Научная антология зимы: почему снег белый, лед скользкий, снежинки имеют разный рисунок, а телефон постоянно выключается

Зима ассоциируется у многих со снегом, льдом, морозом, снежинками и другими прелестями природы, а еще с постоянным выключением телефона на холоде и запотеванием очков, однако не все знают, как объясняет природу этих явлений наука. ITMO.NEWS рассказывает, как появляются узоры на стеклах и снежинки, почему снег белый, а лед скользкий и почему, вообще, существует зима.

Источник: iguides.ru

Напомним, почему на Земле бывает смена сезонов

Грубо говоря, причиной смены сезонов на Земле является наклон оси вращения планеты, из-за которого Солнце полгода лучше греет одно полушарие планеты, а вторые полгода — другое. Сам факт существования этого наклона служит причиной смены сезонов года. В случае, если бы земная ось была перпендикулярна плоскости земной орбиты, то независимо от положения Земли на орбите солнечные лучи грели бы разные участки ее поверхности с неизменной интенсивностью: максимально интенсивно обогревался бы экватор, а полюсов свет не достигал бы почти никогда.

Сложнее: как появляются узоры на стеклах и почему они не появляются на пластиковых окнах

По способу образования морозные узоры делятся на два вида: дендриты – ветвистые узоры, которые напоминают деревья, и трихиты, которые больше похожи на звезды. Появление таких узоров объясняется несложно. Когда в помещении влажный воздух, а на улице температура ниже нуля, лишняя влага конденсируется на холодной поверхности оконного стекла. Водяной пар охлаждается и переходит из парообразного состояния в твердое, образуя тонкие кристаллы.

Любое стекло, даже самое идеальное на вид, имеет микроскопические дефекты – небольшие царапины и зазубрины, которые не увидишь, просто взглянув на стекло. Влага, которая оседает на поверхности стекла, кристаллизуется на этих мельчайших дефектах, после чего к образовавшимся кристаллам цепляются новые и новые, формируя узоры. Иногда для появления ледяных узоров достаточно пылинок, которыми усеяна поверхность стекла, или разводов, оставленных после мытья окон. Также появлению узоров способствуют сквозняки и воздушные потоки.

Узоры на стеклах. Источник: livejournal.com
Узоры на стеклах. Источник: livejournal.com

Чтобы морозной зимой образовались узоры на окнах, стекло и слой прилегающего воздуха должны быть достаточно холодными. У пластиковых окон термоизоляционные свойства лучше, чем у окон с деревянными рамами, поэтому температура стекла с внутренней стороны выше. Именно поэтому конденсация с кристаллизацией протекают хуже. Можно сказать, что старые окна «дышат» и холод поступает в квартиры, а от перепада температур образуются узоры.

Наличие узоров на окнах связано с их строением. Старые деревянные окна это, как правило, двойные рамы, в которые вставлены одинарные стекла без стеклопакетов. Рамы не герметичные, между ними (и между стеклами) – обычный комнатный воздух, на холодном стекле идут процессы конденсации влаги и кристаллизации. А в пластиковых окнах используют стеклопакеты два или три стекла, герметично проклеенных. Между стеклами стеклопакета не влажный комнатный воздух, а сухой, очищенный от пыли и влаги, или инертный газ. На самом холодном наружном стекле нечему конденсироваться – в камере стеклопакета нет влаги, а на внутреннем стекле узоры не образуются, так как оно слишком тёплое.

Другой причиной может служить чистота окон. Старые деревянные окна, как правило, более грязные, на поверхности таких стёкол больше пыли, а именно на частицах пыли кристаллизуется вода. Если на пластиковых окнах появились узоры – это признак неправильной установки окна (стеклопакет не герметичен).

От чего зависит форма снежинок

Снежинки – не волшебство, их процесс создания не так уж прост для природы. Как правило, на начальном этапе вода притягивается к мельчайшим твердым частицам, диаметр которых может достигать сотую долю миллиметра. Это значит, что процесс появления снежинок происходит в условиях неидеального по чистоте воздуха.

