Человеку всегда важно знать, какая будет погода, поскольку она влияет на его деятельность и самочувствие. Наблюдая природу в ненастье и в солнечный день, в сумерки и ночью, люди отмечали характерные признаки, предваряющие те или иные изменения погоды. Так появились многочисленные приметы – свидетельства народной мудрости, многие из которых основаны на простом снежном узоре.
Красив снежный узор на окнах в блеске утреннего солнца и в густой синеве зимних сумерек, когда рано утром встаешь с постели, потягиваешься, подходишь к окну… И вот, О, ЧУДО!!! На окне опять волшебство. Да, да. Не удивляйтесь. Самое настоящее волшебство: сказочные деревья, чарующий лес, необыкновенные цветы. Это так притягательно красиво, необыкновенно и загадочно, что мне всегда интересно узнать: почему мороз рисует на окнах снежные узоры? Можно ли по узору предсказывать погоду? Какие волшебные превращения образуются на стекле и зависят ли они от температуры воздуха?
Оказывается, водой! Прозрачным водяным паром, который всегда есть в воздухе. Есть он и в комнате. И между двойными рамами окон – всюду! Теплые пары воды оседают на холодных стёклах окон и превращаются в кристаллы льда, так же как снежинки в небесной вышине. Таких кристалликов много, они соединяются друг с другом. Для того чтобы началась кристаллизация, первым ледяным кристалликам нужно на чём-то осесть. На ещё не замерзшем окне первые кристаллики появляются, прежде всего, в тех местах, где на стекле есть царапины, грязь. Порой на совершенно не замерзшем стекле мороз нанижет гирлянду снежинок вдоль едва заметной царапины. Иногда стекло кажется чисто вытертым, а мороз нарисует на нём узоры, проявляющие следы салфетки, которой протирали окно.
Первые кристаллики льда на стекле - это всегда шестилучевые звёздочки или шестигранные стебельки. Но, увеличиваясь, разрастаясь, они встречаются друг с другом, давят друг на друга, сгибаются, искривляются. И появляются узоры.
Чем сильнее мороз на улице, тем больше кристаллов-льдинок образуется и
цепляется к царапинам и пылинкам на стекле.
При росте кристаллов, особенно если рост идёт очень быстро, часто образуются так называемые скелетные формы и ветвистые кристаллы, или дендриты. Примерами дендритных кристаллов и являются ледяные узоры на стекле и снежинки.
Среди снежинок встречаются «пластинки», «пирамиды», «столбики», «иглы», «стрелы», простые или сложные «звездочки» с сильно разветвлёнными лучами.
Каждая из них - единственная в своём роде. Но при этом все они имеют шесть граней и одну ось симметрии
Пространственная решётка кристаллов льда.
Шарики изображают атомы кислорода; положения атомов водорода
не показаны. Первым эту особенность снежинок отметил немецкий астроном Иоган Кеплер.
Учёные установили, что форма снежного кристалла повторяет молекулярную структуру льда – его кристаллическая решётка как раз состоит из шестиугольников.
Получается, что внутреннее строение снежного кристалла определяет его внешний облик.
Первые систематические исследования снежных кристаллов предпринял в 30-х годах XX века японец Укихиро Накайя. Он выделил 41 тип снежинок, составил первую классификацию и выяснил, что величина и форма образующихся кристаллов льда зависит от температуры и влажности.
На стекле замёрзшего окна легко увидеть, как возникают, растут и постепенно меняют свою форму кристаллы льда. Сначала морозные рисунки начинают появляться в нижней части окна. Как правило, здесь скапливается большое количество воды, а затем морозные кристаллы постепенно поднимаются вверх.
Можно расчистить в непрозрачном слое льда, затянувшего окно, круглый «глазок», подышав на замёрзшее стекло или приложив к нему палец. Если перестать греть глазок, то он опять затянется слоем льда, так же как замерзает прорубь на реке от холодного дыхания мороза.
Если понаблюдать внимательнее за тем, как закрывается глазок, можно увидеть: сначала от его краёв к середине вытягиваются тонкие иголочки – нежный, еле видимый узор. От этих иголочек в стороны ответвляются новые иголочки, перышки, звёздочки. Вот уже весь глазок покрыт ими, как тончайшим кружевом, а от краёв глазка растёт новый слой иголочек и звёздочек, закрывая первое плетение, - отдельные веточки соединяются, сливаясь в сплошной слой. Так происходит рост кристаллов льда.
Новые кристаллы всегда начинают расти от краёв глазка, от слоев льда, которые не растаяли. Этому есть простое и понятное объяснение: пристроиться к уже готовой кристаллической решётке частицам воды легче, чем начинать строить новую решётку.
