Зимняя симфония: почему скрипит снег под ногами?

При ходьбе и любом виде передвижения по снегу, он издаёт всем знакомые звуки хруста и скрипа, особенно при низких температурах. Но задавались вы вопросом, почему так происходит и чем именно вызывается подобный «скрип»? В сегодняшней статье мы подробно разберёмся в процессах, которые происходят со снежным покровом при механической нагрузке на него.

Снежный покров представляет собой совокупность множества снежинок различной конфигурации и размеров. Однако, примерно 90% всего объёма снежного покрывала занимает воздух. При механическом воздействии (например, движение транспортного средства или ходьба человека), часть воздуха из снега выдавливается наружу, снежинки испытывают трение друг о друга и ломаются. В этот момент мы слышим характерные звуки, которые воспринимаются как скрип. Чаще всего скрип снега становится отчётливо слышен при температуре ниже -2...-6 °C. Если температура окружающей среды выше, то скрип, как правило, отсутствует. Метеорологами и физиками было установлено три основных причины возникновения подобных звуков:

1. Разрушение снежных кристаллов;
2. Смещение и трение кристалликов льда друг о друга под воздействием давления;
3. Деформация (изменение формы) кристаллической решетки.

Из приведенных выше процессов, основной является именно разрушение снежных кристаллов, остальные только дополняют и усиливают звук.

Звуки, издаваемые снегом, имеют два пика в своем акустическом спектре: в диапазонах частот 250 – 400 Гц и 1000 – 1600 Гц. Их характер напрямую зависит от температуры снега. В начале XX века метеорологи даже предлагали оценивать температуру снега на слух, основываясь на особенностях его скрипа. Ломка сосулек или разрушение льда ледоколом создают похожее распределение частот (125 – 200 Гц и 1250 – 2000 Гц), но в случае льда пики более четко выражены и лучше разделены. С усилением морозов кристаллы снега становятся тверже, но и более хрупкими одновременно, что увеличивает долю высокочастотных звуков (1000 – 1600 Гц). Сухой морозный снег при этом может издавать скрип, напоминающий свист. Если температура поднимается выше -6 °C, высокочастотный пик сглаживается и почти исчезает.

Процесс подтаивания снега также влияет на звуки, возникающие при трении снежинок друг о друга. Кристаллы, покрытые тонкой пленкой воды, издают звуки, отличные от звуков трения сухих снежинок. При определенной температуре, когда снег перестает скрипеть, это связано с тем, что снежинки при сдавливании больше не ломаются, а начинают плавиться. Энергия, которая раньше шла на разрушение кристаллов, теперь расходуется на таяние, а выделившаяся вода создает эффект скольжения, заменяя сухое трение на «скользящее» движение снежинок по влажной поверхности.

Различие в толщине жидкого слоя на поверхности снежинок приводит к их смерзанию. У свежевыпавшего, рыхлого снега связи между кристаллами слабые, а у старого, уплотнённого снега они становятся крепкими. Разрушение этих связей тоже сопровождается звуками, но уже более низкими. Эти звуки воспринимаются не как скрип, а как шорох или хруст и могут быть слышны даже при температуре, близкой к нулю. Вы наверняка замечали такие звуки, гуляя по дорогам или тротуарам, где снег долгое время не убирали.

Форма снежинок также оказывает влияние на характер издаваемых звуков. Она формируется под воздействием температурно-влажностных условий в атмосфере во время снегопада и отличается большим разнообразием: снежинки могут быть в виде палочек, иголок, столбиков, пластинок или шестиугольных кристаллов.