Почему мы любим зиму? Потому что зимой можно кататься на лыжах, коньках и санках. Потому что зимой настают самые волшебные новогодние и рождественские дни. Потому что долгими зимними вечерами, закутавшись в плед, можно всей семьей смотреть любимые фильмы и читать интересные книги. Потому что на морозе так приятно пить горячий чай с медом.
А еще потому, что зимой удивительно, сказочно, невероятно красиво. Покрытые белым покрывалом пространства, деревья в пушистых шапках, искрящийся иней на скамейке, узоры не оконном стекле. То, что все это волшебство создано силами природы из воды, известно всем. Однако в зимних явлениях есть много удивительных фактов. Об этом в журнале «Наука и жизнь» рассказывает кандидат химических наук М.Абаев.
Сосульки
Конечно, в том, как образуются сосульки, нет никаких тайн. Необходимы только два условия — низкая температура воздуха и источник жидкой воды, например, подтаивающий на крыше снег, — и через несколько дней или даже часов мы сможем увидеть довольно крупные сосульки.
Примечательно, что с течением времени они имеют свойство удлиняться. Почему они растут преимущественно в длину, а не в ширину? Дело в том, что вода очень тонким слоем стекает сверху вниз по уже образовавшейся ледяной основе, остывая с каждым пройденным сантиметром.
В результате самые лучшие условия для превращения воды из жидкого состояния в твёрдое создаются на кончике сосульки. Не остается в стороне и эффект «воздушной рубашки» — вода, превращаясь в лёд, отдаёт окружающему воздуху тепло, а нагретый воздух поднимается вверх, не давая верхней части сосульки сильно замерзать.
Все довольно просто, однако вопросы остаются. Например, почему одни сосульки гладкие, почти прозрачные, а другие имеют чётко выраженную ребристую поверхность? Или почему существуют сосульки в форме почти идеального конуса, но попадаются и совсем непонятной формы, напоминающие причудливые нереалистичные фигуры? Оказывается, у сосулек есть секреты.
Принято считать, что форма сосульки зависит от условий, в которых она растёт, например, идеальная форма получается при идеальных условиях, а если сосульку обдувает ветер, солнце то светит, то скрывается за тучами, вырастет непонятный «уродец».
На самом деле это не так. Многочисленные эксперименты по выращиванию сосулек в искусственных условиях, когда исследователи контролировали все параметры, какие только можно, показали: форма сосульки практически не зависит ни от скорости поступления воды, ни от ветра, ни от колебаний температуры.
Более того, если сосулька растёт, например, при полном отсутствии движения воздуха, то у неё намного больше шансов раздвоиться, в то время как для правильной формы всё-таки нужен небольшой ветерок. На степень же ребристости влияет совсем другой показатель.
Выяснилось, что если для выращивания сосульки брать чистую дистиллированную воду, то сосулька вырастает ровная и гладкая. Если же взять воду неочищенную, например, из-под крана, то на поверхности сосульки появляются чётко выраженные рёбра, и чем больше в воде растворено солей, тем рёбра крупнее.
Даже незначительных примесей, попадающих в талый снег из грязного городского воздуха или из материалов крыши, достаточно для образования рёбер на природных сосульках. Теперь мы знаем: по форме сосульки можно на глаз определить чистоту воды: гладкая — значит, вода чистая, а если форма ребристая — то в воде уже что-то примешано.
С рёбрами на сосульках связано ещё два явления, не нашедших пока точного объяснения. Первое — это периодичность образования рёбер. Независимо от того, где и как росли сосульки, расстояние между рёбрами будет у всех практически одинаковое — около одного сантиметра.
Второе интересное свойство заключается в том, что в зависимости от концентрации примесей рёбра могут нарастать как бы снизу или, наоборот, сверху. О механизме этого явления неизвестно практически ничего, есть только предположение, что это как-то связано с соленостью воды.
Снежный покров: что внутри?
Падающие на землю снежинки выглядят как маленькие ледяные образования с острыми концами и выступами — иглы, столбики, шестиугольные звёздочки. Когда множество снежинок накапливается на земной поверхности, образуется довольно рыхлая «постройка», пронизанная воздушными промежутками. Рыхлость такой «постройки» объясняет относительно низкую плотность выпавшего снега — всего 100—200 кг/м3. В этом снегу очень много воздуха.
Мириады снежинок, выпавших из облаков на земную поверхность, совсем не похожи на слой песчинок или, скажем, опилок. Снежинки, оказавшись вместе на земной поверхности, начинают активно взаимодействовать друг с другом. Поэтому снежный покров не остается постоянным, с течением времени его свойства существенно изменяются.
