• Мыльные пузыри на морозе. Приготовьте мыльный раствор из моющего средства «Фейри». Воду для раствора лучше брать кипячёную. Раствор на морозе держите в рукавице, чтобы он не замёрз. Выдувайте пузыри трубочкой для сока. Из-за разности температур внутри пузыря и снаружи возникает большая подъёмная сила, мгновенно уносящая пузыри вверх. Тонкая мыльная плёнка быстро замерзает, превращая пузыри в ледяные шарики.

• Сказочный зимний пейзаж. Выпустите изо рта воздух. Обычно он прозрачен, но в морозный день становится видимым. Выдыхаемый воздух насыщен водяным паром, который на морозе мгновенно остывает и конденсируется в маленькие капельки воды, которые рассеивают свет.

Картину завораживающей красоты можно наблюдать на берегу незамерзающего ручья, полыньи, проруби. Даже в сильный мороз идёт активное испарение воды с поверхности, поскольку она теплее окружающего воздуха. Испарившаяся вода конденсируется, замерзает и превращается в пушистый иней на свисающих над ручьем ветках деревьев. Ветки деревьев – хорошие центры кристаллизации. Над прорубью или незамёрзшим ручьем всегда стоит туман. Яркий пример кристаллизации воды, содержащейся в воздухе в виде пара, – образование снежных узоров на холодной поверхности окна. Другой пример – образование ледяных «цветов». Их можно наблюдать при первых заморозках, когда земля ещё не покрыта снегом. Как правило, «цветы из инея» появляются на рыхлой, тёплой, слегка влажной почве при резком похолодании. Содержащаяся в воздухе влага быстро замерзает, образуя на земле причудливые узоры.

• Испарение. Испарение происходит не только с поверхности жидкости, но и с поверхности твёрдого вещества. Действительно, зимой хозяйки сушат бельё на улице. Мокрое белье вначале «замерзает», а затем лёд постепенно испаряется. Правда, некоторое количество влаги всё же сохраняется. Это становится заметным, когда хозяйки приносят бельё домой, и оно оттаивает. Надо заметить: если температура воздуха близка к 0, то процесс сушки малоэффективен, т.к. воздух влажный. А морозный воздух сухой. Чем сильнее мороз, тем меньше водяного пара он содержит. Весь избыток влаги из воздуха удаляется в результате перехода пара в ледяные кристаллики. Испарение льда активно.

В марте активно идёт испарение снега в природе, даже в морозные дни. Воздух в это время имеет особый, необыкновенный запах.

• Расширение воды при замерзании. Наполните водой пластиковый стакан, пластиковую бутылку и стеклянную бутылку. Выставьте их на мороз. Замерзая, вода увеличивается в объёме, «вылезает» из стакана, стеклянную бутылку разрывает, даже когда она заполнена наполовину. У пластиковой бутылки выпучиваются дно и стенки, но на глаз это незаметно. При подготовке к зиме садоводы до заморозков сливают воду из водопроводных труб, чтобы они не лопнули.

Сильные морозы называют ещё трескучими. Своим названием они обязаны следующему явлению. Стволы деревьев имеют трещины, которые заполняет вода во время осенних дождей. Зимой она застывает. Образовавшийся лёд разрывает древесину, раздаются звуки, похожие на треск.

• Давление. Чистый лёд и снег тают при температуре 0 °С. Однако с увеличением давления температура таяния снега понижается. Если вы пройдётесь по первому снежку, то оставите после себя мокрый след, – снег под давлением растает. Катание на коньках, лыжах сопровождается также таянием снега и льда под давлением (это представление не подтверждается численными оценками. – Ред.). Образуется жидкая «смазка», которая улучшает скольжение. Любители зимних видов спорта из опыта знают, что при сильном морозе скольжение хуже. Кто не любит играть в снежки или лепить снежные фигуры?! Эти забавы также связаны с понижением точки плавления снега под давлением. Очевидно, что лепить из снега в морозный день не удастся.

Возьмите сосульку. Перекиньте через неё тонкую проволоку, концы которой утяжелите грузиками. Наблюдайте, как проволока растапливает лёд, проникая всё глубже в сосульку. Вода над сосулькой вновь замерзает.

