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Articulo de referencia

Hielo

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El hielo es agua congelada en estado sólido , formándose normalmente a temperaturas iguales o inferiores a 0 ° C , 32 ° F o 273,15 K. Se presenta de forma natural en la Tierra , en otros planetas , en objetos de la nube de Oort y como hielo interestelar . Al ser un sólido inorgánico cristalino natural con una estructura ordenada, el hielo se considera un mineral . Dependiendo de la presencia de impurezas como partículas de tierra o burbujas de aire , puede ser 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 al 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 ( enfriamiento brusco ), se pueden formar hasta tres tipos de hielo amorfo. El hielo interestelar es predominantemente hielo amorfo de baja densidad (LDA), lo que probablemente convierte al hielo LDA en el tipo más abundante del universo. Cuando se enfría lentamente, se produce un efecto túnel de protones correlacionado por debajo de−253,15 °C  (20 K  ,−423,67 °F  ) dando lugar a fenómenos cuánticos macroscópicos .

El hielo abunda en la superficie terrestre, especialmente en las regiones polares y por encima de la línea de nieve , donde puede acumularse a partir de la nieve para formar glaciares y capas de hielo . Como copos de nieve y granizo , el hielo es una forma común de precipitación , y también puede depositarse directamente por vapor de agua como escarcha . La transición del hielo al agua es la fusión y del hielo directamente al vapor de agua es la sublimación . Estos procesos desempeñan 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 disminuido 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 terrestre (a diferencia del hielo marino flotante ) es el principal factor que contribuye 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 y 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 con conservantes era mediante el uso de hielo. Una superficie de hielo suficientemente sólida permite el acceso de los ríos y lagos al transporte terrestre durante el invierno, y se pueden mantener carreteras de hielo exclusivas . El hielo también desempeña un papel fundamental en los deportes de invierno .

Propiedades físicas

La estructura cristalina tridimensional del hielo H₂O I h ( c) está compuesta por bases de moléculas de hielo H₂O ( b) ubicadas en puntos de la red dentro de la red espacial hexagonal bidimensional (a). [ 4 ] [ 5 ]

El hielo posee una estructura cristalina regular basada en la molécula de agua, que consiste en un átomo de oxígeno unido covalentemente a dos átomos de hidrógeno , o H–O–H. Sin embargo, muchas de las propiedades físicas del agua y el hielo están controladas por la formación de enlaces de hidrógeno entre átomos de oxígeno e hidrógeno adyacentes; si bien es un enlace débil, resulta fundamental para controlar la estructura tanto del agua como del hielo. [ 6 ]

Una propiedad inusual del agua es que su forma sólida —el hielo congelado a presión atmosférica— es aproximadamente un 8,3 % menos densa que su forma líquida; esto equivale a una expansión volumétrica del 9 %. La densidad del hielo es de 0,9167 [ 1 ] a 0,9168 [ 2 ]  g/cm³ a ​​0  °C y presión atmosférica estándar (101 325  Pa), mientras que el agua tiene una densidad de 0,9998 [ 1 ] a 0,999863 [ 2 ]  g/cm³ a ​​la misma temperatura y presión. El agua líquida es más densa, esencialmente 1,00  g/cm³ , a 4  °C y comienza a perder densidad a medida que las moléculas de agua comienzan a formar los cristales hexagonales del hielo al alcanzar el punto de congelación. Esto se debe a que los enlaces de hidrógeno dominan las fuerzas intermoleculares, lo que resulta en 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/cm³ a ​​−180 °C (93 K). [ 7 ]   

Cuando el agua se congela, aumenta su volumen (aproximadamente un 9 % en el caso del agua dulce). [ 8 ] El efecto de la expansión durante la congelación puede ser drástico, y la expansión del hielo es una causa fundamental de la erosión por congelación y descongelación de las rocas en la naturaleza, así como de los daños a los cimientos de los edificios y las carreteras causados ​​por la expansión del hielo . También es una causa común de las inundaciones en las viviendas cuando las tuberías de agua se rompen debido a la presión del agua que se expande al congelarse. [ 9 ]

Debido a que el hielo es menos denso que el agua líquida, flota, lo que impide la congelación de los cuerpos de agua desde abajo. En cambio, se forma un entorno protegido para la vida animal y vegetal bajo el hielo flotante, que protege la parte inferior de fenómenos meteorológicos extremos a corto plazo, como la sensación térmica provocada por el viento . El hielo flotante suficientemente delgado permite el paso de la luz, lo que favorece la fotosíntesis de colonias bacterianas y de algas. [ 10 ] Cuando el agua de mar se congela, el hielo se llena de canales repletos de salmuera que sustentan organismos simpágicos como bacterias, algas, copépodos y anélidos . A su vez, estos proporcionan alimento a animales como el krill y peces especializados como el nototén calvo , de los que se alimentan animales más grandes como los pingüinos emperador y las ballenas minke . [ 11 ]

Cascada congelada en el sureste de Nueva York

Cuando el hielo se derrite, absorbe tanta energía como la necesaria para calentar una masa equivalente de agua en 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 está disponible para aumentar la energía térmica ( temperatura ) solo después de que se hayan roto suficientes enlaces de hidrógeno como para que el hielo pueda considerarse agua líquida. La cantidad de energía consumida al 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 preferentemente la luz en el extremo rojo del espectro como resultado de un sobretono de la vibración 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 se ve azul, con un tinte ligeramente más verdoso 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 recorra una trayectoria más larga a través del hielo. [ 13 ] Pueden aparecer otros colores en presencia de impurezas que absorben la luz, donde la impureza determina el color en lugar del propio hielo. Por ejemplo, los icebergs que contienen impurezas (p. ej., sedimentos, algas, burbujas de aire) pueden verse marrones, grises o verdes. [ 13 ]

