4.17. Сосульки

Почему сосульки имеют коническую форму, а ширина кончика сосульки всего несколько миллиметров? Почему по центру активной (растущей) сосульки поднимается вверх узкий столбик жидкости (рис. 4.3)? При каких условиях вода там замерзает и как такое возможно, учитывая, что она локализована в центре сосульки? Почему вдоль центральной оси сосульки тянется белая линия? Почему по бокам сосульки образуются горизонтальные выступы? Почему некоторые части сосульки твердые, а некоторые настолько ноздреватые, что их легко проткнуть перочинным ножом? Почему некоторые сосульки изгибаются или закручиваются?

Рисунок 4.3 / Задача 4.17. Структура сосульки.

ОТВЕТ • Про сосульки можно задать много вопросов, начинающихся со слова «почему». Удивительно, но до сих пор не на все из них удалось получить ответы. Ниже я расскажу то, в чем сумел разобраться сам.

Сосулька начинает формироваться тогда, когда вода, просачиваясь откуда-то сверху, например из водосточного желоба на крыше, образует висящую каплю. Капля может полностью замерзнуть, а может замерзнуть только ее поверхность. Тогда образуется тонкая оболочка, внутри которой остается жидкость. Вода продолжает поступать, и вся эта структура удлиняется и утолщается.

Жидкость удерживается в ледяной оболочке поверхностным натяжением, то есть в результате действия сил притяжения между молекулами воды. Она превратится в лед, только если выделяющееся при замерзании тепло отводится вверх по сосульке к ее основанию (вершине сосульки). Тепло не может отводиться через оболочку в горизонтальном направлении, если с обеих сторон оболочки (со стороны жидкости и со стороны воздуха) температура одинакова и равна температуре замерзания воды. Если нет разности температур, тепло сквозь оболочку отводиться не может.

Когда вода внутри оболочки замерзает, растворенный в ней воздух выходит и образует пузырьки, которые затем вмерзают в лед на центральной оси сосульки, там, где только что замерзла вода. Эти «осиротевшие» пузыри, рассеивая солнечный свет, видны нам в виде белой линии вдоль оси сосульки.

Сначала выступы — «ребра» сбоку сосульки — возникают, вероятно, из-за случайного нарушения регулярности при стекании воды по ее бокам. Раз образовавшись, ребра утолщаются быстрее, чем промежутки между ними. На то есть две причины. Выступ покрыт более тонким слоем льда, чем прилегающий к нему участок; он дальше выдается вперед и больше подвергается воздействию холодного воздуха. Благодаря этому вода на выступе замерзает быстрее, чем на плоском участке рядом с ним. Часто на плоских участках образуется рыхлая структура из воды и льда, в которую можно воткнуть лезвие ножа.

Если слой воды, покрывающий сосульку, начинает замерзать (похолодало, перестала поступать вода сверху), первой замерзает его внешняя поверхность, «запирая» оставшуюся жидкость под ледяной коркой. При замерзании вода должна расширяться. В результате такого расширения вода пробивается в разных местах через ледяную корку на сосульке и замерзает, образуя острые короткие шипы.

Если во время роста сосульки дует порывистый ветер, под его порывами она изгибается и скручивается. Если сосулька растет на ветке, постепенно прогибающейся под ее весом, сосулька в конце концов может изогнуться и значительно отклониться от вертикали. Метель и неравномерное таяние на солнце тоже приводят к отклонению формы растущей сосульки от идеальной.

Если под ледяным дождем сосульки образуются на бельевой веревке, телефонной линии или линии электропередачи, часто расстояния между ними составляют порядка нескольких сантиметров и примерно одинаковы. По-видимому, такая периодическая структура возникает из-за того, что воде, покрывающей поверхность ровным слоем в начале дождя, энергетически выгодно уменьшить площадь своей поверхности и разбиться на капли. Этот процесс запускает случайная волна, а поверхностное натяжение довершает его, собирая воду в капли. Расстояние между сосульками примерно равно длине волны такого случайного возмущения. Затем из капель вырастают сосульки.