Прогресс лишил жителей крупных городов возможности любоваться морозными узорами
Поэтесса из Тюрингии Евгения Марлитт однажды написала прекрасное стихотворение о цветах, расцветающих зимними ночами на окнах. Где же теперь эти волшебные морозные узоры? Сейчас их не увидишь на кухонном окне, только если на даче. К этому привело утепление домов, пишет газета Tagesspiegel.
Раньше десятиградусный мороз на улице отделяло от двадцатиградусного тепла в помещении всего одно тонкое стекло. Температура этого стекла с его внутренней стороны была примерно минус один градус. Когда вечером прекращали топить печь, она опускалась еще ниже. На нем замерзали капельки воды. Они образовывали кристаллы вокруг мелких частиц грязи на стекле. Затем кристаллы росли, предпочитая углы и края, и разветвлялись. Так возникали ледяные цветы, ни один из которых не был похож на другой.
Влага поступала из воздуха в комнате. Когда воздух охлаждается, содержание влаги в нем уменьшается. Поэтому при падении температуры вода осаждается на поверхностях: как иней на стеклах автомобиля или кухонном окне.
На двойном стеклопакете не могут возникнуть морозные узоры, говорит Вернер Вери, метеоролог из Свободного университета Берлина. "Наружный холод уже не достигает внутренних стекол". При минус 10 на улице и плюс 20 в помещении внутренняя поверхность той стороны двойного стекла, которая находится в комнате, превышает восемь градусов. При использовании специальных теплозащитных стекол она выше еще на пять градусов.
"Вот и исчезли великолепные картины", - писала Евгения Марлитт. Но мы не должны слишком горевать об этом.
По материалам: NEWSru
МОРОЗНЫЕ УЗОРЫ НА ОКНАХ
(Наблюдения и размышления биолога)
А.А.Любищев, д.б.н.
Они так хорошо всем известны и так обычны, что на них почти не обращают внимания и, хотя часто они очень красивы, даже принимают меры, чтобы эти узоры не появлялись на окнах. Несравненно более изучены снежинки — о них писал еще великий Кеплер в начале XVII века. Изданы даже атласы снежинок, лучший из них — это поразительная коллекция снимков, сделанных за сорок лет метеорологом-любителем.
Но морозные узоры, появляющиеся в жилище человека, во многих отношениях интереснее снежинок. И хотя они весьма просты по химическому составу, узоры эти отличаются большим разнообразием, своеобразной структурой и часто напоминают формы организмов или их частей. Немцы называют такие узоры «айсблюмен», то есть ледяные цветы. И в самом деле, среди них часты древовидные образования и волокнистые структуры. Наш выдающийся биолог К.А.Тимирязев указывал на сходство густо заросшего разнообразными растительными формами клочка земли с фантастическими ландшафтами, которые мороз рисует на окнах: «Во втором случае мы увидим те же травчатые узоры, напоминающие листья папоротника или пальмы, то же бесконечное разнообразие самых причудливых форм... Картины сходные, но как различен строй мыслей, вызываемых той и другой». Сходство с растениями многих морозных узоров действительно удивительное. Один из рисунков квалифицированный ботаник принял за фотографию чертополоха, в других — очевидное сходство с деталью классического коринфского капителя, листьями пальмы, корневищем растения с отходящими от него листьями, подобием мхов и лишайников. Попадаются и узоры, состоящие из нитей, часто с параллельными отростками.
Сходство морозных узоров друг с другом подмечено и физиками и ботаниками, однако ни те, ни другие много над этим не размышляли. Объяснение тому на первый взгляд простое. Физики так завалены своей потрясающе трудной и вместе с тем плодотворной работой, что им некогда заниматься такими пустяками, как морозные узоры, а ботаников это не касается: ведь это же не растения, а только образования, случайно сходные с ними. «Ничья земля», на которую никто не претендует...