Снежный кристалл часто растёт как фрактал, образуя сложную нерегулярную структуру, части которой подобны целому.
В природе фракталы можно увидеть повсюду – в очертаниях гор, рек, морских берегов, деревьев, сосудистой системы…И в морозных узорах на окнах!
Фракталы – множества с крайне нерегулярной разветвлённой и изрезанной структурой. Термин введён Б. Мандельбортом в 1975 году, хотя подобные объекты изучались в математике с конца XIX века. Основной характеристикой фрактала является дробная размерность.
Когда воздух охлаждается, содержание влаги в нём уменьшается, избыток воды конденсируется на оконном стекле. Когда температура воздуха опускается ниже 0ºС, вода кристаллизуется.
Почему же в мороз появляются рисунки на оконном стекле? С одной стороны, сами кристаллики имеют свою структуру, которая определяет рисунок. Кроме того, царапины на поверхности стекла, частички пыли, воздушные потоки помогают Деду Морозу создавать красивые узоры на окнах.
Каждую зиму можно наблюдать на окнах великолепные узоры, которые нарисовал мороз. Они очень разнообразны и замысловаты, таинственны и просто великолепны.
Как образуются ледяные узоры на стекле?
Воздух в помещении гораздо теплее, чем на улице, да и влажность ниже. Но вблизи стекла иной раз температура может быть ниже точки росы, то есть значения, когда пар начинает конденсироваться в росу. Образуются маленькие кристаллы льда и на окне появляются ледяные рисунки.
Почему ледяные узоры всегда разные?
Потому что изменчивы условия внутри комнаты и на улице: температура, влажность, давление, скорость ветра. Даже толщина стекла, и его чистота играют роль.
Сначала морозные узоры образуются по поверхности стекла, а когда их толщина станет настолько большой, что вывод тепла наружу замедляется, то ледяные узоры начинают расти в толщину.
«Растительные» узоры появляются при высокой влажности и постепенном понижении температуры. Сначала стекло становится мокрым, а затем влага замерзает, образуя причудливые «заросли». Процесс начинается с нижней части стекла, поскольку там собирается больше воды. Да и рисунок там более крупный, а к верху он становится более мелким.
Если процесс охлаждения был быстрым, и влага не успела стечь вниз стекла, то «древесный» рисунок по всему окну будет одинакового размера.
Оконные стекла не могут быть идеально ровными и гладкими, на них почти всегда есть мелкие дефекты и царапины. Они-то и способствуют образованию другого морозного рисунка. Сначала кристаллики льда возникают вдоль царапины, образуя полоску, а затем от нее начинают ответвляться изогнутые стебли.
Раз морозные узоры на окне появляются при соблюдении некоторых условий, значит, если изменить их, то стекла останутся чистыми. Понизьте влажность воздуха или не допускайте сильного охлаждения стекла (сделать хорошую теплоизоляцию окна) и Мороз ничего не нарисует на вашем окне.
Морозные узоры на оконных стеклах - это, по сути, то же самое, что и иней, который образуется на земле и на ветвях деревьев. Механизм образования инея и этих узоров одинаков.
Если воздух охлаждается, то в нем снижается содержание влаги. Морозные узоры на стекле и иголки инея образуются в том случае, если влажный воздух охлаждается до точки замерзания воды, то есть до 0°С. При этой температуре происходит конденсация избытка влаги, содержащегося во влажном воздухе, на холодных поверхностях. При этом вода кристаллизуется, то есть превращается в мельчайшие кристаллики льда. Таким образом, вода, содержащаяся во влажном воздухе, при 0°С переходит из газообразного состояния в твердое (кристаллическое), минуя жидкую фазу.
Почему же кристаллики льда образуют такие причудливые формы? Виной тому неровности и царапинки на поверхности стекла. На них ледяные кристаллики образуются в первую очередь. Кристаллики осаждаются один за другим, друг на друга - и получаются удивительные неповторимые узоры. Помимо неровностей стекла, в "рисовании" узоров участвуют частички пыли на поверхности стекла и воздушные потоки.
Среди разнообразия морозных узоров наиболее часто можно встретить древовидные структуры - их называют дендритами и волокнистые формы - трихиты.
Дендриты образуются, если влажность воздуха повышена, а охлаждение стекла началось еще при положительной температуре и продолжалось при дальнейшем понижении температуры. В этом случае на стекле сначала образуется водяная пленка, которая при замерзании кристаллизуются в виде дендритов. Чаще всего этот процесс начинается в нижней части стекла, потому что там под воздействием силы тяжести скапливается больше воды. Именно поэтому в нижней части оконных стекол дендриты обычно более крупные, а чем выше, тем ледяные "веточки" тоньше и мельче. Если же стекло увлажняется при охлаждении равномерно, то есть покрывается более-менее ровной пленкой воды, то "ветки" дендритов примерно одинаковы по величине по всей поверхности стекла.