Снег обладает удивительным свойством – памятью. Он сохраняет следы. По следам можно, например, изучать физику. Чем крупнее животное, тем глубже от него след, следовательно, тем большее давление оно оказывает на снег. Следы собаки более глубокие, чем следы её щенков. Мыши, ласки оставляют неглубокие чёрточки. Природа снабдила копытных животных способностью раздвигать копыта и увеличивать площадь опоры. Это позволяет им зимой в заснеженном лесу и на полях не так глубоко погружаться в снег.

• Сугробы на деревьях. После снегопада лес долго стоит, покрытый шапками снега. Они могут быть настолько тяжёлыми, что под ними ломаются ветки деревьев. Образование таких снежных сугробов на деревьях связано в первую очередь с формой снежинок. Острые, игольчатые выступы снежинок цепляются одна за другую. К тому же под действием силы тяжести создается большое давление, снег подтаивает и вновь смерзается, образуя ещё более прочную конструкцию. Процессы, которые происходят внутри снежных шапок, намного сложнее – таяние и замерзание, испарение и кристаллизация.

• Таяние снега в морозный день. Снег тает не только в оттепель, но и в солнечные дни, преимущественно мартовские, когда мороз небольшой. Крыши домов имеют скат. Если солнце стоит достаточно высоко, то его лучи падают на кровлю почти перпендикулярно и сильно её нагревают. Под снегом образуется талая вода. Кроме того, дома отапливаются, тепло внутренних помещений передаётся стенам и крыше зданий. По этой причине температура крыш может быть на несколько градусов выше, т.е. оказаться положительной, достаточной для таяния лежащего на крыше снега. Вода стекает с крыши капельками. Капелька из-за поверхностного натяжения не может сразу оторваться с крыши. Поскольку на улице мороз, она успевает превратиться в лёд. Новая капля стекает по первой и замерзает в самой её нижней точке. Процесс наращивания заканчивается образованием сосульки. Сосульки образуются, как правило, с южной стороны крыши.

• Затайки. В марте любители лыжных прогулок покрываются приятным солнечным загаром. Во-первых, мартовские лучи падают достаточно круто, во вторых, отражаются от снега. Несмотря на лёгкий мороз, на лыжне можно наблюдать такую картину – около стволов одиночных деревьев в снегу образуются лунки. Их еще называют затайками. Солнце нагревает своими лучами стволы деревьев. Их тёмный цвет способствует поглощению лучистой энергии. Теплопроводность дерева небольшая, поэтому тепло передаётся в окружающее пространство излучением. Оно поглощается снегом у корней, поэтому в этих местах теплее, снег подтаивает, образуя лунки.

• Солёный снег. При смешивании соли со снегом наблюдаются два процесса: разрушение кристаллической структуры соли с поглощением тепла и гидратация ионов. Последний процесс происходит с выделением тепла в окружающую среду. Для поваренной соли и хлористого кальция первый процесс превалирует над вторым. Поэтому при смешивании снега с этими солями происходит активный отбор тепла из окружающей среды. Ещё одна особенность соляных растворов состоит в том, что их точка замерзания ниже 0. Чтобы снег на тротуарах таял при температуре ниже 0, его посыпают этими солями.

Опыт. Налейте в две формочки воду – чистую и очень солёную. Вынесите формочки на мороз или поставьте в морозильную камеру. Вы заметите, что чистая пресная вода быстро превратится в лёд, а солёная замёрзнет при очень сильном морозе.

Опыт. Принесите домой кастрюлю со снегом. Поставьте её на мокрый табурет. Снег в тепле начнёт таять, а маленькая лужа на табурете замёрзнет. Кастрюля может даже примёрзнуть к табурету. Таяние снега происходит за счёт поглощения тепла из окружающей среды. В первую очередь тепло отбирается от воды на табурете, поэтому вода превращается в лёд.

Опыт. Добавьте в кастрюлю со снегом поваренную соль в соотношении примерно 1 : 6. Тщательно размешайте смесь. Если теперь вы захотите переставить кастрюлю, то её придётся поднять вместе с табуретом!

Опыт. Проведите исследование зависимости температуры таяния льда от концентрации соли. Вы можете понизить точку плавления льда до –20 °С. А если замените поваренную соль хлористым кальцием, то сможете получить ещё более низкую температуру. Соль понижает точку таяния льда. Это означает, что большее количество тепла отбирается у раствора при замораживании. Это свойство солёного снега использовалось при приготовлении мороженого. Первое фруктовое мороженое получали, опуская в смесь снега с солью формочки с соком и сливками. Чистый снег только охлаждает их, но не замораживает.

