Изморозь — это тонкий слой льда на твердой поверхности, который образуется из водяного пара , который оседает на замерзающей поверхности. Изморозь образуется, когда воздух содержит больше водяного пара, чем он может удержать при определенной температуре. Процесс похож на образование росы , за исключением того, что он происходит ниже точки замерзания воды, как правило, без перехода через жидкое состояние.
Воздух всегда содержит определенное количество водяного пара, в зависимости от температуры. Более теплый воздух может удерживать больше, чем более холодный воздух. Когда атмосфера содержит больше воды, чем она может удерживать при определенной температуре, ее относительная влажность поднимается выше 100%, становясь перенасыщенной , и избыточный водяной пар вынужден осаждаться на любой близлежащей поверхности, образуя затравочные кристаллы . Температура, при которой образуется иней, называется точкой росы и зависит от влажности воздуха. [1] Когда температура воздуха падает ниже точки росы, избыточный водяной пар вытесняется из раствора, что приводит к фазовому переходу непосредственно из водяного пара ( газ ) в лед (твердое вещество). По мере того, как к затравкам добавляется больше молекул воды, происходит рост кристаллов , образуя кристаллы льда . Кристаллы могут различаться по размеру и форме, от равномерного слоя многочисленных микроскопических семян до меньшего количества, но гораздо более крупных кристаллов, начиная от длинных дендритных кристаллов (подобных дереву), растущих по поверхности, игольчатых кристаллов (подобных игле), растущих наружу от поверхности, кристаллов в форме снежинок или даже больших, ножевидных лезвий льда, покрывающих объект, что зависит от многих факторов, таких как температура, давление воздуха, движение воздуха и турбулентность, шероховатость поверхности и смачиваемость , а также уровень пересыщения. Например, водяной пар очень хорошо адсорбируется стеклом, поэтому автомобильные окна часто покрываются инеем раньше, чем краска, а крупные кристаллы инея могут расти очень быстро, когда воздух очень холодный, спокойный и сильно насыщенный, например, во время ледяного тумана .
Изморозь может возникнуть, когда теплый влажный воздух соприкасается с холодной поверхностью, охлаждая ее ниже точки росы, например, теплое дыхание на замерзшем окне. В атмосфере это чаще всего происходит, когда и воздух, и поверхность находятся ниже точки замерзания, когда воздух испытывает падение температуры, приводящее его ниже точки росы, например, когда температура падает после захода Солнца. В умеренном климате это чаще всего появляется на поверхностях около земли в виде хрупких белых кристаллов ; в холодном климате это происходит в большем разнообразии форм. [2] Распространение образования кристаллов происходит в процессе зародышеобразования , в частности, зародышеобразования воды , которое является тем же явлением, которое отвечает за образование облаков, тумана, снега, дождя и других метеорологических явлений.
Кристаллы льда инея образуются в результате развития фрактального процесса. Глубина кристаллов инея варьируется в зависимости от времени их накопления и концентрации водяного пара ( влажности ). Кристаллы инея могут быть невидимыми (черными), прозрачными ( полупрозрачными ) или, если масса кристаллов инея рассеивает свет во всех направлениях, налет инея кажется белым.
Типы инея включают кристаллический иней (иней или радиационный иней) из-за осаждения водяного пара из воздуха с низкой влажностью, белый иней во влажных условиях, оконный иней на стеклянных поверхностях, адвективный иней от холодного ветра над холодными поверхностями, черный иней без видимого льда при низких температурах и очень низкой влажности, а также изморозь в условиях переохлаждения и сырости. [2]
Растения, которые эволюционировали в более теплом климате, страдают от повреждений, когда температура падает достаточно низко, чтобы заморозить воду в клетках , составляющих растительную ткань . Повреждение тканей в результате этого процесса известно как «повреждение заморозками». Фермеры в тех регионах, где известно, что заморозки влияют на их урожай, часто вкладывают значительные средства в средства защиты своих культур от таких повреждений.
Если твердая поверхность охлаждается ниже точки росы окружающего влажного воздуха, а сама поверхность холоднее точки замерзания, на ней образуется лед. Если вода оседает в виде жидкости, которая затем замерзает, она образует покрытие, которое может выглядеть стекловидным, непрозрачным или кристаллическим, в зависимости от его типа. В зависимости от контекста этот процесс также может называться атмосферным обледенением . Лед, который он производит, в некоторых отношениях отличается от кристаллического инея, который состоит из иголок льда, которые обычно выступают из твердой поверхности, на которой они растут.
Основное различие между ледяными покрытиями и инеистыми спикулами возникает из-за того, что кристаллические спикулы растут непосредственно из-за десублимации водяного пара из воздуха, а десублимация не является фактором обледенения замерзающих поверхностей. Для того чтобы произошла десублимация, поверхность должна быть ниже точки замерзания воздуха, то есть она должна быть достаточно холодной для образования льда без прохождения через жидкую фазу . Воздух должен быть влажным, но недостаточно влажным, чтобы допустить конденсацию жидкой воды, иначе вместо десублимации произойдет обледенение. Размер кристаллов во многом зависит от температуры, количества доступного водяного пара и того, как долго они растут без помех.
Как правило, за исключением условий, когда в воздухе присутствуют переохлажденные капли, иней образуется только в том случае, если поверхность осаждения холоднее окружающего воздуха. Например, иней можно наблюдать вокруг трещин в холодных деревянных тротуарах, когда влажный воздух выходит из более теплой земли под ними. Другими объектами, на которых обычно образуется иней, являются объекты с низкой удельной теплоемкостью или высокой теплоизлучательной способностью , такие как почерневшие металлы, отсюда и накопление инея на шляпках ржавых гвоздей.
Очевидно, нерегулярное возникновение заморозков в соседних местностях частично объясняется разницей высот, когда нижние области становятся холоднее в тихие ночи. Там, где статический воздух оседает над областью земли при отсутствии ветра, поглощающая способность и удельная теплоемкость земли сильно влияют на температуру, которую достигает захваченный воздух.
Иней , также иней , радиационный иней или pruina , относится к белым ледяным кристаллам, отложенным на земле или свободно прикрепленным к открытым объектам, таким как провода или листья. [3] Они образуются холодными ясными ночами, когда условия таковы, что тепло излучается в космическое пространство быстрее, чем оно может быть заменено близлежащими теплыми объектами или принесено ветром. При подходящих обстоятельствах объекты охлаждаются ниже точки замерзания [4] окружающего воздуха, значительно ниже точки замерзания воды. Такому замерзанию могут способствовать такие эффекты, как заморозки или морозные карманы . [5] Они происходят, когда приземное излучение охлаждает воздух, пока он не стекает вниз по склону и не накапливается в карманах очень холодного воздуха в долинах и впадинах. Иней может замерзнуть в таком низколежащем холодном воздухе, даже если температура воздуха в нескольких футах над землей значительно выше точки замерзания.
Слово «hoar» происходит от древнеанглийского прилагательного, означающего «показывающий признаки старости». В данном контексте оно относится к инею, из-за которого деревья и кусты выглядят как белые волосы.
Иней может иметь разные названия в зависимости от места его образования:
Когда поверхностный иней покрывает наклонные снежные сугробы, слой кристаллов инея может создать риск схода лавины ; когда тяжелые слои нового снега покрывают морозную поверхность, пушистые кристаллы, выступающие из старого снега, задерживают падающие хлопья, образуя слой пустот, который не дает новым слоям снега прочно сцепляться со старым снегом под ними. Идеальными условиями для образования инея на снегу являются холодные, ясные ночи с очень легкими, холодными потоками воздуха, переносящими влажность с нужной скоростью для роста кристаллов инея. Слишком сильный или теплый ветер разрушает пушистые кристаллы и тем самым может способствовать более прочной связи между старыми и новыми слоями снега. Однако если ветры достаточно сильны и холодны, чтобы положить кристаллы плоскими и сухими, покрывая снег холодными, рыхлыми кристаллами, не удаляя и не разрушая их и не давая им нагреться и стать липкими, то морозный интерфейс между слоями снега все еще может представлять опасность схода лавины, поскольку текстура морозных кристаллов отличается от текстуры снега, и сухие кристаллы не будут прилипать к свежему снегу. Такие условия все еще препятствуют прочной связи между слоями снега. [6]
При очень низких температурах, когда образуются пушистые поверхностные кристаллы изморози, не покрытые впоследствии снегом, сильные ветры могут их отламывать, образуя пыль из ледяных частиц и разнося их по поверхности. Затем ледяная пыль может образовывать юкимаримо , как это наблюдалось в некоторых частях Антарктиды, в процессе, похожем на образование пылевых зайчиков и подобных структур.
Иней и белый иней также встречаются в искусственных средах, таких как морозильники или промышленные холодильные установки. Если такие холодные помещения или трубы, обслуживающие их, не имеют хорошей изоляции и подвергаются воздействию влажности окружающей среды, влага мгновенно замерзнет в зависимости от температуры морозильника. Иней может покрывать трубы толстым слоем, частично изолируя их, но такая неэффективная изоляция все равно является источником потери тепла.
Адвективный иней (также называемый ветровым инеем ) относится к крошечным ледяным шипам, которые образуются, когда очень холодный ветер дует над ветвями деревьев, столбами и другими поверхностями. Он выглядит как каемка по краям цветов и листьев и обычно образуется против направления ветра . Он может возникнуть в любое время дня и ночи.
Изморозь на окнах (также называемая папоротниковым инеем или ледяными цветами ) образуется, когда стеклянная панель подвергается воздействию очень холодного воздуха снаружи и более теплого, умеренно влажного воздуха изнутри. Если панель является плохим изолятором (например, если это однокамерное окно), водяной пар конденсируется на стекле, образуя узоры изморози. При очень низких температурах на улице изморозь может появиться на нижней части окна даже при использовании двухкамерных энергосберегающих окон, поскольку конвекция воздуха между двумя стеклами гарантирует, что нижняя часть стеклопакета холоднее верхней. В неотапливаемых автомобилях изморозь обычно сначала образуется на внешней поверхности стекла. Поверхность стекла влияет на форму кристаллов, поэтому дефекты, царапины или пыль могут изменить способ зарождения льда . Узоры на изморози на окнах образуют фрактал с фрактальной размерностью больше единицы, но меньше двух. Это является следствием того, что процесс зарождения ограничен разворачиванием в двух измерениях, в отличие от снежинки, которая формируется в результате аналогичного процесса, но формируется в трех измерениях и имеет фрактальную размерность больше двух. [7]
Если воздух в помещении очень влажный, а не умеренно влажный, вода сначала конденсируется в мелкие капельки, а затем замерзает, образуя прозрачный лед .
Похожие закономерности замерзания могут наблюдаться и на других гладких вертикальных поверхностях, но они редко бывают столь очевидными и впечатляющими, как на прозрачном стекле.
Белый иней — это твердое отложение льда, которое образуется непосредственно из водяного пара, содержащегося в воздухе.
Белый иней образуется, когда относительная влажность воздуха превышает 90%, а температура ниже −8 °C (18 °F), и он растет против направления ветра, поскольку воздух, поступающий с наветренной стороны, имеет более высокую влажность, чем подветренный воздух, но ветер не должен быть сильным, иначе он повреждает нежные ледяные структуры, когда они начинают формироваться. Белый иней напоминает толстый слой инея с большими, переплетенными кристаллами, обычно игольчатой формы.
Изморозь — это тип отложения льда, который происходит быстро, часто в условиях сильной влажности и ветра. [8] Технически говоря, это не тип инея, поскольку обычно в нем участвуют переохлажденные капли воды, в отличие от образования инея, при котором водяной пар десублимируется медленно и напрямую. Суда, проходящие через арктические моря, могут накапливать большое количество изморози на такелаже. В отличие от изморози, которая имеет перистый вид, изморозь обычно имеет ледяной, твердый вид.
Черный иней или («убивающий иней»), строго говоря, вообще не является инеем, поскольку это состояние, наблюдаемое у сельскохозяйственных культур, когда влажность слишком низкая для образования инея, но температура падает настолько низко, что ткани растений замерзают и отмирают, чернея, отсюда и термин «черный иней». Черный иней часто называют «убивающим инеем», потому что белый иней, как правило, менее холодный, отчасти потому, что скрытая теплота замерзания воды уменьшает падение температуры.
_(cropped).jpg/1280px-Geography_of_Ohio_-_DPLA_-_aaba7b3295ff6973b6fd1e23e33cde14_(page_31)_(cropped).jpg)
Многие растения могут быть повреждены или убиты заморозками или морозом. Это зависит от типа растения, ткани, которая подвергается воздействию, и того, насколько низкие температуры; «легкий мороз» от −2 до 0 °C (от 28 до 32 °F) повреждает меньше типов растений, чем «сильный мороз» ниже −2 °C (28 °F). [9] [10]
Растения, которые могут быть повреждены даже легкими заморозками, включают виноградные лозы, такие как фасоль, виноград, кабачки, дыни, а также пасленовые, такие как томаты, баклажаны и перцы. Растения, которые могут переносить (или даже получать пользу) от заморозков, включают: [11]
Даже те растения, которые переносят мороз, могут быть повреждены, когда температура опускается еще ниже (ниже −4 °C или 25 °F). [9] Выносливые многолетние растения, такие как хоста , впадают в спячку после первых заморозков и снова вырастают с приходом весны. Все видимое растение может полностью побуреть до весеннего тепла или может сбросить все свои листья и цветы, оставив только стебель и черенок. Вечнозеленые растения, такие как сосны, выдерживают мороз, хотя весь или большая часть роста прекращается. Морозобойная трещина — это дефект коры, вызванный сочетанием низких температур и тепла зимнего солнца.
