Зимой москвичи наслаждаются атмосферой праздника, очарованием первого снега и домашним уютом. В новогодние каникулы самое время полюбоваться праздничными украшениями в городе и заснеженной природой за городом. Но многие из вас даже не задумывались, как появляется снег, почему лед скользкий, в конце концов, почему зимой холодно.
На любой вопрос, даже самый простой, можно найти ответ с помощью науки. Вместе с учеными проекта «В центре науки» (наука.цпм.рф) Центра педагогического мастерства столичного Департамента образования и науки раскрываем зимние явления с научной точки зрения.
Почему лед скользкий, а снежинки имеют необычную форму?
Когда за окном мороз и падает снег, за этим зимним волшебством скрывается удивительная физическая химия воды. Лед и снег — это результат сложных молекулярных процессов, в центре которых — водородные связи и структура молекулы H₂O.
Образование льда начинается при температуре ниже 0 °С, когда молекулы воды теряют кинетическую энергию и начинают формировать упорядоченную кристаллическую решетку (читайте также: Поделки из бумаги на Новый год: 20 красивых вещей, которые легко создать своими руками).
Почему же лед скользкий? Традиционно считалось, что под давлением (например, подошвы ботинка) лед плавится, образуется слой воды, который работает как смазка. Однако современные исследования показывают: даже без давления на поверхности льда существует квазижидкий слой.
«Молекулы на поверхности имеют меньше водородных связей, чем внутри кристалла, и поэтому обладают большей подвижностью. Эта „расплавленная кожура“ — аморфная, похожая на жидкость фаза, подвижность которой обеспечивает скольжение. Интересно, что минимум трения наблюдается при −7 °С, самой подходящей погоде для конькобежцев», — объяснила к. х. н., руководитель молодежной научной группы «Сколтех» Полина Рудаковская.
Снежинки — еще одно чудо молекулярной организации. Все снежинки имеют шестилучевую симметрию, но ни одна не повторяет другую. Это происходит потому, что их форма представляет собой своего рода «климатический дневник» ее пути через облако. Во время падения кристалл проходит через слои с разной температурой и влажностью, и от этих условий зависит, будет ли он расти в виде тонкой пластины, иглы или сложного дендрита.
Японский ученый Укитиро Накая еще в 1930-х годах показал: при −2 °С образуются плоские пластинки, при −5 °С — иглы, а при −15 °С — самые ажурные звездчатые формы. Чем выше влажность, тем активнее развивается ветвление — нестабильность, порождающая изысканные узоры. Таким образом, каждая снежинка — уникальный результат взаимодействия молекулярной структуры воды и атмосферных условий.
Что такое физика холода и как мороз рисует на окнах?
Смена сезонов — вполне привычное для нас явление, мы всегда знаем, что на смену теплу и зелени придут холода и снег. Но почему когда в России зима, то в Австралии или Бразилии, наоборот, самое жаркое время года?
Земля участвует сразу в двух вращениях — вокруг Солнца по орбите в течение года и вокруг своей оси в течение суток. Но вот наклон земной оси вращения (примерно направленный на Полярную звезду) отличается от прямого угла с направлением движения вокруг Солнца и составляет примерно 21°. То есть Земля немного «завалена на бок». Из-за этого оказывается, что большая часть прямых солнечных лучей падает то на северное, то на южное полушарие нашей планеты, соответственно, поэтому жаркие и холодные сезоны в северном и южном полушариях не совпадают.
Кстати, привычная россиянам календарная зима не вполне соответствует астрономическим понятиям: астрономическая зима длится с зимнего солнцестояния до весеннего равноденствия, то есть в северном полушарии она идет с 22 декабря до 21 марта, в южном полушарии — с 22 июня до 21 сентября.
Морозные узоры — удивительно красивое природное явление, однако они появляются не всегда. Дело в том, что главные условия их образования — влажный воздух в комнате и температура стекол, равная 0 °С, что соответствует условиям замерзания воды (читайте также: Какой будет зима 2026 в России: прогноз погоды на январь и февраль).
«Если есть и то и другое, водяной пар, содержащийся в воздухе, при соприкосновении с очень холодным стеклом резко охлаждается и кристаллизуется, пропуская жидкую фазу. Из этих кристалликов и формируются узоры разного вида, их называют „дендриты“ и „трихиты“. Разнообразие узоров определяется другими причинами: насколько гладкое стекло, есть ли на нем пылинки или загрязнения, как именно движутся воздушные потоки в комнате и так далее. Именно поэтому невозможно найти два окна с одинаковыми узорами, они всегда уникальны.
