Снег и лёд состоят из одной и той же воды, но выглядят совсем по-разному. Свежий снег кажется белым, тонкая ледяная пластинка — почти прозрачной, а толща чистого льда иногда приобретает голубой оттенок. Разница возникает не из-за особого «цвета холода», а из-за того, как свет проходит через множество кристаллов и через плотный лёд.
Белый снег — результат многократного рассеяния
Снежный покров — это не сплошной кусок льда. Он состоит из огромного количества ледяных кристаллов, между которыми остаётся воздух. На каждой границе между льдом и воздухом луч света меняет направление, частично отражается и снова попадает на следующую поверхность.
Такое многократное рассеяние быстро возвращает значительную часть падающего света обратно наружу. Видимый солнечный свет содержит разные длины волн, и в рыхлом снегу они в совокупности рассеиваются достаточно равномерно. Поэтому глаз воспринимает поверхность как белую, хотя отдельный кристалл льда прозрачен.
Именно этим объясняется знакомая картина: горсть чистого снега выглядит белой, а растаявшая из неё вода — прозрачной. После таяния исчезает сложная сеть границ «лёд — воздух», которая заставляла свет многократно менять направление.
Почему лёд может казаться прозрачным
В однородном куске льда ситуация другая. Если в нём мало пузырьков, трещин и примесей, свет способен пройти заметное расстояние почти без того интенсивного рассеяния, которое происходит в снегу. Поэтому тонкий чистый лёд кажется прозрачным.
Чем больше внутри пузырьков воздуха и микротрещин, тем сильнее лёд белеет. Эти неоднородности создают дополнительные поверхности, на которых свет рассеивается. По той же причине замёрзшая вода с множеством пузырьков выглядит мутнее прозрачного монолитного льда.
Толщина тоже имеет значение. На коротком пути различия в поглощении разных частей видимого спектра почти незаметны. Когда же свет проходит через большую толщу плотного льда, его спектр постепенно меняется, и цвет становится различимым.
Свежесть снега тоже меняет впечатление: по мере уплотнения и превращения мелких кристаллов в более крупные структура становится менее похожей на рыхлый белый порошок. Оптические свойства зависят не только от вещества, но и от его внутреннего строения.
Откуда появляется голубой оттенок
USGS объясняет голубой цвет массивного льда тем, что красная, то есть более длинноволновая часть белого света, поглощается сильнее, тогда как синяя часть проходит дальше и рассеивается. Поэтому глубокий чистый лёд способен выглядеть голубым, особенно когда путь света внутри него достаточно велик.
У айсбергов картина усложняется структурой льда. NOAA отмечает, что большое количество пузырьков и граней кристаллов делает многие айсберги белыми. По мере уплотнения снега пузырьков становится меньше, кристаллы укрупняются, и свет получает возможность проникать глубже.
Поэтому белый снег, прозрачная сосулька и голубая толща ледника не противоречат друг другу. Во всех трёх случаях перед нами замёрзшая вода, но структура материала и длина пути света различаются. Именно оптика, а не разные вещества, создаёт столь непохожие оттенки зимнего пейзажа.