В снежных массах происходит множество активных процессов: таяние снежинок, замерзание талой воды, испарение снежинок (этот процесс называют также возгонкой или, иначе, сублимацией), конденсация паров в лёд или в воду.
Внутри пока ещё наполненной воздухом снежной массы происходит испарение снежинок, причём в первую очередь испаряются острые концы снежинок, острые выступы, а также наиболее мелкие снежинки. Дело в том, что испарение идёт более интенсивно с более выпуклых поверхностей.
Водяной пар в воздушных промежутках между снежинками быстро становится насыщенным, и начинается обратный процесс: конденсация пара в твёрдое (лёд) или жидкое (вода) состояния. Этот процесс активнее идёт на менее выпуклых, а ещё лучше на вогнутых поверхностях воды или льда.
Происходит следующее: исчезают острые концы у снежинок, при этом нарастает лёд в центре снежинок, постепенно превращая их в ледяные зёрна; исчезают мелкие снежинки, но растут в размерах большие снежинки (зёрна); между снежинками (зёрнами) образуются многочисленные ледяные мостики.
Через некоторое время в снежном покрове уже нет снежинок как таковых. Ледяные зёрна всё более укрупняются, воздушные поры в снежной «постройке» уменьшаются, снег становится плотнее и прочнее.
Наконец, он становится фирном — весьма плотным крупнозернистым снегом, состоящим из спрессованных ледяных зёрен. Он имеет плотность от 600 до 800 кг/м3. Кратковременные оттепели и возрастающее давление со стороны верхних слоёв нарастающего снежного покрова ускоряют процесс преобразования слежавшегося снега в фирн.
Изморозь и иней
Зима – это не только снег. Метеорологи различают удивительно много зимних образований: зернистая изморозь, кристаллическая изморозь, мокрый снег, замерзшая роса, иней, инеевые цветы. Все эти явления так или иначе связаны с кристаллизацией переохлажденных капель дождя, мороси, тумана. Природа этих процессов одинакова.
Однако различаются конкретные условия их образования: влажность воздуха, перепады температуры, рельеф местности, направление ветра – приводят к тому, что в итоге эти явления отличаются. Особенно, если одно явление природы наслаивается на другое: изморозь на гололед, гололед на изморозь, а на них еще холодный дождь.
В морозную туманную погоду на ветвях и сучьях деревьев, на проводах, на заборах появляется изморозь, представляющая собой отложения ледяных кристаллов. Они выглядят очень красиво, лес или парк в таком наряде выглядит сказочно. Мы привыкли называть это инеем, но это не совсем верно.
Иней никогда не образуется на тонких ветвистых предметах. А изморозь, наоборот, осаждается главным образом на проводах, на вертикальных или наклонных ветках кустов и деревьев.
Иней – это очень мелкие кристаллики, похожие на крошечные снежинки. Он чаще всего ложится в холодные ясные и тихие ночи на еще не покрытую снегом рыхлую почву или на шероховатые стены дома, на скамейки. Образуются красивые белые пятна с причудливыми узорами. Слабый ветерок помогает более быстрому росту кристалликов. Морозные узоры в доме на стеклах окон имеют ту же природу.
Процесс образования изморози очень сложен. Многолетние наблюдения показывают, что изморозь образуется в результате сублимации водяного пара и состоит из кристалликов льда, нарастающих главным образом на тонких длинных предметах с наветренной стороны. Важными условиями также являются слабый ветер и температура ниже -15оС.
Жизнь кристаллов изморози очень коротка. Их форма и размеры все время меняются. Одни становятся меньше, другие вдруг стремительно растут. Особенно заметно это, когда температура поверхности подходит близко к 0оС. Иногда за 10 минут происходит почти полная перекристаллизация изморози, а значит, и рисунка. А вот при низких температурах структура почти не меняется.
Различают изморозь двух видов: кристаллическую и зернистую. Кристаллическая представляет собой белый осадок, состоящий из кристаллов льда очень тонкой структуры. Однако он все же достаточно плотный (0,4 г/см3), стекловидный.
Зернистая структура выглядит как снеговидный рыхлый лед матово-белого цвета, нарастающий преимущественно в туманную, ветреную погоду. Чаще всего это происходит в горах. Зернистая изморозь имеет аморфное строение и по строению занимает промежуточное положение между гололедом и кристаллической изморозью. От гололеда отличается снежно-белым цветом и меньшей плотностью (0,1-0,4 г/см3).
Для образования изморози любого вида кроме минусовой температуры необходимо еще одно условие – туман или густая дымка, другими словами, достаточное количество водяного пара в воздухе. При очень сильных морозах (ниже -30оС) кристаллическая изморозь может возникать и без тумана, но тоже за счет водяного пара, содержащегося в воздухе.