Debido a que 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 ]    

Fases

Diagrama de fases logarítmico-lineal presión-temperatura del agua. Los números romanos corresponden a algunas fases del hielo que se enumeran a continuación.
Una formulación alternativa del diagrama de fases para ciertos hielos y otras fases del agua [ 15 ]

La mayoría de los líquidos bajo 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 hacen que sea 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 unos 17 °C durante unos 250 picosegundos . [ 20 ]         

Sometido a presiones más altas y temperaturas variables, el hielo puede formarse en diecinueve fases cristalinas conocidas distintas a diversas densidades, junto con fases hipotéticas propuestas de hielo que no se han observado. [ 21 ] Con cuidado, al menos quince de estas fases (una de las excepciones conocidas es el hielo X) pueden recuperarse 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 en hidrógeno; estas son el hielo IV y el hielo XII. El hielo XII fue descubierto en 1996. En 2006, se descubrieron el hielo XIII y el hielo XIV. [ 25 ] Los hielos XI, XIII y XIV son formas ordenadas en hidrógeno de los hielos I h , V y XII respectivamente. En 2009, se encontró hielo XV a presiones extremadamente altas y −143  °C. [ 26 ] A presiones aún más altas, se predice que el hielo se convertirá en metal ; se ha estimado que esto ocurrirá 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 en otras formas cristalinas de hielo. [ 30 ] [ 31 ] El agua en el medio interestelar está dominada por hielo amorfo, lo que probablemente la convierte en la forma más común de agua en el universo. [ 32 ] El ASW de baja densidad (LDA), también conocido como agua vítrea hiperenfriada, puede ser responsable de las nubes noctilucentes en la Tierra y generalmente se forma por la deposición de vapor de agua en condiciones frías o de vacío. [ 33 ] El ASW de alta densidad (HDA) se forma por compresión de hielo ordinario I h ​​o LDA a presiones de GPa. El ASW de muy alta densidad (VHDA) es HDA ligeramente calentado a 160  K bajo  presiones de 1–2 GPa. [ 34 ]

El hielo proveniente de un agua superiónica teórica podría 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 podría transformarse en una red cúbica centrada en las caras, más estable . Se especula que el hielo superiónico podría constituir el interior de gigantes de hielo como Urano y Neptuno. [ 35 ]  

Propiedades de fricción

Takahiko Kozuka patinando sobre hielo: un acto que solo es posible gracias a las bajas propiedades de fricción del hielo.

El hielo es " resbaladizo " porque tiene un bajo coeficiente de fricción. Este tema se investigó científicamente por primera vez en el siglo XIX. La explicación preferida en ese momento era la " fusión por presión ", es decir, que la cuchilla de un patín de hielo, al ejercer presión sobre el hielo, derretiría una capa delgada, proporcionando lubricación suficiente para que la cuchilla se deslizara sobre el hielo. [ 36 ] Sin embargo, una investigación realizada en 1939 por Frank P. Bowden y TP Hughes encontró que los patinadores experimentarían mucha más fricción de la que realmente experimentan si esa 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 sobre hielo; sin embargo, según la teoría de la fusión por presión, patinar por debajo de -4 °C (25 °F; 269 K) sería completamente imposible. [ 37 ] En cambio, Bowden y Hughes argumentaron que el calentamiento y la fusión de la capa de hielo son causados ​​por la fricción. Sin embargo, esta teoría no explica suficientemente por qué el hielo es resbaladizo cuando está quieto 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 subyacente (y, por lo tanto, son libres de moverse como las moléculas de agua líquida). Estas moléculas permanecen en un estado semilíquido, proporcionando lubricación independientemente de la presión ejercida sobre 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 diversos materiales en función de la temperatura y la velocidad de deslizamiento. Investigaciones de 2014 sugieren que el calentamiento por fricción es el proceso más importante en la mayoría de las condiciones típicas. [ 39 ]

Formación natural

Paisaje helado en los Territorios del Noroeste de Canadá . Se puede ver claramente un gran círculo de hielo flotando sobre el agua. [ 40 ] [ 41 ]

El término que describe colectivamente todas las partes de la superficie terrestre donde el agua se encuentra 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 sublimarse o derretirse. El deshielo es una fuente importante de agua dulce estacional. [ 42 ] [ 43 ] La Organización Meteorológica Mundial define varios tipos de hielo según su origen, tamaño, forma, influencia, etc. [ 44 ] Los hidratos de clatrato son formas de hielo que contienen moléculas de gas atrapadas dentro de su red cristalina. [ 45 ] [ 46 ]

En los océanos

El hielo que se encuentra en el mar puede presentarse en forma de hielo a la deriva flotando en el agua, hielo fijo adherido a la costa o hielo anclado al fondo marino. [ 47 ] El hielo que se desprende de una plataforma de hielo o un glaciar costero puede convertirse en un iceberg. [ 48 ] Tras estos desprendimientos, se produce una mezcla suelta de nieve y hielo conocida como ice mélange . [ 49 ]

El hielo marino se forma en varias etapas. Al principio, pequeños cristales de tamaño milimétrico se acumulan en la superficie del agua en lo que se conoce como hielo frazil . A medida que se vuelven algo más grandes y adquieren una forma y cobertura más uniformes, la superficie del agua comienza a verse "aceitosa" desde arriba, por lo que esta etapa se denomina hielo grasiento . [ 50 ] Luego, el hielo continúa agrupándose y solidificándose en piezas planas y cohesivas conocidas como témpanos de hielo . Los témpanos de hielo son los componentes básicos de la capa de hielo marino, y su tamaño horizontal (definido como la mitad de su diámetro ) varía drásticamente, desde los más pequeños medidos en centímetros hasta los más grandes en cientos de kilómetros. [ 51 ] Se dice que un área que tiene más del 70 % de hielo en su superficie está cubierta por hielo marino. [ 52 ]