Кстати, в современных квартирах с пластиковыми многослойными стеклопакетами, обладающими очень хорошей теплоизоляцией, влажный воздух в комнате не соприкасается с самым холодным внешним стеклом, и увидеть там морозные узоры просто невозможно», — объяснила к. х. н., руководитель молодежной научной группы «Сколтех» Полина Рудаковская.
Как растения живут зимой и почему елочки зеленые?
Зимой растения не мерзнут так, как люди. Им нельзя надеть шапку и куртку, зато они умеют заранее переходить в особый режим экономии: замедляют естественные жизненные процессы, защищают свои клетки от льда и высыхания (читайте также: Открытки на Новый год 2026: 20 красивых картинок, чтобы порадовать близких и родных).
«Растение не может убежать от мороза, поэтому главное для него — подготовиться заранее. Осенью, когда дни становятся короче, а ночи холоднее, в его клетках „включается“ зимний режим. Его запускают светочувствительные пигменты и гормоны. Рост постепенно останавливается, обмен веществ замедляется, и дерево как будто впадает в зимнюю дрему.
У лиственных пород одна из первых защитных мер — сбросить листья. Листья постоянно испаряют воду. Зимой вода в почве замерзает и становится почти недоступной, а морозный ветер дополнительно сушит крону. Если бы дерево пыталось «поить» миллионы листьев, оно просто пересохло бы», — рассказал председатель совета молодых ученых РУДН Антон Роберт.
Есть и еще одна важная хитрость — защита клеток ото льда. В клеточном соке накапливаются сахара и некоторые другие вещества, которые понижают температуру замерзания и мешают воде образовывать крупные кристаллы льда. Помогает и снег: под снегом растениям нередко теплее, чем на воздухе. Снежный покров работает как одеяло и удерживает температуру около нуля, даже когда снаружи −15 или −20 °C.
Но почему же елочки и другие хвойные остаются зелеными? Их листья-иголки устроены совсем иначе, чем широкие листья березы или клена. У иголки очень маленькая поверхность, через нее медленнее теряется вода. Сверху она покрыта толстым восковым слоем, а устьица — крошечные поры для «дыхания» — расположены глубже, чтобы их не так сушил морозный воздух. Благодаря такой «конструкции» хвойному дереву не нужно каждый год сбрасывать листву: каждая иголка живет несколько лет, а обновление идет постепенно, и мы почти не замечаем смены хвои.
Полезно ли гулять зимой и реально ли воздух свежий?
В зимнее время особенно важно поддерживать физическую активность, заниматься спортом на открытом пространстве. Воздух зимой лишен аллергенов, насыщен кислородом. Каждая прогулка на улице становится естественной профилактикой заболеваний сердечно-сосудистой и дыхательной систем, стимулирует мозговую деятельность, усиливает сопротивляемость инфекциям.
«На холоде сосуды кожи сначала компенсаторно сужаются, чтобы минимизировать потерю тепла, а затем постепенно расширяются. Это тренирует сосуды, улучшает их эластичность и предотвращает развитие атеросклероза.
Низкие температуры запускают процесс терморегуляции, что ускоряет метаболизм организма, стимулирует кровообращение, позволяет расходовать большее количество калорий за меньшее время, яркий свет солнца, отражающийся от снега, стимулирует выработку витамина D, гормона радости серотонина, нормализует выделение гормона сна мелатонина», — отметила председатель научного студенческого общества МИ РУДН Юлия Иванова.
Также во время прогулки снижается уровень гормонов стресса: адреналина, норадреналина, кортизола. Это помогает быстрее заснуть и проснуться бодрым и отдохнувшим.
Согласно исследованиям ученых Гарвардского медицинского института, свежий воздух помогает расслабиться и повысить настроение благодаря снижению уровня активности области мозга, ответственной за негативные эмоции. Также, по данным исследования Мичиганского университета, у людей, проводящих хотя бы 30 минут на свежем воздухе, значительно улучшена концентрация и память.
Регулярность прогулок позволит выработать полезную привычку. Но при всей пользе прогулок в зимний период важно помнить, как важно защитить организм от агрессивных воздействий внешней среды. Следует выбирать многослойную одежду, чтобы избежать переохлаждения и перегрева. Длительность прогулок следует увеличивать постепенно, при этом следить за состоянием организма. Тогда удастся избежать вреда и получить максимальную пользу от прогулок.