Почему на стеклах зимой появляются узоры
Это зимнее чудо, знакомое с детства, имеет строгое физическое объяснение. Чтобы его понять, нужно ответить на два вопроса: на каком стекле и когда именно возникают узоры?
На каком стекле появляются узоры на окнах
Прежде чем ответить, нужно определиться: на каком стекле и когда возникают узоры?
«На внутренней стороне стекла, например, появляются узоры, когда снаружи сильный мороз. Тогда водяной пар, содержащийся в теплом воздухе помещения, охлаждается около стекла и становится, как говорят метеорологи, пересыщенным — вода осаждается на мельчайших пылинках на стекле, имеющем температуру ниже нуля. При такой температуре пар сразу превращается в лед — подобный процесс называется сублимацией», — рассказывает Николай Григоров, доцент Российского государственного гидрометеорологического университета.
В любом случае температура внутренней поверхности стекла должна быть ниже «точки росы» для воздуха в комнате и, как правило, ниже 0°C. Точка росы — это температура, при которой воздух максимально насыщен водяным паром и он начинает конденсироваться. Зимой эта точка достигается как раз на холодном оконном стекле.
Однако на абсолютно гладком, чистом стекле узоры не образуются. Молекулам воды необходимо место для «старта» кристаллизации — центр кристаллизации. Известно, что если покрыть стекло специальным составом, то оно останется прозрачным — на поверхности появляется тонкая пленка, которая отталкивает молекулы воды, не позволяя им оседать. Такие составы называются гидрофобными (водоотталкивающими). Без центров кристаллизации — микроскопических неровностей, царапин или частиц пыли — даже при сильном морозе образование упорядоченных ледяных структур сильно затруднено.
Как растет ледяной узор
На обычном стекле молекулы воды осаждаются на пылинках и, кроме того, на неровностях, на мелких дефектах стекла. И вот молекула «прилипла» к стеклу. Стоп! А что представляет собой молекула воды? Правильно, H₂O. Два атома водорода (заряженные положительно) и один атом кислорода (заряженный отрицательно) образуют треугольник с углом 108°. Эта геометрия и неравномерное распределение зарядов предопределяют будущую структуру узора.
«К первоначальному треугольнику начинают притягиваться другие молекулы воды. Водород к кислороду, кислород к водороду, плюс к минусу, треугольник к треугольнику. И вот уже строится цепочка. От нее ответвляются все новые и новые, они соединяются между собой, пересекаются — и возникают узоры, всегда неповторимые и самые разнообразные», — добавляет эксперт.
Их форма зависит от многих факторов: от температуры стекла (чем она ниже, тем мельче и сложнее узор), от влажности воздуха (чем выше, тем плотнее «заросли»), и даже от малейших движений воздуха у окна. Поэтому двух одинаковых узоров в природе не существует.
Почему узор может меняться
Попробуйте провести опыт, когда едете в транспорте зимой. Нагрейте рукой узор на стекле автобуса или троллейбуса, хорошо протрите поверхность. И что же? Через несколько минут на этом месте возникнет новый узор! Природу не обманешь.
Это происходит потому, что вы лишь временно повысили температуру стекла и убрали лед, но не устранили главные условия: холод снаружи, тепло внутри и влажный воздух. Более того, ваша рука, даже сухая, оставила на стекле микроскопические следы солей и кожного жира, которые станут новыми центрами для роста совершенно иного кристаллического рисунка.
Почему в современных домах узоры бывают не всегда
Нам остается любоваться узорами на окнах. Или позаботиться о теплоизоляции, чтобы внутренняя поверхность стекла имела положительную температуру. Чем выше она будет, тем меньше вероятность образования не только льда, а даже капель на стекле. Именно потому в современных домах с паровым отоплением и качественными стеклопакетами узоров на стекле не бывает.
Секрет эффективных стеклопакетов — не только в двух стеклах, но и в сухом воздухе или инертном газе между ними. Эта прослойка служит отличным теплоизолятором, не давая внутреннему стеклу сильно остывать. Кроме того, хорошая вентиляция в помещении снижает избыточную влажность воздуха. Таким образом, зимние узоры — это не только красивое физическое явление, но и индикатор потерь тепла и микроклимата в вашей комнате.
Консультант: Николай Григоров, доцент Российского государственного гидрометеорологического университета (РГГМУ).
Материал впервые опубликован в 2020 году, обновлен в 2024 и 2025.