Но можно указать и на гораздо более глубокие причины такого равнодушия ученых к красоте и правильности морозных узоров — надо лишь, как советовал наш знаменитый биолог К. Э. Бэр, добавить к наблюдениям размышления.Перед нами — случай сходства совершенно различных образований. Чем вообще может объясняться сходство?Первое основание для сходства — просто случай: облака принимают иногда фигуры людей, коней, одна скала в Крыму чрезвычайно сходна с бюстом Екатерины II в профиль и т. п. В старину любили гадать, выливая в холодную воду расплавленный воск или олово, и по образовавшимся фигурам судить о будущем.Второе основание — история. Большое сходство в расположении костей и других частей организма современная сравнительная анатомия объясняет тем, что очень внешне несходные организмы, например, лошадь и летучая мышь, имели чрезвычайно сходных или даже тождественных предков.Третье основание — приспособление: форма тела дельфина и акулы в общем сходна, так как она отвечает задаче обтекаемости, позволяющей достигнуть возможно большей скорости; даже современные подводные лодки не достигли скорости некоторых рыб.Четвертое основание: влияние внешних условий, то, что можно назвать экологическим основанием. Это — чисто пассивное приспособление к окружающим условиям, подобно тому как жидкость, налитая в рюмку, принимает форму полости рюмки. По сравнению с сердцем, легкими, почками печень не имеет своей формы: она просто заполняет промежутки между остальными органами.Пятое основание: миметизм, то есть сходство организма, например некоторых мух, жуков или бабочек, с другим организмом — пчелой, осой,—защищенным своей ядовитостью. Это тоже входит в экологическое сходство в широком смысле слова, но «среда» здесь является другим организмом.
Шестое основание: химический состав.
И, наконец, седьмое, вероятно, самое обширное и разнородное основание: математические и физические законы роста и строения тел.
Какое же основание можно привести для сходства морозных узоров и частей организмов? Сразу надо отвергнуть случайное сходство. Мы не удивляемся, если видим облако, похожее, скажем, на лошадь, но что бы мы сказали, если бы увидели в облаках целый табун лошадей? А в морозных узорах мы как раз и наблюдаем на одном стекле целые табуны сходных образований. Естественно, отпадают и основания второе, третье и пятое. Отпадает и шестое, так как химический состав во всех узорах — вода, почти химически чистая, ибо узор осаждается из водяных паров, а между химическим составом воды и растений сходство только то, что в растениях много воды.Остаются только два — четвертое и седьмое основания. Но и влиянием внешних условий трудно объяснить разнообразие узоров: ведь очень часто на двух соседних стеклах—самые разнообразные рисунки и даже на одном стекле могут быть разные образования. Остается, следовательно, седьмое: законы образования твердых тел из пара, то есть частные случаи законов кристаллизации.
И вот тут-то мы начинаем понимать, почему физики до сих пор не удосужились как следует заняться этими узорами. Ответ на это нам дает история кристаллографии и минералогии. Разнообразие естественных кристаллов давно поражало ученых, но даже великие умы терялись в этом калейдоскопе форм. Знаменитый Бюффон в конце XVIII столетия выражал мысль, что формы кристаллизации более разнообразны, чем какой-то другой признак, отличающий минералы. Естественно, признавая такое разнообразие, зависящее, конечно, от внешних условий, ученые типа Бюффона не могли построить рациональную классификацию кристаллов. Но современники и соотечественники Бюффона — Роме де Лиль и особенно Гаюи — считали, что главное — не внешние условия, а структура и геометрия, и одно это предположение уже привело к открытию некоторых точных законов. Но в начале XIX века выдающийся шведский химик Берцелиус выдвинул положение, что минералогия есть просто часть химии и никакой иной научной базы, кроме химической, иметь не может. Возникла полемика с Гаюи, отстаивавшим геометрический подход. Противники не примирились, но в конце XIX века геометрическая линия Гаюи завершилась одним из величайших триумфов математического естествознания — построением в 189! году строго рациональной систематики кристаллов Е.С.Федоровым и А.Шенфлисом. Оказалось, что есть всего 7 систем. 32 класса и 230 возможных комбинации симметрии и за пределы этой системы ни один из кристаллов выйти не может. Но те ученые, которых интересовала химия, а не геометрия, не остались в накладе. Ведь новая система продолжает принцип Гаюи: все кристаллы состоят из одинаковых элементов, полностью заполняющих пространство. Именно эта идея и была развита Федоровым в учении о стереоэдрах — многогранниках, заполняющих пространство, и параллелоэдрах — частный случай стереоэдров. заполняющих пространство при параллельном перенесении. Он даже нашел новые параллелоэдры. не известные ранее, которые и названы по справедливости «телами Федорова».
