Inwersja, przechłodzenie i „czarny lód”. Gołoledź potrafi dać w kość, ale jest dużo ciekawsza, niż się wydaje

Za cienką, przezroczystą warstwą lodu kryją się zaskakujące i sprzeczne z intuicją procesy fizyczne, które obalają nasze wyobrażenia o wodzie i zimnie. Gołoledź najczęściej nie jest „zwykłym” zamarzaniem wody. To raczej skomplikowany taniec termodynamiki, meteorologii i fizyki.

Woda nie zawsze zamarza przy 0 st. Celsjusza

Wbrew powszechnemu przekonaniu, woda nie przechodzi w stan stały natychmiast po osiągnięciu temperatury 0 st. Celsjusza. Do zainicjowania zamarzania potrzebuje tzw. zarodków krystalizacji – mikroskopijnych cząstek, które działają jak włącznik dla tworzącej się siatki krystalicznej.

Tam, gdzie takich cząstek brakuje, woda może pozostać w stanie ciekłym w temperaturach znacznie niższych od zera. Zjawisko to nazywa się przechłodzeniem (ang. supercooling). W chmurach krople wody mogą istnieć w stanie płynnym nawet przy -40 st. Celsjusza.

Wystarczy, że taka przechłodzona kropla deszczu uderzy w twardą powierzchnię, taką jak asfalt, gałąź czy karoseria samochodu, a proces zamarzania – i tworzenia się gołoledzi – rozpoczyna się natychmiast.

Inwersja, czyli atmosferyczny przekładaniec

Aby powstała gołoledź, najczęściej potrzebna jest specyficzna, warstwowa struktura atmosfery, z inwersją temperatury. W normalnych warunkach temperatura spada wraz z wysokością, ale podczas inwersji ten porządek zostaje odwrócony, tworząc układ zimno-ciepło-zimno, niczym pogodowa „kanapka”.

Wysoko w chmurach, gdzie temperatura jest ujemna, tworzą się płatki śniegu. Śnieg opada w warstwę cieplejszego powietrza, gdzie topnieje i zamienia się w deszcz. Krople deszczu wlatują w przyziemną warstwę mroźnego powietrza, gdzie ulegają przechłodzeniu. Resztę już znamy.

Ostrożnie na moście i w tunelu!

Specyficzny rodzaj gołoledzi może się pojawić nawet przy bezchmurnym niebie. Powstaje w warunkach cykli zamarzania i odmarzania, gdy temperatura oscyluje wokół 0°C. Woda z topniejącego śniegu lub mgły zamarza nocą, gdy temperatura spada poniżej zera. Może pojawić się nawet wtedy, gdy temperatura powietrza jest dodatnia, ale sama powierzchnia ziemi (lub nawierzchnia) pozostaje zimniejsza.

Najczęściej tworzy się na mostach i wiaduktach, które szybciej się wychładzają, bo nie ogrzewa ich ciepło gruntu, w tunelach i pod wiaduktami, na drogach zacienionych przez drzewa oraz w obniżeniach terenu, gdzie gromadzi się wilgoć.

„Czarny lód” – dlaczego gołoledź jest tak przezroczysta?

Głównym powodem przejrzystości gołoledzi jest brak uwięzionych pęcherzyków powietrza, które w innych rodzajach lodu (np. w szadzi), rozpraszają światło i nadają mu matowy wygląd. Proces ten rozpoczyna się w momencie uderzenia kropli o zimne podłoże. Wydzielona wtedy energia podnosi temperaturę kropli, sprawiając że w ułamku sekundy zamarza jedynie niewielka część jej masy.

Większość wody pozostaje początkowo płynna, co pozwala jej swobodnie rozlać się po powierzchni i wypełnić wszelkie szczeliny przed stopniowym stwardnieniem. Efektem jest lita, jednorodna struktura o gęstości bliskiej maksimum dla wody zamarzniętej (ok. 900 kg/m3), co zapewnia idealną przezroczystość. Właśnie dzięki niej angielskie określenie gołoledzi to „black ice” (czarny lód) – czyli taki, przez który wszystko widać.