Этому человеку повезло. Его не было на тренинге, случившемся через два дня, когда, прихрамывая и опираясь на две палки, по углям пошла молодая женщина с травмами головного и спинного мозга. Она явно верила разглагольствованиям «гуру» о том, как «мысли о правильных вещах» могут предотвратить ожоги от углей. Репортер Rolling Stone замечает, что в среднем у участников тренинга огнехождение занимало полторы секунды, но молодая женщина провела на углях 7 секунд, пока у нее не случился болевой шок. Прежде чем она упала, ее подхватили и оттащили подальше от углей. С серьезными ожогами ног девушка провела в больнице 12 дней.

Как замерзает вода? Почему температуру воды можно опустить ниже, а иногда даже существенно ниже точки замерзания, а вода все еще будет оставаться жидкой? Такая вода называется переохлажденной.

ОТВЕТ • Для замерзания воды необходим зародыш кристаллизации. Им может быть частичка пыли, пузырек растворенного воздуха или что-то другое, на чем начнут осаждаться молекулы воды, упорядочиваясь в структуру кристалла льда. Причина в том, что рост кристаллика льда данного радиуса должен быть энергетически выгодным. Если начальный радиус кристаллика меньше некоторого критического значения, требуется затратить энергию, чтобы такой зародыш рос, а это маловероятно.

Если изначально лед образуется на зародыше кристаллизации, радиус которого больше критического значения, кристалл растет. Однако в отсутствие зародыша появление кристаллика критического радиуса требует взаимного сближения определенно ориентированных молекул. Вероятность такого случайного сближения возрастает при понижении температуры ниже точки замерзания, когда молекулы воды становятся менее подвижными и более предрасположены к образованию твердой кристаллической структуры. Поэтому воду с небольшим количеством зародышей кристаллизации можно переохладить. Очищенную воду в стерильном контейнере, прежде чем она замерзнет, можно охладить до –20°C, а в тучах незамерзшие капли воды могут существовать и при температуре до –40°C. Но даже обычная вода из-под крана, изобилующая зародышами кристаллизации, может не замерзать до тех пор, пока ее температура не станет на несколько градусов ниже точки замерзания.

Чтобы вода замерзала на поверхности раздела «вода — лед», тепло должно отводиться либо через воду, либо через уже образовавшийся слой льда. При теплоотводе через переохлажденную воду происходит дендритный рост кристаллов льда: в воду прорастают ветвящиеся и расходящиеся в разные стороны образования изо льда. Если тепло отводится благодаря теплопроводности через слой образовавшегося льда, поверхность раздела «вода — лед» остается плоской. Если где-то на поверхности замерзание произойдет быстрее и образуется ледяной выступ, в этом месте отвод тепла будет происходить медленнее, поскольку слой льда толще. Следовательно, пока не «подтянется» остальная поверхность, там, где расположен выступ, замерзание происходит медленнее. Когда вся вода замерзнет, поверхность льда окажется плоской.

Живущие у моря жители Севера знают, что свежий, только что замерзший лед есть или растапливать нельзя: он слишком соленый. Но старый, многолетний лед для этих целей подходит. Они также знают, что можно улучшить вкус льда, если недавно замерзшую льдину вытащить на берег, желательно весной или летом, когда тепло. Почему лед становится менее соленым при теплой погоде, когда испарение уменьшает количество воды в льдине, концентрация соли увеличивается и, казалось бы, лед должен был бы стать более соленым?

ОТВЕТ • Когда морская вода замерзает, соль (и другие примеси) не встраиваются в структуру кристалла льда, а образуют вкрапления, которые называют ячейками рассола. Ячейки рассола медленно мигрируют в слое льда, перемещаясь вниз, и поэтому соляной раствор постепенно выходит из льдины. Если температура льда повышается, например когда льдину вытаскивают и оставляют лежать на берегу на солнце, ячейки рассола перемещаются быстрее и скорость опреснения увеличивается.

На рис. 4.2 показана ячейка рассола в слое льда. Температура льда сверху совпадает с температурой воздуха, равной –5°C; температура льда снизу равняется 0°C, то есть температуре замерзания воды, а соленая вода внутри ячейки раствора имеет температуру –2°C. Вода внутри ячейки не замерзает, поскольку соль понижает ее точку замерзания — молекулы соли влияют на способность молекул воды образовывать кристаллическую ледяную структуру. Лед в низу ячейки постепенно тает, поскольку тепло передается с низа ледяного слоя вверх. Вода в верху ячейки постепенно замерзает, поскольку тепло поднимается к поверхности слоя льда. Таким образом сама ячейка перемещается вниз. Достигнув нижней поверхности льдины, она отдает соль воде подо льдом или почве. Так постепенно лед опресняется.

Рис. 4.2 / Задача 4.11. Ячейка рассола, двигающаяся вниз через слой льда к воде.

С теплообменом между льдом и водой связан следующий удивительный результат: если кубик льда (из пресной воды), температура которого равна –1°C, поместить в очень соленую воду той же температуры, он растет, хотя температуры льда и воды равны. Чтобы объяснить, как это получается, предположим, что соль понижает точку замерзания воды до –2°C. На границе раздела между двумя состояниями воды наблюдается повышенная активность на молекулярном уровне: молекулы воды непрерывно переходят туда-сюда из льда в жидкую воду и обратно. Однако, если число молекул, ушедших из льда, равно числу молекул, перешедших в лед из воды, количество льда не меняется. В воде происходит электролитическая диссоциация молекул соли, и молекулы воды собираются вокруг получившихся ионов наподобие детей, толпящихся вокруг ларька с мороженым — этот процесс называется гидратацией. Теперь процессу перехода молекул из воды в лед мешают молекулы соли, связывающие молекулы воды. Таким образом, молекулы воды покидают кубик льда, но другие молекулы туда не поступают, и, следовательно, кубик растворяется.

В дискуссионной статье, написанной мной для журнала Scientific American, обсуждался старинный вопрос: если в одинаковые открытые сосуды налить равное количество воды, очень горячей в один сосуд и более прохладной в другой, а затем вынести их на мороз, где раньше образуется лед? Удивительно, но в некоторых случаях горячая вода замерзает быстрее.

Этот результат, известный еще Аристотелю, хорошо знают жители стран с холодным климатом. Однако ученые долго считали его бабушкиными сказками, пока в 1960 году танзанийский студент Эрасто Мпемба не попросил преподавателя объяснить, почему смесь для приготовления мороженого замерзает быстрее, если ее не остужать, а поставить в холодильник горячей. Преподаватель поверил, что именно так и бывает, только после того, как Мпемба продемонстрировал этот эффект, который теперь называют эффектом Мпембы, на примере воды.