Метод Федорова, находясь в полном согласии с химическими представлениями, шире химнн, так как основан на чисто геометрических постулатах, могущих иметь приложение и за пределами химии. Но значит ли, что подход к систематике минералов Федорова является единственным, что он исчерпывает всю кристаллографию и минералогию? Конечно, нет. Уже в XX веке другой наш выдающийся ученый, А.Е.Ферсман, превосходно зная и, конечно, восхищаясь геометрической классификацией, сделал попытку внести исторический элемент в классификацию минералов, исходя из гипотез, связанных с очагами их новообразования.
Hу, а как Бюффон, как экологическое направление — объяснение разнообразия внешними условиями? Вовсе сдано в архив? Тоже нет. Сейчас разрабатывается теория, стремящаяся объяснить, почему из огромного разнообразия мыслимых форм кристаллов в одних случаях мы имеем для того же вещества одни формы, в других — другие. Как в генетике организмов особенности образовавшегося организма (фенотип) являются равнодействующей генотипа (наследственная основа) и внешней среды, так и в образовании кристаллов влияние внешней среды имеет огромное значение. Я видел коллекцию кристаллов гипса, собранных в окрестностях Ульяновска моим другом К. А, Кабановым. При одинаковости химического состава — огромное разнообразие, конечно, в рамках системы Федорова. Константин Андреевич Кабанов связывал это разнообразие с условиями образования кристаллов и говорил мне, что по характеру кристалла уже можно догадаться об этих условиях.
Еще в большей степени условия образования сказываются на снежинках, богатство форм которых поражало всех наблюдателей. Здесь уже нарушен основной постулат: заполнение пространства. Лучи снежинок могут торчать в стороны, и на каждом луче получаются дополнительные отростки, совсем не вытекающие из гексагональной (шестилучевой) симметрии. Но вся снежинка, как правило, подчинена шестилучевой симметрии: это почти единственное, что осталось от рациональной систематики кристаллов.
Переходя же к ледяным узорам, мы видим, что всякий след шестилучевой симметрии и вовсе исчезает. Классификация Е.С.Федорова к ледяным узорам не приложима, так как здесь совершенно не действует основной постулат Федорова: заполнение пространства элементами данного тела. Нет федоровских форм симметрии, а имеется все-таки какая-то новая симметрия, свойственная самому телу, а не внесенная извне, как в калейдоскопе. Ледяные узоры — не калейдоскопические фигуры.
Видимо, мыслима какая-то новая кристаллография, которую с полным правом, по образцу неевклидовой геометрии, можно назвать «нефедоровской» и которая должна быть построена на своих постулатах, возможно, весьма общих с постулатами, лежащими в основе некоторых форм биологической симметрии. Я думаю поэтому, что физики обращали так мало внимания на ледяные узоры не потому, что это считали пустяками (для истинного ученого нет пустяков в природе), а потому, что еще не наступил момент для нарождения нефедоровской кристаллографии.