Опыт. Налейте в пластиковый стакан (пробирку) сок и поставьте его в кастрюлю с солёным снегом. Сок замёрзнет, и очень скоро вы будете лакомиться фруктовым льдом.

Опыт. Бросьте кусочек льда в стакан с водой. Попробуйте его вытащить из стакана, не пользуясь чайной ложкой. Для этого положите на кусочек льда нитку и посолите это место. Под солью лёд подтает. Через несколько минут он охладит воду вокруг нитки и заморозит её – нитка примёрзнет. Теперь можно вытащить лёд за нитку.

Несколько слов о солёном льде в природе. Морской лёд жители Севера употребляют в пищу. Но лёд они выбирают старый, многолетний. Он малосолёный. Свежезамерзший морской лёд солёный. Соляной раствор в глыбе льда помещается в своеобразные ячейки, которые перемещаются вниз под действием силы тяжести. Если лёд плавает в океане, то его солёный нижний слой растворяется, т.к. температура воды в океане выше температуры атмосферы. Лёд, таким образом, опресняется. если льдина лежит на земле, то также происходит её опреснение. Поскольку температура земной поверхности выше атмосферной, то нижний слой подтаивает, и соль выходит наружу.

• Снежинки. В тихие морозные дни не бывает обильного снегопада, снег падает отдельными кружащимися снежинками. Все они разные, одна красивее другой, в форме пластинок – симметричных шестиугольных звёздочек. Иоганн Кеплер изучил строение снежинок и установил, что их лучи расходятся строго под углом 60°. Все шесть концов снежинки совершенно одинаковы, что связано со структурой молекул воды. Снежинки состоят из мелких ледяных кристалликов. Разнообразие форм снежинок огромно, насчитывается несколько тысяч! Существуют любопытные коллекции их фотографий. При сильном ветре у снежинок обламываются лучи, и звёздочки превращаются в снежную пыль. Если мороз небольшой, а погода тихая, то падающие снежинки сцепляются друг с другом, образуя крупные хлопья. В ветреную погоду чаще выпадает снежная крупа, т.е. мелкие снежные шарики, – ледяные кончики снежинок активно испаряются. Встречаются снежинки в виде длинных игольчатых кристаллов. Вероятно, такая льдинка попала в глаз Каю, герою сказки «Снежная королева»! Еще бывают снежинки в виде шестигранных столбиков – гексагональные призмы. Бывает, что они срастаются, образуя столбчатые батареи. Иглы и призмы встречаются нечасто.

Изучать полёт снежинок можно как на улице, так и из окна квартиры. Выберите одну звёздочку-снежинку и наблюдайте за ней. Снежинка долго будет в поле вашего зрения. Она парит в воздухе, то опускаясь вниз, то поднимаясь вверх. Её траектория не прямая линия, как у капель дождя или града. Движение снежинки ближе к движению броуновской частицы.

Ответ на вопрос, почему снежинки так себя ведут, подскажет тень, которую отбрасывает окно на противоположную стену. В солнечный день вы можете увидеть колебания прозрачного воздуха. Это восходящие атмосферные тепловые потоки. В обычных условиях их трудно наблюдать из-за прозрачности и однородности воздуха. В снегопад лёгкие снежинки могут сделать видимыми восходящие потоки. Подъёмы и спуски снежинок возможны потому, что площадь поверхностей снежинок-шестигранников значительна, а масса очень мала. Полёт снежинок напоминает полёт планера в потоках воздуха.

• Радуга зимой. Гало. Наблюдать радугу летом после дождя – дело привычное. В морозный день можно увидеть цветные круги около Солнца и Луны. Это явление дифракции на ледяных иголках в воздухе. В вечернее время, когда идёт снег, можно наблюдать дифракцию вокруг уличных фонарей.

Днём 27 декабря 2002 г. в Москве, можно было наблюдать Солнце, окружённое семицветным кольцом. Стоял мороз ниже –20 °С, отдельные снежинки кружились в небе, и можно было наблюдать исключительно редкое для этой широты явление – гало. Гало могут выглядеть, как светящиеся кольца, кресты, столбы, ложные солнца или луны, – два, четыре, восемь. Оно наблюдается, когда в воздухе присутствуют одинаково направленные ледяные кристаллики в виде шестигранных призм. Это происходит достаточно редко. Физическое объяснение гало: преломление света в ледяных кристалликах и отражение света от их граней. Преломление и дисперсия приводят к окраске круга. При отражении образуются белые элементы гало. По своей природе гало родственно радуге.

