«Физика зимних чудес»
                          Исследовательская работа участников клуба

Цель: понять физику природных явлений на примере зимних чудес.

   В прошлом году на День Науки мы рассматривали жизнь одного очень удивительного человека – С.П. Капицы. Он говорил: «Главное чудо – то, что мы живем». Действительно, сама наша жизнь – это очень большое чудо. И не только в ней, но и в природе можно встретить много всего необычного, те явления, которым удивляются даже видавшие многое ученые, поэты и художники. 
    Наверное, слово «чудо» у многих ассоциируется с чем-то загадочным, сказочным.  А что такое сказка? Это волшебный мир, который учит нас добру, пониманию, помогает поверить в свои силы. 
    В детстве каждый человек  часто задавался вопросами: почему небо синее, почему светит солнце или почему идет дождь? Всё было интересно и почти всё необычно. Но, став взрослыми, люди часто перестают восхищаться окружающей нас природой и явлениями, происходящими в ней. 
   Но оказывается, у физиков существуют свои сказки… Это и ледяные цветы, снежные «пончики», ледяные круги,  полосатые айсберги, световые столбы, «кающиеся монахи»  и многое другое. Что ж, отправимся в мир сказок и чудес?

Мы не ели, мы не пили, 
Бабу снежную лепили.
Снег февральский слабый, слабый
Мялся под рукой,
Но как раз для снежной бабы
Нужен нам такой…
А. Барто
При повышении давления снег в руках при слабом морозе начинает плавиться. После снятия давления образовавшаяся вода может вновь замёрзнуть, что ещё больше усиливает связи между отдельными снежинками. При сильном морозе для плавления льда требуется настолько большое давление, что оно не может быть создано мускульным усилием человека. И тогда за дело берется природа. 

Снежные «пончики»
Невероятно, но она тоже умеет катать снежки, причем необычной формы – в виде пончика. На самом деле, ничего удивительного в этом нет. Это хоть и редкое, но достаточно подробно изученное природное явление. Для того, чтобы наблюдать его, необходимо несколько условий:  
1)    На лежачем снегу должна образовать корка – достаточно плотная и скользкая
2)    Поверх этого должно выпасть несколько сантиметров рыхлого влажного снега
3)    Все это должно происходить на склоне горы или холма, где силы гравитации неизбежно потянут снежный комочек вниз
4)    Нужны особые погодные условия - сильные порывы ветра, которые могли бы сорвать комья снега или кусочки сосулек с дерева или скалы и тем самым послужить как бы пусковым механизмом для скатывания верхнего слоя снега вниз по насту (т.е. Fтр.покоя<F порыва ветра)
 В отличие от снежных комков, вылепленных человеком, эти снежные роллы цилиндрической формы и нередко имеют отверстия во внутренних слоях, которые и формируются в первую очередь. Эти внутренние слои тонкие и слабые, в отличии от внешних толстых и плотных. Валик снега достигает порой до 70 см в диаметре и 66 см в высоту.
Именно из-за довольно редких стечений природных условий снежные «пончики» наблюдаются в основном в горной местности.

«Кающиеся монахи»
Другое их название – кальгаспоры или «кающиеся снега»
Это удивительное явление можно наблюдать исключительно в высокогорья, где снег тает под действием косо падающих лучей солнца и ветра. В процессе их воздействия, формируются острые кристаллы. Порой они образуют собой труднопроходимые «леса», имеющие высоту от нескольких метров до 20-30 метров. 
Существует несколько версий образования кальгаспоров:  солнечные лучи, падающие под косым углом неравномерно нагревают снежный покров, вследствие чего на его поверхности появляются впадины и углубления, в которых таяние происходит намного быстрее. Проталины увеличиваются оставляя на поверхности ледяные пики.
Так же существует версия, что своей заостренной формой они обязаны влиянию магнитного поля Земли. Влага из атмосферы осаждается как иней на пиках, но кристаллики льда электризуются и выстраиваются вдоль линии магнитного поля.
Существует гипотеза, что на высоте нескольких километров снег не тает, а сублимируется, переходя в парообразное состояние, минуя жидкую стадию, об этом свидетельствует отсутствие мокрых следов вокруг целых групп. Солнечные лучи отражаются от боковых граней, подтачивают соседние, делая их еще острее.
Опыты показывают, что значительную роль в образовании играют процессы абляции, циклического подтаивания и замерзания воды в условиях низких температур и определённых значений солнечной радиации.
Заостренные снежные верхушки, сгруппированные в целые поля, вызвали ассоциацию с головными уборами монахов выстроившихся в торжественные процессии. Что удивительно испанское название этого явления «пенитентес» что в переводе означает «кающиеся» произошло от одноименного названия головных уборов монахов.

