Иней — это тонкий слой льда на твердой поверхности, который образуется из водяного пара , который откладывается на замерзающей поверхности. Иней образуется, когда воздух содержит больше водяного пара, чем он обычно может удерживать при определенной температуре. Этот процесс аналогичен образованию росы , за исключением того, что он происходит ниже точки замерзания воды, обычно без перехода через жидкое состояние.
Воздух всегда содержит определенное количество водяного пара, в зависимости от температуры. Более теплый воздух может удерживать больше, чем холодный. Когда атмосфера содержит больше воды, чем она может удержать при определенной температуре, ее относительная влажность поднимается выше 100%, становясь перенасыщенной , а избыток водяного пара вынужден оседать 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, избыток водяного пара вытесняется из раствора, что приводит к фазовому переходу непосредственно от водяного пара ( газа ) к льду (твердому веществу). По мере того, как к семенам добавляется больше молекул воды, происходит рост кристаллов , образуя кристаллы льда . Кристаллы могут различаться по размеру и форме: от ровного слоя многочисленных микроскопических зародышей до меньшего количества кристаллов, но гораздо более крупных: от длинных дендритных кристаллов (деревовидных), растущих по поверхности, до игольчатых кристаллов (игольчатых), растущих наружу от поверхности. поверхность, кристаллы в форме снежинок или даже большие, ножевидные лезвия льда, покрывающие объект, что зависит от многих факторов, таких как температура, давление воздуха, движение воздуха и турбулентность, шероховатость и смачиваемость поверхности , а также уровень пересыщения. Например, водяной пар очень хорошо адсорбируется на стекле, поэтому автомобильные окна часто замерзают раньше, чем краска, а крупные кристаллы инея могут расти очень быстро, когда воздух очень холодный, спокойный и сильно насыщенный, например, во время ледяного тумана . .
Иней может возникнуть, когда теплый влажный воздух соприкасается с холодной поверхностью, охлаждая ее ниже точки росы, например, от теплого дыхания на замерзшем окне. В атмосфере это чаще происходит, когда и воздух, и поверхность находятся ниже точки замерзания, когда температура воздуха падает ниже точки росы, например, когда температура падает после захода Солнца. В умеренном климате он чаще всего появляется на поверхностях у земли в виде хрупких белых кристаллов ; в холодном климате он встречается в более разнообразных формах. [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 фрактальных процессов. Глубина кристаллов инея варьируется в зависимости от времени, в течение которого они накапливались, и концентрации водяного пара ( влажности ). Кристаллы инея могут быть невидимыми (черными), прозрачными ( полупрозрачными ) или, если масса кристаллов инея рассеивает свет во всех направлениях, слой инея кажется белым.
Типы инея включают кристаллический иней (иней или радиационный иней) от осаждения водяного пара из воздуха с низкой влажностью, белый иней во влажных условиях, иней на окнах на стеклянных поверхностях, адвективный иней от холодного ветра на холодных поверхностях, черный иней без видимого льда. при низких температурах и очень низкой влажности, а также иней в переохлажденных и влажных условиях. [2]
Растения, которые развились в более теплом климате, страдают от повреждений, когда температура падает настолько низко, что вода в клетках , составляющих растительную ткань, замерзает . Повреждение тканей в результате этого процесса известно как «повреждение морозом». Фермеры в тех регионах, где известно, что ущерб от заморозков влияет на их посевы, часто инвестируют значительные средства в защиту своих посевов от такого ущерба.
Если твердая поверхность охлаждена ниже точки росы окружающего влажного воздуха, а сама поверхность холоднее замерзания, на ней образуется лед. Если вода осаждается в виде жидкости, которая затем замерзает, она образует покрытие, которое может выглядеть стеклянным, непрозрачным или кристаллическим, в зависимости от его типа. В зависимости от контекста этот процесс также можно назвать атмосферным обледенением . Лед, который он производит, в некотором смысле отличается от кристаллического инея, который состоит из ледяных спикул, которые обычно выступают из твердой поверхности, на которой они растут.