Развитие биологии убедило ученых, что есть в природе законы, ограничивающие многообразие форм и регулирующие развитие. Я упомяну прежде всего закон гомологических рядов незабвенного Николая Ивановича Вавилова и учение о номогенезе, развитое Львом Семеновичем Бергом. Седьмое основание сходства, игнорируемое в биологии (его вытеснило второе — историческое обоснование), все больше и больше привлекает к себе внимание, и тогда мы и на ледяные узоры можем посмотреть совсем иными глазами. Сейчас мы начинаем понимать, что есть, видимо, законы, управляющие образованием форм в биологии, и некоторые из них сходны с законами, управляющими образованием форм на некоторых уровнях неорганического мира. Своеобразные формы симметрии давно обращали внимание ученых у ряда низших организмов (радиолярии, губки и другие). Сходство узоров и листьев приобретает глубокий смысл и побуждает нас пытаться раскрыть эти неизвестные законы вместе с физиками и математиками.
В заключение — несколько слов по вопросу, о котором серьезные биологи предпочитают не разговаривать, — о красоте. Ледяные узоры очень красивы и, я слыхал, служат даже образцом для наших северных кружевниц. А что такое красота? Одно из самых загадочных явлений природы. И как в законах строения и развития природных тел мы имеем разные уровни, так есть они и в прекрасном. И на самом высшем уровне, может быть, находятся абстрактнейшие математические теории и высшие музыкальные творения гениальных композиторов. Не всем дано подняться на эти вершины, но, как в капле воды отражается солнце, так некоторый намек на высшую красоту мы можем постичь, внимательно рассматривая такое скромное явление природы, как ледяные узоры на стеклах. Мудро сказано в Талмуде: «Чтобы познать невидимое, смотри внимательнее на видимое».
Вспомним и нашего Гоголя, высоко ценившего писателя, «дерзнувшего вызвать наружу все, что ежеминутно перед очами и чего не зрят равнодушные очи».
Какие узоры рисует мороз?
Автор текста Эмилия Анатольевна Мендельсон - ведущий климатолог Отдела автоматизированной обработки гидрометеорологической информации и Татьяна Ивановна Майорова - ведущий климатолог Отдела автоматизированной обработки гидрометеорологической информации.
Пейзаж тропического лета
Рисует стужа на окне,
Зачем ей розы? Видно это
Зима тоскует о весне. (Д. Кедрин)
Зима у нас длится долго. В природе господствует двухцветная зимняя графика: белое и чёрное. Но нельзя сказать, что нет в это время года ничего красивого, необыкновенного. А зимние, морозные узоры, которые создаёт природа? Это и причудливые рисунки на стёклах, иней на деревьях, инеевые цветы на замерзающих реках и озёрах, сибирская или полярная изморозь, и звёздная пороша - лють.
Происхождение их в основном связано с кристаллизацией переохлаждённых капель воды, тумана, мороси. Общность их происхождения роднит, делает похожими, но конкретные условия образования: влажность воздуха, перепады температуры, подстилающей поверхности, направление и скорость ветра никогда не бывают одинаковыми, отсюда - непохожесть.
При достаточно влажном воздухе в тихую морозную погоду на ветвях и деревьях, на проводах и других предметах появляется изморозь - или отложение ледяных кристаллов. Они выглядят необыкновенно красиво и придают лесу, парку поразительную нарядность, жаль только, что под прямыми лучами солнца с усилением ветра они начинают быстро исчезать. Этот белый наряд чаще всего называют инеем, но, как считает учёный и известный популяризатор гидрометеорологических знаний М. Софер, это - неверно.
Иней никогда не образуется на тонких, ветвистых предметах. А изморозь, наоборот, осаждается главным образом на проводах, на вертикальных или наклонных ветках кустов и деревьев. Иней – или очень мелкие кристаллики, похожие на крошечные снежинки, чаще всего ложится в холодные ясные и тихие ночи на ещё не покрытую снегом рыхлую почву или на шероховатые стены домов, на скамейки. Образуются красивые белые пятна с причудливыми узорами, художник-мороз рисует свои пальмы и хризантемы, а слабый ветерок помогает более быстрому росту кристалликов.