El hielo marino completamente formado puede ser comprimido por las corrientes y los vientos para formar crestas de presión de hasta 12 metros (39 pies) de altura. [ 53 ] Por otro lado, la actividad de las olas puede reducir el hielo marino a pequeños trozos de forma regular, conocidos como hielo en forma de panqueque . [ 54 ] A veces, la actividad del viento y las olas "pule" el hielo marino hasta convertirlo en piezas perfectamente esféricas conocidas como huevos de hielo . [ 55 ] [ 56 ] 

En tierra

Imagen de la NASA de la capa de hielo antártica

Las mayores formaciones de hielo 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 millas) y existen desde hace millones de años. [ 57 ] [ 58 ]  

Otras formaciones de hielo importantes en tierra incluyen casquetes polares , campos de hielo , corrientes de hielo y 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 3000 y 4700 km³ . [ 42 ] Estos glaciares son apodados "torres de agua asiáticas" porque el agua de deshielo alimenta ríos que proporcionan agua a aproximadamente dos mil millones de personas. [ 43 ]    

El permafrost es suelo o sedimento subacuático que permanece continuamente por debajo de 0 °C (32 °F) durante dos años o más. [ 59 ] El hielo dentro del permafrost se divide en cuatro categorías: hielo poroso, hielo veteado (también conocido como cuñas de hielo), hielo superficial enterrado e hielo intrasedimentario (proveniente de la congelación de aguas subterráneas). [ 60 ] Un ejemplo de formación de hielo en áreas de permafrost es el aufeis : hielo estratificado que se forma en los valles de los arroyos árticos y subárticos. El hielo, congelado en el lecho del arroyo, bloquea la descarga normal de agua subterránea y provoca que el nivel freático local ascienda, lo que resulta en la descarga de agua sobre la capa congelada. Esta agua luego se congela, lo que provoca que el nivel freático ascienda aún más y repita el ciclo. El resultado es un depósito de hielo estratificado, a menudo de varios metros de espesor. [ 61 ] La línea de nieve y los campos de nieve son dos conceptos relacionados, ya que los campos de nieve se acumulan sobre un depósito de hielo y se erosionan hasta el punto de equilibrio (la línea de nieve). [ 62 ]  

En ríos y arroyos

Un pequeño riachuelo congelado

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 rotos, son el mayor peligro del hielo en los ríos. Los atascos de hielo pueden causar inundaciones, dañar estructuras en el río o cerca de él, y dañar embarcaciones en el río. Los atascos de hielo pueden provocar el cierre total de algunas instalaciones industriales hidroeléctricas . Una presa de hielo es un bloqueo que impide el movimiento de un glaciar y que puede producir un lago proglacial . Los fuertes flujos de hielo en los ríos también pueden dañar embarcaciones y requieren el uso de un rompehielos para mantener la navegación. [ 63 ] [ 64 ]

Los discos de hielo son formaciones circulares de hielo que flotan en el agua de los ríos. Se forman dentro de las corrientes de remolino , y su posición produce una fusión asimétrica, lo que hace que giren continuamente a baja velocidad. [ 65 ] [ 66 ]

En los lagos

Hielo de vela en el lago Otelnuk, Quebec, Canadá

El hielo se forma en aguas tranquilas desde las orillas, una capa delgada que se extiende por la superficie y luego hacia abajo. El hielo en los lagos generalmente es de cuatro tipos: primario, secundario, superpuesto y aglomerado. [ 67 ] [ 68 ] 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 y que a menudo se asienta cuando está cargado de 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, desplazando a menudo los sedimentos que forman la línea de costa. [ 69 ]

El hielo de plataforma se forma cuando trozos de hielo flotantes, arrastrados por el viento, se acumulan en la orilla de barlovento. Este tipo de hielo puede contener grandes bolsas de aire bajo una fina capa superficial, lo que lo hace particularmente peligroso para caminar. [ 70 ] 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. Debido a que carece de una estructura horizontal firme, una persona que cae no tiene nada a lo que agarrarse para salir. [ 71 ]

A medida que se precipita

Nieve y lluvia helada

Copos de nieve, de Wilson Bentley , 1902

Los cristales de nieve se forman cuando diminutas gotitas de nubes superenfriadas (de aproximadamente 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 deben unirse por casualidad para formar una disposición similar a la de una red de hielo; entonces la gotita se congela alrededor de este "núcleo". Los experimentos muestran que esta nucleación "homogénea" de gotitas de nubes solo ocurre a temperaturas inferiores a −35 °C (238 K; −31 °F) . [ 72 ] En nubes más cálidas, una partícula de aerosol o "núcleo de hielo" debe estar presente en (o en contacto con) la gotita para actuar como núcleo. Nuestro conocimiento sobre qué partículas hacen núcleos de hielo eficientes es limitado ; lo que sí sabemos es que son muy raros en comparación con los núcleos de condensación de nubes sobre los que se forman las gotitas líquidas. Las arcillas, el polvo del desierto y las partículas biológicas pueden ser eficaces, [ 73 ] aunque no está claro hasta qué punto. Los núcleos artificiales se utilizan en la siembra de nubes . [ 74 ] La gota crece entonces por condensación de vapor de agua sobre las superficies de hielo. [ 75 ]        

Una tormenta de hielo es un tipo de tormenta invernal caracterizada por lluvia helada , que produce una capa de hielo en las superficies, incluyendo carreteras y líneas eléctricas . En Estados Unidos, una cuarta parte de los fenómenos meteorológicos invernales producen hielo, y las empresas de servicios públicos deben estar preparadas para minimizar los daños. [ 76 ]

Formatos duros

Un granizo grande, de unos 6 cm (2,4 pulgadas) de diámetro.  

