Стебельковый лед

На фотографии — две формы льда, характерные для короткой поры предзимья. Длинные кристаллы стебелькового, или игольчатого, льда вторично покрыты инеем. Кристаллы инея собирают водяной пар из охлажденного воздуха, но стебельковый лед вбирает влагу из почвы или, реже, гнилой древесины и других пористых предметов. Игольчатый лед состоит из параллельных, как правило тесно прижатых одна к другой, тонких ледяных нитей, или стебельков. Стебелек — это ледяной кристалл толщиной от долей миллиметра до 1,5–2 мм, его длина может достигать от 5 до 20 см.

Образование ледяных кристаллов на почве начинается, когда во время ночного заморозка температура почвы понижается до минус двух градусов Цельсия, а наиболее интенсивный рост идет при дальнейшем понижении температуры до минус трех или четырех градусов. Если почва рыхлая, состоит из отдельных комочков и насыщена водой, эта вода начинает замерзать. Однако же влага, теснящаяся в узком пространстве между частицами почвы, связана с ними силами поверхностного натяжения. В таких условиях, если вода полностью заполняет узкие канальцы в почве, она переохлаждается (то есть ее температура становится ниже точки замерзания), но не превращается в лед. Там, где влага выходит на поверхность, ее замерзанию уже ничто не препятствует, и на выходе каждого почвенного «канала» начинается рост ледяного кристалла.

Растущий лед начинает вытягивать влагу из почвы, и увеличение кристаллов продолжается до тех пор, пока почва продолжает оставаться насыщенной водой, то есть поступление воды снизу не прерывается. Конечно, рост кристаллов также прерывается при потеплении воздуха: обычно это происходит днем, когда солнце нагревает поверхность земли. Усиление мороза также не способствует росту стебелькового льда: оно вызывает замерзание воды непосредственно в почве, а не только на поверхности. Рост кристаллов происходит быстро — со скоростью от 5 до 7 мм в час. Как правило, они растут густо, приподнимая частички грунта. Рост кристаллов происходит вертикально, против силы тяжести. Только после того, как кристаллы начинают разрушаться при таянии или испарении воды, они изгибаются или обваливаются, ломаясь под тяжестью захваченных ими комочков земли и других предметов.

Стебельковый лед на обнаженной почве. Ледяные кристаллы поднимают на поверхность не только комочки земли, но и семена злаков, посеянные на газоне. Фото Павла Квартальнова, Московская область, г. Долгопрудный, 26 октября 2023 года

Стебельковый лед проще всего заметить на местах с обнаженной почвой, например на городском газоне, с которого сняли дерн. С первыми заморозками на почве земля в этих местах растрескивается, вспучивается, поднимается причудливыми колоннами высотой несколько сантиметров. Такое происходит не только с полностью обнаженной почвой: если землю едва успели покрыть мхи, их стебли жестоко разрывает такое вспучивание. Присмотревшись, можно увидеть, что всюду, вспучивая землю, густо выросли ледяные столбики. Большинство их оказались облепленными комочками земли.

Даже спустя несколько часов после формирования стебельковый лед сохраняет свою структуру: тонкие, параллельные один другому ледяные кристаллы. Фото Павла Квартальнова, Московская область, г. Долгопрудный, 26 октября 2023 года

На первый взгляд, растрескивание почвы при росте стебелькового льда должно приводить к более глубокому ее промерзанию. Однако наблюдения показывают, что стебельковый лед, напротив, предохраняет землю от мороза. Вытягивая влагу из почвы, он способствует притоку новой воды из глубины, а вместе с ней и тепла, накопленного землей. Кроме того, внутри каждого ледяного столбика находятся многочисленные пузырьки воздуха. Воздух — плохой проводник тепла, и наполненные воздухом ледяные столбики, густо покрывающие поверхность обнаженной почвы, действуют как густая шуба.

Присмотревшись, можно обнаружить пузырьки воздуха, замурованные в кристаллах стебелькового льда. Фото Павла Квартальнова, Московская область, г. Долгопрудный, 26 октября 2023 года

Когда стебельковый лед начинает таять при небольшом повышении температуры, таяние начинается изнутри каждого кристалла, на границе пузырьков воздуха. Воздушные пузырьки перемещаются по образующимся в результате таяния тонким каналам, пронизывающим ледяные иглы. Движение пузырьков воздуха, а также связанной с ними воды и минеральных частиц поначалу может происходить в различном направлении, но в итоге вода опускается к почве. Наружная оболочка кристаллов окончательно разрушается, стаивая в последнюю очередь. Лед изменяется, исчезая далеко не сразу.

Даже в холодный день стебельковый лед быстро меняется. Ледяные кристаллы, изображенные на этой фотографии, полностью слились, но всё еще хорошо различимы пронизывающие их каналы, заполненные воздухом. Фото Павла Квартальнова, Московская область, г. Долгопрудный, 26 октября 2023 года

Хотя стебельковый лед в умеренном климате — эфемерное явление, он может заметно влиять на выживание семян деревьев и трав. Выталкивая их из почвы, лед оставляет семена на поверхности, где они погибают от перемерзания, высыхания или поедания животными (в городах — теми же голубями). Это препятствует естественному восстановлению газонов.

Стебельковый лед — эфемерное образование, однако он значительно меняет верхний слой почвы. Фото Павла Квартальнова, Московская область, г. Долгопрудный, 26 октября 2023 года

Если не удалось увидеть стебельковый лед в предзимье, можно познакомиться с ним весной, в схожих погодных условиях. Образование стебелькового льда случается и зимой, на поверхностях, в ходе оттепели освободившихся от снега. Поздней осенью стебельковый лед, наряду с другими явлениями предзимья, говорит о скором формировании снежного покрова. Снег должен укрыть землю, чтобы сохранить ее тепло. Парадокс, однако, в том, что, пока верхний слой земли остается теплым, снег не может на ней задержаться: едва снежинки касаются земли, они тут же тают, превращаются в воду. Земля хранит тепло, накопленное за летние месяцы, когда ее в дневные часы нагревало солнце. Как правило, к резкому остыванию поверхностного слоя почвы приводят холодные ясные ночи, когда тепловое излучение от земной поверхности беспрепятственно уходит в небо и, не задерживаясь облаками, теряется в необозримом пространстве космоса. Такое резкое остывание земли заметно наутро по появлению стебелькового льда и инея.

Иней свидетельствует о заморозке на почве — о резкой потере тепла земной поверхностью, охлаждающей и приземный слой воздуха. Фото Павла Квартальнова, Московская область, г. Долгопрудный, 26 октября 2023 года

Стремительно остывающая земля охлаждает приземный слой воздуха. Холодный воздух способен вобрать меньшее количество водяного пара, чем теплый, и «лишняя» вода выпадает на почве и опавших листьях мелкими ледяными кристаллами. Как и стебельковый лед, иней быстро тает под солнцем.

Фото © Ruth Hartnup с сайта flickr.com, Канада, 15 ноября 2014 года.

Павел Квартальнов