Задача о ледяных сосульках

Задумывались ли вы над тем, как образуются ледяные сосульки, которые мы так часто видим свешивающимися с крыш?

Вы скажете, что здесь не над чем и задумываться: сосульки – это, очевидно, вода, стекавшая с крыш и замерзшая в таком виде.

Прекрасно, но в какую погоду они образовались – в оттепель или в мороз?

Если в оттепель, то как же могла замерзнуть вода при температуре выше нуля?

Если в мороз, то откуда же могла взяться вода, стекающая с крыши?

Задача не так проста, как казалось вам сначала. Чтобы могли образоваться ледяные сосульки, нужно в одно и то же время иметь две температуры: для таяния – выше нуля, и для замерзания – ниже нуля.

Получается как будто абсурд – а между тем так на самом деле и есть: снег на склоне крыши тает, потому что солнечные лучи нагревают его выше нуля, а под застрехой стекающие капли воды замерзают, потому что здесь температура ниже нуля.

Представьте себе такую картину. Стоит ясный день; мороз всего только в 1–2 градуса. Солнце светит ярко, но все же его косые лучи не нагревают земли настолько, чтобы снег мог таять; температура воздуха, как мы сказали, немного ниже нуля. Но на склоне крыши, обращенном к солнцу, нагревание идет более успешно: солнечные лучи падают на крышу не так косо, как на землю, а под углом, более близким к прямому. Но известно, что освещение и нагревание лучей тем больше, чем больший угол составляют лучи с плоскостью падения. (Действие лучей пропорционально синусу этого угла; для случая, изображенного на рисунке, снег на крыше получает тепла на 40 % больше, нежели равная площадь снега на горизонтальной поверхности, ибо синус 90° в 1,4 раза больше синуса 45°.) Вот почему снег на скате крыши нагревается сильнее и начинает таять. Оттаявшая вода стекает вниз, скопляется у застрех, каплями свисает с края крыши. Но здесь, под крышей, температура ниже нуля – и капля замерзает. На замерзшую каплю натекает следующая, также замерзающая; затем третья капля и т. д.; постепенно образуется маленький ледяной бугорок. В следующий раз, при такой же погоде, эти ледяные наплывы еще вырастут, – пока не образуются длинные и толстые сосульки.

Одна из загадок зимнего сезона.

В слабый мороз, при солнечном сиянии, с крыш каплет вода, между тем как на земле снег не тает. Разгадка кроется в том, что лучи падают на наклонную крышу под углом, близким к прямому, между тем как на землю (и стены) они падают под острым углом (например в 45°).

Итак, вот о чем говорят нам ледяные сосульки: они доказывают, что в одно и то же время могут существовать как бы две погоды: мороз – под крышей и оттепель – на скате крыши. Причина – различное нагревательное действие солнечных лучей в зависимости от угла падения. Та же самая причина вызывает на наших глазах и более грандиозные явления: вспомните, что все различие в климатических поясах и временах года обусловлено, в сущности, ничем иным, как изменением угла падения солнечных лучей. Солнце одинаково далеко от нас зимой и летом; оно всегда одинаково удалено от полюсов и экватора (различие в расстоянии настолько ничтожно, что не может здесь иметь значения). Но наклон солнечных лучей к поверхности земли близ экватора меньше, чем у полюсов; и летом этот угол больше, чем зимой. Этого достаточно, чтобы вызвать столь важные различия в температуре и в жизни всей природы.

Выражаясь фигурально, мы могли бы сказать, что на скате освещенной солнцем крыши – тропики, а под застрехой – полярная область; снег тает в «тропиках» и замерзает, попав в «полярную область».