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 suciedad . La corriente ascendente de la tormenta empuja los granizos hacia la parte superior de la nube. La corriente ascendente se disipa y los granizos caen, de vuelta a la corriente ascendente, y son elevados de nuevo. El granizo tiene un diámetro de 5 milímetros (0,20 pulg.) o más. [ 77 ] Dentro del código METAR , GR se usa para indicar granizo más grande, de un diámetro de al menos 6,4 milímetros (0,25 pulg.) y GS para más pequeño. [ 78 ] Piedras de 19 milímetros (0,75 pulg.) , 25 milímetros (1,0 pulg.) y 44 milímetros (1,75 pulg.) son los tamaños de granizo que se reportan con mayor frecuencia en América del Norte. [ 79 ] Los granizos pueden crecer hasta 15 centímetros (6 pulgadas) y pesar más de 0,5 kilogramos (1,1 libras) . [ 80 ] En los granizos grandes, el calor latente liberado por la congelación adicional puede derretir la capa exterior del granizo. El granizo entonces puede experimentar un "crecimiento húmedo", donde la capa exterior líquida recoge otros granizos más pequeños. [ 81 ] El granizo gana una capa de hielo y crece cada vez más con cada ascenso. Una vez que un granizo se vuelve demasiado pesado para ser sostenido por la corriente ascendente de la tormenta, cae de la nube. [ 82 ]       

Granizo blando, o graupel, en Nevada

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 de 0 °C (32 °F) . [ 77 ] Las nubes que producen granizo a menudo se identifican por su coloración verde. [ 83 ] [ 84 ] La tasa de crecimiento es máxima alrededor de −13 °C (9 °F) y se vuelve insignificante muy por debajo de −30 °C (−22 °F) a medida que las gotas de agua subenfriada se vuelven raras. Por esta razón, el granizo es más común en los interiores continentales de 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 (3400 m) . [ 85 ] La incorporación de aire seco a las fuertes tormentas eléctricas sobre los continentes puede aumentar la frecuencia del granizo al promover el enfriamiento por evaporación, lo que reduce el nivel de congelación de las nubes de tormenta, dando 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 en una profundidad mucho mayor. El granizo en los trópicos ocurre principalmente en elevaciones más altas. [ 86 ]       

Una acumulación de granizo

Los gránulos de hielo ( código METAR PL [ 78 ] ) son una forma de precipitación que consiste en pequeñas bolas de hielo translúcidas , que suelen ser más pequeñas que el granizo. [ 87 ] Esta forma de precipitación también es conocida como "aguanieve" por el Servicio Meteorológico Nacional de los Estados Unidos . [ 88 ] (En inglés británico, "aguanieve" se refiere a una mezcla de lluvia y nieve ). Los gránulos de hielo se forman típicamente junto con la lluvia helada, cuando un frente cálido húmedo termina entre capas atmosféricas más frías y más secas. Allí, las gotas de lluvia se congelarían y se reducirían de tamaño debido al enfriamiento por evaporación. [ 89 ] Los llamados gránulos de nieve, o granizo , se forman cuando múltiples gotas de agua se congelan sobre copos de nieve hasta que se forma una forma suave similar a una bola. [ 90 ] El llamado " polvo de diamante " (código METAR IC [ 78 ] ), también conocido como agujas de hielo o cristales de hielo, se forma a temperaturas cercanas a −40 °C (−40 °F) debido a la mezcla de aire con una humedad ligeramente mayor proveniente de las capas superiores con aire más frío de la superficie. [ 91 ]  

En superficies

Cuando el agua gotea y se vuelve a congelar, puede formar carámbanos colgantes o estructuras similares a estalagmitas en el suelo. [ 92 ] En los tejados inclinados, la acumulación de hielo puede producir una represa de hielo , que impide que el agua de deshielo drene correctamente y puede provocar fugas dañinas. [ 93 ] De manera más general, el vapor de agua que se deposita en las superficies debido a la alta humedad relativa y luego se congela da como resultado diversas formas de hielo atmosférico o escarcha . Dentro de los edificios, esto se puede ver como hielo en la superficie de las ventanas sin aislamiento. [ 94 ] La escarcha es común en el medio ambiente, particularmente en las zonas bajas como los valles . [ 95 ] 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 adhiere cuando el viento la arrastra formando bolas similares a la maleza rodante conocidas como yukimarimo . [ 96 ]

A veces, las gotas de agua cristalizan en objetos fríos formando escarcha en lugar de vidriado. La escarcha blanda tiene una densidad entre un cuarto y dos tercios de la del hielo puro, [ 97 ] debido a una alta proporción de aire atrapado, lo 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 aeronaves. [ 98 ] [ 99 ] El viento frío específicamente causa lo que se conoce como escarcha por advección cuando choca con objetos. Cuando ocurre en plantas, a menudo les causa daños. [ 100 ] Existen varios métodos para proteger los cultivos agrícolas de las heladas, desde simplemente cubrirlos hasta usar máquinas de viento. [ 101 ] [ 102 ] En las últimas décadas, los aspersores de riego se han calibrado para rociar la cantidad justa de agua para crear de forma preventiva una capa de hielo que se formaría lentamente y así evitaría un choque térmico repentino en la planta, y no sería tan gruesa como para causar daños por su peso. [ 101 ]

Ablación

Diferentes etapas del deshielo en un estanque
El derretimiento del hielo flotante

La ablación del hielo se refiere tanto a su fusión como a su disolución . [ 103 ]

