Источник: Н.Н.Горьковатый, А.М.Фридман «Самоорганизация в кольцах планет», журнал «Природа», 1991, № 1, стр.56–68.
Подробнее в обзорах:
Д.Н.Кузи, Л.У.Эспозито «Кольца Урана», журнал «В мире науки», 1987, № 9, стр.26–33.
Н.Н.Горьковатый, А.М.Фридман «Физика планетных колец», журнал «Успехи физических наук», 1990, № 2, стр.169–238.
• ВОПРОС № 43: Как образуются сосульки на крышах, и с чем это связано?
ОТВЕТ: Сосульки, свисающие с карнизов и проводов, могут показаться достаточно простыми «конструкциями», однако на самом деле их форма и процесс образования в течение долгого времени озадачивали исследователей. Почему сосулька имеет вид усеченного конуса с диаметром у вершины не более нескольких миллиметров? Почему по оси сосульки проходит узкая заполненная жидкой водой полость длиной несколько сантиметров, берущая начало у кончика сосульки (в этом вы можете убедиться с помощью зубочистки)? Что эта за белая линия, отмечающая центральную ось сосульки? Почему на поверхности сосульки образуются поперечные ребра с интервалом несколько сантиметров? Почему местами в сосульке лед сплошной, а местами — пористый? Какая причина заставляет некоторые сосульки изгибаться и скручиваться?
Физические процессы, идущие при замерзании воды, весьма сложны. В рамках простой модели граница замерзания, разделяющая жидкость и лед, состоит из разветвленных «пальцев», которые проникают в жидкость. На поверхности этих пальцев молекулы жидкости постепенно присоединяются к кристаллической решетке льда, отдавая часть своей энергии и теряя подвижность. Потерянная ими энергия, называемая теплотой, переносится в другую область, более холодную, чем поверхность замерзания, — часто в прилегающий слой воздуха.
Этот процесс и ведет к росту сосульки. Один из путей их образования был изучен Н.Маено и Т.Такохаси из Университета Хоккайдо. Вообразите медленно тающий слой снега на крыше. Каждая свисающая с края капля талой воды окружена холодным воздухом. Когда по краям капля начинает замерзать и образуется тонкая оболочка льда, теплота, выделяющаяся в результате замерзания воды, уходит в окружающий воздух.
По мере того как вода продолжает стекать вниз по ледяной оболочке, часть ее замерзает, и народившаяся сосулька начинает расширяться. Остальная вода присоединяется к свисающей капле. Постепенное замерзание воды по краям капли приводит к расширению сосульки. Если капля становится слишком большой — более 5 мм в диаметре — она падает, однако вскоре талая вода образует новую каплю. Пока существует приток талой воды, сосулька расширяется и удлиняется. Кончик же сосульки, диаметр которого определяется размером свисающей капли, остается узким.
Г.Хатекеяма из Токийской метеорологической обсерватории и С.Немота из Метеорологического института в Токио описали другой путь образования сосульки. Верхняя часть начальной капли может замерзнуть целиком, при этом возникает горизонтальная поверхность замерзания, которая движется вниз. Если воды поступает мало, а крыша холодная, вода может замерзать во всем объеме капли, а не только в тонкой ледяной оболочке. В результате вся конструкция в процессе того, как на кончике образуется и замерзает новая капля воды, поэтапно удлиняется. Если же воды поступает достаточно и капля подпитывается непрерывно, то на некоторых стадиях роста сосульки вода по краям капли будет замерзать и образовывать ледяную оболочку в соответствии со схемой Маено и Такохаси.
Если ледяная оболочка уже образовалась, жидкость внутри ее начинает замерзать медленнее. Согласно результатам Л.Макконена из Технического исследовательского центра в Зело (Финляндия), теплота, выделяющаяся в процессе замерзания внутренней области, передается через лед к верхней части сосульки (называемой «корнем»), а затем — к краю крыши. Теплопередача — процесс настолько постепенный, что внутренняя поверхность замерзания может двигаться вниз по центральной оси сосульки очень медленно; если поверхность замерзания достаточно удалена от корня, как это имеет место в сформировавшейся сосульке, она может даже остановиться.
В области, между поверхностью замерзания и кончиком сосульки жидкость, заключена в узкую ледяную полость. Несмотря на действие силы тяжести, жидкость находится в устойчивом состоянии, что частично объясняется поверхностным натяжением между жидкостью и стенками полости. Кроме того, полость эта настолько узка, что случайные возмущения на нижней границе столбика воды или в висящей капле бывают обычно недостаточными для того, чтобы позволить воздуху просочиться в полость и вытеснить жидкость. При нормальных зимних температурах внутренняя поверхность замерзания достигает кончика сосульки (и та полностью замерзает) только в том случае, если вода перестает поступать и рост сосульки прекращается.