Лед появляется не просто потому, что температура падает ниже 0 °C. Для начала кристаллизации еще нужен центр кристаллизации — пылинка, крошечный кристалл или даже царапина на стенке. К такой частице присоединяются первые молекулы воды, и начинается рост льда. Без этого вода может оставаться жидкой, даже если вокруг мороз — это состояние называют переохлаждением. По данным проекта Physics Van Иллинойского университета, в обычных условиях вода редко остывает ниже −20 °C, а в очень чистой — ненадолго может дойти почти до −40 °C.
Почему газировка в бутылке не замерзает
В закрытой бутылке нет подходящих центров кристаллизации. Стенки пластика гладкие, а сахар и другие добавки растворены в воде — твердых частиц, с которых мог бы начаться рост льда, почти нет. Кроме того, эти добавки понижают температуру замерзания, поэтому для замерзания нужна заметно более низкая температура, чем 0 °C. Газ остается растворенным под давлением, пузырей внутри нет, и напиток выглядит как обычная прозрачная жидкость.
Что запускает замерзание при открытии бутылки
Когда снимают крышку, давление резко падает, и растворенный газ выходит тысячами мелких пузырьков. По данным научных источников, именно на этих пузырьках начинается нуклеация — образование первых кристаллов льда. Перепад давления и возможная встряска только помогают процессу начаться. Дальше первые кристаллы создают новую поверхность, на которой нарастают соседние слои льда, и замерзание быстро распространяется по всему объему. Без такого «толчка» тот же процесс в морозилке шел бы часами.
Почему получается «каша», а не сплошной лед
При замерзании выделяется немало тепла — около 334 кДж на килограмм льда. Этого хватило бы, чтобы нагреть килограмм воды примерно на 80 °C. Переохлажденная газировка холоднее точки замерзания всего на несколько градусов, поэтому запаса холода хватает лишь на часть объема. Первые кристаллы нагревают оставшуюся жидкость до температуры замерзания, и дальнейшее образование льда прекращается. В Physics Van оценивают долю замерзшей воды в таких опытах в 10–20 %. Остальное остается в виде смеси жидкости и кристаллов — той самой «каши». Чем сильнее переохлаждение, тем больше льда образуется.
Облака, которые не замерзают
Тот же механизм работает и в атмосфере. Обычная облачная капля имеет диаметр около 0,02 мм. По данным метеорологов Манчестерского университета, чистая капля может оставаться жидкой почти до −40 °C. Центров кристаллизации в воздухе мало: в среднем от одной до десяти частиц на литр — это пыль, сажа и некоторые бактерии. Поэтому в облаках часто содержится много жидкой воды даже при сильном морозе. От доли жидкой воды зависит и климат: жидкие облака сильнее отражают солнечное тепло, а ледяные — удерживают его.
Ледяной дождь
Переохлажденные капли могут падать на землю. Если дождь проходит через слой воздуха с температурой ниже нуля, капли остаются жидкими. По описанию Flight Safety Foundation, при ударе о поверхность они мгновенно замерзают. Размеры таких капель заметны: морось достигает 0,5 мм, а капли дождя могут быть в пять раз крупнее. На обшивке самолета они образуют тяжелую прозрачную глазурь, которую трудно удалить, особенно вне зоны действия противообледенительных устройств. Здесь работает тот же принцип, что и с бутылкой: капля ждала подходящего центра кристаллизации — и нашла его на поверхности крыла.
Что с морозилкой на самом деле
Трюк с газировкой работает в очень узком диапазоне условий. Если напиток оставить в морозилке дольше нужного, он замерзнет целиком и без всякого открытия крышки. При этом вода расширяется примерно на 9 %, и пластиковая бутылка, банка или стеклянная тара могут треснуть или лопнуть. Особенно высок риск у полной закрытой емкости, где льду просто некуда расти. Поэтому такие опыты проводят с таймером и не оставляют бутылки в морозилке на ночь. Смесь жидкости и кристаллов, которая получается при быстром замерзании, наглядно показывает то, что происходит и в облаках над городом: жидкая вода может держаться на морозе, пока нет подходящего центра кристаллизации, но как только он появляется, лед нарастает стремительно.
Ранее мы сообщали, что в апреле 2026 года в России разработали ракету против града: по данным Роспатента, она должна равномерно распределять в переохлажденном облаке центры кристаллизации. А причину появления льда в холодильнике мы разбирали отдельно.