Если на стекле есть царапины, то на их острых краях образуется второй вид узоров - трихиты. Сначала образуются узкие параллельные кристаллические полоски. При дальнейшем охлаждении "вырисовываются" волокна, отходящие от основного "стебля". Чаще всего и "стебель" и "волокна", отходящие от него, не прямые, а слегка изогнуты.
Можно ли сделать так, чтобы морозные узоры не появлялись на оконных стеклах зимой? Можно!
Мы уже говорили о том, что непременным условием образования морозных узоров является повышенное содержание влаги в воздухе и холодное стекло. Если исключить любой из этих факторов, Дед Мороз не сможет украшать оконные стекла своими картинами.
Так, например, можно уменьшить влажность воздуха у поверхности стекла, тогда конденсации воды на нем происходить не будет. Для этого можно поставить между оконными стеклами стакан с концентрированной серной кислотой - известно, что она хорошо поглощает влагу из воздуха.
Второй путь - не допустить, чтобы стекло сильно охлаждалось. Делают это путем тщательной теплоизоляции внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой.
Символом зимы в прошлые века являлись не только лютые морозы и снежные сугробы, но и ледяные узоры на окнах, которые по старинному поверью рисует сам Дед Мороз. Ледяные кристаллы образуют на стекле в неповторимые картины, в которых можно разглядеть лесную чащу, необычных животных, сказочные деревья и цветы, море, звезды. Чтобы на окнах расцвели ледяные сады, необходимо, чтобы воздух в помещении был влажным, а за окном была минусовая температура.
Почему на окне появляются морозные узоры
Все помнят притчу о том, что морозные узоры на окне рисует Дед Мороз. Он незаметно подкрадывается ночью к окну и выводит на нем тонкой ледяной кисточкой неповторимые морозные картины. На самом деле все гораздо прозаичнее. Если в помещении влажный воздух, а на улице температура от нуля градусов Цельсия и ниже, то лишняя влага конденсируется на холодной поверхности оконного стекла. Здесь водяной пар охлаждается и переходит из парообразного состояния в твердое, образуя тонкие кристаллы.
Любое идеальное с виду имеет микроскопические зазубрины и царапины. Влага, которая оседает на поверхности стекла, кристаллизуется прежде всего на этих мельчайших дефектах, и только потом к первым кристаллам цепляются новые и новые, формируя узоры. Порой для появления ледяных узоров достаточно пылинок, которыми усеяна поверхность стекла, или разводов, которые остаются после мытья окон. А еще появлению узоров способствуют сквозняки и воздушные потоки. По способу образования морозные узоры делятся на два вида: дендриты – ветвистые узоры, которые напоминают деревья, и трихиты, которые больше похожи на звезды.
Почему на пластиковых окнах нет узоров?
Узоры на окнах морозной зимой появляются когда на поверхности холодного стекла конденсируются пары воды из воздуха и далее кристаллизуются, образуя лёд. Другими словами, стекло и слой прилегающего воздуха должны быть достаточно холодными. У пластиковых окон термоизоляционные свойства лучше, чем у деревянных окон, поэтому температура стекла с внутренней стороны выше. Следовательно, конденсация с кристаллизацией протекают хуже. Проще говоря – старые деревянные окна «дышат» и холод поступает в квартиры, и от перепада температур образуются узоры.
Старые деревянные окна - это двойные рамы, в которые вставлены одинарные стёкла без стелопакетов. Рамы не герметичные, между ними (и значит, между стёклами) - обычный комнатный воздух, на холодном стекле идут процессы конденсации влаги и кристаллизации. А в окнах ПВХ используют - два или три стекла, герметично проклеенных. Между стёклами стеклопакета не влажный комнатный воздух, а сухой, очищенный от пыли и влаги или инертный газ. Вот и получается, что на самом холодном наружном стекле конденсироваться нечему - в камере стеклопакета нет влаги, а на внутреннем стекле узоры не образуются, так как оно слишком тёплое.
Есть и другая причина: старые деревянные окна, как правило «грязнее» окон ПВХ, то есть на поверхности таких стёкол больше пыли, а именно на частицах пыли кристаллизуется вода.
Если ледяные узоры появились на окнах ПВХ - это означает, что окна установлены не совсем правильно, недостаточно уплотнены специальной резинкой, стеклопакет не герметичен... Обращайтесь в