Привет! Это канал «Обо всём» — тут мы берём простые на вид вопросы, у которых внутри прячется красивая физика. Вопрос про снег как раз из таких: вещь, которую каждый трогал руками, а объяснение ломает интуицию.
Если коротко: каждая снежинка сделана из обычного прозрачного льда — того же, что плавает в стакане, и из той же воды, которая замёрзла. Белым снег делает не вещество, а структура. Сугроб — это не сплошная льдина, а рыхлая груда миллионов крошечных гранёных кристаллов, между которыми полно воздуха. Свет, попав в эту кашу, отражается и преломляется на каждой границе лёд–воздух — и так тысячи раз, — а потом выходит наружу, рассеянный во все стороны. Лёд одинаково раскидывает волны всех цветов, поэтому назад возвращается весь спектр сразу. А весь спектр вместе наш глаз читает как белый.
Сначала убедимся, что лёд и правда прозрачный
С этого стоит начать, потому что дальше всё строится на этом факте. Снежинка — это замёрзшая вода, а вода прозрачная. Отдельный ледяной кристалл под лупой выглядит как гранёное стёклышко: сквозь него видно. Сосулька прозрачная. Лёд на луже, если он чистый и без пузырей, тоже прозрачный — через него читается то, что внизу.
Значит, никакого «белого красителя» внутри льда нет. Белый цвет не спрятан в молекулах воды и не появляется при замерзании. Если бы снег был одним большим монолитным куском льда, он был бы прозрачным, как каток. Проще всего это почувствовать так: возьмите горсть снега и сожмите в плотный комок. Он сразу темнеет и становится полупрозрачным по краям — вы руками выдавили из него воздух и уменьшили число границ. Весь вопрос — что меняется, когда прозрачного льда очень много и он раскрошен в пыль.
Тогда откуда белизна — считаем границы
Ключевое слово здесь — граница. Каждый раз, когда свет переходит из одной прозрачной среды в другую с иной оптической плотностью, часть луча отражается, а часть преломляется — меняет направление. У льда и воздуха эти плотности заметно разные (показатель преломления льда около 1,31, воздуха — почти 1,0), так что на каждой стенке кристалла луч немного «цепляется»: кусочек отскакивает, остальное идёт дальше под новым углом.
У одной снежинки таких граней уже много. А в сугробе их астрономически много: миллионы кристаллов, и между ними — миллионы пузырьков воздуха. Луч, нырнувший внутрь, не проходит насквозь: он мечется от грани к грани, дробится, разворачивается и в итоге выходит обратно, но уже размазанным во все стороны сразу. Физики называют это многократным диффузным рассеянием. Как формулирует американский Национальный центр данных по снегу и льду (NSIDC), зёрна льда рассеивают большую часть света, и даже отскочив всего от нескольких зёрен, он уже выглядит белым.
Важная деталь: свет при этом почти не теряется. Чистый лёд поглощает крайне мало, поэтому луч не гаснет внутри сугроба, а почти весь выходит наружу — просто в случайную сторону. Отсюда ещё одно знакомое свойство снега: он не только белый, но и ослепительный. Свежий снег — один из самых отражающих природных материалов на Земле, он возвращает обратно до 80–90% падающего солнечного света. Поэтому в ясный зимний день на заснеженном поле так режет глаза, а у полярников и альпинистов есть профессиональная болезнь — снежная слепота. Чёрная земля, для сравнения, отражает лишь несколько процентов и остальное поглощает, нагреваясь.
Почему именно белый, а не какой-то цвет
Рассеивать свет — это ещё полдела. Вопрос, почему на выходе получается именно белый, а не, скажем, зелёный. Ответ в том, что лёд не выбирает цвета: он раскидывает волны всех длин — и красные, и синие, и всё, что между, — примерно одинаково. По этому признаку снег противоположен цветным предметам.
Красный свитер выглядит красным, потому что он поглощает все цвета, кроме красного, и возвращает глазу только его — так это объясняет образовательный центр UCAR. Снег не поглощает ничего выборочно: он отправляет назад все цвета сразу. А смесь всех цветов видимого спектра мозг и воспринимает как белый. Именно поэтому снег выглядит одинаково белым и в полдень, и на закате: он не красит свет в свой цвет, а честно возвращает ровно то, что на него упало. На рассвете он порозовеет — но лишь потому, что розовым стало само солнце.
То есть белизна снега — это не пигмент, который мы разглядели, а итог оптического фокуса, который разыгрывается прямо в воздухе над каждой гранью кристалла. Кстати, о том, как глаз вообще достраивает картинку из того немногого, что до него долетело, мы разбирали в тексте почему кошки видят в темноте.
Тот же фокус: толчёное стекло, сахар, пена, облака
Проверить, что дело в структуре, а не в веществе, легко на предметах, которые заведомо прозрачные. Оконное стекло прозрачное — а растолките его в порошок, и порошок будет белым. Матовое стекло в двери ванной — это то же прозрачное стекло, которому шероховатую поверхность специально сделали рассеивающей. Крупинка сахара почти прозрачна — а сахарный песок в пачке белый, и соль тоже. Мыльная вода прозрачная — а пена из неё белоснежная: пузырьки добавили границ воздух–вода. Облако — это мельчайшие капли прозрачной воды, и всё равно оно белое.