La fusión del hielo implica la ruptura de los enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. El ordenamiento de las moléculas en el sólido se descompone, pasando a un estado menos ordenado, y el sólido se funde para convertirse en líquido. Esto se logra aumentando la energía interna del hielo por encima de su punto de fusión . Al fundirse, el hielo absorbe tanta energía como la necesaria para calentar una cantidad equivalente de agua a 80  °C. Durante la fusión, la temperatura de la superficie del hielo permanece constante a 0  °C. La velocidad del proceso de fusión depende de la eficiencia del intercambio de energía. Una superficie de hielo en agua dulce se derrite únicamente por convección natural 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 ∞ . [ 104 ]    

En condiciones ambientales salinas, la disolución, en lugar de la fusión, suele provocar la ablación del hielo. Por ejemplo, la temperatura del océano Ártico generalmente se encuentra por debajo del punto de fusión del hielo marino en proceso de ablación. La transición de fase de sólido a líquido se produce mediante la mezcla de moléculas de sal y agua, de forma similar a la disolución del azúcar en agua, aunque la temperatura del agua esté muy por debajo del 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. [ 105 ]

Papel en las actividades humanas

Enfriamiento

Esquema que muestra cómo los antiguos yakhchals utilizaban el hielo para proporcionar refrigeración radiactiva.

El hielo se ha valorado desde hace mucho tiempo como medio de refrigeración. En el Irán del 400 a. C., los ingenieros persas ya habían desarrollado técnicas para almacenar hielo en el desierto durante los meses de verano. Durante el invierno, se transportaba hielo en grandes cantidades desde los estanques de recolección y las montañas cercanas para almacenarlo en refrigeradores especialmente diseñados y refrigerados naturalmente , llamados yakhchal (que significa almacén de hielo ). Los yakhchal eran grandes espacios subterráneos (de hasta 5000  m³ ) con paredes gruesas (de al menos dos metros en la base) hechas de un tipo específico de mortero llamado sarooj , compuesto de arena, arcilla, clara 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 que no se derritiera; además, era impenetrable al agua. Los yakhchal a menudo incluían un qanat y un sistema de captadores de viento que podían reducir las temperaturas internas a niveles gélidos, incluso durante el calor del verano. Uno de los usos del hielo era la elaboración de dulces fríos para la realeza. [ 106 ] [ 107 ]

Cosecha

En la Inglaterra de los siglos XVI y XVII florecieron industrias en las que las zonas bajas a lo largo del estuario del Támesis se inundaban durante el invierno, y el hielo se recolectaba en carros y se almacenaba entre temporadas en casas de madera aisladas como provisión para una nevera, a menudo ubicada en grandes casas de campo, y se utilizaba ampliamente para conservar el pescado fresco capturado en aguas lejanas. Se dice que un inglés que había visto la misma actividad en China la copió. Ya en 1823, se importaba hielo a Inglaterra desde Noruega a gran escala. [ 108 ]

En Estados Unidos, el primer cargamento de hielo se envió desde la ciudad de Nueva York a Charleston, Carolina del Sur , en 1799, [ 108 ] y para la primera mitad del siglo XIX, la recolección de hielo se había convertido en un gran negocio. Frederic Tudor , conocido como el "Rey del Hielo", trabajó en el desarrollo de mejores productos aislantes para el transporte de hielo a larga distancia, especialmente a los trópicos; esto se conoció como el comercio del hielo. [ 109 ]

Cosecha de hielo en el lago St. Clair en Michigan , c. 1905

Trieste enviaba hielo a Egipto , Corfú y Zante ; Suiza, a Francia; y Alemania a veces recibía hielo de los lagos bávaros . [ 108 ] Desde la década de 1930 hasta 1994, el edificio del Parlamento húngaro utilizó hielo extraído en invierno del lago Balatón para el aire acondicionado. [ 110 ]

Las neveras de hielo se utilizaban para almacenar el hielo formado en invierno, para así disponer de él durante todo el año, y un tipo primitivo de refrigerador conocido como nevera de hielo se enfriaba mediante un bloque de hielo colocado en su interior. Muchas ciudades contaban con un servicio regular de reparto de hielo durante el verano. La llegada de la tecnología de refrigeración artificial hizo que el reparto de hielo quedara obsoleto. [ 111 ]

Todavía se recolecta hielo para eventos de esculturas de hielo y nieve . Por ejemplo, se utiliza una sierra oscilante para obtener hielo para el Festival Internacional de Esculturas de Hielo y Nieve de Harbin cada año de la superficie congelada del río Songhua . [ 112 ]

Producción artificial

Plano de una fábrica de hielo de finales del siglo XIX.

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, del que no se sabe nada. [ 113 ]

El hielo ahora se produce a escala industrial para usos que incluyen el almacenamiento y procesamiento de alimentos, la fabricación de productos químicos, la mezcla y curado de concreto, y el hielo de consumo o envasado. [ 114 ] La mayoría de las fábricas de hielo comerciales producen tres tipos básicos de hielo fragmentado: en escamas, tubular y en placas, utilizando una variedad de técnicas. [ 114 ] Las fábricas de hielo de gran capacidad pueden producir hasta 75 toneladas de hielo por día. [ 115 ] En 2002, había 426 empresas de fabricación de hielo comerciales en los Estados Unidos, con un valor combinado de envíos de $595,487,000. [ 116 ] Los refrigeradores domésticos también pueden hacer hielo con una fábrica de hielo incorporada , que generalmente produce cubitos de hielo o hielo picado. El primer dispositivo de este tipo fue presentado en 1965 por Frigidaire . [ 117 ]

Viajes por tierra

Formación de hielo en la parte exterior del parabrisas del vehículo.

La formación de hielo en las carreteras es un peligro común en invierno, y el hielo negro es particularmente peligroso porque es muy difícil de ver. Es muy transparente y a menudo se forma específicamente en áreas sombreadas (y por lo tanto más frías y oscuras), es decir, debajo de los pasos elevados . [ 118 ]

Cuando hay lluvia helada o nieve 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, en efecto, "pega" la nieve a la ventana. En este caso, la masa congelada se suele eliminar con rascadores de hielo . [ 119 ] También puede formarse una fina capa de cristales de hielo en la superficie interior de las ventanas del coche durante el clima suficientemente frío. En las décadas de 1970 y 1980, algunos vehículos, como el Ford Thunderbird, podían equiparse con parabrisas calefactables. Esta tecnología cayó en desuso por ser demasiado cara y propensa a dañarse, pero los desempañadores de la luneta trasera son más económicos de mantener y, por lo tanto, están más extendidos. [ 120 ]

Película de propaganda estadounidense de 1943 que explica cómo el hielo del lago Ladoga se convirtió en el Camino de la Vida durante la Segunda Guerra Mundial.

En lugares suficientemente fríos, las capas de hielo en las superficies de agua pueden alcanzar un espesor suficiente para la construcción de carreteras de hielo . Algunas normativas especifican que el espesor mínimo seguro es de 10 cm (4 pulgadas) para una persona, 18 cm (7 pulgadas) para una moto de nieve y 38 cm (15 pulgadas) para un automóvil de menos de 5 toneladas. Para los camiones , el espesor efectivo varía según la carga; por ejemplo, un vehículo con un peso total de 9 toneladas requiere un espesor de 51 cm (20 pulgadas) . Cabe destacar que el límite de velocidad para un vehículo que circula por una carretera que cumple con su espesor mínimo seguro es de 25 km/h (16 mph) , llegando a 35 km/h (22 mph) si el espesor de la carretera es dos o más veces mayor que el valor mínimo seguro. [ 121 ] Existe un caso conocido en el que se construyó un ferrocarril sobre hielo. [ 122 ]            

El Camino de la Vida a través del lago Ladoga estuvo operativo durante los inviernos de 1941-1942 y 1942-1943, cuando era la única ruta terrestre disponible para la Unión Soviética para aliviar el asedio de Leningrado por parte del Grupo de Ejércitos Norte alemán . [ 123 ] : 76-80 Los camiones transportaron cientos de miles de toneladas de suministros a la ciudad y cientos de miles de civiles fueron evacuados. [ 124 ] Ahora es Patrimonio de la Humanidad . [ 125 ]

viajes por vía fluvial

Canal a través del hielo para el tráfico marítimo en el lago Hurón con rompehielos al fondo.

Para los barcos, el hielo presenta dos peligros distintos. En primer lugar, las salpicaduras y la lluvia helada pueden producir una acumulación de hielo en la superestructura de un buque suficiente como para hacerlo inestable, potencialmente hasta el punto de zozobrar . [ 126 ] Anteriormente, los miembros de la tripulación se veían obligados regularmente a cortar manualmente la acumulación de hielo. Después de la década de 1980, se hizo más común rociar productos químicos descongelantes o derretir el hielo mediante mangueras de agua caliente/vapor. [ 127 ] En segundo lugar, los icebergs  —grandes masas de hielo que flotan en el agua (generalmente creadas cuando los glaciares llegan al mar)  — pueden ser peligrosos si un barco choca contra ellos en navegación. Los icebergs han sido responsables del hundimiento de muchos barcos, en particular el RMS Titanic . [ 128 ]

Para los puertos cercanos a los polos , estar libres de hielo, idealmente durante todo el año, es una ventaja importante. Ejemplos de ello son Murmansk (Rusia), Petsamo (Rusia, antiguamente Finlandia) y Vardø (Noruega). Los puertos que no están libres de hielo se abren utilizando buques especializados, llamados rompehielos. [ 129 ] 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 " canales ". La producción generalizada de rompehielos comenzó durante el siglo XIX. Los primeros diseños simplemente tenían proas reforzadas en forma de cuchara o diagonal para triturar el hielo de manera efectiva. Los diseños posteriores añadieron una hélice delantera debajo de la proa sobresaliente, ya que las típicas hélices traseras eran incapaces de dirigir el barco eficazmente a través del hielo. [ 129 ]

Viajes en avión

Hielo escarchado en el borde de ataque del ala de un avión. Cuando la acumulación es demasiado grande, la bota antihielo negra se infla para sacudirla. [ 130 ] [ 131 ]

Para las aeronaves, el hielo puede causar diversos peligros. A medida que una aeronave asciende, atraviesa capas de aire con diferentes temperaturas y humedades, algunas de las cuales pueden propiciar la formación de hielo. Si se forma hielo en las alas o en las superficies de control, esto puede afectar negativamente las cualidades de vuelo de la aeronave. 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 estas condiciones de engelamiento  : Brown abandonó la cabina y se subió al ala varias veces para retirar el hielo que cubría las tomas de aire del motor del avión Vickers Vimy en el que volaban. [ 132 ]

Una vulnerabilidad causada por la formación de hielo en los motores de combustión interna alternativos es el carburador . Al aspirarse el aire a través del carburador hacia el motor, la presión atmosférica local disminuye, lo que provoca un enfriamiento adiabático . Por lo tanto, en condiciones húmedas cercanas al punto de congelación, el carburador se enfriará y tenderá a congelarse. Esto bloqueará el suministro de aire al motor y provocará su avería. Entre 1969 y 1975, se registraron 468 casos de este tipo, que causaron la pérdida de 75 aeronaves, 44 fallecimientos y 202 lesiones graves. [ 133 ] Por consiguiente, se desarrollaron calentadores de admisión de aire para el carburador . Además, los motores alternativos con inyección de combustible no requieren carburadores. [ 134 ]

Los motores a reacción no sufren de formación de hielo en el carburador, pero pueden verse afectados por la humedad inherente al combustible para aviones, que se congela y forma cristales de hielo, los cuales pueden obstruir la entrada de combustible al motor. Para solucionar este problema se utilizan calentadores de combustible y/o aditivos anticongelantes. [ 135 ]

Recreación y deportes

Diversión sobre hielo, obra del pintor holandés del siglo XVII Hendrick Avercamp.

