собственно аморфной фазы
воды. Установлено [22, 23], что аморфная вода обладает
высоким показателем преломления 1,81…1,82 в жёл
том свете при -30°С, что создает возможность её обнару
жения оптическими методами. Исключительно низкая
теплота испарения аморфной воды – около 550 ккал·кг-1
при -30°С [5] – облегчает и ускоряет процессы её кон
денсации и испарения по сравнению с обычной водой-1
и кристаллическим льдом. Вследствие того что плот-
мир измерений 8/2009
45
Ранее известные и полученные автором характеристики 
метастабильных форм воды
Характеристика Вода-1 Аморфная вода
Температурные    пределы     
метастабильного    состояния 234…273    К 135…273    К
Вероятность    кристаллизации Растёт         
с    понижением     
температуры
Растёт         
с    повышением     
температуры
Температура    затвердевания/размягчения – 135    К
Температура    перехода    из    вязкого         
в    жидкое    состояние – 150…160    К
Температура    гомогенной    кристаллизации     234    К –
Плотность    (здесь    и    везде    при    данной     
температуре),    г⋅см-3
0,92…1         
(234…273    К)
(согласно    рис.    3)
2,3    (∼100    К)
2,1    (243    К)
Показатель    преломления    в    жёлтом    свете 1,33    (273    К) 1,81…1,82    (243    К)
Энергия    испарения,    кДж⋅кг-1 2570    (243    К) ∼550    (243    К)
Скрытая    энергия    кристаллизации,     
кДж⋅кг-1
0    (234    К)
260    –    320    (>243    К)
(согласно    рис.    4)
∼2290    (243    К)
(разность    энергий     
испарения    льда         
и    А-воды)
Выход    пара    при    кристаллизации         
(расчёт    по    [12–14]),    %    от    исходной    массы
0    (234    К)
5,2    (238    К)
8,3    (272    К) 55…60
Теплоёмкость,    кДж⋅кг-1    К-1 4,22…4,77     
(273…234    К) Не    определена
Парциальное    давление    насыщенного     
пара Справочное         
для    воды    [17] Справочное         
для    льда    [17]
***
Данное исследование, затрагивающее
проблемы физической химии воды, 
было инициировано необходимостью
решения ряда проблем физики
двухфазных, или льдосодержащих,
холодных облаков. Детальное описание
приложения полученных результатов 
в физике облаков выходит за рамки
настоящей статьи. Отметим только, 
что обе метастабильные формы воды
встречаются в природе Земли
практически лишь в составе облаков 
и туманов, где каждая играет
собственную определённую роль 
в образовании и формировании
микроструктуры ледяной фракции 
и определяет своим присутствием
специфику макроскопических
(оптических, радиационных, химических,
осадкообразующих и др.) свойств облака.
Нам представляется, что полученные
результаты могут найти применение 
в исследовании присутствия воды 
в атмосферах и на поверхностях других, 
более холодных, планет.
12. Невзоров А.Н. О внутреннем механизме кристаллиза
ции метастабильной жидкой воды и об его эффектах, влияю
щих на внутриоблачные процессы // Изв. АН РАН Физ. Атм.
и Океана. – 2006. – Т. 42. – № 6. – С. 830–838. / Nevzorov
A.N. Internal Mechanism of Metastable Liquid Water
Crystallization and Its Effects on Intracloud Processes.
Izvestiya, Atm. and Ocean Phys., 2006, vol. 42, № 6, 765–772.
13. Nevzorov A.N. Some properties of metastable states of
water. Physics of Wave Phenomena, 2006, № 1, с. 45–57.
14. Nevzorov A.N. Liquid-state water bimorphism in cold
atmospheric clouds. In: Atmospheric  Science  Research
Progress, Nova, New York (to be printed).
15. Заморский А.Д. Атмосферный лёд. – М.: Изд-во АН
СССР, 1955. – 377 с.
16. Pruppacher H.R., Klett J.D. Microphysics of clouds and
precipitation. – D. Reidel Publ. Co., Dordrecht, Holland, 1978.
– 714 р.
17. Мазин И.П., Хргиан А.Х. (ред.). Облака и облачная ат
мосфера: Справочник. – Л.: Гидрометеоиздат, 1989. – 647 с.
18. Mishima O., Stanley H.E. The relationship between liquid,
supercooled and glassy water. – Nature. – 1998. – 396. – 329–335.
19. Delsemme A.H., Wenger A. Superdense water ice //
Science. – 1970. – 167. – № 3914. – P. 44–45.
20. Невзоров А.Н., Шугаев В.Ф. Экспериментальные ис
следования фазово-дисперсного строения облаков слоистых
форм при отрицательных температурах // Метеорология и
гидрология. – 1992. – № 8. – С. 52–65.
21. Nevzorov A.N. An experience and promising results of
advanced measurements into microphysics of cold clouds. –
WMO Workshop on Measurements of Cloud Properties for
Forecasts of Weather and Climate, Mexico City, 1997, 173–
182.
22. Nevzorov A.N. Glory phenomenon informs of presence
and phase state of liquid water in cold clouds // Atmospheric
Research. – 2006. – Vol. 82. – P. 367–378.
23. Невзоров А.Н. Явление глории и природа жидкока
пельной фракции в холодных облаках // Оптика атмосферы
и океана. – 2007. – № 8. – С. 674–680.
24. Половина И.П. Экспериментальные исследования
процесса искусственной кристаллизации и рассеяния пере
охлаждённых слоистообразных облаков и туманов // Вопросы
физики облаков. – Л.: Гидрометеоиздат, 1987. – С. 65–73.
25. Миннарт M. Свет и цвет в природе / Пер. с англ. – M.:
Наука, 1969. – 344 с.
26. Мезрин М.Ю., Миронова Г.В. Некоторые результаты
исследования влажности воздуха в слоистообразных облаках
// Тр. Центр. аэролог. обсерв. – Вып. 178. – 1991. – С. 125–
132.
27. Fletcher N.H. The chemical physics of ice. – Cambr.
Univ. Press, 1970. – 271 p.
28. Jellinek H. H. G. Liquid-like (transition) layeron ice // J.
Colloid and Interface Sci. – 1967. – V. 25. – № 2. – P. 192–197.
29. Урусов В.С. Теоретическая кристаллохимия. – М.:
Изд-во МГУ, 1987. – 275 с.

Материал подготовлен Мосиным Олегом.