Кто рисует на стекле? Или морозная роспись – загадка простой воды

Морозною порою, в «день чудесный», глаз невозможно отвести от дивной красоты зимнего пейзажа:
 
Под голубыми небесами
Великолепными коврами,
Блестя на солнце, снег лежит;
Прозрачный лес один чернеет,
И ель сквозь иней зеленеет,
И речка подо льдом блестит... (А.С. Пушкин)
 
Деревья облачились в серебристые одеяния, сотканные будто из алмазных осколков. А под ними возвышаются высокие белоснежные сугробы-ковры, словно несметные жемчужные залежи и россыпи горного хрусталя. 
 
Да и в городе – дома, провода, остановки, заборы – все вокруг, куда ни глянь, праздничными блестками сверкает… И даже на стеклах автобусов, троллейбусов, автомобилей и домов расцвели какие-то сказочные цветы. Невероятно красивые узоры как будто расписаны волшебным художником. Рассматривая причудливые картинки, я и не заметила, как замечталась – и попала в ледяную сказку. 

Сказки ледяного царства
На одной раме узоры похожи на пушистые ветки елей, украшенные огромными алмазами-рубинами. Иголки, припорошенные снегом, искрятся, словно горный хрусталь. Лесная дорожка, уверенно прошмыгнув меж высоких серебристых елей, привела меня на сказочную опушку. Здесь собралось много разных зверюшек – героев детских книжек и мультфильмов. Вот лисичка-сестричка распушила хвостик. И кокетливо, словно дама, обмотала его вокруг шейки, чтобы не замерзнуть. Зайчата в белых шубках хвастаются друг перед другом морковками, крепко держа их в своих лапках. Попрыгунья белочка угощает обитателей леса хрустальными орешками. Вокруг елочки в белоснежном платьице с праздничными гирляндами и разноцветными шариками скачут самые разнообразные лесные жители в карнавальных костюмах.
 
На другой раме «белая береза под моим окном принакрылась снегом, точно серебром». На пушистых веточках расположились фантастические птички. Вот-вот раздадутся их хрустальные голоса. Под лучами солнышка оперение сказочных пичуг переливается зелено-сине-красными огоньками, словно на небе загораются разноцветные звездочки.
 
Ледяные узоры на окнах – загадочное и удивительное творение природы, редкое по красоте зрелище. Как будто кисть художника выводит на стекле далекие леса, искрящиеся пушистые веточки, диковинных зверей... Каждый раз картинки меняются, и мы не перестаем удивляться: как же образуются эти чудные зимние творения? И почему дети говорят: «На окне опять рисует иней море, пальмы и обрывки скал...» Что же такое иней? И как он связан с узорами на окнах? 
 

 
Искрометный, розовый, серебряный...
Иней красочно описывали многие писатели и поэты. И каждому из них он виделся по-своему: Бальмонту – белый, Брюсову – жемчужный, Огареву, Серафимовичу – иглистый, искрометный – Коринфскому, мохнатый – Чирикову, пушистый – Козлову, Полежаеву, Серафимовичу, розовый – Тургеневу, светло-синий – Фету, серебристый – Никитину, серебряный – Бунину...
 
Да и народ немало выдумал названий этому явлению природы. Вишей, водровь, врасенец, гидрометеор, заморозь, изморозь, кить, куржа, куржак, куржевина, кухта, накипня, опока, осадок, седина, серебро, слана... Многие из них вошли в словари русских синонимов. 
 
А как разъясняют это слово знатоки русского языка? Открываем толковый словарь В.И. Даля: «Иней – мерзлые испарения, сырость в воздухе, которая садится на предметы, кои холоднее воздуха, и замерзает на них пушком, что случается после отдачи сильных морозов...» Говоря более современным языком, это тонкий снежный слой ледяных кристаллов, по форме напоминающих снежинки, образующийся из водяных паров воздуха на поверхности охлажденных предметов. Так толкуется иней в словарях С.И. Ожегова, Д.Н. Ушакова, С.А. Кузнецова. 
 
