«Ледяная шерсть»
Кандидат физико-математических наук Юрий Емельянов (г. Минск). Фото автора
Зимы нынче странные пошли. Вначале вроде приморозит, иной раз и крепко, да ненадолго. К Новому году, как водится, потеплеет, снег сойдёт и наступит длительная оттепель...
Заглянул в рощицу. На фоне пожухлой листвы, зацепившись за полугнилой сучок, ярко белел комок какой-то шерсти. Рядом ещё один, и ещё — дальше. Кто это тут столько шерсти оставил? Ладно бы весной. Тогда понятно: какой-нибудь зверь чесался и зимняя линялая «одёжка» клочьями падала на землю. Такие находки в лесу не редкость. А теперь, в середине зимы, откуда шерсти взяться?
Нагнулся поближе — точь-в-точь как шерсть. Только до невероятности белая. Потянулся рукой и захватил щепоть, чтобы рассмотреть получше. Но когда к глазам приблизил — ничего не увидел! Только пальцы почему-то мокрые стали. Ещё попробовал. Тот же результат! Шерсть мгновенно исчезала, когда я её пытался ухватить. Что за наваждение!?
Всё разъяснилось, когда я поднёс «шерстинку» ко рту и подышал на неё тёплым воздухом. «Шерсть» вдруг начала укорачиваться, а вскоре и вовсе исчезла. Остались только капли воды. Всё это выглядело совершенно невероятным, но пришлось признать очевидное: вовсе это никакая не шерсть, а скопление длинных и очень тонких ледяных «волос». Именно поэтому они и похожи на белые шерстинки.
Как же получилась такая диковина? Уж не сама ли Снежная королева обронила свои ледяные пряди?
Пришлось изрядно покопаться в поисках ответа. Выяснилось, что впервые этот феномен, получивший название «ледяные волосы», описал ещё в 1918 году знаменитый немецкий учёный Альфред Вегенер — тот самый, который создал теорию дрейфа материков. Но секрет образования «ледяных волос» был частично раскрыт лишь совсем недавно (в 2013—2015 годах).
Конечно же, для формирования «ледяной шерсти» прежде всего нужно особое сочетание климатических условий: отсутствие снега, высокая влажность и температура чуть ниже 0°. Но не только. «Снежные волосы» формируются исключительно на субстрате с микроскопическими порами. Такими порами обладает древесина широколиственных деревьев. Чаще всего «волосы» вырастают на полугнилых, упавших на землю небольших отмерших ветках с отслоившейся корой. Поры являются выходами транспортных тоннелей, тянущихся от сердцевины к периферии веток. Именно поэтому «волосы» начинают расти строго перпендикулярно к поверхности древесины, завиваясь в локоны по мере удлинения. То, что «волосы» растут именно на выходах пор, подтверждается тем, что их диаметр (толщина одного «волоса» порядка 10—50 микрон при длине до 10 см!) отлично совпадает с типичным диаметром древесных каналов.
Но каков же физический механизм, управляющий ростом столь диковинного льда?
Для того чтобы «ледяные волосы» росли, нужен, как минимум, постоянный приток жидкой воды. Откуда он берётся?
Во-первых, давно известно, что в порах и капиллярах вода замерзает при более низкой температуре. Это связано с термодинамическим эффектом Гиббса — Томсона. Не будем углубляться в теорию этого феномена, а просто укажем, что дело во взаимодействии воды с поверхностью каналов. Чем меньше размер пор и, соответственно, больше удельная поверхность границы раздела вода — древесина, тем сильнее эффект.
Во-вторых, поддержанию внутренней воды в жидком состоянии способствует также выделяемое при образовании «волос» скрытое тепло. Сами же мохнатые пряди льда обладают теплоизолирующими свойствами, тем самым препятствуя отводу тепла от содержащейся в древесине воды.
Но наличия жидкой воды ещё недостаточно для того, чтобы обеспечить рост льда. Должны быть силы, способствующие «выгону» жидкой воды из каналов. Частично может быть задействован капиллярный эффект, но не он главный. Как выяснилось, основной «двигатель» процесса — явление, обозначаемое термином «сегрегация льда». Когда-то существовала гипотеза, объяснявшая хорошее скольжение коньков по льду тем, что под давлением на поверхности льда образуется тонкий слой жидкой воды. Но количественные оценки показали, что снижение температуры плавления льда под таким давлением крайне незначительно. Истинная причина хорошего скольжения — постоянное присутствие на поверхности льда квазижидкого слоя, состоящего из двух подслоёв: промежуточного подслоя Фарадея и внешнего подслоя Томсона. Подслой Томсона представляет собой собственно жидкую воду. Одна из вероятных причин такой структуры поверхности льда — более низкая энергия системы лёд—вода, чем системы лёд—пар. То есть существование жидкого слоя термодинамически выгодно. В результате на границе пористой среды и формирующегося льда всегда присутствует тонкая прослойка жидкой воды даже при температуре немного ниже точки замерзания. При кристаллизации воды у поверхности возникают силы, притягивающие воду изнутри каналов на поверхность древесины. Вот так работает этот термодинамический насос. И качает он эффективно: скорость роста «волос» достигает 1 см/ч!
