Кольцо льда по краю лужи возникает, когда вода у берега теряет тепло быстрее, чем в центре, и ледяная корка начинает расти от холодного периметра внутрь. Края соприкасаются с промёрзшей землёй, а сама лужа тонкая, поэтому тепло уходит в грунт и воздух. Если середина ещё остаётся жидкой, глаз видит ободок вокруг тёмного или прозрачного центра. Это не единственный рисунок замерзания: ветер, глубина, состав воды, солнечный свет и устройство поверхности могут изменить направление и форму ледяного фронта.
Откуда у края преимущество
Чтобы вода превратилась в лёд, она должна отдать тепловую энергию. Зимой холодная земля действует как большой теплоотвод: вода в контакте с ней охлаждается, а вместе с ней остывают ближайшие слои. Тонкая лужа может одновременно терять тепло через верхнюю поверхность и через дно. Если берег промёрз сильнее центра, первые кристаллы льда зарождаются именно по краю.
При замерзании выделяется скрытая теплота – энергия, которую нужно отвести, чтобы жидкая вода стала твёрдой. Поэтому фронт кристаллизации не движется мгновенно. Образующийся лёд сам становится дополнительным слоем между оставшейся водой и холодным воздухом или грунтом. Скорость дальнейшего роста зависит от того, насколько быстро тепло проходит через уже возникшую корку.
Поначалу тонкий край может быть почти незаметен. Затем ледяные участки соединяются в непрерывный ободок. Если холодная зона распространяется от берегов к центру, граница между твёрдой и жидкой водой постепенно смещается внутрь. В подходящих условиях это и создаёт впечатление, будто лужа замерзает кольцом.
Почему центр может оставаться жидким
Центральная часть лужи часто удалена от контакта с промёрзшим берегом и может иметь большую глубину. Больший объём воды содержит больше тепла на единицу площади поверхности, поэтому остывание занимает больше времени. Кроме того, под центром может находиться грунт, который промёрз меньше, например если лужа лежит над рыхлой почвой или местом, которое недавно нагревалось солнцем.
Различие температур не обязано быть большим. Для появления узкой кромки достаточно, чтобы по периметру лёд возник немного раньше, чем в середине. Подвижность воды тоже имеет значение: пока центр не замёрз, перемешивание способно переносить тепло и размывать температурные границы. В очень мелкой спокойной луже этот эффект слабее, а на ветру поверхность может быстро отдавать тепло по всей площади.
Иногда рисунок создаёт не только охлаждение. Вода у края может просачиваться в пористую землю, уровень лужи немного падает, а оставшаяся корка оказывается приподнятой над влажной поверхностью. Тогда видимый круглый край возникает из сочетания замерзания и движения воды. Поэтому по одному фото нельзя всегда определить точный механизм: важно учитывать, где находится лужа, какова толщина льда и что происходило с уровнем воды.
Чем кольцо отличается от других ледяных форм
Кольцевой ободок не следует путать с круглыми ледяными дисками на реке и с ледяными «блинами» на водоёмах. В реке отдельный диск может вращаться в потоке и постепенно округляться от столкновений с другими льдинами. На спокойной лужице же кольцо часто является краевой частью одной поверхности, а не отдельной плавающей плитой.
Есть и другой эффект – ледяной шип или трубочка, возникающая над отверстием в корке. Когда вода внутри замкнутой оболочки продолжает замерзать и расширяться, часть жидкости может быть вытолкнута через маленькое отверстие и замёрзнуть выступающим столбиком. Такой шип объясняется геометрией закрывающегося льда и расширением воды, а не просто холодным берегом. В статье почему лёд иногда образует шипы на поверхности рассматривается именно этот случай.
Похожее внешнее кольцо может появиться и при таянии, когда вода стекает под тонкую корку и открывает воздушную щель. Это обратный по времени процесс, хотя результат тоже похож на ободок. Чтобы отличить ситуации, нужно посмотреть, есть ли вокруг вода, насколько лёд прозрачен и наблюдалось ли постепенное замерзание или, наоборот, оттепель.
Что влияет на рисунок
Ветер усиливает теплообмен с воздухом и может охлаждать всю поверхность, поэтому чёткое замерзание от краёв менее вероятно. Снег работает как теплоизоляция и замедляет отвод тепла. Солнечные пятна и тень создают неодинаковый прогрев. Соль и другие растворённые вещества понижают температуру замерзания, поэтому вода на дорожках с противогололёдными реагентами может вести себя иначе, чем чистая лужа в саду.
Важна и форма берега. У мелкого края отношение площади контакта с землёй к объёму воды велико: тонкий слой быстрее меняет температуру. Если лужа лежит в углублении с глубокой серединой, центр может сохранять тепло дольше. Неровности грунта и листья, оказавшиеся во льду, также влияют на места зарождения кристаллов.
Лёд не всегда растёт как гладкая сплошная плёнка. Кристаллы могут захватывать пузырьки воздуха, а примеси вытесняются и концентрируются в оставшейся жидкости. Отсюда неодинаковая прозрачность и белёсые участки. О причинах пузырьков и мутности льда подробнее рассказывает материал почему лёд бывает прозрачным или белым.
Наблюдать безопасно
Кольцо на тонкой корке лужи выглядит безобидно, но по его виду нельзя судить о прочности. Даже если берег покрыт льдом, центр может быть жидким, а под снегом границу воды не видно. Не выходите на лёд водоёма и не наступайте на замёрзшую лужу возле проезжей части. Лучше наблюдать с суши и не проверять толщину рукой или ногой.
Итак, ледяное кольцо появляется, когда край тонкой лужи быстрее отдаёт тепло холодной земле и воздух, а граница замерзания постепенно движется к ещё тёплой середине. Насколько чётким будет этот рисунок, зависит от глубины, грунта, ветра, снега и движения воды.
Почему кольцо не всегда идеально круглое
Лужа редко имеет равномерную глубину и одинаковый контакт с грунтом по всей окружности. На одной стороне берег может быть тоньше или сильнее промёрзнуть, а с другой вода будет закрыта снегом или листом. Поэтому ледяной фронт движется с разной скоростью и край получается овальным, ломаным или прерывистым. Даже ровная на вид поверхность может иметь микрорельеф, который задаёт места первого образования кристаллов.
Видимое кольцо также зависит от освещения. Тонкий лёд прозрачнее, а скопление пузырьков или инея делает его белым и заметным. Если граница льда совпадает с тенью, кажется, что кольцо шире, чем оно есть. На фотографиях блики могут скрыть жидкую середину или создать ложное впечатление, что всё покрыто коркой.
