Тем, кто замечает первый лёд в луже: почему он бывает белым, а бывает прозрачным

Коротко

Белый лёд содержит пузырьки газа, вытесненные растущими кристаллами при замерзании
Пузырьки, примеси и трещины рассеивают свет, из-за чего лёд выглядит белёсым
Быстрое замерзание запирает пузырьки внутри, медленное позволяет им выйти к поверхности
Направленное замерзание с одной стороны помогает вытеснить газы к открытому краю
Соседние участки одной лужи могут различаться по количеству пузырьков и трещин

После первых заморозков лёд в луже белый, будто воду припорошило снегом: почему он побелел, хотя вода была прозрачной?

Вы сможете объяснить ребёнку, откуда берётся белёсый лёд и что можно разглядеть внутри него.

Кажется, всё дело в морозе — но тогда почему два участка одной лужи выглядят по-разному? И почему лёд иногда остаётся прозрачным, хотя вода всё равно замёрзла?

Почему при замерзании появляются пузырьки

В воде растворены газы — кислород и азот. Кристаллическая решётка льда почти не принимает их: пока лёд растёт, он вытесняет газы в оставшуюся жидкую воду. Там они собираются в пузырьки — те самые, которые можно увидеть под замёрзшей поверхностью лужи. Чем дальше продвигается граница замерзания, тем меньше остаётся воды, куда могут смещаться газы.

Теперь пузырькам нужно успеть выбраться.

При быстром замерзании газ не успевает подняться к поверхности и выйти: растущие кристаллы окружают пузырьки и запирают их внутри. При медленном замерзании пузырьки чаще добираются до поверхности, поэтому внутри льда их обычно меньше. Но даже медленный рост не гарантирует прозрачности: пузырёк может остаться там, откуда ему трудно выбраться, а в воде бывают и другие примеси.

Как пузырьки делают лёд белёсым

Пузырьки не окрашивают лёд, а меняют путь света. На каждой границе между льдом и воздухом свет может отклониться. Когда таких границ много, он рассеивается снова и снова вместо того, чтобы почти прямо пройти сквозь лёд. Грязевые частицы, крошечные карманы жидкости и трещины тоже рассеивают свет. Из-за этого сквозь белёсый участок труднее разглядеть то, что находится под ним.

Белизна здесь — работа света.

Белый — не собственный цвет чистого льда. Представьте матовое стекло: прозрачный материал выглядит белёсым из-за множества границ, рассеивающих свет. Сходство неполное: у стекла они обычно находятся на шероховатой поверхности, а у льда часто скрываются внутри. Поэтому гладкая ледяная корочка тоже может казаться мутной: видимая поверхность ровная, а под ней остаются пузырьки и другие включения.

Почему прозрачность зависит от места замерзания

Важно не только то, насколько быстро замерзает вода, но и откуда растёт лёд. Если лужа промерзает с нескольких сторон, газы и примеси сдвигаются к последней незамёрзшей области и могут оказаться заперты там. При направленном замерзании с одной стороны их легче вытеснить к открытому краю. Пузырьки не исчезают по мере роста льда: они остаются в жидкой части, пока не выйдут наружу или не окажутся окружены кристаллами.

Скорость объясняет многое, но не всё.

Вот почему соседние участки одной лужи могут выглядеть по-разному даже при одинаковой погоде. В одном останется больше пузырьков или грязи, появятся трещины, а другой будет прозрачнее. Чистая вода и медленный рост кристаллов повышают шанс получить прозрачный лёд, но имеют значение и пути, по которым газ может выйти. Растворённые соли тоже вытесняются из кристалла и могут остаться в крошечных карманах незамёрзшего раствора.

Что проверить, если лёд кажется белым

Посмотрите, видны ли внутри пузырьки, частицы грязи или тонкие трещины. Всё это рассеивает свет. Под разным углом включения могут быть заметны лучше.
Сравните лёд у края и в центре лужи: там он может расти по-разному. Ищите различия внутри ледяной корочки, а не только на её поверхности.
Не объясняйте белизну одним лишь сильным морозом. Он может ускорить замерзание и захват пузырьков, но непосредственно свет рассеивают включения и трещины.

А прозрачный лёд над тёмной водой иногда называют «чёрным льдом». Он кажется тёмным именно потому, что через него видна подложка. Получается, даже название цвета может описывать то, что мы видим сквозь лёд, а не сам лёд.

Итак, прозрачная вода после замерзания может выглядеть белой, потому что пузырьки, примеси, жидкие включения и трещины многократно рассеивают свет. Когда таких препятствий меньше, лёд получается прозрачнее.

Почему замёрзшая лужа иногда трещит при перепаде температуры?