Hãy nói về tuyết ngày hôm qua

26

HÃY NÓI CHUYỆN
GIỚI THIỆU TUYẾT NGÀY HÔM NAY

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
A. V. MITROFANOV

Có lẽ một số bạn khi đọc điều kiện bài toán đã đồng ý về bản chất của vấn đề. Đáp số là thế này: các đường trượt tuyết rất khác nhau vì số lượng người trượt tuyết đi qua chúng khác nhau và vào những thời điểm khác nhau. Tại sao điều này lại có tác động lớn đến diện mạo của đường trượt tuyết? Hãy cố gắng tìm ra nó.

Tuyết rơi trên mặt đất là một vật thể rất phức tạp, liên tục thay đổi theo thời gian. Bạn biết rằng rất lâu trước khi mùa xuân tan chảy, tuyết lắng xuống, nén lại, có thể trở nên dày đặc hơn hoặc ngược lại, dễ câu cá hơn, giảm trọng lượng, “thời tiết”. Đồng thời, nhiều đặc tính vật lý của tuyết thay đổi, chẳng hạn như hệ số dẫn nhiệt, độ xốp, độ ẩm, v.v. Sự can thiệp của con người - ví dụ, sự nén tuyết khi đặt đường trượt tuyết hoặc đường dành cho người đi bộ - cũng làm thay đổi diện mạo của lớp phủ tuyết, tạo ra các đặc tính của tuyết để phân biệt nó với tuyết nguyên sơ theo một cách nào đó.

Sự biến đổi đáng kinh ngạc của trạng thái tuyết trong tự nhiên là do tuyết không chỉ tồn tại một mình mà còn tham gia vào các quá trình chuyển đổi vật lý trực tiếp và ngược lại băng - hơi nước và băng - nước. Các quá trình này đặc biệt tích cực vào mùa xuân, khi tuyết ở trong điều kiện gần với cái gọi là điểm ba của nước. Chúng ta hãy nhớ lại rằng tại điểm ba có ba dạng vật chất - khí (trong trường hợp này là hơi nước), chất lỏng

27

(nước) và chất rắn (nước đá) cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng. Đối với nước, điểm ba (hình 1) nằm ở nhiệt độ gần 0 °C (chính xác hơn là ở $t_0=0,0078$ °C); áp suất của hơi nước bão hòa tương ứng với điểm ba, $p_0=610,6$ Pa (hoặc, theo đơn vị khác, 0,006 atm, hoặc 4,58 mm pt. Art.).

Tốc độ chuyển pha của tuyết phụ thuộc vào một số yếu tố, chẳng hạn như mặt trời chiếu sáng như thế nào, bên ngoài ấm hay lạnh như thế nào, độ ẩm là bao nhiêu, có gió ấm thổi hay không, v.v. Những thay đổi nhỏ, rất không đáng kể trong trạng thái ban đầu của tuyết có thể dẫn đến sai lệch đáng kể về tốc độ của một hoặc một quá trình khác và cuối cùng có tác động mạnh mẽ đến các đặc tính của lớp phủ tuyết. Đây chính xác là những gì xảy ra trên đường bằng phẳng.

Bức ảnh bên phải cho thấy hai dải băng song song, dường như nhô lên trên lớp tuyết mùa xuân thô và bị phong hóa. Đây là một lời nói dối cũ. Chắc hẳn đã có rất nhiều người trượt tuyết chạy dọc theo đường trượt tuyết. Khi cái bẫy trở nên nhỏ gọn đến mức một lớp băng hình thành trên đó, những người đánh bẫy đã ngừng sử dụng cái bẫy này và tiếp tục sử dụng cái bẫy mới gần đó. Tại sao đá hình thành trên khay ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ tan ở nhiệt độ đó? Đây là một hoàn cảnh rất đáng yêu cần phải chú ý.

Năm 1814-1816, khi nghiên cứu tính chất của băng tuyết, nhà vật lý điện nổi tiếng người Nga V.V. Petrov đã phát hiện ra hiện tượng thăng hoa hay thăng hoa của pha rắn của nước. Subli-

Hình 1.

Mation là một loại hóa hơi của một chất. Bây giờ người ta đã biết rõ các bãi tuyết bốc hơi như thế nào. Từ sơ đồ pha (xem hình 1) có thể xác định được áp suất của hơi nước bão hòa; Nhiệt độ không khí được coi là dưới 0 ° C. Nếu áp suất hơi trong không khí nhỏ hơn giá trị này thì tuyết sẽ bay hơi (chuyển đổi hơi rắn) và quan trọng hơn là thậm chí không bắt đầu tan chảy! Và đây là điều thú vị. Áp suất của hơi bão hòa trên bề mặt cong của chất lỏng khác với áp suất trên bề mặt phẳng.*) Điều này cũng đúng đối với vật rắn ở trạng thái cân bằng với hơi. Những hạt tuyết nhỏ thăng hoa nhanh hơn những hạt lớn. Viền của bông tuyết càng mỏng thì độ cong của nó càng lớn và do đó nó bay hơi càng nhanh. Trên các bề mặt nhúng, độ cong của tuyết bị đảo ngược và ở đó sự bốc hơi có thể được thay thế bằng sự kết tinh của hơi ẩm nếu nhiệt độ tuyết thấp. Quá trình này tương tự như sự ngưng tụ chất lỏng trong các lỗ hoặc mao mạch hẹp, chỉ trong trường hợp này quá trình chuyển pha xảy ra bỏ qua trạng thái lỏng.

Kết quả là, hơi nước kết tinh tại điểm giao nhau của các tia tuyết, nơi các mảng tuyết khác nhau tiếp xúc. Hình dạng của đường cong tuyết không chỉ thay đổi (hãy nhớ những bông tuyết ở dạng hạt trên đường vào cuối mùa đông), mà cả những mảng tuyết riêng lẻ cũng đóng băng. Những khu vực dày đặc tuyết đã được nén trước sẽ đóng băng nhanh hơn. Tuyết cứng lại và có thể biến thành băng ở những nơi đã cứng lại. Sự hình thành hơi bão hòa rắn và do đó nồng độ của chúng lớn hơn trên bề mặt. Do sự khác biệt về nồng độ

28

Hơi nước phân tán khuếch tán lên bề mặt tuyết và băng bị đóng băng do hơi nước sâu chứ không phải do nước hình thành từ tuyết do áp lực quá lớn lên tuyết như một số bạn có thể lầm tưởng.

Trong tương lai, số phận của các bãi băng sẽ khác với số phận của các bãi tuyết lân cận, nơi tuyết thăng hoa nhanh hơn dưới tác động của nắng và gió. Thật buồn cười khi có một loại hiệu ứng nhà kính: băng tạo ra ánh sáng mặt trời và sự trao đổi nhiệt giữa tuyết dưới lớp băng và không gian bên ngoài rất nhỏ - gió và sự đối lưu dưới lớp vỏ băng thực tế không có. Vào một ngày nắng lạnh, tuyết nóng lên dưới lớp băng, thăng hoa nhanh hơn và thậm chí có thể bắt đầu tan chảy. Dưới lớp băng, tuyết bắt đầu biến mất!
Đây chính xác là điều mà tiếng xào xạc của những tảng băng rơi xuống “ mách bảo” chúng ta vào một ngày xuân đẹp trời.

Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang bức ảnh bên trái, cho thấy chùm ánh sáng. Khay này còn tương đối mới. Vào tháng Hai hoặc đầu tháng Ba, ngay trước vụ nổ súng, rất nhiều kẻ nịnh bợ đã lái xe dọc hồ. Họ đã nén chặt tuyết, thứ mà các trận bão tuyết đã thêm vào rất nhiều. Tuyết trên mặt phẳng tương đối nhẹ hơn, nhẹ hơn. Nhưng tại sao đường kẻ lại nhạt hơn nền và tại sao nó lại cao hơn mức tuyết chung?

Người ta có thể cho rằng tuyết đã rơi ngày hôm trước và gió đã thổi nó xuống một cánh đồng rộng hơn ngoài trời gần đó; Ngày hôm sau tuyết xung quanh tan hoặc bốc hơi nhưng vẫn còn trên giường, đó là lý do tại sao giường có màu trắng. Nhưng một đường tương tự như đường đã hình thành sẽ xuất hiện nhạt nhòa trên nền tuyết, bất kể ngày hôm trước tuyết có trôi qua hay không. Ruồi có màu sáng thường được tìm thấy gần các thành phố vào mùa xuân, khi tuyết đang tan mạnh; tình cờ là tuyết trên mặt đất đã tan gần hết, dấu vết của những bông tuyết vẫn còn trải dài trên mặt đất thành những sọc trắng…

Hãy đưa ra một lời giải thích khác. Nền tuyết phủ đầy tuyết sáng là một “chữ ký” của một quá trình vật lý thú vị, có thể gọi là sự mất ổn định bức xạ của ranh giới tuyết bẩn nếu chúng ta sử dụng thuật ngữ khoa học. Từ “bụi bẩn” có nghĩa là bụi, đường, tro, từ ô nhiễm xâm nhập vào tuyết từ bầu khí quyển. Bụi bẩn, không giống như tuyết, hấp thụ tốt bức xạ khả kiến: nó có màu đen! Các hạt bụi bẩn tiếp xúc với tuyết. Do đó, tuyết bẩn được mặt trời làm ấm tốt hơn tuyết sạch và do đó bay hơi (hoặc tan) nhanh hơn. Nhưng lớp tuyết càng bay hơi thì bề mặt của nó sẽ càng bẩn: bụi bẩn không bay hơi mà tích tụ trên đường viền “di chuyển” của lớp phủ tuyết. Và bề mặt bẩn sẽ càng bị mặt trời làm nóng lên, v.v. Do đó, nếu ở bất kỳ nơi nào có tuyết phủ, tuyết bốc hơi nhanh hơn, thì nơi này sẽ “đen” hơn các khu vực liền kề và trong tương lai tuyết sẽ bốc hơi nhanh hơn từ nơi này. Dưới tác động của ánh sáng mặt trời, bề mặt tuyết phẳng ban đầu trở nên nổi bật với các vùng sáng (cao) và tối (thấp).

Bây giờ chúng ta hãy nhìn vào các dấu “đen” (ảnh giữa). Có vẻ như lời nói dối này chưa bao giờ bị “gian lận”. Rất có thể, ở đây có hai hoặc ba người bắt băng đi ngang qua và để lại một dấu vết bị nghiền nát nhưng chưa dày đặc lắm. Sau đó, dưới tác động của mặt trời, tuyết trên luống như vậy sẽ bay hơi nhanh hơn so với tuyết xung quanh (giường lõm được bảo vệ khỏi gió lạnh tốt hơn so với tuyết ở nơi thoáng đãng). Khi trời trở nên tối, lizhne thậm chí còn bay hơi nhanh hơn. Và cuối cùng, nó nổi bật so với nền xung quanh nhờ các quá trình tương tự “có lỗi” về sự tồn tại của cỏ trắng trên tuyết bẩn.

Lời nói dối “đen” có một đặc điểm thú vị mà không phải ai cũng chú ý đến. Nắng càng nóng thì càng nóng. Tuyết ngâm trong nước phản xạ bức xạ nhìn thấy được tệ hơn nhiều so với tuyết khô. Vào thời điểm chụp ảnh (lúc đó là khoảng giữa trưa), thảm cỏ sẫm màu mới bắt đầu “phình to” dưới tia nắng và

29

Nó còn tối hơn nữa. Nếu bạn đến gần một căn hộ như vậy, bạn sẽ nhận thấy tuyết trên căn hộ đó đã bão hòa nước.

Những điều trên có thể được xây dựng bằng ngôn ngữ vật lý, sử dụng các hằng số quang học và albeby nhất định của nước và tuyết.

Albebo của bề mặt mờ là tổng, hoặc, như người ta nói, tích phân, hệ số phản xạ hoặc tán xạ ánh sáng, tức là tỷ lệ của luồng ánh sáng phản xạ (hoặc tán xạ) với luồng ánh sáng tới. Tuyết tinh khiết gần như phân tán hoàn toàn ánh sáng chiếu vào nó. Albebo của tuyết thường vào khoảng 0,9 và đôi khi (đối với tuyết tinh khiết nhất) nó thậm chí còn đạt tới giá trị 0,98.

Tuyết phủ hoặc bị nước cuốn trôi không còn là bề mặt mờ nữa mà mịn màng theo nghĩa quang học. Một bề mặt như vậy phản xạ ánh sáng theo định luật quang học hình học mà chúng ta đã biết: một phần nhỏ của luồng ánh sáng tới bị phản xạ khỏi bề mặt nhẵn của nước (hình 2). Với lớp đệm thông thường, hệ số phản xạ ánh sáng từ mặt nước gần 2%.

Về mặt định tính, những gì xảy ra với một chiếc ly tối màu tương tự như một thí nghiệm đơn giản khi đổ một ít nước sạch vào ly đường cát: với ánh sáng thích hợp, đồ trong ly ngay lập tức tối đi.

Đừng nghĩ rằng sự hình thành vết lõm trên bề mặt tuyết hoặc băng chỉ liên quan đến sự hiện diện của bụi bẩn. Hãy tưởng tượng rằng vì lý do nào đó, bề mặt của tuyết nguyên chất trở nên hơi không bằng phẳng, có những chỗ lồi lõm hoặc chỗ lõm, thậm chí là những vết lõm nhỏ. Khi đó các phần khác nhau của bề mặt sẽ nghiêng khác nhau so với các tia mặt trời tới. Do đó, bề mặt tuyết ở những nơi khác nhau sẽ không được mặt trời chiếu sáng như nhau. Và nếu điều đó hoặc sự thăng hoa của tuyết được xác định chủ yếu bởi mức độ bức xạ mặt trời chứ không phải bởi các yếu tố khác (chẳng hạn như gió ấm), thì những phần tuyết nhô ra sắc nét hơn hướng về phía mặt trời sẽ “chảy máu” dưới ánh mặt trời chậm hơn so với các lỗ phẳng gần các phần nhô ra, tức là sự nhẹ nhõm của bề mặt tuyết sẽ trở nên rõ rệt hơn so với ban đầu. Nón tuyết hoặc những chiếc lưỡi sắc nhọn hình thành trên tuyết sạch. Điều này thường xảy ra khi mặt trời chiếu sáng rực rỡ nhưng không có gió ấm. Những điều kiện như vậy thường xảy ra ở vùng núi cao, và vào mùa xuân, dưới ánh nắng chói chang, những chiếc răng băng đẹp đến kinh ngạc, được gọi là calgospores, “mọc” trên sông băng, đạt độ cao khoảng một mét.

Kiểu hình thành nổi bề mặt này quen thuộc với các chuyên gia về vật lý bức xạ của polyme. Trong các màng polymer được chiếu xạ bằng bức xạ cực tím cứng, người ta quan sát thấy hiệu ứng khắc ảnh trên bề mặt và quá trình khắc ảnh trên bề mặt đầu tiên của các bề mặt nhẵn đi kèm với sự phát triển của các bào tử bào tử tự do - chiều cao không đồng đều, đôi khi có hình dạng hữu hạn (ảnh vi mô của bề mặt như vậy được đặt trên trang đầu tiên của trang bìa). Tất nhiên, đối với polyme thì thang đo nhỏ hơn: kích thước của các điểm không đồng đều ở mức micromet. Trong trường hợp này, đối với tuyết, có sự mất ổn định bức xạ của ranh giới pha rắn.