Обратимся к солидным научным изданиям. Большой энциклопедический словарь уточняет, что иней образуется на наземных предметах при охлаждении земной поверхности до температуры ниже нуля градусов в результате ее сильного теплового излучения ночью при ясном небе и слабом ветре. В энциклопедическом словаре Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона этот вид атмосферных осадков определяется как вода в твердом виде, выделившаяся из воздуха на поверхность почвы, растений...
 
  

Загадки простой воды
По законам физики, воздух при разной температуре может содержать различное максимальное число молекул воды. При понижении температуры количество влаги в нем уменьшается, и избыток ее конденсируется на более холодных поверхностях (земле, траве, стеклах машин и домов) – так образуется роса. Когда же температура в ясные тихие ночи падает ниже 0°С, капельки воды превращаются в кристаллики льда. И вместо росы из холодного влажного воздуха легко выделяется иней. 
 
Выходит, и волшебные узоры на окнах в морозный день – это тоже иней? Конечно же, да. Оказывается, упругость ледяных паров значительно меньше, чем у паров воды. И по мере похолодания разность эта возрастает. Между тем туман до температуры значительно ниже 0 °С состоит все еще из водяных капелек. И они легко оседают на поверхности охлажденных предметов, образуя иней. На первый слой оседает новый и т.д., «рисуя» узоры на стекле. 
 
Но что любопытно: иней никогда не образуется на тонких ветвистых предметах. А то, что осаждается на проводах, ветках кустов и деревьев, называется «изморозь». Процесс возникновения еще одной разновидности воды немного отличается от образования инея и до конца еще не изучен. 
 
Вот как многообразна и причудлива, казалось бы, обыкновенная вода!
 


Букеты «ледяных цветов»
Морозные узоры, как выяснилось, весьма просты по химическому составу, однако отличаются большим разнообразием, своеобразной структурой и часто, как мы уже убедились, напоминают формы организмов или их частей. Немцы называют их «айсблюмен», то есть «ледяные цветы». И в самом деле, среди замысловатых узоров часто прослеживаются древовидные образования и волокнистые структуры. 
 
Наш выдающийся биолог К.А.Тимирязев указывал на сходство густо заросшего разнообразными растительными формами клочка земли с фантастическими ландшафтами, которые мороз рисует на окнах: «Во втором случае мы увидим те же травчатые узоры, напоминающие листья папоротника или пальмы, то же бесконечное разнообразие самых причудливых форм... Картины сходные, но как различен строй мыслей, вызываемых той и другой». 
 
Сходство с растениями многих ледяных узоров действительно удивительное. Один из морозных рисунков квалифицированный ботаник даже принял за фотографию чертополоха. В иных узорах прослеживается сходство с листьями пальм, корневищами и стеблями растений с отходящими от них листовыми пластинками, встречаются «копии» мхов и лишайников. Иногда образуются узоры-нити, зачастую с параллельными отростками.
 

 
Раскинулось древо широко...
Красота и разнообразие «ледяных цветов» льда во многом зависят от состояния водяного пара, условий его охлаждения или структуры самих кристалликов. 
 
Древовидные формы образуются в том случае, когда охлаждение начинается при положительной температуре и высокой влажности воздуха. Вначале на стекле появляется тонкая водяная пленка. Затем, обычно внизу окна, где толщина ее наибольшая, «прорастают ледяные деревья». Размеры кристаллов зависят от имеющегося в наличии материала. Где пленка воды толще, они обычно больше, гуще, раскидистей. По мере перехода к более «засушливой» части рамы размеры их уменьшаются. В случае же равномерного увлажнения стекла «деревья» примерно одинаковые.
 
При дальнейшем охлаждении воздуха между дендритами (сложнокристаллическими образованиями древовидной ветвящейся структуры), а затем и на них, откладываются тонкие слои пушистого льда. Быстрые и значительные переохлаждения дают мелкомасштабную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле сплошной характер кристаллизации нарушается: «деревья прорастают» отдельными островками, миниатюрны по размерам, их формы выражены не так четко.
 
Волокнистые структуры (трихиты) образуются у острых краев стекла, вокруг царапин и ярко выраженных дефектов на поверхности охлаждающихся твердых тел. Узкие, параллельные друг другу полоски инея при дальнейшем охлаждении уплотняются, превращаясь в плотные ледяные волокна, растущие от единого стебля и приобретающие со временем плавные изгибы.
 

 
Многообразие не отменяет сходства
Несмотря на многообразие морозных узоров – очень часто на двух соседних стеклах рождаются самые разнообразные рисунки и даже на одном могут быть совершенно разные – и физиками, и ботаниками подмечено сходство их друг с другом. Однако ни те, ни другие ученые над этим вопросом много не размышляли. Физики так завалены своей потрясающе трудной и вместе с тем плодотворной работой, что им некогда заниматься такими пустяками, как морозные узоры. А ботаников это вроде бы и не касается: ведь это же не растения, а только образования, случайно похожие на них. «Ничья земля», на которую никто не претендует.
 
Но есть и более глубокие причины такого равнодушия ученых к красоте и правильности морозных узоров – надо лишь, как советовал наш знаменитый биолог К.Э. Бэр, добавить к наблюдениям побольше размышлений. Оснований для сходства совершенно различных образований предостаточно. Но вот чем же оно все-таки объясняется? – до сих пор загадка. Физики не удосужились как следует в этом разобраться.
 


Зря обидели
И хотя морозные узоры на окнах во многих отношениях интереснее снежинок, последние изучены гораздо больше – о них писал еще великий Кеплер в начале XVII века. Изданы даже атласы снежинок, лучший из которых – поразительная коллекция снимков, сделанных за сорок лет метеорологом-любителем. «Ледяные цветы», к сожалению, обидели зря. Они таким вниманием к себе не избалованы и похвастаться пока альбомами не могут. 
 
Разнообразие естественных кристаллов давно поражало ученых, но даже великие умы терялись в этом калейдоскопе форм. Знаменитый Бюффон в конце XVIII столетия констатировал, что формы кристаллизации более разнообразны, чем какой-то другой признак, отличающий минералы. Признавая этот неоспоримый факт, ученые, тем не менее, никак не могли определиться, что же главное в минералогии – влияние среды, химическое строение или структура и геометрия тел. Поэтому и классификацию кристаллов выстроить не удавалось.
 
Спор разрешился лишь в конце XIX века одним из величайших триумфов математического естествознания – в 1891 году Е.С. Федоров и А. Шенфлис построили-таки строго рациональную систематику кристаллов. Не остались в накладе и ученые-химики. Метод находился в полном согласии с их представлениями и даже шире. А в XX веке другой наш выдающийся ученый А.Е. Ферсман сделал попытку внести в классификацию минералов исторический элемент. 
 


Исправить никогда не поздно
В настоящее время ученые ищут ответ на вопрос: почему из огромного разнообразия кристаллов в одних случаях мы имеем для того же вещества одни формы, а в других – иные? Даже при одинаковых внешних условиях?
 
И если основа снежинок, не принимая во внимание их дополнительные отростки, как правило, подчинена шестилучевой симметрии (и это почти единственное, что осталось в них от рациональной систематики кристаллов), то, переходя к ледяным узорам, становится очевидным: тут уж всякий след этой симметрии и вовсе исчезает. Классификация Е.С. Федорова и А. Шенфлиса к узорам на стекле, увы, неприменима. Ледяные узоры – это не фигуры в калейдоскопе. Значит, должна быть какая-то другая симметрия, свойственная самому телу, а не внесенная извне. Возможно, сходство узоров с растениями подвигнет биологов вместе с физиками и математиками к раскрытию неизвестных законов?
 