Аналогичное происхождение имеют и морозные узоры в домах на стёклах окон, особенно в сельской местности, где преобладает печное отопление. Охлаждённое ниже 0°C стекло осаждает на внутренней стороне влагу более тёплого окружающего воздуха. Водяной пар, сублимируясь, выращивает отдельно стоящие кристаллики. При потеплении бархатный налёт сливается, рисунок пропадает. Мотив и композицию затейливых картинок, кроме влажности и температуры, определяет само стекло, его структура, теплопроводность, теплоёмкость, чистота поверхности. Согласно народным приметам, прямые рисунки предвещают ещё большие холода, косые – оттепели, а более замысловатые узоры – к снегопаду.
Приходилось ли Вам наблюдать за хрустальными инеевыми цветами в момент замерзания рек и озёр? А природа этих морозных букетов такова: они возникают из пара, пробивающегося от воды, через капиллярные трещины кроющего льда. При резком понижении температуры, водяной пар застывает, отлагаясь в виде ледяных кристаллов из которых и состоят причудливые цветы.
Что касается процесса образования изморози, то он сложен и во многом ещё не ясен. Многолетние наблюдения показывают, что изморозь образуется в результате сублимации водяного пара и состоит из кристалликов льда, нарастающих главным образом на тонких длинных предметах с наветренной стороны при слабом ветре и температуре ниже -15°C. Различают изморозь кристаллическую и зернистую. Для образования обоих видов изморози кроме минусовой температуры необходимо ещё одно условие – туман или густая дымка, то есть достаточное количество водяного пара в воздухе. Чем ниже температура, тем более нежной и ажурной бывает изморозь. Её ещё называют "сибирской" или "полярной".
Иногда в зимние дни, когда на небе после ненастья уже нет ни туч, ни даже лёгких облаков, в воздухе кружатся отдельные искры-хрусталики, шестигранные звёздочки, иглистые, чистые, удивительно правильной формы. И так весь день может сыпаться звёздная пороша. В народе раньше говорили: "лють летит".
***************************************************************************
"В 1965 года он занят разглядыванием морозных узоров на окнах. Он делает сотни фотографий этих узоров и наконец пишет статью «О морозных узорах на окнах». Его нисколько не смущает эта фельетонная тема, отличный повод для насмешек - морозные узоры на окнах, из которых отставной профессор пытается высосать науку. Что нового можно сказать об этом всем известном явлении? Кто не любовался мохнатыми зарослями, которые рисует мороз на стеклах? Каждый открывал странное сходство этих рисунков с растениями, папоротниками, травой, с древесным миром. Дело в том, что и картина эта, и человеческое удивление насчитывает уж сотню- другую лет, тираж наблюдений составляет миллионы, миллиарды раз, - так что вряд ли можно было увидеть тут что-то новое. Но в один прекрасный зимний день появляется человек, который смотрит на эти узоры, откуда никто никогда не смотрел. Не сходство обнаруживает он, а закономерность сходства. Он делает всего-навсего один шаг дальше, начинает оттуда, где все удовлетворенно останавливаются. Закономерность сходства, а значит - общие законы строения и гармонии в естественных системах. Их можно выразить математически. Юлий Анатольевич Шрейдер - один из исследователей творчества Любищева- пишет, что в этой статье Любищев выдвигает две новые отрасли науки: теорию сходства и теорию «симметричных форм, не заполняющих пространство». Морозные узоры вдруг нежданно-негаданно дополняют общую картину мира, которую создает Любишев. Он берет материал для нее отовсюду, из самых обыденных, примелькавшихся явлений, он открывает новый, более глубокий уровень понимания - и обычное становится необычным. Для настоящего ученого источником открытия могут быть вещи самые ничтожные. ""Физико-химическим гравированием можно назвать технологию создания на поверхности стекла узоров типа "мороз" или "изморозь". Методика основана на физико-химических процессах происходящих при взаимодействии стекла с компонентами костного или мездрового клея при его высыхании и затвердевании. Связи, возникающие между частицами стекла и клея оказываются более прочными, чем силы сцепления частиц стекла между собой. Вследствие этого, в клеевом слое при высыхании и затвердевании возникают механические напряжения, деформирующие его таким образом, что клей вырывает с поверхности стекла частицы, оставляя раковины различной формы, которые создают уникальный рисунок, напоминающий морозные узоры на заиндевевших зимой окнах."