• Цвета снега. Снег ассоциируется у нас с кипенно-белым цветом. Но зоркие глаза художника видят многоцветие красок в белом, находят красоту в простом и обычном. Снег на картине А.А.Пластова «Первый снег» чистый, белый, воздушный. Праздник красок в изображении снега на холстах Б.М.Кустодиева «Масленица», В.И.Сурикова «Взятие снежного городка». На картинах И.З.Грабаря «Февральская лазурь» и «Мартовский снег» он голубой, испещрённый синими тенями. У В.А.Серова на картине «Кони на водопое» снег синий. А.К.Саврасов на картине «Дворник» изобразил мартовский снег пожелтевшим, затоптанным и запачканным рядом с человеческим жильём. У Ф.А.Васильева («Оттепель») снег набухший, почерневший от влаги.

В морозный солнечный день снег не чисто белый, а желтовато-розового оттенка. Обратите внимание на тень. Она... синяя! В пасмурный день снег ослепительно белый, в оттепель принимает серый оттенок. В марте снег голубой. Цвет снега зависит от времени суток, от температуры и влажности воздуха, от облачности неба и от месяца года.

Взглянем на снег глазами физика и попробуем объяснить такое различие цветов. Почему снег белый, хотя состоит из отдельных прозрачных кристалликов льда – снежинок,– мы уже объяснили выше. Объяснили и искристость снега. А как объяснить разный цвет снега в зимние месяцы? Электромагнитные волны солнечного излучения частично поглощаются, частично рассеиваются земной атмосферой. Сильнее рассеиваются короткие сине-голубые волны. Этим, кстати, объясняется голубой цвет неба. Чем больший путь проходит свет в атмосфере, тем сильнее различается он по спектральному составу. Высота Солнца над горизонтом зимой меньше, чем летом, поэтому путь солнечных лучей через атмосферу зимой длиннее. Кроме того, в зимнем воздухе много ледяных иголок, которые особенно сильно поглощают короткие сине-зелёные волны, но пропускают длинноволновые красные. Вот почему снег бывает розово-жёлтым, – он освещается таким светом! Мартовский снег преимущественно голубой, он отражает голубое небо.

Почему тень на снегу синяя? Дело в том, что в область тени попадает отражённый от снега свет, а это в первую очередь отражение голубого неба.

Необходимо сказать и о дополнительных цветах. В пасмурный день снег ослепительно белый. Действительно, снежный покров освещается проходящим светом желтоватого цвета и отражённым от неба синеватым. Поскольку эти цвета являются дополнительными, то суммарный цвет белый.

Снег бывает и бесцветным.

Опыт. Возьмите сосуд с водой и бросайте в него небольшие комочки снега. Попавший в воду снег становится невидимым, прозрачным. У воды, льда и снега близкие показатели преломления: 1,33 у воды, 1,31 у льда. Поэтому лучи света снег в воде отражает.

Белый свет – сложный. И.Ньютон доказал это, разложив свет в спектр с помощью стеклянной призмы. В морозный солнечный день снег, словно россыпь бриллиантов, сверкает разноцветными огнями. Мы наблюдаем разложение света (дисперсию) в крупных снежинках. Снежинки шестигранные, их иголочки – ледяные прозрачные призмы. Световой луч, попадая на грани призмы, частично отражается. Большая же часть света преломляется, входит в кристаллик льда, неоднократно отражается от внутренних граней и выходит наружу, но уже не белым, а цветным пучком.

• Полное внутреннее отражение. Обратите внимание на замёрзшую лужу. Лужа подо льдом чёрная, однако в некоторых местах лёд серебристый, – там, где подо льдом образовалась прослойка воздуха, свет испытывает полное внутреннее отражение. Угол полного внутреннего отражения на границе лёд–воздух равен 48°. Все лучи с углами падения больше 48° будут полностью отражаться от границы раздела лёд–воздух. Падающий свет отражается, лёд в этих местах белый.