Растительность не обязательно повреждается, когда температура листьев падает ниже точки замерзания содержимого их клеток. При отсутствии места зарождения образования кристаллов льда листья остаются в переохлажденном жидком состоянии, безопасно достигая температур от −4 до −12 °C (от 25 до 10 °F). Однако после образования заморозков клетки листьев могут быть повреждены острыми кристаллами льда. Закаливание — это процесс, посредством которого растение становится толерантным к низким температурам. См. также Криобиология .
Некоторые бактерии , в частности Pseudomonas syringae , особенно эффективны в инициировании образования инея, повышая температуру зародышеобразования примерно до −2 °C (28 °F). [13] Бактерии, не имеющие белков, активных в образовании зародышей льда ( бактерии, не содержащие льда ), приводят к значительному снижению повреждений от заморозков. [14]
Типичные меры по предотвращению заморозков или уменьшению их интенсивности включают в себя одно или несколько из следующих действий:
Такие меры необходимо применять осмотрительно, поскольку они могут принести больше вреда, чем пользы; например, опрыскивание посевов водой может нанести ущерб, если растения будут перегружены льдом. Эффективный и недорогой метод для небольших ферм и питомников растений использует скрытое тепло замерзания . Импульсный таймер полива [21] подает воду через существующие верхние разбрызгиватели в небольших объемах для борьбы с заморозками до −5 °C (23 °F). [21] [22] Если вода замерзает, она отдает свое скрытое тепло, не давая температуре листвы упасть намного ниже нуля. [22]
Безморозные районы находятся в основном в низменных тропиках, где они покрывают почти всю сушу, за исключением высот выше примерно 3000 метров или 9800 футов около экватора и около 2000 метров или 6600 футов в полузасушливых районах тропических регионов. Некоторые районы на океанических окраинах субтропиков также безморозны, как и высокоокеанические районы вблизи наветренных побережий. Наиболее полюсные безморозные районы - это низкие высоты Азорских островов , острова Амстердам , острова Сен-Поль и Тристан-да-Кунья .
В смежных Соединенных Штатах единственными надежно защищенными от заморозков районами являются юг Флориды вокруг Майами-Бич и Флорида-Кис , а также Нормандские острова у побережья Калифорнии . Зоны морозостойкости в этих регионах — 11a и 11b.
Вечная мерзлота — это слой замороженной земли под землей, который никогда не нагревается выше нуля даже в летние месяцы, оставаясь замороженным круглый год. Хотя это и не заморозки в атмосферном смысле, она состоит из грязи, почвы, песка, камней, глины или органического вещества (торфа), прочно связанных вместе кристаллами льда, что делает материал очень твердым и труднопроходимым. Вечная мерзлота существует в более холодном климате Арктики и Антарктиды, таких как Россия, Канада, Аляска, Норвегия, Гренландия или Антарктида, где более теплые условия лета недостаточны для того, чтобы проникнуть через изоляцию Земли и достичь достаточной глубины, чтобы растопить слой вечной мерзлоты. Вечная мерзлота может начинаться с поверхности земли или на много метров под ней и может простираться от одного метра до более тысячи метров в толщину. Вечная мерзлота содержит значительную часть воды и углерода Земли и препятствует проникновению поверхностных вод очень глубоко в землю, что делает ее частично ответственной за типичные таежные и еловые болотные среды, распространенные в северных широтах. [23]
Мороз олицетворяется в русской культуре как Дед Мороз . Коренные народы России, такие как мордва, имеют свои собственные традиции божеств мороза.
Согласно английской фольклорной традиции, Джек Фрост , эльфийское существо, является причиной появления на окнах холодных утр перистых узоров из инея.
В 2024 году два космических аппарата Европейского космического агентства , Exomars TGO и Mars Express , обнаружили тонкий, но очень широкий слой водяного инея на вершине Олимпа , самой высокой горы на Марсе . Этот слой инея появляется на несколько часов около восхода солнца, а затем испаряется в атмосферу на оставшуюся часть марсианского дня. Это был первый случай обнаружения инея в экваториальной области Марса. [24]
