Джирл Уокер - Новый физический фейерверк

В холодном климате на карнизах крыш часто образуются ледяные заторы — там скапливается вода, которая не имеет возможности стекать вниз. Почему образуются ледяные заторы и почему скопившаяся вода наносит существенный урон зданию изнутри? Почему часто на таких зданиях образуются гигантские сосульки?

ОТВЕТ •Ледяные заторы образуются над чердаками на скатах крыш, которые нагреваются за счет теплоотдачи от расположенных под ними помещений. Чердак может стать причиной таяния снега и льда на крыше. Если талая вода тонкой струйкой течет вниз к холодному водосточному желобу, она не стекает с крыши, а замерзает на желобе, и вдоль крыши нарастает лед. Но если талую воду задерживает ледяной затор, вода поднимается вверх по черепице, а затем протекает вниз через находящийся под ней деревянный, не защищенный от протечек слой. Просачиваясь через потолок или вдоль стен, вода приведет в негодность штукатурку, обои и электропроводку.

Часто на крышах, где возникают ледяные заторы, вырастают гигантские сосульки. Затор не всегда задерживает воду, и она потихоньку стекает по образовавшимся раньше сосулькам, длина и вес которых увеличиваются по мере того, как на них замерзает вода.

Похоже, при образовании заторов и гигантских сосулек яркое солнце не играет существенной роли. Чтобы избавиться от них, в крышах делают вентиляционные отверстия, позволяющие холодному воздуху попадать на чердак. Поскольку в таком случае чердак не нагревается, таяния снега на крыше не происходит и вода не стекает к холодному водостоку.

Когда снег и лед налипают на проводах линий электропередачи, дополнительный вес может привести к разрыву проводов и разрушению опорных конструкций. В январе 1998 года именно это произошло в Южном Квебеке, где в результате обледенения рухнули 1300 основных и 35 000 вспомогательных опор линий электропередачи и около двух миллионов пользователей оставались без электричества на срок от нескольких дней до нескольких недель. При каких условиях снег и лед налипают на провода? В частности, возрастает ли угроза такого развития событий в очень холодную погоду?

ОТВЕТ •Капли воды в воздухе и снег могут образовывать на проводах лед двух типов: иней, не содержащий воды (попавшие на провод капли воды замерзают), и наледь — слой воды и льда с выступившей поверх него водой. Граница, на которой происходит образование льда, движется через жидкость к поверхности, когда лед прорастает в жидкость в форме дендритов — кристаллов с древовидной, ветвящейся структурой. Через верхний слой тепло, выделившееся при замерзании льда, уходит в наружный холодный воздух.

Если образуется наледь, вода может стекать с проводов, что уменьшает их вес и опасность обрыва. Но одновременно с этим возможно образование сосулек. Такие сосульки расположены на расстоянии друг от друга в несколько сантиметров. По мере того как вода по ним стекает и замерзает, они растут и вниз, и вширь. Иногда бывает, что такие сосульки сливаются, образуя ледяной занавес. Не только вес сосулек представляет угрозу проводам и опорам, они к тому же лучше удерживают капли воды и снег. При крепком ветре аэродинамическое сопротивление сосулек может значительно увеличить действующую на провода силу.

Вероятно, обледенение проводов особенно опасно, если температура всего на несколько градусов ниже точки замерзания, когда возможно образование наледи. В этом случае, попав на провод, капли воды из воздуха и снег, скорее всего, не отскочат в сторону, что произошло бы при образовании на проводах инея, а налипнут на провод. Таким образом, если температура воздуха повышается, например при наступлении утра, иней на проводах становится опасным, поскольку может превратиться в наледь, задерживая капли воды и снег на проводах.

Почему у большинства замороженных в формочках кубиков льда в центре есть округлый бугорок? Почему из некоторых кубиков льда растут вверх ледяные шипы? Иногда холодной зимой можно увидеть совершенно невероятные ледяные шипы, растущие во дворе из купален для птиц и других небольших емкостей с водой.

Почему с обратной стороны льда на луже иногда образуются несколько рубчиков в форме колец? Как на некоторых реках образуются крутящиеся ледяные диски, отделенные узкой щелью от остального льда? Такие диски примерно 50 м в диаметре существуют месяцами и совершают полный оборот примерно за полтора часа. Почему на ледяном покрове некоторых рек образуются длинные трещины, напоминающие синусоиду? Почему иногда лед на поверхности некоторых озер, прудов и даже кубиков льда не плоский, а со складками, хотя за все время замерзания ветра не было?

ОТВЕТ •Когда из молекул воды образуется кристалл льда, вода расширяется. Если лед растет в формочке, вода может увеличивать свой объем, только продвигаясь вверх. В середине кубика льда вода замерзает последней, поэтому расширяющиеся области с краев гонят воду к центру и вверх.

Такой процесс может привести к образованию ледяных шипов, если сначала на поверхности воды образуется тонкий слой льда, а затем расширяющаяся вода взламывает этот слой, выталкивая оставшуюся жидкую воду в центре через этот пролом (рис. 4.4). В результате оболочка растет вверх. Когда вся вода замерзает, оболочка превращается в твердый, направленный вверх шип. Подобные шипы встречаются редко, поскольку возможность их образования определяется соотношением скорости выдавливания жидкости вверх через трещину в оболочке и скоростью замерзания остающейся в кубике льда воды.

Рис. 4.4 / Задача 4.20.Ранняя стадия образования ледяного шипа.

Складки в форме колец, образующиеся на поверхности льда при замерзании лужи, связаны с циклическим замерзанием при просачивании воды из-подо льда. Сначала, когда лужа только начинает замерзать, она покрывается от края до края тонким слоем льда. Затем снизу на поверхность льда через трещины просачивается вода, а по внешнему краю под лед просачивается воздух. В какой-то момент поступление воды замедляется или совсем останавливается. Подо льдом, недалеко от края лужи, там, где холодный воздух встречается с водой, вода замерзает, и образуется направленная вниз складка. Затем вода опять начинает интенсивно просачиваться, на поверхность попадает больше воды, изолируя эту складку. Если просачивание опять замедлится или остановится, ближе к центру лужи образуется еще одна складка. До того, как вся вода из лужи просочится на ее покрытую льдом поверхность и замерзнет, может образоваться несколько подобных складок.