Как объяснить, что снег белый, ведь он состоит из отдельных прозрачных кристалликов льда – снежинок? Снег пушистый. Это означает, что каждая снежинка окружена воздухом. Так как острые иголки снежинки имеют большое количество отражающих поверхностей, то весь падающий свет отражается как от внешних, так и от внутренних граней, но не проходит сквозь толщу снега. Мы наблюдаем полное внутреннее отражение света от снега. Поэтому он ослепительно белый. Свежевыпавший снег отражает более 90% падающего света.

Старый снег уплотняется, уменьшаются воздушные зазоры, снег темнеет. Белизна снега зависит от его плотности. Плотность снега может меняться от 30 до 800 кг/м³. В оттепель снег пропитан водой, воздушные поры исчезают, отражение света существенно уменьшается, часть солнечных лучей глубоко проникает в него и поглощается. Снег темнеет. В подтверждение сказанному можно провести следующее исследование.

Опыт. Возьмите кусочек льда и раздробите его в мелкую крошку. Порошок изо льда уже не прозрачный, а имеет белый цвет.

Опыт. Возьмите два комочка снега (два снежка), один из них пропитанный водой. Сравните белизну этих комочков.

• Теплопроводность. Снег представляет собой рыхлую структуру, пронизанную воздухом. Теплопроводность воздуха крайне низкая, поэтому и снег имеет малую теплопроводность. Это достоинство, т.к. для живой природы снежный покров служит тёплым одеялом, спасает от морозов. Надо отметить, что с увеличением плотности снега его теплопроводность повышается. У льда она максимальна. Свойство снега сохранять тепло используется человеком в условиях Крайнего Севера для строительства. Постройки из снежных кирпичей – их называют иглу – прочны, светлы, пропускают воздух, изолируют от мороза и ветра, долговечны, не требуют никаких материальных затрат, легко и быстро возводятся. Главный инструмент при строительстве – ножовка. Для возведения иглу не требуется связующих материалов. Снег под давлением подтаивает и тут же замерзает, образуя монолит.

Обратите внимание на птиц. Мелкие пташки – воробьи, синицы, снегири – зимой похожи на пушистые комочки с торчащими острыми клювиками. Они распушили своё оперение и окружили себя неподвижным слоем плохо проводящего тепло воздуха. Таким способом птицы спасаются от морозов. Мудрая природа распорядилась так, что относительная длина перьев у мелких птиц больше, чем у крупных. Маленькие птицы теряют больше тепла, им нужна лучшая защита от холода.

Теплопроизводительная способность живого существа зависит от объёма тела, а потери тепла – от площади его поверхности. У мелких животных и детёнышей соотношение потерь тепла к притоку больше, чем у крупных, т.е. они поставлены в худшие условия. Дети должны замерзать быстрее, чем взрослые, но их спасает большая подвижность.

У человека быстрее всего замерзают конечности, уши и нос, т.к. эти части тела имеют тонкие стенки, а также маленький объём и большую площадь.

Зимняя одежда человека – меховая или из рыхлых материалов (войлок, пух, ватин). Волокно обладает достаточно высокой теплопроводностью, но воздух между волокнами плохо проводит тепло. Роль зимней одежды – не выпустить тепло из тела. Для утепления домов используют двойные рамы с толстой прослойкой воздуха между ними.

В морозный день дотроньтесь рукой до металлического предмета. Она прилипнет! Если вы прикоснётесь к деревянному предмету, этого не произойдёт. С точки зрения физики всё легко объясняется. Металл обладает высокой теплопроводностью и активно отводит тепло от руки. Но она влажная, влага замерзает – и рука примораживается. Ни в коем случае не проводите эксперимент с языком, дело кончится печально!

• Звук. В морозный день слышен скрип снега под ногами. Он связан со звуком раздавливаемых снежинок-льдинок. Чем крепче мороз, тем твёрже становятся льдинки, тем громче звук и выше тон.

Опыт. Насыпьте в тарелку сахарный песок горкой и начните его давить столовой ложкой. Вы услышите характерный скрип. Намочите сахарный песок и вновь растирайте. Скрип исчезнет. В морозные дни звук распространяется на большие расстояния.

• Электризация. Быстро летящий снег электризуется. Он переносит электроны. Поэтому в снежные бури железные предметы, проволочные изгороди, самолёты заряжаются отрицательно, причём на них может накапливаться такой заряд, что представляет опасность для людей и животных.