Ледяные круги 
Изредка в природе можно увидеть любопытное явление – ледяные круги. Они появляются в реках с медленным течением и представляют собой идеально ровные, неспешно вращающиеся круги изо льда.
Такие круги образуются благодаря вихревому течению, возникающему в реке. Попавший в такое течение кусок ледяного покрова начинает вращаться. Во время вращения края этого куска стачиваются об окружающий его лед, и вскоре может получиться ровный круг.
Наиболее часто это явление наблюдается в Скандинавии и Северной Америке, но также его видели в Германии, Англии и России. Кажется, что такие ровные круги льда могут быть созданы только руками человека. Однако природа данного явление проста. Из-за разности температур воды возникают маленькие водовороты. Они то и придают льдинам ровную округлую форму.
Как правило, ледяные круги бывают больше, чем четыре метра в диаметре. Самый большой такой круг был замечен на озере Байкал и имел диаметр четыре километра.

Брайникл
Мы привыкли видеть сосульки, свисающие с крыш. Однако в Арктике есть особые сосульки, которые висят под водой и несут смертельную опасность для обитателей океанского дна. Это явление было названо «брайникл»  или «ледяной сталактит», однако это не лед.
Брайникл представляет собой поток экстремально холодного пересыщенного соляного раствора. Вода этой струи обладает намного большей плотностью, чем вся остальная окружающая ее вода океан. 
Тепло от океанической воды поднимается вверх и подтапливает айсберг, образуя новый лед. Соль из этого льда концентрируется в насыщенный солевой раствор и выходит через мелкие каналы в океан. 
Так как плотность сталактита выше, а температура ниже, он устремляется ко дну непрерывным потоком и замораживает вокруг себя морскую воду. Поэтому предоставляет огромную опасность для обитателей морского дна.

 Световые столбы
Световой столб - оптический эффект, который представляет собой вертикальную полосу света, тянущуюся от солнца во время его заката или восхода. Это явление очень распространено на Аляске. Ведь его возникновение зависит от очень низких температур.
При температуре ниже 20 градусов Цельсия в воздухе появляется множество ледяных кристалликов, в которых отражается свет от различных наземных источников (фонарей, домов, фар автомобилей) и образует такие световые столбы. 
Световые столбы нередко формируются вокруг луны, городских огней и других ярких источников света. Световые столбы, вызванные светом, исходящим от солнца (солнечные столбы) или луны. Когда свет преломляется через кристаллы, мы видим столб света, но в зависимости от ракурса, столб может находиться выше или ниже источника света.

Полосатые айсберги
Некоторые айсберги в полярных регионах отличаются цветными полосами, выделяясь среди арктических белых и голубых. Когда вода на айсберге тает и повторно замерзает, грязь и другие частицы могут попасть между новыми слоями льда, что приводит к образованию цветных полос на их поверхности.
Айсберг кажется белым из-за крошечных пузыриков, рассеивающих свет. Голубые полосы появляются, когда вода попадает между слоями льда и замерзает так быстро, что воздушные пузырьки не успевают сформироваться. Когда айсберг раскалывается и падает в океан, водоросли и другие материалы, присутствующие в воде, могут привести к появлению зеленых и желтых полос.

Гало
Гало — оптический феномен, светящееся кольцо вокруг источника света. Обычно появляется вокруг Солнца или Луны, иногда вокруг других мощных источников света, таких как уличные огни. Иногда в морозную погоду гало образуется кристаллами очень близко к земной поверхности. В этом случае кристаллы напоминают сияющие драгоценные камни (т.н. алмазная пыль). Данное явление наблюдалось даже в нашем городе – 15 февраля 2011 года.
Вид наблюдаемого гало зависит от формы и расположения кристаллов. Отражённый и преломлённый ледяными кристаллами свет нередко разлагается в спектр, что делает гало похожим на радугу.

Ледяные цветы
В Арктике существует невероятно красивое явление — ледяные цветы. Так ученые называют кристаллы высотой в несколько сантиметров, которые образуются на поверхности тонкого слоя льда.
Считалось, что ледяные цветы образуются несколькими способами. Один — вода из перенасыщенного влагой воздуха конденсируется в виде кристаллов на поверхности льда. Точно так же формируется иней. Другой способ — соленая вода поднимается по порам льда и на его поверхности вырастают кристаллы соли. К сожалению, ледяные цветы недолговечны. Ведь они могут «расти» только на поверхности тонкого, молодого льда. Но как только толщина льда увеличивается, температура на его поверхности приближается к температуре воздуха и цветы просто исчезают.
Свою работу хотелось бы закончить словами удивительной женщины и настоящего ученого – Марии Кюри. Всю мою жизнь новые чудеса природы заставляли меня радоваться, как ребенка. 
Наука — это великая красота. Ученый у себя в лаборатории не просто техник: это ребенок лицом к лицу с явлениями природы, действующими на него как волшебная сказка.
Хочется пожелать всем видеть прекрасное так, как это умела делать Мария Кюри.  Потому что, если человек способен на это, то только потому, что он носит прекрасное внутри себя.