Загадки зимы

Легендарный Яков Перельман раскрывает загадки зимы в 1931 году, отвечая на вопросы: почему снег белый, почему тени на снегу синие, почему снег греет и почему человек на лыжах не проваливается в снег.

Журнал: «Вокруг света» № 2, 1931 год
Текст: Яков Перельман — русский и советский математик, физик, журналист и педагог. Член Русского общества любителей мироведения, популяризатор точных наук, основоположник жанра занимательной науки, автор понятия «научно-фантастическое».

Почему снег белый?

В самом деле, почему снег белого цвета? Ведь снег — тот же лед (мелкие кристаллики льда), а лед вовсе не белый, он — прозрачен. Казалось бы, снег тоже должен быть прозрачен и бесцветен.

Снег имеет белый цвет по той же причине, по какой кажется белым толченое стекло и вообще всякие измельченные прозрачные вещества. Растолките лед в ступке или наскребите его ножом —и у вас получится порошок белого цвета. Цвет этот обусловлен тем, что лучи света, проникая в мелкие кусочки прозрачного льда, не проходят сквозь них, а отражаются внутри, на границе льдинок и воздуха.

Поверхность же, беспорядочно рассеивающая во все стороны падающие на нее лучи, воспринимается глазом как белая.

Значит, причина белого цвета снега -— его раздробленность (рыхлость). Если промежуток между крупицами (льдинками) снега заполнить хотя бы водой, снег утрачивает белый цвет и становится прозрачным. Такой опыт нетрудно проделать, если вы насыплете снега в банку и нальете туда воды: снег на ваших глазах из белого сделается бесцветным, прозрачным.

Почему снег греет?

То, что снег греет покрытую им почву, — несомненный факт, в этом нетрудно убедиться, если в морозный день зарыть термометры в землю под снегом и в землю, обнаженную от снега. Разница в показаниях термометров будет очень значительна. Но как может снег, этот раздробленный лед, греть землю? Казалось бы он должен ее холодить, а не согревать.

В сущности снег не согревает почву, не сообщает ей тепла, как греет печка, — снег греет лишь в том смысле, в каком греет нас одежда или одеяло. Роль одежды или одеяла состоит в том, что они замедляют отток тепла от нашего тела. Точно также и снег мешает теплоте почвы уходить из нее. Почва, покрываясь снегом после теплого времени года, содержит в себе большой запас теплоты, и этот запас быстро ушел бы из нее в морозное время, если бы этому не препятствовал снежный покров.

Итак, выражаясь технически, снег — не источник тепла, а «тепловой изолятор», «дурной проводник теплоты». В этом отношении он сходен со всеми рыхлыми веществами, содержащими в себе много воздуха: с шерстью, с мехом, с почвой, с древесиной и т. д. Дурно проводит теплоту не столько плотное вещество шерсти, меха, снега и т. д., сколько заключающийся в их порах воздух. Значит снег греет по той же причине, по какой он — белый: в обоих случаях причина — рыхлость снега.

Почему на лыжах не проваливаются в снег?

Рыхлость снега обусловливает то, что человек не может удержаться на его поверхности, он проваливается. Здесь, конечно, нет ничего удивительного. Удивительно другое— почему человек на лыжах не проваливается? Ведь лыжник безусловно весит больше, чем человек без лыж. Можно бы ожидать как раз обратного — что лыжник скорее провалится в снег, чем пешеход без лыж.

Разгадка такова. Надо различать вес от давления, т. е. от веса, приходящегося на один квадратный сантиметр опоры. Человек весит, скажем, 60 килограммов (или 60000 граммов) и опирается на подошвы своих ног, т. е. в общем примерно на 40 квадратных сантиметров. Его давление на опору составляет 69.000:40 = 1500 граммов на квадратный сантиметр. Стоя на лыжах, тот же человек весит на какой-нибудь килограмм больше, но опирается на гораздо большую площадь, — примерно на площадь в 4000 квадратных сантиметров.

Давление его на снег составляет тогда 60.000:4.000 = 15 граммов на квадратный сантиметр. Вы видите, что лыжник давит на снег раз в сто слабее, чем пешеход без лыж. Неудивительно, что первый не проваливается в снег, а второй проваливается.

