Отвечаем почемуч­кам: почему зимой на окнах появляются узоры

Стоит ударить морозам — и на стеклах возникают причудливые узоры, похожие на папоротники.

Они как отпечатки пальцев: похожи друг на друга, но никогда не бывают одинаковыми.

В рубрике «Отвечаем почемучкам» помогаем родителям отвечать на детские вопросы, которые когда-то волновали каждого из нас. Расскажу, как образуются морозные узоры, какие они бывают и почему в современных домах это большая редкость.

Вода в составе воздуха — это не жидкость, а газ, то есть отдельные молекулы, не связанные друг с другом. Но если влажный воздух охладить, они могут объединиться и превратиться в маленькие капли жидкости — так, например, возникает туман или конденсат на холодных поверхностях.

Если температура опускается ниже 0 °С, вода превращается в твердую форму — кристаллы льда. Они и формируют морозные узоры. Для этого нужно, чтобы:

1. Воздух был достаточно влажным, иначе намерзать будет нечему.
2. Температура стекла была ниже 0 °С. При более высокой температуре вода не замерзнет, а останется жидкой — в виде капелек конденсата.

Ледяные кристаллы растут неравномерно. Перечислю, от чего зависит внешний вид узора.

❄️ Кристаллическая структура льда. В любом кристалле атомы или молекулы собираются в упорядоченную структуру. У льда она шестиугольная. Молекулам воды легче прилипать по шести направлениям — именно по этой причине у снежинок шесть лучей.

🧊 Структура поверхности. Молекулам воды проще сцепляться друг с другом, когда рядом с ними есть дефект или неоднородность — например, частицы пыли или поверхностные микронеровности.

Узор начинает расти в нижней части стекла, куда вода стекает под действием силы тяжести, поэтому внизу рисунок обычно толще. Затем рост продолжается в основном вдоль поверхности, где на него влияют микронеровности, пылинки или остатки моющих средств. Там, где на стекле царапины или грязь, лед будет намерзать в первую очередь.

🌡️ Температура. Чтобы растопить лед, нужно передать ему довольно большое количество тепла. А когда происходит обратный процесс — вода замерзает и превращается в лед, — она выделяет это тепло. Оно может растапливать уже застывшие соседние фрагменты узора. Поэтому при слабом морозе, примерно до −5 °С, кристалл постоянно подтаивает и узор на окне растет дольше. В таких условиях он становится сложным и ветвится подобно деревьям — его еще называют дендритным  .

В более холодную погоду, когда температура опускается ниже −25 °С, вода замерзает намного быстрее. Кристаллы растут сразу во многих местах на окне, а выделяемого тепла уже не хватает, чтобы подогреть соседние области до температуры таяния. Узоры получаются менее плотными, похожими на мелкие игольчатые звезды или нити — их называют трихитами  .

💦 Влажность воздуха тоже значительно влияет на тип и плотность узора. Когда в воздухе мало водяного пара, на стекле образуются отдельные редкие островки кристаллов. Когда воздух чуть более влажный, кристаллы образуют разветвленный узор. А когда влаги становится слишком много, иней покрывает стекло почти сплошным слоем, разделенным отдельными канавками.

В большинстве домов и квартир стоят пластиковые окна с рамами из сложного профиля и стеклопакетами — двумя, тремя или даже четырьмя стеклами, которые разделены воздушным промежутком. Иногда пространство между стеклами заполняют не воздухом, а аргоном, который хуже проводит тепло.

У таких окон очень хорошая теплоизоляция: снаружи может быть сильный мороз, а температура внутреннего стекла остается выше 0 °C, и на нем не образуется иней. При правильной циркуляции воздуха на стекле не появится даже конденсат: мельчайшие капельки воды будут быстро испаряться под действием потоков теплого воздуха, например от радиатора отопления.

Такая конструкция сохраняет тепло и делает дом уютным и комфортным для проживания, но лишает возможности любоваться красивыми морозными узорами.

Если ваши окна слишком качественные и на них не бывает морозных узоров, создать их можно самому. Вот что в этом поможет.

💨 Спрей для декора окон и зеркал. Рисует узоры на стеклянных поверхностях за пару движений. Правда, в комментариях пишут, что к баллончику нужно приноровиться, а еще спрей быстро заканчивается.

🎄 Искусственный снег — тоже в виде спрея. Можно наносить на различные поверхности — окна, елку, поделки, — чтобы создать эффект белого покрытия, похожего на настоящий снег. Дополнить новогоднюю картину на стекле могут помочь соответствующие трафареты.

☃️ Новогодние наклейки — вариант, с которым справится даже ребенок. Ими, к слову, можно украсить не только окна, но и стены, дверь, шкаф, холодильник и вообще все вокруг.

Другие вопросы почемучек, на которые мы ответили:

1. Почему елка всегда зеленая?
2. Почему облака не падают на землю?
3. Почему снег белый, хотя лед бесцветный?