Чем ниже температура, тем более изящной и тонкой бывает изморозь. Иногда ее называют «сибирской» или «полярной». С повышением температуры и сгущением тумана изморозь становится плотнее, рисунок упрощается, теряет ажурность.
Особой красотой отличается кристаллическая изморозь. Чаще всего она образуется в виде рисунков веерообразных пальмовых листьев. Они никогда не повторяются, потому что условия роста кристаллов — сочетание определенных условий все время меняется. Любопытно, что 8-17% случаев образования изморози приходится на декабрь, 20-28% — на январь, 25-33% — на февраль, 30-35% — на март, ближе к весне.
Поэт Д. Кедрин нашел этому красивое объяснение:
На окнах, сплошь заиндевелых,
Февральский выписал мороз
Сплетенье трав молочно-белых
И серебристо-сонных роз.
Пейзаж тропического лета
Рисует стужа на окне.
Зачем ей розы? Видно, это
Зима тоскует о весне.
Чем стабильнее погода, тем устойчивее образование изморози. Растут кристаллики медленно, иногда сутками, держатся порой больше недели. Чаще всего изморозь, появляясь поздним вечером, достигает максимума далеко за полночь, а разрушается вскоре после полудня.
Гололед и гололедица
Когда после изморози начинается потепление, возникает интересное, но в то же время опасное явление – гололед. На поверхности почвы, на дорогах, на крышах домов нарастает слой плотного льда, корка толщиной в несколько сантиметров. Под его тяжестью начинают ломаться ветви деревьев, рушатся мачты электропередачи.
Спешим отметить, что не следует путать очень похожие по звучанию слова «гололед» и «гололедица». Это совершенно разные понятия. Гололед – это само по себе явление природы, а гололедица – это то, чем вызван гололед. Гололедица – корка замерзшей на почве талой или дождевой воды.
Гололед не так изящен, как, скажем, изморозь, однако и он по-своему красив. Взгляните на ветки деревьев, покрытые стекловидной коркой гололеда, и вы невольно представите звенящие хрустальные кристаллы или подвески. Гололед красив и почти всегда опасен.
Нарастание гололеда обычно происходит не менее чем в течение 1 часа и не превышает 12 часов. А вот разрушение идет очень медленно, в основном за счет испарения льда, при низких температурах этот процесс протекает почти незаметно. Если не вмешается резкая оттепель или сильный ветер, процесс может растянуться до 4-6 суток.
Метеорологи отметили несколько интересных свойств образования гололеда. Например, на проводах, находящихся под напряжением, величина отложившегося льда почти на 30 % больше, чем на проводах обесточенных.
Замечено также, что гололедные отложения усиленно нарастают в направлении, поперечном движению воздушных масс. Если фронт движется с запада, то отложения толще на проводах, расположенных в меридиональном направлении. И наоборот, при меридионально направленных потоках воздуха отложения толще на проводах, расположенных по широте.
Там, где наблюдались самые объемные отложения, плотность их оказывалась минимальной. Если внимательно рассмотреть кристаллический нарост, можно заметить, что поверхность его удивительно тонкая и хрупкая, кристаллы на внешних краях более пористы и рыхлы.
Почему же легкий, изящный на вид ледяной налет оказывается таким разрушительным? Дело в том, что изящество его только видимое. Особо опасные наледи могут достигать 80-100 мм в ширину. Такое препятствие оказывает серьезное сопротивление ветру. А те отложения гололеда, которые в диаметре поменьше (40-50 мм), плотнее, жестче и тяжелее.
Роскошные ледяные короны вокруг проводов диаметром до 70-80 мм создают дополнительную весовую нагрузку от 150 до 200 г на погонный метр. Выявлены и рекордные показатели: на Валдае, например, изморозные отложения достигали 424 г на погонный метр провода. Следовательно, на пролет между столбами (50 м) приходилось более 20 кг дополнительного веса.
Практика показывает, что наибольший ущерб наносит не столько толщина гололедных отложений, сколько ветры, когда их скорость более 10-12 м/с. При такой двойной нагрузке — весовой и ветровой — особенно велика опасность разрыва проводов, падения столбов и опор.
Не следует забывать о том, что большинство зимних природных явлений не только удивительно красивы, но и бывают очень опасными. Это, в первую очередь, касается гололедицы. Серьезную опасность представляют и сосульки, свисающие с крыш домов над пешеходными тротуарами.
И все же зима прекрасна, ведь неприятные погодные явления длятся недолго. В этом году в некоторых регионах нашей страны зима ведет себя совсем не по-зимнему. Почти нет морозов, мало снега, нет белой чарующей красоты. Но до весны еще далеко, и, как знать, может зима еще порадует нас своими дарами.