Почему лед скользит?

Если вы думаете, что лед скользок оттого, что он гладок, то вы ошибаетесь: негладкий, бугристый лед еще более скользок. Причина скользкости льда совсем иная. Лед принадлежит к тем немногим телам природы, которые, если их сильно сдавливают, плавятся при более низкой температуре. Лед под давлением тает не при 0°, а при минус 1°, минус 2° и т. д. Когда мы ступаем на лед, мы сдавливаем его своей тяжестью и точка его таяния опускается ниже нуля. Если мороз умеренный, то обычно точка таяния льда под нашими ногами опускается ниже его собственной температуры, и тогда он начинает таять. Под ногами появляется тонкий слой воды, и лед становится скользким.

Еще заметнее это проявляется под коньками или полозьями саней, потому что в этих случаях благодаря малой площади опоры (лезвие конька) давление достигает значительной величины. Наоборот, год лыжами таяние снега из-за незначительности давления невелико, и чтобы они хорошо скользили, приходится их смазывать.
Читатель сам сообразит теперь, почему в сильные морозы ледяной каток не бывает скользок, а сани туго идут по снегу.

Почему реки не промерзают до дна?

Причину указать нетрудно: потому, что лед легче воды, и, кроме того, потому, что лед и вода — плохие проводники тепла. Будучи легче воды, лед плавает на ее поверхности. Эта ледяная кора ограждает воду от дальнейшего охлаждения и промерзания.

К этому присоединяется еще одна особенность воды: при охлаждении от +4° до 0° она не сжимается, а расширяется. Поэтому вода, прилегающая ко льду, охлаждаясь, не опускается вниз, а остается, как более легкая, наверху. Лежащие глубже слои воды должны, остывая, провести свою теплоту через толщу воды и льда поверх них, а это совершается крайне медленно. В Неве, например, за всю зиму лед успевает нарасти всего на 1 метр (и то лишь в суровые зимы).

Почему снег тает постепенно?

Наступила оттепель, воздух имеет температуру выше нуля. При такой температуре снег должен таять. Он и тает, но не весь сразу, а медленно, постепенно. Оттепель иной раз стоит целые недели, в воздухе тепло, а снег все еще не весь растаял. Для нас очень благоприятна такая медлительность таяния: иначе мы были бы затоплены потоками внезапно появившейся воды.

Интересно знать, чем же эта медленность обусловлена? Исключительно тем, что для растапливания льда и снега недостаточно нагреть их до 0°, а необходимо подвести еще значительное количество теплоты, которая не улавливается термометром, а расходуется исключительно на плавление. Эта добавочная теплота очень значительна, и той теплоты, которая поступает в снег от воздуха, хватает только на растопление небольшой части снега. Оттого то и проходит столько времени, прежде чем весь снег растает.

Почему снег в поле тает медленнее, чем в городе?

Все знают, что когда в городе и вообще близ человеческого жилья снег уже растаял, в полях и лесах он еще лежит толстым пластом. Причина — загрязненность снега близ жилья и чистота его на поле. Темная, загрязненная поверхность поглощает больше солнечных лучей, чем светлая, и оттого грязный снег сильнее нагревается, нежели чисто белый. Если хотите убедиться в этом, положите в солнечный день (в оттепель) на снег два лоскута — черный и белый. Через час черный уйдет в снег (снег под ним подтает), белый же останется на поверхности. Этот поучительный опыт впервые произвел знаменитый Франклин.

Почему тени на снегу синие?

Вероятно каждый из вас наблюдал зимой, что тень, отбрасываемая на снег, не черная, а с заметно синим отливом. Художники это хорошо знают и никогда не рисуют теней на снегу черной краской: такая тень на картине казалась бы просто грязным пятном на снегу, а не тенью.

Тени на снегу синие потому, что они окрашиваются лучами, исходящими от голубого неба. Ведь тени отбрасываются только при ясном небе; в пасмурную погоду теней не бывает. На чисто белой поверхности снега этот синий свет, падающий на затененные места, весьма заметен. Читатель легко поймет, почему лунные тени — не синие; в лунную ночь свод неба — не синего цвета и не окрашивает теней.