**************************************************************************""
Морозные узоры" на стекле получают с помощью столярного клея. Для этого стеклу сначала придают матовость, обрабатывая песком вручную или пескоструйным аппаратом. На матовую поверхность наносят двух-трехмиллиметровый слой горячего крепкого раствора столярного клея. Высыхая, клей отрывает тонкую пленку стекла, которая легко снимается щеткой."
***************************************************************************
"Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. При охлаждении от 0 до – 6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности." -> http://otvet.mail.ru/question/10579015/"Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов. Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры По мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются. В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.Трихиты образуются у острых краев царапин на поверхности охлаждающегося твердого тела. При этом вначале кристаллы образуют узкие параллельные полоски инея, вырождающиеся при дальнейшем охлаждении в достаточно плотные ледяные волокна, исходящие от основного стебля. В большинстве случаев как основное волокно, так и прилегающие к нему тонкие полоски инея слегка изогнуты.При осаждении льда вблизи охлаждающейся поверхности отмечаются колебания температуры величиной до 0,5°C, что указывает на существование в этой области ощутимой конвекции.Известно, что крепкая серная кислота хорошо поглощает воду. Если между рамами окна поставить стаканчик с такой кислотой, основное количество водяного пара из пространства между стеклами поглотится ею, и отложения льда на окне при не очень сильных морозах происходить не будет. (Я, правда, ещё не встречала человека, последовавшего этому совету )Тщательная теплоизоляция внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой не допускает сильного охлаждения прилежащего изнутри к стеклу слоя воздуха, что также не благоприятствует осаждению льда на внутренней стороне стекла. С помощью этих мер затрудняется образование морозных узоров на окнах и обеспечивается необходимая прозрачность оконных стекол в зимнее время."
ЛЕДЯНЫЕ УЗОРЫ
Иногда холодным утром замечаешь, что окна домов и машин покрыты морозным узором в форме листьев, папоротника и ветвей. Как это происходит?
Разукрашенные морозом окна спален по утрам - это уже дело прошлого благодаря центральному отоплению и изоляционным свойствам окон с двойным остеклением. Но если у Вас до сих пор окна с одинарным остеклением, тогда, проснувшись зимним утром, вместо улицы Вы увидите папоротникообразные узоры на стекле.
В морозную ночь оконное стекло очень быстро теряет тепло, охлаждая молекулы водяного пара в воздухе помещения возле окна. Температура молекул воды в воздухе может упасть ниже точки замерзания, но сами молекулы при этом не замерзнут. Однако при соприкосновении с холодным стеклом этот переохлажденный водяной пар мгновенно, минуя стадию воды, превращается в лед.
Из молекул, скопившихся в крошечных царапинах на стекле, формируется затравочный кристалл, из которого затем произрастают замысловатые узоры. Если взглянуть на этот кристалл с очень близкого расстояния, можно заметить множество химических связей, отходящих от точек его поверхности. Молекулы водяного пара цепляются за эти химические связи, и кристаллы быстро растут. Структура замысловатых разветвлений зависит от температуры и влажности воздуха, а также от степени гладкости и чистоты стекла. Если воздух сухой, молекулы воды медленно конденсируются из воздуха, группируясь в устойчивые шестигранники. Шесть прямых относительно гладких граней этих кристаллов имеют очень мало свободных связей, так что молекулам воды почти не за что зацепиться.
Узоры в виде перьев, как правило, формируются на чистых оконных стеклах, когда воздух насыщен молекулами воды. В этих условиях большое количество молекул водяного пара бомбардируют затравочный кристалл и устойчивые шестигранники не успевают сформироваться. Молекулы цепляются за свободные связи, торчащие из выпуклостей кристалла, вследствие чего эти выпуклости увеличиваются в размерах еще быстрее и в итоге вырастают в большие ответвления, а выпуклости на ответвлениях, в свою очередь, превращаются в кружевные листья.
