Как образуется иней и почему он лежит на траве, когда в прогнозе было выше нуля
Если коротко. Иней образуется, когда водяной пар из воздуха оседает на холодной поверхности сразу льдом, минуя жидкую воду. Для этого замёрзнуть должна сама поверхность, воздух может оставаться тёплым. Ясной безветренной ночью трава и крыша машины отдают тепло в открытое небо и остывают сильнее воздуха вокруг. А прогноз и метеостанция меряют температуру на высоте двух метров. Поэтому в сводке бывает +2, а на газоне в это время −1, и утром он весь белый.
Это канал «Обо всём». Мы любим вопросы, на которые все вроде бы знают ответ. Про иней обычно говорят «ночью подморозило», и на этом объяснение заканчивается. Но поздней осенью легко застать странную картину: термометр за окном всю ночь показывал плюс, прогноз обещал +3, а газон седой, лобовое стекло во льду, и лёд почему-то только на крыше машины, а на асфальте рядом его нет. Под деревом трава зелёная, в двух метрах от него белая. Попробуем разобраться, кто здесь на самом деле замёрз и почему.
Что такое иней и как он образуется простыми словами
Во Всемирной метеорологической организации иней определяют так: это отложение льда в виде чешуек, игл, перьев или веерочков на предметах, поверхность которых остыла настолько, что на ней оседает водяной пар из окружающего воздуха. Чаще всего поверхность остывает из-за ночного излучения. Так сказано в Международном атласе облаков ВМО, и в этом определении уже есть оба главных героя нашей истории: пар, который сразу становится льдом, и ночное выхолаживание поверхности.
Переход пара в лёд без жидкой стадии называется десублимацией. Это обратный процесс к сублимации, когда лёд испаряется, не тая, как бельё, высохшее на морозе. Молекулы воды из воздуха прилипают к холодной поверхности и сразу встраиваются в кристаллическую решётку льда. Та же физика рисует ледяные ёлочки на стекле, её мы подробно разбирали в статье про морозные узоры. Здесь нас интересует другое: почему этот процесс идёт на траве и машине, когда по всем сводкам мороза не было.
Кристаллограф Кеннет Либбрехт из Калтеха, который всю жизнь изучает снежинки, формулирует это изящно: иней относится к росе так же, как снежинка к капле дождя. Пар, ставший жидкостью, даёт дождь и росу. Пар, ставший сразу льдом, даёт снежинки и иней.
Почему иней лежит на траве, когда в прогнозе было выше нуля
Главное, что нужно знать про прогноз погоды: температура в нём относится к воздуху на высоте около двух метров. На этой высоте стоят термометры метеостанций, и по этой высоте метеорологи проверяют точность своих прогнозов. Американская метеослужба NWS прямо объясняет, что иней может появиться у земли, когда воздух на высоте датчика чуть выше нуля, поэтому её офис во Флориде выпускает предупреждения об инее уже при прогнозе от 33 до 36 °F, то есть примерно от +0,5 до +2 °C, если ночь обещает быть тихой и влажной.
Почему у земли холоднее? Днём солнце греет землю, а земля греет воздух. Ночью всё идёт в обратную сторону. Любое тело излучает тепло в инфракрасном диапазоне. Трава, крыша машины, скамейка постоянно отдают это излучение в небо. Ясное небо почти ничего не возвращает обратно, и поверхность остывает. Воздух излучает слабо и остывает в основном от соприкосновения с холодной землёй. Холодный воздух тяжелее и стекает вниз, поэтому самый холодный слой ложится тонкой «простынёй» прямо у земли. Так это описывает Метеобюро Великобритании (Met Office): земля опережает воздух и при нагреве, и при остывании.
Разницу можно увидеть своими глазами. В метеослужбе NWS в Абердине (Южная Дакота) ясной безветренной ночью поставили два термометра: один на стандартной высоте 2 метра, второй прямо под ним у земли. Верхний термометр к шести утра опустился до 34 °F, это около +1 °C. Нижний с шести до семи показывал ровно 32 °F, то есть 0 °C. По сводке ночь прошла без мороза, а у земли уже начался иней. Разница была всего градус. Нередко бывает и больше: метеорологи пишут, что ясной тихой ночью у земли бывает на несколько градусов холоднее, чем на высоте двух метров.
Met Office разделяет эти два случая по названиям. Если ниже нуля опустилась температура земли и предметов, это заморозок на почве (ground frost). Если ниже нуля остыл сам воздух на высоте от метра и выше, это воздушный мороз (air frost). Заморозок на почве при плюсовом воздухе встречается часто. А вот наоборот, мороз в воздухе при тёплой земле, бывает очень редко.
