Температура тающего снега — это не всегда 0°C: загадка сублимации

Каждую весну происходит чудо, которое мы перестали замечать. Снег исчезает. Но иногда он уходит не ручьями и лужами, а совершенно иным путём — прямо в небо, минуя жидкую фазу. Это явление называется сублимацией, и оно способно перекроить весь водный баланс огромных территорий, лишить почву влаги, но зато уберечь города от половодья. А ещё оно заставляет усомниться в том, что снег тает строго при нуле градусов.

Почему снег тает именно при 0°C?

То, что лёд плавится при 0°C, знает каждый. Но мало кто помнит, что шведский астроном Андерс Цельсий, предложивший свою шкалу в 1742 году, изначально расположил значения иначе: 0° соответствовал температуре кипения воды, а 100° — температуре таяния льда. Лишь позже шкалу перевернули, придав ей современный вид. Так ноль закрепился за точкой замерзания.

С точки зрения физики фазовый переход «лёд — вода» действительно происходит при строго определённых условиях: при нормальном атмосферном давлении чистый лёд плавится при 0°C. Однако есть важный нюанс: температура самого снега во время таяния остаётся нулевой, пока весь лёд не превратится в воду. Вся подводимая энергия тратится на разрушение кристаллической решётки, а не на нагрев — это так называемая скрытая теплота плавления.

Но что происходит, когда снег исчезает, а лужи не появляются? Здесь мы вступаем в область сублимации — процесса, при котором лёд переходит в пар, минуя жидкую фазу. И в этом случае температура снега вполне может быть отрицательной.

Твёрдое тело, которое не хочет становиться жидкостью

В ясный морозный день можно наблюдать любопытный эффект: солнце ярко светит, температура устойчиво ниже нуля, но сугробы понемногу уменьшаются, хотя лужи под ними не появляются. Снег просто испаряется, минуя жидкую фазу. С точки зрения физики этот процесс называется сублимацией или возгонкой — переходом вещества из твёрдого состояния непосредственно в газообразное, минуя жидкую стадию.

Для воды тройная точка — параметры, при которых могут одновременно существовать лёд, вода и пар — находится при температуре 0,01°C и давлении 611,657 Па. При более низких давлениях и температурах жидкая фаза принципиально неустойчива. В таких условиях лёд может только сублимироваться или нарастать из пара (десублимация). Именно десублимацией мы любуемся каждую зиму, когда на ветвях деревьев вырастают кружева инея или на окнах появляются морозные узоры.

Энергия солнца и дыхание ветра

Главный фактор сублимации — солнечная радиация. В ясные весенние дни поток солнечной энергии достигает 920–930 Вт/м² — это сопоставимо с августовским солнцем, только воздух ещё холодный. Второй важный фактор — ветер и сухость воздуха: как и испарение, сублимация ускоряется при низкой относительной влажности и высокой скорости ветра.

Расчёты показывают: снежинка диаметром 100 микрометров, летящая со скоростью 1 м/с при температуре –20°C и влажности 90%, теряет 20% своего веса всего за одну минуту. В горах, где давление ниже и солнечная радиация выше, потери могут достигать 50% за то же время. В среднем сублимация уносит около 1 мм снежного покрова в сутки, но в идеальных условиях — яркое солнце, сухой воздух, сильный ветер — эта цифра вырастает до 2–4 мм в день.

Лес против поля: кто больше теряет

Ландшафт играет колоссальную роль в том, сколько влаги вернётся в атмосферу минуя почву. Исследования на Валдайской воднобалансовой станции, ведущиеся с 1930-х годов, дали поразительные результаты: лес теряет на сублимацию почти вдвое больше снега, чем открытое пространство. Кроны деревьев перехватывают снег, поднимают его выше, где ветер сильнее, и подвергают более интенсивному облучению. Значительная часть твёрдых осадков так и не доходит до почвы, возвращаясь прямо в атмосферу.

По данным исследователей, средний запас воды в снежном покрове перед началом снеготаяния на водосборе после вырубки леса может увеличиться на 15%, а потери на сублимацию сокращаются почти вдвое.

Сублимация как спаситель от наводнений

В 2008 году сибирские учёные опубликовали исследование, наглядно демонстрирующее благотворную сторону сублимации. В Предсалаирье (предгорная равнина на юго-востоке Западной Сибири) выдалась чрезвычайно многоснежная зима. Запасы воды в снегу превышали норму в два раза. Гидрологи готовились к масштабному половодью, но ожидаемого потопа не случилось.

Причина: на южных склонах, куда солнце падало под максимальным углом, сублимация работала на полную мощность. Высокая инсоляция привела к огромным потерям влаги через прямое испарение снега. Кроме того, почва была хорошо увлажнена с осени и слабо промёрзла за зиму — талая вода уходила в грунт, не задерживаясь на поверхности.

Невидимая рука водного баланса

Сублимация — своеобразный предохранительный клапан в гидрологическом цикле. В обычные годы она немного уменьшает запасы влаги, но в экстремальные, когда снега выпадает слишком много, включается на полную мощность, сбрасывая излишки в атмосферу.

Для сельского хозяйства сублимация — прямая потеря воды. Каждый миллиметр снежного покрова, ушедший в небо, не пополнит почвенную влагу, так необходимую для посевной. Для инженеров и проектировщиков понимание процессов сублимации важно при строительстве в северных широтах: лёд может исчезать, не превращаясь в воду, ослабляя прочностные свойства грунтов.

Феномен сублимации заставляет по-новому взглянуть на привычные вещи. Снег не просто лежит, а потом тает — он живёт сложной жизнью, постоянно обмениваясь молекулами с атмосферой. И то, что кажется простым и очевидным, при ближайшем рассмотрении оказывается многослойным процессом.