Основное отличие ледяных покрытий от морозных спикул возникает потому, что кристаллические спикулы растут непосредственно за счет десублимации водяного пара из воздуха, а десублимация не является фактором обледенения замерзающих поверхностей. Чтобы десублимация продолжалась, поверхность должна быть ниже точки замерзания воздуха, а это означает, что она достаточно холодная, чтобы лед мог образовываться, не проходя через жидкую фазу . Воздух должен быть влажным, но недостаточно влажным, чтобы обеспечить конденсацию жидкой воды, иначе вместо десублимации произойдет обледенение. Размер кристаллов во многом зависит от температуры, количества доступного водяного пара и того, как долго они спокойно росли.
Как правило, за исключением случаев, 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 теплоемкостью , например, почерневшие металлы, отсюда и скопление инея на шляпках ржавых гвоздей.
Очевидно, неравномерное возникновение заморозков в прилегающих районах отчасти объясняется разницей высот: в спокойные ночи в нижних районах становится холоднее. Там, где статический воздух оседает над участком земли в отсутствие ветра, поглощающая способность и удельная теплота земли сильно влияют на температуру, которую достигает захваченный воздух.
Иней , также иней , радиационный мороз или прюина , относится к кристаллам белого льда, отложившимся 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 предметы охлаждаются до температуры ниже точки замерзания [4] окружающего воздуха, что значительно ниже точки замерзания воды. Такому замерзанию могут способствовать такие явления, как паводковые заморозки или морозные карманы . [5] Это происходит, когда приземное излучение охлаждает воздух до тех пор, пока он не стекает вниз по склону и не накапливается в карманах очень холодного воздуха в долинах и впадинах. Иней может замерзнуть в таком низком холодном воздухе, даже если температура воздуха на высоте нескольких футов над землей значительно выше нуля.
Слово «иней» происходит от древнеанглийского прилагательного, означающего «показывать признаки старости». В данном контексте это относится к морозу, из-за которого деревья и кусты кажутся белыми волосами.
Иней может иметь разные названия в зависимости от того, где он образуется:
Когда поверхность инея покрывает наклонные сугробы, слой кристаллов инея может создать лавинную опасность; Когда тяжелые слои нового снега покрывают морозную поверхность, мохнатые кристаллы, выделяющиеся из старого снега, удерживают падающие хлопья, образуя слой пустот, который не дает новым слоям снега прочно сцепиться со старым снегом под ним. Идеальными условиями для образования инея на снегу являются холодные ясные ночи с очень легкими потоками холодного воздуха, передающими влажность с нужной скоростью для роста кристаллов инея. Слишком сильный или теплый ветер разрушает пушистые кристаллы и тем самым может обеспечить более прочную связь между старым и новым слоями снега. Однако, если ветер достаточно сильный и холодный, чтобы уложить кристаллы ровно и сухо, покрыв снег холодными, рыхлыми кристаллами, не удаляя и не разрушая их и не давая им нагреться и стать липкими, тогда морозная граница между слоями снега может по-прежнему представляет лавинную опасность, поскольку текстура кристаллов инея отличается от текстуры снега, а сухие кристаллы не прилипают к свежему снегу. Такие условия еще препятствуют прочному сцеплению слоев снега. [6]
При очень низких температурах, когда на поверхности образуются рыхлые кристаллы инея, которые впоследствии не покрываются снегом, сильный ветер может их отломать, образуя пыль из частиц льда и раздувая их по поверхности. Ледяная пыль затем может образовывать юкимаримо , как это наблюдалось в некоторых частях Антарктиды, в процессе, аналогичном образованию пылевых клубков и подобных структур.
Иней и белый иней также возникают в искусственных средах, например, в морозильных камерах или промышленных холодильных складах. Если такие холодные помещения или обслуживающие их трубы плохо изолированы и подвергаются воздействию влажности окружающей среды, влага мгновенно замерзнет в зависимости от температуры морозильной камеры. Иней может покрыть трубы толстым слоем, частично изолируя их, но такая неэффективная изоляция все равно является источником теплопотерь.
