Почему снег белый, если каждая снежинка прозрачна?
Представьте себе алмаз. Он сверкает, переливается на свету, но мы называем его прозрачным, а не белым. Теперь представьте осколки битого стекла. Каждый осколок прозрачен, но если собрать их в большую груду, она будет казаться белой. Тот же парадокс лежит в основе, пожалуй, самого зимнего вопроса: почему снег — белый? Ответ заставляет нас погрузиться в удивительный мир физики света, кристаллографии и самого снега.
Не лед, а снег: рождение кристалла
Чтобы понять цвет снега, нужно сначала понять, что он из себя представляет. Снег — это не просто замёрзшая вода. Это скопление множества мельчайших кристаллов льда, снежинок, причудливой и уникальной формы.
Рождение снежинки начинается высоко в атмосфере, когда микроскопическая пылинка или частичка соли становится центром конденсации. Водяной пар, не превращаясь в жидкость, сразу осаждается на этой частице, замерзая и образуя крошечный кристаллик льда. Молекулы воды (H₂O) при замерзании выстраиваются в строгом порядке, образуя гексагональную (шестиугольную) решётку. Эта базовая форма и диктует весь дальнейший рост, объясняя, почему подавляющее большинство снежинок имеет шесть лучей.
Форма каждой снежинки — это запись условий, в которых она росла. На её конечный вид влияют температура и влажность воздуха. Классификацию снежных кристаллов, разработанную японским физиком Укитиро Накаей в 1930-х годах, до сих пор считают фундаментальной. Он не только первым создал искусственную снежинку в лаборатории, но и показал, что при температуре около -2 °C образуются пластинки, при -5 °C — столбики и иглы, а при -15 °C — снова пластинки и изящные звёздочки-дендриты, которые мы чаще всего рисуем. Бесчисленные вариации этих параметров и создают то невероятное разнообразие, в котором невозможно найти две одинаковые снежинки.
Физика цвета: что такое «белый» на самом деле?
Теперь перейдём к главному — к свету. Солнечный свет, который кажется нам белым, на самом деле является смесью всех цветов радуги. Это можно легко увидеть, пропустив его через призму. Когда свет падает на какой-либо объект, с ним происходит одно из трёх: он проходит насквозь (прозрачность), поглощается (превращаясь в тепло) или отражается.
Цвет объекта — это цвет того света, который от него отразился и попал в наш глаз. Зелёный лист поглощает все цвета спектра, кроме зелёного, который он отражает. Идеально чёрное тело поглощает весь свет, а идеально белое — наоборот, отражает весь падающий на него свет во всех направлениях.
Лёд, особенно чистый и в небольшом количестве, довольно прозрачен. Свет проходит через ледяной кубик или через одну-единственную снежинку с минимальными помехами. Но всё кардинально меняется, когда мы имеем дело не с одним объектом, а с гигантским, рыхлым скоплением.
Лабиринт из льда и граней: почему свет теряется
Вот мы и подошли к разгадке. Представьте себе снежный сугроб как гигантскую, невероятно сложную коллекцию из миллионов прозрачных ледяных кристаллов. Поверхности этих кристаллов не идеально гладкие, как у оконного стекла. Они покрыты микроскопическими гранями, трещинками и неровностями. Более того, между снежинками заключено огромное количество воздуха.
Когда луч света попадает в такой снежный покров, он не может пройти сквозь него по прямой, как через оконное стекло. Вместо этого он попадает в настоящий лабиринт. На каждой грани каждого ледяного кристалла свет преломляется (меняет направление) и отражается. Происходит бесчисленное количество таких отражений и преломлений. Весь этот сложный процесс называется рассеянием.
Ключевой момент заключается в следующем: лёд рассеивает свет всех длин волн (то есть всех цветов) примерно с одинаковой эффективностью. Когда все цвета солнечного спектра — красный, оранжевый, жёлтый, зелёный, голубой, синий, фиолетовый — смешиваются обратно после этого хаотичного путешествия по снежной толще, наш глаз воспринимает эту смесь как белый цвет.