Снежинки. Источник: 1zoom.ru
Снежинки. Источник: 1zoom.ru

Вокруг микрочастицы формируется начальная шестигранная призма (у нее шесть боковых прямоугольных граней). Кристаллы продолжают расти, а их форма зависит от условий, в которых они оказались. Эти условия определяются пятью характеристиками: атмосферным давлением, электрическим полем облака, ветром, влажностью и температурой. Самый важный компонент – окружающая температура – от нее зависит, будет ли развиваться и видоизменяться верхняя или нижняя призма, или их боковые грани.

При температуре минус 5-10 градусов Цельсия образуются снежинки в форме иголочек или крошечных тонких столбиков. При температурах минус 10-12 градусов образуются снежинки в форме пластинок или хлопьев. Самые красивые снежинки в форме шестилучных звездочек можно наблюдать в самые сильные морозы: они образуются при температуре минус 12-18 градусов.

При этом с детства мы знаем, что каждая снежинка уникальна по форме, ведь формируются снежинки из различных по форме и числу кристаллов воды. Также во время формирования размеры снежинки увеличиваются от половины миллиметра до нескольких миллиметров.

Почему лед скользкий, снег белый, а замерзшая вода прозрачная

Цвет снега и замерзшей воды связан с их структурой. У льда все кристаллы выстроены в строгом порядке, они четко ориентированы. По этой причине свет, проходя сквозь лед, совсем немного изменяет его направление. Обратная ситуация со снегом – кристаллы льда в этом случае расположены хаотично, поэтому свет, попадая на один из них, преломляясь, попадает на другой, который снова изменяет его направление. Снежинки могут разлагать белый свет на цветные спектральные составляющие, однако в итоге получается именно белый цвет.

Лед на Байкале. Источник: mwtravel.ru
Лед на Байкале. Источник: mwtravel.ru

Если надавить на лед, то в этом месте он начнет таять. Когда человек наступает на лед, он надавливает на его поверхность, поэтому под ногой образуется тонкий слой воды. Из-за этого слоя сила трения уменьшается, и человек поскальзывается, как на мокром полу.

Даже при самых сильных морозах лед не до конца твердый. Его поверхность всегда покрыта слоем наполовину замерзшей воды. В этом слое молекулы колеблются перпендикулярно поверхности льда, но при этом остаются на месте (именно поэтому этот слой наполовину твердый, наполовину жидкий). Чем холоднее лед, тем тоньше этот слой, вплоть до толщины в один атом.

Почему запотевают очки, когда входишь в помещение

Количество влаги, которое может содержать воздух, зависит от температуры этого воздуха – чем выше температура, тем больше влаги может содержать в себе воздух. Когда человек в холодных (остывших при минусовой температуре) очках заходит в теплое помещение, очки охлаждают воздух вокруг себя (ближайшие 2-3 миллиметра), и этот воздух теряет возможность удерживать влагу, которую удерживал при комнатной температуре. Эта влага конденсируется на ближайшей доступной поверхности, то есть на самих очках.  Чем выше влажность воздуха в помещении, тем сильнее запотевают очки.

Почему на морозе отключаются телефоны

Источник: youtube.com
Источник: youtube.com

Отключается не телефон, а аккумулятор. Современный литий-ионный аккумулятор имеет повышенный ток саморазряда из-за принципа работы: через мембрану идет обмен ионами в гелеобразном электролите, когда он замерзает, резко снижается обмен ионами, в результате чего падает напряжение на батарее, и телефон отключается. Когда батарея согревается, электролит начинает обмен ионами, и заряд восстанавливается.

Больше остальных от выключения телефонов при минусовых температурах страдают владельцы iPhone. Причин несколько, первая – материалы корпуса. Дело в том, что алюминий, из которого выполнены корпусы нескольких последних поколений iPhone, имеет высокую теплопроводность, поэтому очень быстро промерзает. Стекло хоть и не отличается высокой теплопроводностью, однако этого хватает для того, чтобы смартфон замерз и начал работать неправильно, либо отключился. Обратная ситуация с телефонами, корпус которых выполнен из пластика – это материал проводит тепло хуже металлов и стекла, поэтому смартфоны в корпусах из пластика могут выдерживать крайне низкие температуры (даже при −35°C).

Вторая причина – недостаточная толщина корпусов iPhone. В тонких смартфонах аккумулятор начинает работать нестабильно гораздо быстрее, чем в толстых.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба