Морская вода в отличие от пресной не имеет определенной точки замерзания: температура, при которой начинают образовываться кристаллы льда, зависит от солености. При средней для океана солености 35‰ температура замерзания равна минус 1,9 °C. Когда начинается ледообразование, большая часть соли остается в воде, что понижает температуру замерзания.

Ледообразование начинается с того, что в воде образуются кристаллы льда; возникает кашеобразная смесь воды и льда. Такое «ледяное сало» уменьшает высоту волн. Когда эта смесь смерзается, образуется тонкий, пластичный слой льда, изгибающийся под действием волнения.

Когда снег падает на воду, температура которой близка к точке замерзания, он плавает на поверхности, сбиваясь в гряды толщиной 2 м и более. Когда температура воды опускается до точки замерзания, снег и вода быстро смерзаются, образуя гибкий лед.

Если в воде отсутствуют ядра конденсации, то даже при температуре воды ниже точки замерзания лед не будет образовываться. В таких случаях ядрами конденсации могут стать донные осадки, и тогда ледообразование начнется не на поверхности, а у дна. Такой лед называется донным.

Если бы плотность воды при замерзании увеличивалась, как у большинства других веществ, то образующийся на поверхности лед тонул бы. Однако вода обладает тем свойством, что при охлаждении до некоторой температуры (4 °C для пресной воды), близкой к точке замерзания, плотность ее вначале увеличивается, но при дальнейшем охлаждении вода начинает расширяться и при температуре замерзания занимает объем на 9% больший, чем при температуре 4 °C.

Увеличение плотности воды при охлаждении объясняется тем, что молекулы воды замедляют свое движение, но это справедливо лишь до температуры 4 °C, при которой вода имеет наибольшую плотность. В диапазоне температур от 4 до 0 °C в молекуле воды происходит перестройка водородно-кисло-родных связей и возникает иная молекулярная структура. Новый вид межмолекулярной связи образует менее плотную упаковку молекул, так что объем воды увеличивается на 9%. Такой перестройкой молекулярной структуры и объясняется расширение воды при замерзании.

Если бы лед тонул, то все водоемы на Земле оказались бы заполненными им от поверхности до дна. Солнце не могло бы растопить эту массу льда, защищенную от его лучей, а вытаивал бы лишь тонкий поверхностный слой. На Земле царил бы вечный ледниковый период и планета наша была бы необитаемой.

Все дело в большой величине удельной теплоты плавления льда. Для того чтобы поднять на 1 °C температуру 1 г воды, ей надо сообщить 1 кал тепла. Для того же, чтобы получить из 1 г льда при 0 °C воду той же температуры, потребуется 80 кал.

Морской лед состоит из кристаллов пресноводного льда, между которыми заключено небольшое количество рассола. Соленость молодого льда составляет от 2 до 10‰. Когда ледообразование идет быстро, в промежутки между кристаллами попадает больше соли и рассол становится более концентрированным.

Захваченный морским льдом рассол тяжелее самого льда, поэтому он постепенно просачивается вниз. Когда возраст льда достигает года, талая вода из него уже пригодна для питья. В прошлом веке такую талую воду иногда использовали для пополнения судовых запасов воды.

Белое или желтоватое сияние на небе, вызванное отражением льда на нижней границе низкой облачности, называют «ледяным небом». Оно часто служит первым признаком того, что впереди находится лед.

Любой достаточно большой участок ледяного покрова, не прикрепленный к берегу, называется паковым льдом[31]. При разломе пакового льда образуются ледяные поля. Доступные для судов проходы между паковыми льдами называются разводьями.

В американском секторе Арктики лед движется против часовой стрелки; образовавшийся здесь лед редко покидает этот район, многократно описывая замкнутую циркуляцию. Паковый лед, образующийся у северных берегов Сибири, дрейфует на восток через весь Арктический бассейн и выходит в Северную Атлантику между Шпицбергеном и Гренландией. По расчетам советских специалистов, возраст льдов в евразийском секторе Арктики колеблется от 2 до 9 лет. Летом, когда ледяной покров тает с поверхности, его толщина уменьшается на 0,5–1 м. Когда температура воздуха становится отрицательной, на ледяные поля снизу намерзает новый лед. У кромки пака, вблизи побережья, старых льдов не бывает: здесь лед обычно полностью тает каждое лето. Паковый лед в американском секторе Арктики считается гораздо более старым, чем лед евразийского сектора: даже возраст в 10 лет здесь не в диковинку.

Толщина льдов в любом районе Арктики изменяется от года к году в зависимости от суровости зимы. Исследовательская арктическая лаборатория Инженерного корпуса армии США в г. Ганновер, штат Нью-Гемпшир, совместно с канадским министерством транспорта проводит наблюдения и собирает сведения о льдах в американском секторе Арктики. По данным 35 арктических станций, максимальная толщина льда, нарастающего за зиму, составляет около 3 м. Впрочем, лед может оказаться гораздо толще за счет торошения, происходящего под действием ветра и течений. Многолетний лед также имеет большую толщину. В советском секторе Арктики максимальная толщина льда примерно такая же.

Можно было бы ожидать, что толщина ледяного покрова увеличивается с широтой, но это не всегда так. Например, в пункте Порт-Гаррисон (Канада) 4 июня 1965 г. была отмечена максимальная толщина льда — 270 см, больше чем на любой другой из 35 канадских и американских арктических станций. Порт-Гаррисон находится на восточном побережье Гудзонова залива на 58° с. ш. и 78° з. д. В следующем году самый толстый лед в американском секторе Арктики был зафиксирован в Эврике (Северо-Западная территория): 18 июня 1966 г. толщина льда достигала здесь 255 см. Между тем Эврика расположена в точке с координатами 80° с. ш. и 86° з. д., то есть гораздо севернее Порт-Гаррисона. В 1966 г. на ст. Порт-Гаррисон была отмечена толщина льда всего 209 см.

Танкер «Манхеттен» вышел в конце лета 1969 г. и прибыл в залив Прюдхо-бей на Аляске 17 сентября. В это время ледяной покров в Арктике минимален, лишь в некоторых районах на открытой воде начинает образовываться тонкий слой молодого льда. Во время рейса наблюдались два типа льда: однолетний (молодой) лед толщиной до 1,8 м и поля многолетнего (старого) льда толщиной 3 м с небольшим.

По данным испытаний, проведенных Исследовательской арктической лабораторией Инженерного корпуса армии США в Ганновере, пресноводный лед толщиной 60 см, целость которого не нарушена, может выдержать платформу весом 18 т, а лед толщиной 90 см выдерживает 36-тонную платформу со спаренными колесами.