Почему вода прозрачна, но когда она замерзает, она часто белая, как снег?
Прозрачность воды удивительна: вода нетронутого рифа или озера Крейтер в Орегоне известна своей чистотой, через нее можно увидеть около 30 метров. Однако все знают, что даже небольшое количество снега покрывает землю белым слоем. Дюйм снега, который мы получили в январе, был достаточен, чтобы окутать местность белым покровом, временно превратив нашу область в зимнюю страну чудес. Но, в чем же дело, почему вода или кусок льда прозрачны, а снег — нет?
Чистая вода бесцветна, будь то в парообразном, жидком или твердом состоянии. То есть молекулы воды не могут поглощать видимый свет, и, следовательно, не могут создавать цвета, как красители или пигменты. Но это не значит, что вода не влияет на свет, который на нее падает. Вы можете представить воду как стекло, которое как пропускает, так и отражает свет. Хорошее зеркало отражает почти весь свет и не позволяет ему проходить через себя. Напротив, высококачественные окна позволяют почти всему свету проходить через них с минимальным отражением или блики. Но если вы посмотрите внимательно, вы заметите легкое отражение себя на большинстве стекол.
Вода и стекло не только отражают, но и преломляют свет. Это означает, что когда световой луч входит в воду или стекло, свет изгибается. Вы знаете это из трюка со Spoon-in-a-glass: если вы поставите ложку в стакан с водой, вы заметите, что ручка ложки делает резкий «перерыв» на границе вода/воздух. То же самое происходит, когда свет входит в кусок льда: он будет изгибаться. Теперь, если у вас есть просто один сплошной кусок льда, изгиб незначителен, и отражение от поверхности льда также невелико; большая часть света проникает в лед, и лед кажется прозрачным.
Теперь, что если вы не смотрите через дюйм сплошного, гладкого льда, а через множество изящных снежинок? Снежинки образуются непосредственно из парообразной фазы воды в те прекрасные кристаллы, за которые снежинки так известны. Эти кристаллы льда формируются с шестигранной (шестистой) симметрией, так что каждый кристалл имеет много сторон или граней. Когда падающий свет попадает на снежинку, часть света отражается от кристалла обратно к наблюдателю. Однако большая часть света проникает в кристалл и изгибается, или преломляется. Теперь снежинка имеет такую сложную, запутанную структуру, что этот свет попадает на внутренние грани кристаллов и отражается внутри кристалла. Сочетание отражения и преломления у кристаллов льда настолько эффективно, что в конечном итоге большая часть света фактически отскакивает обратно к источнику света и наблюдателю. Поскольку все цвета солнечного света складываются, чтобы дать белый цвет, то, что мы видим, когда смотрим на снег, — это белый цвет: солнечный свет, который отразился и преломился через кристаллы воды (льда), чтобы вернуться к нам.
На самом деле, из-за того, что снег так хорошо отражает свет, вы можете получить то, что называется «снежной слепотой», если выйдете на яркий солнечный день после снегопада. Свет такой яркий, что когда вы заходите внутрь, он кажется очень темным, и вам требуется минута или две, чтобы зрачки расширились достаточно, чтобы хорошо видеть.
Множество капель воды и кристаллов льда, которые образуют облака, отлично преломляют свет, и, следовательно, облака, как и снег, отражают большую часть света и выглядят «белыми». Спутниковые изображения показывают, что облака выглядят ярко-белыми при просмотре сверху. Снизу толстые облака выглядят темными, потому что верхушки облаков отражают большую часть света в космос.