Крыша машины, газон и асфальт: кто замёрзнет первым
Если понять, что иней рисует карту ночного выхолаживания, все странности утреннего двора объясняются сами.
Почему иней на крыше машины, а на асфальте нет
Асфальт и бетон лежат на массивной земле. Днём они запасли тепло и ночью получают его снизу, поэтому их поверхность долго держится выше нуля. Трава устроена наоборот: тонкие травинки почти не хранят тепла, сверху их обдувает холодный воздух, а снизу их отделяет от тёплой почвы прослойка воздуха. Met Office отдельно упоминает травяной заморозок: трава в такую ночь замерзает, а дорожки и асфальт рядом остаются чистыми. Такие заморозки на траве бывают даже в конце весны, когда обычные заморозки уже не ждут.
С машиной ещё проще. Крыша и стёкла смотрят прямо в небо, тонкий металл почти не запасает тепла, и снизу его отделяет от земли воздух. NWS отмечает, что металл и стекло хорошо излучают тепло и быстро остывают до точки инея. Поэтому крыша и лобовое стекло белые, а двери и боковые стёкла, которые смотрят на дома и деревья, часто чистые. Если вам кажется, что металл на морозе холоднее всего вокруг, отчасти это обман осязания, у нас есть про это отдельный разбор. Но с инеем металлическая крыша и правда бывает холоднее воздуха.
Почему под деревом и навесом инея нет
Крона дерева, навес, козырёк подъезда закрывают кусок неба. Крона сама излучает тепло, часть его уходит вниз, и трава под ней получает обратно часть отданного тепла. Поэтому под ёлкой газон зелёный, а в двух шагах белый. Облака делают то же самое для целого города. Met Office называет облачный слой «одеялом» и пишет, что пасмурные ветреные ночи зимой обычно мягкие и без заморозков, а ясные и тихие холодные.
При чём тут ветер
Ветер перемешивает воздух, и холодная простыня у земли не успевает образоваться: к траве всё время подносит более тёплый воздух сверху. По данным NWS, даже лёгкого ветра в 3–5 миль в час (это около 1,5–2 м/с) бывает достаточно, чтобы иней не лёг на большой территории. Поэтому сильнее всего седеют низины, поймы рек и дно оврагов: туда стекает холодный воздух, а ветра там меньше.
Точка инея: почему одного холода мало
Холодная поверхность ещё не гарантирует иней. Нужен пар, который на ней осядет. Есть понятие точки росы: это температура, до которой надо охладить воздух, чтобы пар в нём начал конденсироваться в капли. Ниже нуля её аналог называется точкой инея: при этой температуре пар оседает уже льдом. Точка инея чуть выше точки росы. Причина в том, что надо льдом давление насыщенного пара меньше, чем над переохлаждённой водой, и молекулам проще осесть на кристалл, чем собраться в каплю.
Отсюда два следствия. Если воздух сухой, его точка инея лежит намного ниже нуля, и ночь может пройти с морозом на поверхностях, но без белого налёта. Met Office отмечает, что так бывает, когда воздух слишком сухой: мороз на поверхностях есть, а инея нет. Но если в такое утро помыть машину, вода сразу схватится льдом. Во втором случае воздух, наоборот, очень влажный, и ночью ложится туман. Туман работает как облако у земли, мешает поверхностям выхолаживаться, и обычного инея при нём почти не бывает. Зато при морозном тумане появляется изморозь, о ней ниже.
Именно поэтому иней так часто лежит у реки или пруда: незамёрзшая вода рядом всю ночь отдаёт пар, а Либбрехт советует искать самые красивые кристаллы инея на растениях у незамёрзших озёр и ручьёв.
Почему иней пушистый и похож на перья
Если посмотреть на иней через лупу, видно иголки, пластинки, пёрышки, иногда целые веточки. Происходит это так. Молекулы воды долетают до кристалла через воздух. Кончик или угол кристалла торчит чуть дальше и раньше встречает новые молекулы пара, поэтому растёт быстрее, а впадины между выступами остаются «в тени» и отстают. Чем больше в воздухе лишнего пара, тем сильнее это преимущество, и кристалл начинает ветвиться. Так растут и снежинки. Форму задают температура поверхности и количество пара, поэтому иней одной ночью бывает почти гладким, а другой ночью растёт длинными перьями.
Met Office различает два варианта по внешнему виду. Перистый иней растёт, если поверхность остыла до нуля раньше, чем на ней выпала роса: пар сразу оседает льдом и строит кристаллы. Белый иней из более округлых зёрнышек получается, когда сначала выпадает роса, а потом капельки замерзают. На этом различии держится главный миф про иней.
