На поверхности многих сосулек заметны кольцевые бороздки, будто лёд нарастал отдельными ступенями. Такие выступы появляются не просто из-за чередования мороза и оттепели. Эксперименты физиков показали, что на форму сосульки заметно влияет даже небольшое количество растворённых примесей в воде.
Сосулька растёт, когда талая вода стекает с края крыши, ветки или другого холодного предмета. Часть жидкости замерзает по пути вниз, а капли на кончике постепенно удлиняют ледяной выступ. Но гладкой и ровной его поверхность получается далеко не всегда.
В 2023 году исследователи из Амстердамского университета описали лабораторные опыты с сосульками, выращенными из воды разной чистоты. Работу опубликовали в журнале Physical Review Applied. Учёные сравнивали форму ледяных образований и движение воды на их поверхности.
Неожиданный результат заключался в том, что сосульки из ультрачистой воды не образовывали привычных регулярных колец. Они росли менее упорядоченно, напоминая застывающие потёки воска. А добавление небольшого количества соли приводило к появлению выраженных поперечных волн.
Причина связана с тем, как вода с примесями ведёт себя во время замерзания. Растущий кристалл льда неохотно включает в свою структуру растворённые вещества, поэтому они накапливаются в оставшейся жидкости. На поверхности сосульки возникает тонкий водный слой с повышенной концентрацией примесей.
Такой слой помогает воде распределяться по ледяной поверхности, а не собираться только в отдельные капли. При дальнейшем охлаждении жидкость замерзает неравномерно, и небольшие неровности могут усиливаться. Постепенно вокруг сосульки формируются характерные кольцевые выступы.
В лабораторных условиях расстояние между соседними волнами составляло примерно один сантиметр. При этом выраженность бороздок менялась с количеством примесей, а характерный масштаб волн оставался близким. Это не означает, что каждая природная сосулька обязана иметь строго одинаковые кольца.
Для наблюдения за движением воды исследователи использовали краситель, позволяющий различать жидкую и замёрзшую фазы. На сосульках с добавленной солью было видно сплошную тонкую водную плёнку. У образцов из особо чистой воды вместо неё оставались отдельные стекающие капли.
Соль в этом опыте не служила своеобразным строительным материалом для ребристого льда. Она меняла условия смачивания поверхности и распределения жидкой воды. Поэтому объяснять появление колец только тем, что солёная вода замерзает при более низкой температуре, было бы слишком упрощённо.
Ранее исследователи Университета Торонто также наблюдали, как примеси распределяются внутри растущих сосулек. В образцах обнаруживали включения незамёрзшей жидкости, расположенные характерными узорами. Эти результаты помогают понять, почему внешний рисунок льда связан с процессами внутри него.
В природных условиях вода редко бывает идеально чистой. В ней могут присутствовать растворённые минеральные вещества и другие микроскопические примеси. Поэтому ребристые сосульки часто встречаются на карнизах, ветвях и различных конструкциях.
Внешний вид сосульки зависит не только от химического состава воды. Значение имеют температура воздуха, скорость поступления капель, ветер и форма поверхности, с которой они стекают. Эти факторы влияют на скорость роста и могут делать бороздки менее заметными.
По одному лишь количеству колец нельзя надёжно определить возраст сосульки или точную температуру её образования. Ребристость отражает сложное взаимодействие течения воды и замерзания. Отдельные выступы не являются универсальным календарём ночных похолоданий.
Изучение сосулек интересно не только как объяснение зимнего явления. Похожие процессы роста льда происходят на проводах, мостах и других открытых конструкциях. Понимание того, как вода распределяется и замерзает на поверхности, помогает совершенствовать физические модели обледенения.
Итак, характерные рёбра на сосульках возникают благодаря неустойчивому росту ледяной поверхности под тонкой плёнкой воды с примесями. Вода высокой степени очистки в экспериментах давала совсем другую форму. Обычные зимние сосульки наглядно показывают, как небольшое изменение состава жидкости способно изменить форму растущего льда.