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.
Снаружи сосулька покрыта тонким слоем воды и как бы заключена в жидкие ножны. Замерзание на внешней поверхности раздела лед-жидкость происходит очень быстро, поскольку теплота, выделяющаяся при замерзании воды, быстро проходит через жидкую воду и передается воздуху. (Маено и Такохаси обнаружили, что жидкие ножны на активно растущих сосульках бывают не толще 0,1 мм). Температура на поверхности замерзания равна точке замерзания воды; последняя составляет 0 °C для чистой воды, но может быть ниже, если вода содержит примеси. Температура в остальном объеме жидкости несколько ниже точки замерзания (явление, известное как переохлаждение). Наиболее охлаждена вода, соприкасающаяся с воздухом, который, разумеется, может быть гораздо холоднее, чем вода.
Ч.Найт из Национального центра атмосферных исследований в Боулдере, шт. Колорадо, указывает, что сосульки могут расти и тогда, когда температура воздуха выше точки замерзания, при условии, что воздух содержит мало водяного пара. Если концентрация водяного пара невелика, с внешней поверхности жидких ножен сосульки вода испаряется. Когда молекулы воды покидают жидкость, они уносят с собой энергию, что приводит к переохлаждению поверхностного слоя жидкости. Охлажденная вода играет роль тепловой «свалки», принимающей теплоту, которая выделяется при замерзании воды у поверхности льда.
Источник: статья Дж. Уолкера в журнале «В мире науки» № 7, 1988, стр.74–78.
• ВОПРОС № 44: Почему при закате солнце разделяется полосой?
ОТВЕТ: Иногда, когда Солнце находится низко над горизонтом, можно наблюдать странное искажение его очертаний. Часто углы видимого сегмента закруглены, иногда кажется, что диск состоит из двух частей, соединенных вместе; порой под Солнцем оказывается полоска света, которая поднимается по мере того, как солнечный диск опускается.
Бывает, что Солнце садится не за горизонт, а на расстоянии нескольких минут дуги над ним.
Кажется, что такие искажения появляются чаще вечером, чем утром, и объяснение этому следует искать в метеорологических факторах. В тихие безоблачные дни слои воздуха с различной плотностью меньше перемешиваются, так что искажения в очертаниях солнечного диска можно принять за предзнаменование устойчивого состояния атмосферы и, следовательно, хорошей погоды.
Оптические искажения, описанные выше, объясняются не чем иным, как обычным миражем.
Случай 1. Тонкий слой теплого воздуха покрывает Землю. Тогда мы видим непосредственно Солнце, и в это же самое время под ним — его отражение, причем горизонт лежит между ними. В то время как Солнце садится за видимый горизонт, из-за него встает сплющенное «противосолнце», и оба диска соединяются в том месте, где вот-вот должно исчезнуть действительное Солнце. Оба диска все больше и больше сливаются, приобретая очертания, напоминающие воздушный шар и т. п.
Случай 2. Теперь предположим, что воздух около самой Земли холодный, а выше него лежит теплый слой воздуха (инверсия). Вообразим теперь, что наблюдатель направляет свой взор все более и более горизонтально.
В некотором направлении его взгляд касается верхнего края Солнца; еще ниже его взгляд по отношению к поверхности разрыва становится более наклонен. В горизонтальном направлении он падает на этот слой под таким большим углом, что луч зрения изгибается и не покидает Землю. Если наблюдатель находится над поверхностью Земли, он сможет даже заглянуть вниз под небольшим углом. Если наблюдатель смотрит еще ниже, то угол взгляда на поверхность разрыва уменьшается и опять оказывается настолько малым, что луч зрения уходит за пределы Земли. Поэтому внутри некоторого угла по обе стороны от горизонтального направления ни один луч, выходящий за пределы Земли, не достигает наблюдателя; он видит «слепую полосу».
Рассматривая таким образом строение атмосферы, видно, что Солнце заходит прежде, чем оно достигает фактического горизонта — как только оно попадает в «слепую полосу». Если наблюдатель находится на вершине холма или на палубе корабля, он, вероятно, сможет увидеть нижний край Солнца, появляющийся под «слепой полосой». Изображения, конечно, будут искажены в вертикальном направлении; над «слепой полосой» сжаты по вертикали, под ней — вытянуты.
Иногда край Солнца имеет несколько небольших зазубрин, которые, по-видимому, указывают на наличие более чем одной поверхности разрыва в атмосфере.
Источник: М.Минарт «Свет и цвет в природе», М., 1958, стр.91–95.
• ВОПРОС № 45: Почему пуля может отрикошетить от поверхности водоема?
ОТВЕТ: Многие наблюдали, как камни плоской формы, которым сообщена скорость с большой горизонтальной составляющей и вращение, обеспечивающее сохранение малого наклона плоскости камня к горизонту, при соприкосновении с водой легко отскакивают вверх от воды, иногда несколько раз. Очевидно, что в явлении такого водяного рикошета горизонтальная скорость играет основную роль. При отсутствии горизонтальной скорости плоский тяжелый камень не может отскочить от воды. Многократное рикошетирование свидетельствует о небольшой потере горизонтальной скорости во время соприкосновения с водой. Хорошо известно также рикошетирование снарядов. Так, например, круглое ядро диаметром 0,16 м с начальной скоростью 455 м/с может совершить на воде более 22 рикошетов. В настоящее время в артиллерии иногда намеренно производят стрельбу на рикошетах.
Рикошет возникает из-за действия силы реакции воды при входе тела в воду. Оценим эту силу. Для этого перейдем в систему отсчета, связанную с телом. Тогда на него налетает струя воды плотности р со скоростью v в направлении под углом α к поверхности тела. Так как сила, действующая на струю со стороны плоскости, равна скорости изменения проекции импульса Р струи на ось у, перпендикулярную к плоскости тела, то F = ΔРу/Δt = P∙sin α/Δt. За время Δt на плоскость попадает объем жидкости V = SvΔt с массой М = pV и импульсом Р = Mv = PSv2Δt, где S — площадь сечения струи. Поэтому F = pSv2sin α. Для описанного выше ядра, эта сила составляет около 106 Н, что в несколько тысяч раз больше веса ядра.