Миф: «иней — это замёрзшая роса»
Миф живучий, потому что он наполовину верен. Иней и роса действительно похожи: обоим нужна ясная тихая ночь и поверхность, остывшая ниже точки росы. Но перистый иней, тот, что растёт кристаллами и «шерстью» на листьях, к росе отношения не имеет. Он вырос из пара сразу, без единой капли воды. Либбрехт пишет прямо: снежинки не замёрзшие капли дождя, и иней тоже не замёрзшая роса.
Когда же миф оказывается правдой? Когда вечер был тёплым и сырым, роса выпала ещё в плюс, а к утру поверхность ушла ниже нуля. Капли замерзают на месте, и получается белёсый зернистый налёт из ледяных шариков без перьев. Met Office называет его белым инеем. Отличить на глаз легко: замёрзшая роса похожа на мелкую соль, рассыпанную по траве, а настоящий иней похож на пушок из иголок и пластинок. И ещё одна деталь от Met Office: там, где по инею прошёл человек или проехала машина, раздавленные кристаллы слегка подтаивают и снова смерзаются уже в обычный скользкий лёд.
Иней, изморозь и гололёд: чем отличаются
Эти слова часто путают, хотя для метеоролога это разные явления с разными причинами.
Иней растёт из пара на поверхностях, остывших от ночного излучения. Он лежит на горизонтальных поверхностях, которые смотрят в небо: на траве, крышах, капотах. Погода для него ясная и тихая.
Изморозь растёт в морозную туманную погоду, часто при ветре. Она нарастает на ветки, провода и заборы с наветренной стороны пушистой бахромой. По ВМО основной её вид получается, когда капельки переохлаждённого тумана или облака замерзают при ударе о холодный предмет. Деревья «седеют» именно от изморози, а не от инея. Для Гидрометцентра это не только красота: отложение изморози на проводах диаметром от 50 мм считается опасным явлением, потому что провода и ветви ломаются под весом.
Гололёд — гладкая плотная корка прозрачного льда. Он образуется, когда переохлаждённый дождь или морось замерзают на земле и предметах. Иногда для этого хватает обычного дождя, если земля промёрзла сильно ниже нуля. На дороге такой лёд почти не виден, и его называют «чёрным льдом».
Короткая шпаргалка:
Явление → Откуда вода → Где и когда
Иней → пар оседает сразу льдом → трава, крыши, машины; ясная тихая ночь
Замёрзшая роса → роса выпала, потом замёрзла → трава; тёплый сырой вечер, морозное утро
Изморозь → капли переохлаждённого тумана → ветки и провода с наветренной стороны; морозный туман
Гололёд → переохлаждённый дождь или морось → всё подряд, гладкая прозрачная корка
Как предсказать иней самому
Всё сказанное выше складывается в простое правило, и Met Office формулирует его почти дословно: если на ночь обещают от 0 до +4 °C, небо будет ясным или почти ясным, а ветер слабым, утром стоит ждать инея. Чем ближе прогноз к нулю, тем вероятнее иней. Если в прогнозе минус, иней почти наверняка будет.
Это правило помогает в обычной жизни. Если вечер ясный, в прогнозе +2 и тихо, растения в открытом грунте лучше укрыть: под тканью они тоже отдают тепло, но часть его ткань возвращает, как крона дерева. Машину можно поставить под навес или у стены дома, тогда закрыта хотя бы часть неба. А если облака затянули небо к полуночи, заморозка может не быть даже при прогнозе 0 °C. Иней лучше предсказывает не термометр на улице, а то, насколько ясное небо над головой.
Коротко
— Иней — это пар, который прямо из воздуха стал льдом на холодной поверхности, минуя воду.
— Замёрзнуть должна поверхность, не воздух. В прогнозе дают температуру на высоте около 2 м, а у травы ясной ночью холоднее на градус и больше.
— Трава и крыша машины остывают сильнее всего: они смотрят в небо, мало хранят тепла и отделены от тёплой земли. Асфальт подогревает земля, а под деревом и навесом тепло возвращает укрытие.
— Облака, ветер и туман мешают инею. Сухой воздух тоже: поверхность замёрзнет, но белого налёта не будет.
— Перистый иней — не замёрзшая роса. Но если роса выпала вечером и замёрзла к утру, получается белый зернистый налёт, и в этом случае миф прав.
— Изморозь растёт на ветках и проводах из капель морозного тумана, гололёд — корка от переохлаждённого дождя.
Пока нет комментариев