Везде один и тот же механизм: прозрачный материал, раздробленный на множество мелких поверхностей, рассеивает свет во все стороны и становится белым. Физики любят наглядную пару: чистое оконное стекло и то же стекло, разбитое в мелкую крошку, — вещество одно, а крошка белая. Снег устроен ровно так же, просто вместо осколков — ледяные кристаллы. Это и есть «ага»-момент всей темы: белый — это свойство формы, а не состава. Если вам нравится, когда свет оказывается не абстракцией, а физическим агентом, почитайте про солнечный парус — там свет буквально толкает аппарат.
Почему в глубину снег и лёд голубеют
Если снег по всей толще просто белый, откуда тогда та самая голубизна, которую видно в глубокой лунке, в толще ледника или внутри ледяной пещеры? Многие думают, что это небо отражается или так падает тень. На самом деле включается уже не рассеяние, а поглощение — и это важная оговорка к механизму выше. Голубизна остаётся, даже если небо затянуто тучами.
Лёд почти прозрачен, но «почти» — не «совсем»: длинные, красные волны он поглощает чуть сильнее, чем короткие, синие. На коротком пути эта разница незаметна, поэтому тонкий слой снега остаётся белым. Но если свет успевает пройти во льду длинную дорогу, красного в нём почти не остаётся, и обратно выходит преимущественно синий. Как объясняет Геологическая служба США (USGS), лёд поглощает красную (длинноволновую) часть белого света, а синюю (коротковолновую) пропускает и рассеивает. NSIDC добавляет цифру: примерно с метра толщины наружу пробивается в основном синий.
Поэтому особенно сочно голубеет лёд ледников: под давлением из него выдавило пузырьки воздуха, он стал плотным и бесцветно-прозрачным, и свету приходится идти в нём долгий путь, теряя красный. Полярники из Геофизического института Аляски отмечают тонкость: из-за крупного размера зёрен снега и кристаллов льда все длины волн рассеиваются одинаково, так что сам по себе цвет голубизне даёт не рассеяние, а именно поглощение красного на длинном пути.
Почему мокрый и талый снег сереет
А теперь обратная ситуация. Свежий сухой снег ослепительно белый, а стоит ему подтаять — и он тускнеет, становится сероватым и будто плотнее. Снова работает та же логика границ, только в минус.
Белизну снегу давало огромное число границ лёд–воздух. Когда снег тает, талая вода заполняет промежутки между кристаллами и вытесняет воздух. А показатель преломления воды (около 1,33) очень близок к показателю льда (около 1,31) — для света граница между ними почти исчезает. Меньше контрастных границ — меньше рассеяния, меньше белизны: свет уходит вглубь и меньше возвращается к глазу. Тот же эффект даёт старый, слежавшийся наст: мелкие кристаллы спекаются в крупные зёрна, число поверхностей падает, и снег сереет ещё до грязи.
Это же объясняет бытовую мелочь: утоптанная тропинка и след от ботинка почти всегда темнее и «стекляннее» окружающей целины. Нога спрессовала рыхлые кристаллы, воздух выдавился, границ стало меньше — и участок потерял часть белизны, хотя снег тот же самый и ничуть не грязнее. По той же причине ледяная корка на снегу выглядит темнее пушистого сугроба рядом.
Три мифа, которые пора отпустить
Миф 1: «Снег белый, потому что вода белая». Вода прозрачная, а не белая — это видно в любом стакане. Белой её делает не цвет, а пузырьки и капли: взбейте ту же воду в пену — получите белое из прозрачного.
Миф 2: «Белый — это цвет льда». У льда нет белого пигмента. Тонкий и чистый, он бесцветно-прозрачный; в толще — голубоватый. Белым он бывает только раскрошенным на множество граней, то есть как снег или как лёд, полный пузырьков.
Миф 3: «Серый снег — это только пыль». Пыль и сажа действительно темнят снег, поглощая свет. Но сереет он и без грязи: стоит ему подтаять или слежаться, как число рассеивающих границ падает и белизна уходит сама по себе. А ещё о том, почему к зиме солнце греет слабее и снег вообще ложится, мы писали в разборе почему зимой холодно, а летом жарко.
Коротко
• Снежинка — из обычного прозрачного льда, как и вода. Белого красителя в ней нет.
• Белым снег делает структура: груда миллионов гранёных кристаллов с воздухом между ними.
• На каждой границе лёд–воздух свет отражается и преломляется — тысячи раз, во все стороны. Это многократное рассеяние.
• Лёд рассеивает все длины волн одинаково, поэтому назад идёт весь спектр — а весь спектр глаз видит как белый.
• Так же белеют толчёное стекло, сахар, пена и облака: прозрачный материал плюс множество границ.
• Глубокий снег и ледниковый лёд голубеют: на длинном пути лёд поглощает красный сильнее синего.
• Мокрый и слежавшийся снег сереет: вода заполняет поры, границ меньше — меньше рассеяния.
Пока нет комментариев