Таким образом, снег — белый не потому, что он окрашен в белый пигмент, а потому, что он невероятно эффективно и равномерно рассеивает весь падающий на него солнечный свет. Это то же явление, которое делает белой пену прозрачного пива, белую краску (состоящую из прозрачных частиц диоксида титана) или пену от мыла.
Когда снег бывает не белым?
Иногда мы можем наблюдать и другие оттенки снега, что служит дополнительным подтверждением этой физической теории.
- Голубой или синий оттенок часто можно увидеть в толще снега, в расселинах ледников или в сугробах, где проделали глубокую яму. Это происходит потому, что когда слой снега очень плотный и толстый, свет проходит через большой объём льда. А лёд, как и вода, имеет свойство слабо поглощать свет в красной части спектра. Поэтому, пройдя значительное расстояние, из рассеянного света «вычитается» красный компонент, и наружу выходит преимущественно голубой. Это тот же эффект, что придает голубой оттенок глубинам океана или чистейшим горным озерам.
- Жёлтые, розовые или красноватые оттенки снега могут вызывать водоросли. Например, так называемый «арбузный снег», который имеет розовый цвет и слабый запах арбуза, вызывается присутствием микроскопических водорослей Chlamydomonas nivalis. Иногда пыль или песок, принесённые ветром из пустынь, могут окрашивать снег в жёлто-коричневые тона.
Чистота белого снега — это также показатель его чистоты. Новый, только что выпавший снег является одним из самых белых объектов в природе, так как содержит минимальное количество загрязнений.
Изучение снега — это не просто любопытство. Его альбедо (способность отражать солнечный свет) играет ключевую роль в формировании климата Земли. Ледники и снежные шапки, как гигантские зеркала, отражают значительную часть солнечной энергии обратно в космос, охлаждая планету. Таяние снега и льда, вызванное глобальным потеплением, приводит к уменьшению этой отражающей поверхности, что, в свою очередь, усиливает нагрев — это один из так называемых «петлевых механизмов» климатических изменений.
Итак, в следующий раз, глядя на зимний пейзаж, вы будете знать, что белизна снега — это не свойство самого вещества, а грандиозный оптический обман, порождённый хаотичным танцем света среди бесчисленных ледяных кристаллов. Эта кажущаяся простота скрывает за собой глубокую и элегантную физику.
5 неожиданных фактов о снеге
- Снежинки могут достигать гигантских размеров. По данным Книги рекордов Гиннесса, самая крупная снежинка была засвидетельствована в форте Кео, Монтана, США, в январе 1887 года. Её ширина составляла 38 сантиметров (15 дюймов), а толщина — около 20 см. Свидетель, фермер-ранчер, описал её как «большую, чем молочная крынка».
- Существует более 80 классификационных форм снежных кристаллов. Международная классификация сезонного снега на земле выделяет множество видов твёрдых осадков, включая не только классические звёздочки-дендриты, но и столбики, иглы, пластинки, пространственные дендриты, гранулы и даже крошечные ледяные иглы, которые создают явление «алмазной пыли».
- Снег не всегда холодный. Из-за своих прекрасных изоляционных свойств, обусловленных большим количеством trapped воздуха, снег может защитить почву и растения от сильных морозов. Температура на поверхности почвы под слоем снега в 20-30 см может быть на 10-15 градусов Цельсия выше, чем температура воздуха снаружи.
- Снег может быть разных цветов. Помимо белого, снег может быть розовым, красным, зелёным или даже чёрным. Это явление, известное как «цветной снег», чаще всего вызывается цветением микроскопических водорослей. Например, водоросль Chlamydomonas nivalis содержит красный пигмент и окрашивает снег в розовый или красный цвет.
- Громкий хруст снега под ногами — это звук ломающихся кристаллов. Характерный скрип (хруст) снега слышен обычно при температурах ниже -5...-10 °C. Этот звук возникает из-за того, что под давлением вашего веса ломаются многочисленные лучики и грани снежинок. Чем холоднее, тем твёрже и хрупче кристаллы, и тем громче и выше звук их разрушения.