El hielo desempeña un papel fundamental en la recreación invernal y en muchos deportes como el patinaje sobre hielo , el patinaje de travesía , el hockey sobre hielo , el bandy , la pesca en 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 practican sobre hielo reciben atención internacional cada cuatro años durante los Juegos Olímpicos de Invierno . [ 136 ]

Pequeñas embarcaciones con forma de bote pueden montarse sobre cuchillas y ser impulsadas sobre el hielo mediante velas . Este deporte se conoce como navegación sobre hielo y se ha practicado durante siglos. [ 137 ] [ 138 ] Otro deporte vehicular es la carrera sobre hielo , donde los conductores deben alcanzar altas velocidades sobre el hielo del lago, mientras controlan el derrape de su vehículo (similar en algunos aspectos a las carreras en pistas de tierra ). El deporte incluso se ha adaptado para pistas de hielo . [ 139 ]

Otros usos

Esculpir una escultura de hielo

Como lastre térmico

Como material estructural

Muelle de hielo durante las operaciones de carga de 1983. Estación McMurdo , Antártida.
  • Los ingenieros aprovecharon la considerable resistencia del hielo marino cuando construyeron el primer muelle flotante de hielo de la Antártida en 1973. [ 143 ] Estos muelles se utilizan durante las operaciones de carga para cargar y descargar barcos. El personal de operaciones de la flota construye el muelle flotante durante el invierno. Lo construyen sobre el agua de mar congelada de forma natural en el estrecho de McMurdo hasta que el muelle alcanza una profundidad de unos 6,7 metros (22 pies ) . Los muelles de hielo son estructuras inherentemente temporales, aunque algunos pueden durar hasta 10 años. Una vez que un muelle deja de ser utilizable, se remolca mar adentro con un rompehielos. [ 144 ] 
Un comedor de hielo del hotel de hielo SnowCastle of Kemi en Finlandia.
  • Las estructuras y esculturas de hielo se construyen con grandes bloques de hielo o rociándolas con agua [ 122 ]. Estas estructuras son principalmente ornamentales (como en el caso de los castillos de hielo ) y no prácticas para la vivienda a largo plazo. Existen hoteles de hielo de carácter estacional en algunas zonas frías [ 145 ] . Los iglús son otro ejemplo de estructura temporal, construida principalmente con nieve [ 146 ] .
  • Los ingenieros también pueden usar hielo para destruir. En la minería , perforar agujeros en estructuras rocosas y luego verter agua durante el clima frío es una alternativa aceptada al uso de dinamita , ya que la roca se agrieta cuando el agua se expande como hielo. [ 9 ]
  • Durante la Segunda Guerra Mundial, el Proyecto Habbakuk fue un programa aliado que investigó el uso de pykrete (fibras de madera mezcladas con hielo) como posible material para buques de guerra, especialmente portaaviones, debido a la facilidad con la que se podía construir con hielo un buque inmune a los torpedos y con una gran cubierta. Se construyó un prototipo a pequeña escala, [ 147 ] pero pronto se descubrió que el proyecto costaría mucho más que un portaaviones convencional, además de ser mucho más lento y vulnerable al derretimiento. [ 148 ]
  • El hielo incluso se ha utilizado como material para una variedad de instrumentos musicales, por ejemplo por el percusionista Terje Isungset . [ 149 ]

Impactos del cambio climático

Histórico

La Tierra perdió 28 billones de toneladas de hielo entre 1994 y 2017, y el derretimiento del hielo terrestre (capas de hielo y glaciares) elevó el nivel del mar global en 34,6 ±3,1 mm. [ 150 ] La tasa de pérdida de hielo ha aumentado un 57 % desde la década de 1990, de 0,8 a 1,2 billones de toneladas por año. [ 150 ]
En promedio, el cambio climático ha disminuido el espesor del hielo terrestre cada año y ha reducido la extensión de la capa de hielo marino. [ 150 ]

Las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de las actividades humanas desequilibran el balance energético de la Tierra y, por lo tanto, provocan una acumulación de calor . [ 151 ] Aproximadamente el 90 % de ese calor se suma al contenido térmico del océano , el 1 % se retiene en la atmósfera y entre el 3 % y el 4 % se destina a derretir gran parte de la criosfera. [ 151 ] Entre 1994 y 2017, se perdieron 28 billones de toneladas de hielo en todo el mundo como resultado. [ 150 ] La disminución del hielo marino del Ártico representó la mayor pérdida individual (7,6 billones de toneladas), seguida del 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 de hielo marino en el Océano Austral (0,9 billones de toneladas). [ 150 ]

Aparte del hielo marino (que ya desplaza agua debido al principio de Arquímedes ), estas pérdidas son una causa importante del aumento del nivel del mar (ANM) y se espera que se intensifiquen en el futuro. En particular, el derretimiento de la capa de hielo de la Antártida Occidental podría acelerarse sustancialmente a medida que se pierden las plataformas de hielo flotantes y estas dejan de sostener los glaciares. Esto desencadenaría procesos de inestabilidad de la capa de hielo marina poco comprendidos , que podrían aumentar el ANM previsto para finales de siglo (entre 30 cm (1 pie) y 1 m (3 + 1/2 pies ) , dependiendo del calentamiento futuro ) en decenas de centímetros más . [ 152 ] : 1302    