Адвективный иней (также называемый ветровым морозом ) представляет собой крошечные ледяные шипы, которые образуются, когда очень холодный ветер дует на ветки деревьев, столбы и другие поверхности. Он выглядит как кайма по краям цветов и листьев и обычно формируется против направления ветра . Это может произойти в любой час дня и ночи.
Иней на окнах (также называемый инеем папоротника или ледяными цветами ) образуется, когда стеклянное стекло подвергается воздействию очень холодного воздуха снаружи и более теплого, умеренно влажного воздуха внутри. Если стекло имеет плохой изолятор (например, однокамерное), водяной пар конденсируется на стекле, образуя иней. При очень низких температурах на улице даже у двустворчатых энергосберегающих окон может появиться иней в нижней части окна, поскольку конвекция воздуха между двумя стеклами гарантирует, что нижняя часть стеклопакета будет холоднее верхней. На неотапливаемых автомобилях иней обычно сначала образуется на внешней поверхности стекла. Поверхность стекла влияет на форму кристаллов, поэтому дефекты, царапины или пыль могут изменить способ зарождения льда . Узоры оконного инея образуют фрактал с фрактальной размерностью больше единицы, но меньше двух. Это следствие того, что процесс зарождения вынужден разворачиваться в двух измерениях, в отличие от снежинки, которая формируется в результате аналогичного процесса, но формируется в трех измерениях и имеет фрактальное измерение больше двух. [7]
Если воздух в помещении очень влажный, а не умеренный, вода сначала конденсируется в мелкие капли, а затем замерзает в прозрачный лед .
Подобные картины замерзания могут возникать и на других гладких вертикальных поверхностях, но они редко бывают такими очевидными и впечатляющими, как на прозрачном стекле.
Белый иней – это твердые отложения льда, образующиеся непосредственно из водяных паров, содержащихся в воздухе.
Белый иней образуется при относительной влажности выше 90% и температуре ниже -8 °C (18 °F) и растет против направления ветра, поскольку воздух, поступающий с наветренной стороны , имеет более высокую влажность, чем воздух с подветренной стороны, но ветер не должен Будьте сильными, иначе они повредят хрупкие ледяные структуры, когда они начнут формироваться. Белый иней напоминает тяжелый слой инея с большими переплетенными кристаллами, обычно игольчатой формы.
Изморозь — это тип отложения льда, который возникает быстро, часто в условиях сильной влажности и ветра. [8] С технической точки зрения, это не тип инея, поскольку обычно в нем участвуют переохлажденные капли воды, в отличие от образования инея, при котором водяной пар десублимируется медленно и непосредственно. Суда, путешествующие по арктическим морям, могут накапливать на снастях большое количество инея. В отличие от инея, который имеет перистый вид, иней обычно имеет ледяной, твердый вид.
Черный иней или («убийственный мороз») вообще не является заморозком, потому что это состояние, наблюдаемое у сельскохозяйственных культур, когда влажность слишком низкая для образования инея, но температура падает настолько низко, что ткани растения замерзают и отмирают, превращаясь в почернели, отсюда и термин «черный иней». Черный иней часто называют «убийственным морозом», потому что белый иней имеет тенденцию быть менее холодным, отчасти потому, что скрытое тепло замерзания воды уменьшает перепад температуры.
_(cropped).jpg/1280px-Geography_of_Ohio_-_DPLA_-_aaba7b3295ff6973b6fd1e23e33cde14_(page_31)_(cropped).jpg)
Многие растения могут быть повреждены или убиты из-за низких температур или мороза. Это зависит от типа растения, подвергающихся воздействию тканей и того, насколько низкие температуры достигаются; «легкий мороз» от -2 до 0 ° C (от 28 до 32 ° F) повреждает меньше видов растений, чем «сильный мороз» ниже -2 ° C (28 ° F). [9] [10]
К растениям, которые могут быть повреждены даже легким морозом, относятся виноградные лозы, такие как фасоль, виноград, кабачки, дыни, а также пасленовые, такие как помидоры, баклажаны и перец. К растениям, которые могут переносить (или даже приносить пользу) морозы, относятся: [11]
Даже те растения, которые хорошо переносят мороз, могут быть повреждены, если температура упадет еще ниже (ниже -4 °C или 25 °F). [9] Выносливые многолетние растения, такие как хоста , переходят в состояние покоя после первых заморозков и снова отрастают с приходом весны. Все видимое растение может стать полностью коричневым до весеннего тепла или может уронить все листья и цветы, оставив только стебель и стебель. Вечнозеленые растения, такие как сосны, выдерживают морозы, хотя их рост полностью или почти полностью прекращается. Морозная 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. В отсутствие места, способствующего образованию кристаллов льда, листья остаются в переохлажденном жидком состоянии, безопасно достигая температуры от -4 до -12 ° C (от 25 до 10 ° F). Однако при образовании инея клетки листа могут быть повреждены острыми кристаллами льда. Закаливание – это процесс, благодаря которому растение становится устойчивым к низким температурам. См. также Криобиология .