Околдованный лес
Большое влияние на образование росы, инея, изморози имеют деревья. Особенно заметно оно при тумане. И чем большая поверхность охлажденных предметов соприкасается с сырым воздухом, тем больше из него выделяется мельчайших водяных капелек или ледяных кристалликов. Весной, летом, осенью каждая травинка, листочек, веточк – все вокруг переливается изумрудиками росы. В зимнее время глыбы свежевспаханного поля сверкают инеем, словно горный хрусталь, не только на поверхности, но и в промежутках. Такими же мельчайшими хрустальными осколками и алмазной пылью усыпаны жнивье полей, листья луговых трав и т.д.
 
Однако зимний пейзаж полей не идет ни в какое сравнение с тем волшебством, что творится в лесу, особенно хвойном. Помните, у Ф.И. Тютчева:
 
Чародейкою Зимою
Околдован, лес стоит –
И под снежной бахромою,
Неподвижною, немою, 
Чудной жизнью он блестит.
 
Кристаллики изморози сверкают в лесу на каждой иголочке дерева «ослепительной красой». «И стоит он, околдован […] сном волшебным очарован, весь опутан, весь окован легкой цепью пуховой». Нередко даже под тяжестью инея ломаются ветки. А в малоснежные зимы благодаря ледяным хрусталикам, упавшим с лапок елок-сосен, прокладывается в лесу даже санный путь. 

Физика и лирика
Однако серьезные биологи предпочитают не разговаривать о красоте. Хотя, несомненно, ледяные узоры очаровательны и даже служат зачастую образцом для северных кружевниц. Правда, «из морозных новостей» известно стало, что «ледяные цветы», расцветающие зимними ночами на окнах, в отличие от росы, инея и измороси, в последнее время стали редкостью. Сейчас их увидишь далеко не на каждом окне, только если на даче. Куда же пропали волшебные морозные узоры?
 
Ларчик просто открывался. После того, как обычные окна начали активно заменять стеклопакетами, исчезли условия для образования морозных узоров: значительно улучшилась теплоизоляция, не происходит конденсация теплого воздуха с внутренней стороны квартиры на подмороженном внешнем стекле. Вот и исчезли великолепные картины зимней сказки из нашего бытия.
 
Да и мне, к сожалению, полюбоваться красотой кисти мороза-воеводы, обходящего свои владения, недолго пришлось: выглянуло солнышко, обогрев оконное стекло. Волшебные рисунки, сверкающие драгоценными камнями, сразу потускнели, расплылись. Заплакали пушистые ели-сосны, зарыдали диковинные зверюшки, вмиг превратившись в ручейки из капелек, похожих на слезинки. Растаяла вся прелесть и красота творений дедушки мороза.
 
Что ж, в жизни физика и лирика не всегда находят общий язык. Но стоит ли слишком горевать об этом? Зима только начинается. Самые сильные морозы еще впереди. И мы еще успеем вдоволь – не раз и не два – налюбоваться ее морозным творчеством.
 

 
Цифры и факты:

• При температуре от 0 до минус 6°C и небольшой упругости водяного пара поверхность стекла покрывается однородным слоем непрозрачного, рыхлого льда – инея.
• Самый мощный налет из снежных кристаллов бывает в туман и ветреную погоду. В отличие от обычного инея «ледяные цветы» обильнее расцветают на вертикальных поверхностях с подветренной стороны, чем на горизонтальных.
• Считается, что изморозь появляется в результате замерзания водяного пара. Она состоит из кристалликов льда, нарастающих на тонких длинных предметах при отрицательной температуре, слабом ветре и достаточном количестве водяного пара в воздухе (наличии тумана или густой дымки). 
• Строго рациональная систематика кристаллов Е.С. Федорова и А. Шенфлиса предполагает, что есть всего 7 систем, 32 класса и 230 возможных комбинации симметрии, и за пределы этой системы ни один из кристаллов выйти не может. У морозных узоров же пока выделяют всего две разновидности – дендриты (древовидные формы) и трихиты (волокнистые структуры).
• При минус 10 °С на улице и плюс 20 °С в помещении внутренняя поверхность двойного стекла имеет температуру не ниже плюс 8 °С, а при использовании специальных теплозащитных стекол – еще градусов на пять выше. 

 
 
Январь 2014, Фото из интернета