La pérdida de hielo en Groenlandia y la Antártida también produce grandes cantidades de agua dulce de deshielo , lo que altera la circulación de vuelco meridional del Atlántico (AMOC) y la circulación de vuelco del Océano Austral , respectivamente. [ 153 ] Estas dos mitades de la circulación termohalina son muy importantes para el clima global. La continuación de altos flujos de agua de deshielo puede causar una grave alteración (hasta el punto de un "colapso") de cualquiera de las circulaciones, o incluso de ambas. Cualquiera de estos eventos se consideraría un ejemplo de punto de inflexión en el sistema climático , porque sería extremadamente difícil revertirlo. [ 153 ] En general, no se espera que la AMOC colapse durante el siglo XXI, mientras que el conocimiento sobre la circulación del Océano Austral es limitado. [ 152 ] : 1214

Otro ejemplo de punto de inflexión relacionado con el hielo es el deshielo del permafrost. Si bien el contenido orgánico del permafrost provoca emisiones de CO₂ y metano una vez que se descongela y comienza a descomponerse, [ 153 ] el derretimiento del hielo licúa el suelo, causando el colapso de cualquier construcción sobre el antiguo permafrost. Para 2050, se espera que los daños económicos derivados de la pérdida de dicha infraestructura asciendan a decenas de miles de millones de dólares. [ 154 ]

Predicciones

Calentamiento regional potencial causado por la pérdida de todo el hielo terrestre fuera de la Antártida Oriental y por la desaparición del hielo marino del Ártico cada año a partir de junio. [ 155 ] Si bien es plausible, la pérdida constante de hielo marino probablemente requeriría un calentamiento relativamente alto, [ 156 ] y la pérdida de todo el hielo en Groenlandia requeriría varios milenios. [ 157 ] [ 158 ]

En el futuro, es probable que el océano Ártico pierda prácticamente todo su hielo marino durante al menos algunos septiembres (el final de la temporada de deshielo), aunque parte del hielo se volvería a congelar durante el invierno. Es decir, es probable que un septiembre sin hielo ocurra una vez cada 40 años si el calentamiento global es de 1,5 °C (2,7 °F) , pero ocurriría una vez cada 8 años a 2 °C (3,6 °F) y una vez cada 1,5 años a 3 °C (5,4 °F) . [ 156 ] Esto afectaría al clima regional y global debido a la retroalimentación hielo-albedo . Dado que el hielo refleja en gran medida la energía solar, la persistencia de la capa de hielo marino 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. [ 159 ]      

Las pérdidas globales de hielo marino entre 1992 y 2018, casi todas en el Ártico, ya han tenido el mismo impacto que el 10 % de las emisiones de gases de efecto invernadero durante el mismo período. [ 160 ] 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 en más de 1,5 °C (2,7 °F) , mientras que las temperaturas globales aumentarían en alrededor de 0,19 °C (0,34 °F) . [ 155 ]    

Posibles estados de equilibrio de la capa de hielo de Groenlandia en respuesta a diferentes concentraciones de dióxido de carbono en equilibrio en partes por millón . El segundo y tercer estado darían como resultado un aumento del nivel del mar de 1,8 m (6 pies) y 2,4 m (8 pies) , mientras que el cuarto estado equivale a 6,9 m (23 pies) . [ 161 ]      

Para el año 2100, al menos una cuarta parte de los glaciares de montaña fuera de Groenlandia y la Antártida se derretirían, [ 162 ] y es probable que prácticamente todos los casquetes polares se pierdan alrededor de 200 años después de que el calentamiento global alcance los 2 °C (3,6 °F) . [ 157 ] [ 158 ] La capa de hielo de la Antártida Occidental es altamente vulnerable y probablemente desaparecerá incluso si el calentamiento no avanza más, [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ] [ 166 ] aunque podría tomar alrededor de 2000 años antes de que su pérdida sea completa. [ 157 ] [ 158 ] 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) , [ 167 ] aunque su pérdida total requiere alrededor de 10 000 años. [ 157 ] [ 158 ] Finalmente, 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) . [ 157 ] [ 158 ]          

Si todo el hielo de la Tierra se derritiera, resultaría en un aumento del nivel del mar de aproximadamente 70 m (229 pies 8 pulgadas) , [ 168 ] con unos 53,3 m (174 pies 10 pulgadas) provenientes de la Antártida Oriental. [ 58 ] 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 (1620 pies 9 pulgadas) en la Antártida, en promedio. Las áreas en el centro de cada masa terrestre se volverían hasta 783 m (2568 pies 11 pulgadas) y 936 m (3070 pies 10 pulgadas) más altas, respectivamente. [ 169 ] 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, [ 155 ] mientras que la falta de la capa de hielo de la Antártida Oriental aumentaría las temperaturas en 0,6 °C (1,1 °F) . [ 157 ] [ 158 ]                          

Sin agua

Las fases sólidas de varias otras sustancias volátiles también se denominan hielos ; generalmente, 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) (suponiendo 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) . [ 170 ]      

También se observa 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 restricciones energéticas similares a las reglas de Bernal-Fowler , derivadas de la frustración geométrica de la configuración de los protones en el hielo de agua. Estos materiales se denominan hielo de espín . [ 171 ]

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

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  • Hogge, Fred. De hielo y hombres: Cómo hemos utilizado el frío para transformar la humanidad (Pegasus Books, 2022)
  • Leonard, Max. Una ola de frío: Una historia humana del hielo (Bloomsbury, 2023). Reseña en línea de este libro.
  • Listado de Webmineral para Hielo
  • Listado y datos de ubicación de MinDat.org para Ice
  • Estimación de la capacidad portante del hielo
  • Hielo de alta temperatura y alta presión
  • La sorprendentemente fascinante historia del hielo.