Некоторые бактерии , особенно Pseudomonas syringae , особенно эффективно вызывают образование инея, повышая температуру нуклеации примерно до -2 °C (28 °F). [13] Бактерии, которым не хватает белков, активных для нуклеации льда ( бактерии без льда ), приводят к значительному уменьшению ущерба от заморозков. [14]
Типичные меры по предотвращению заморозков или уменьшению их тяжести включают одно или несколько из:
Такие меры следует применять осмотрительно, поскольку они могут принести больше вреда, чем пользы; например, опрыскивание сельскохозяйственных культур водой может привести к повреждению, если растения покроются льдом. Эффективный и недорогой метод для небольших фермерских хозяйств и питомников растений, использующий скрытую теплоту замерзания . Таймер импульсного орошения [21] подает воду через существующие верхние разбрызгиватели в небольших объемах для борьбы с морозами до -5 °C (23 °F). [21] [22] Если вода замерзает, она отдает скрытое тепло, не позволяя температуре листвы упасть намного ниже нуля. [22]
Безморозные зоны встречаются главным образом в низинных тропических регионах, где они покрывают почти всю территорию суши, за исключением высот около 3000 метров или 9800 футов вблизи экватора и около 2000 метров или 6600 футов в полузасушливых районах тропических регионов. Некоторые районы на океанических окраинах субтропиков также свободны от морозов, как и районы с высокой степенью океаничности вблизи наветренных побережий. Наиболее незамерзающие районы, расположенные ближе к полюсу, — это низинные районы Азорских островов , острова Амстердам , острова Сен-Поль и Тристан-да-Кунья .
В сопредельных Соединенных Штатах южная Флорида вокруг Майами-Бич и Флорида-Кис являются единственными надежно незамерзающими районами, а также Нормандские острова у побережья Калифорнии . Зоны устойчивости в этих регионах — 11а и 11б.
Вечная мерзлота — это слой замерзшей земли под землей, который никогда не нагревается выше нуля даже в летние месяцы и остается замерзшим круглый год. Хотя это и не иней в атмосферном смысле, он состоит из грязи, почвы, песка, камней, глины или органических веществ (торфа), прочно связанных между собой кристаллами льда, что делает материал очень твердым и трудным для проникновения. Вечная мерзлота существует в более холодном климате Арктики и Антарктики, таких как Россия, Канада, Аляска, Норвегия, Гренландия или Антарктида, где более теплые летние условия недостаточны для того, чтобы проникнуть через изоляцию Земли и достичь достаточной глубины, чтобы оттаять вечную мерзлоту. слой. Вечная мерзлота может начинаться с поверхности земли или на много метров под ней и иметь толщину от метра до более тысячи метров. Вечная мерзлота содержит значительную часть земной воды и углерода и препятствует проникновению поверхностных вод очень глубоко в землю, что делает ее частично ответственной за типичную среду тайги и еловых болот , распространенную в северных широтах. [23]
Мороз олицетворяется в русской культуре как Дед Мороз . У коренных народов России, таких как мордва, есть свои традиции морозных божеств.
Английская фольклорная традиция гласит, что Джек Фрост , эльфийское существо, ответственен за появление перьев инея на окнах холодным утром.