Описанный эффект является доминирующим механизмом. Но результат его действия — обычный лёд. И никаких очаровательных кудряшек! Даже если бы они и образовались каким-то чудом, то просуществовали бы очень недолго. Тонкие ледяные нити перекристаллизовались бы в более крупные кристаллы и потеряли свою оригинальность очень быстро. Однако известно, что отросшие «волосы» могут сохранять свою форму в течение нескольких часов и даже дней! Очевидно, что существует некий фактор, который не только определяет форму льда, но и является ингибитором перекристаллизации.
Может показаться неправдоподобным, но для роста «волос» обязательно присутствие необычного ингредиента, ответственного за появление «кудряшек». И это неприметный (похож на белую плесень) древесный гриб эксидиопсис налитый (лат. Exidiopsis effusa). Гриб разрушает древесину, и продукты её распада присутствуют во льду. (Кстати, гипотезу, что «ледяная шерсть» связана с плесневыми грибами, предложил ещё Вегенер, но в то время никто не занялся её проверкой.) К сожалению, как именно эти продукты способствуют формированию элегантной причёски у мёртвых сучков, так и не было выяснено. Но то, что без гриба ничего путного не выйдет, доказано однозначно. После стерилизации древесины вырастить «шерсть» уже не получается, как ни старайся. Вот так: без грибов и «волосы» не растут!
Почему же «волосы» не растут «ёжиком», строго перпендикулярно к поверхности дерева, а часто закручиваются в «локоны»? Дело в том, что скорость роста «волос» увеличивается при понижении температуры. Но поскольку почти всегда существует локальный градиент температуры, то лёд с одной стороны «волос» намерзает быстрее, чем с противоположной. Поэтому и загибаются они в сторону, где температура воздуха выше. На горизонтально лежащих палочках «локоны» обычно закручиваются вниз. И это не действие силы тяжести — просто сверху обычно идёт поток более холодного воздуха. А вот на вертикальных трещинах в коре «локоны» всегда закручиваются в сторону коры и никогда — к голой древесине. Кора обладает термоизолирующими свойствами, и её температура несколько выше голой древесины.
Можно спутать «ледяную шерсть» с некоторыми другими родственными формами льда. Названия их очень похожи, и часто между ними не делают различия, полагая, что происхождение разных форм льда имеет одинаковую природу. Это так лишь отчасти. Основным механизмом образования льда других форм является исключительно эффект сегрегации льда. Но не наличие древесного гриба! (См. статью Л. Смирнова «Грибы мои снежные», «Наука и жизнь» № 1, 2022 г.) Давайте рассмотрим кратко две такие типичные формации.
Игольчатый лёд
Эта форма льда произрастает на мелкозернистой почве (обычно глинистая или с большим содержанием ила) и прочих пористых структурах, например, кирпиче и черепице. Естественно, что субстрат должен быть насыщен водой. Растущие иглы льда часто группируются в более крупные блоки: колонны и гребни. Поскольку контакт между иглами очень тесный, то и образующиеся структуры намного жёстче, чем «ледяная шерсть». Ледяные иглы обычно имеют длину несколько сантиметров. Во время роста они могут поднимать либо отталкивать мелкие частицы почвы. Или кусочки коры.
Они также могут изгибаться и формировать то, что я называю «губы Снежной королевы». Вон их сколько на дне бывшей лужи образовалось. Одна парочка наиболее пухленьких и блестящих мне особенно приглянулась.
На пористой гальке вместо игл вырастают монолитные цилиндры, а иногда даже полые трубы и шапочки.
«Ледяные цветы»
Как и «ледяная шерсть», «ледяные цветы» растут на растительном субстрате. Вот только в последнем случае это не древесина, а стебли недавно отмерших или даже ещё живых растений. Но не любых. Предполагается, что и в этом случае важно наличие хорошо развитых капиллярных каналов от сердцевины стебля к его периферии для подвода воды. Образуется такой лёд на продольных трещинах, возникающих в стеблях из-за мороза. Через трещины выползает гибкая широкая лента льда, испещрённая параллельными полосами, ориентированными в направлении роста, то есть перпендикулярно поверхности субстрата.
Такого чуда я пока не находил. Как найду, тогда и фотографии покажу.
Читайте в любое время
