Как устроены снежинки?

Снег — твердые осадки в виде кристаллов (снежинок). Наблюдается исключительно большое разнообразие форм снежинок. Наиболее простые из них: иглы, столбики и пластинки. Кроме того, встречаются многочисленные усложненные формы снежинок: игольчатые звезды; пластинчатые звезды; ежи, состоящие из нескольких столбиков; столбики с пластинками и звездами на концах. Некоторые формы столбиков имеют внутренние полости или образуют вид бокалов; встречаются также 12-лучевые звезды. Размеры отдельных снежинок могут быть весьма различными. Наибольшие линейные размеры обычно имеют игольчатые звезды (их радиус достигает 4-5 мм). Снежинки часто соединяются между собой и выпадают в виде хлопьев. Размеры хлопьев могут достигать очень большой величины, наблюдались хлопья радиусом до 15-20 см. Форма снежинок отражает внутреннюю упорядоченность молекул воды, когда они находятся в твердом состоянии — в виде льда или снега. Снежинки растут точно так же, как растут кристаллы любого вещества, переходящего из жидкого состояния в твердое: соединяясь между собой, молекулы воды стремятся максимизировать силы взаимного притяжения и минимизировать силы отталкивания, так как энергия системы при кристаллизации уменьшается. Всего через несколько минут упав на теплую поверхность снежинка потеряет свою декоративную структуру, свой уникальный образ, который никогда снова не повторится.

Из чего же состоит снег? И снежинки, и снежные кристаллы образуются изо льда.  Кристалл снега, как подразумевается из его названия, единый ледяной кристалл.  Снежинка — более общий термин; он может подразумевать как индивидуальный кристалл снега, так и несколько снежных кристаллов, которые держатся вместе, или же большие скопления снежных кристаллов, формирующие снег, который падает из облаков. Структура кристаллов льда. Молекулы воды в кристалле льда формируют шестиугольную решётку (см. рисунок). Красные шары – атомы кислорода. Серые палочки – атомы водорода. По два водорода на один кислород – Н2О. Шестикратная симметрия снежинок берёт своё начало от кристаллической решётки льда. Снежинки растут из испарений воды. Снежинки – это не замёрзшие дождевые капли. Иногда капли дождя замерзают, пока падают, но это называется В«градВ». Градины не имеют ни одного тщательно разработанного и симметричного образца, которые обнаруживаются в кристаллах снега. Снежные кристаллы образуются, когда испарения воды конденсируются непосредственно в лёд, что случается в облаках. Снежинки возникают вследствие роста кристаллов. Самая основная форма кристаллического снега – шестиугольная призма, показанная выше. Эта структура возникает, потому что определенные поверхности кристалла, поверхности граней, накапливают материал очень медленно. Это связано с тем, что поверхность, где образуются углы, более энергетически неравновесная, чем та, которая образует плоскость, так как на углах больше вероятность образовать связь молекул друг с другом. Это легко продемонстрировать на четырёхугольном кристалле – самой простой форме. С шестиугольными призмами та же история. На фотографии можно увидеть шестиугольные снежинки, собранные на Южном Полюсе Уолтером Тайпом (Walter Tape). Эти снежинки выросли достаточно крупными, так как их замерзание происходило на протяжении очень длительного времени, что позволило правилу образования кристаллов льда полностью проявить себя. Шестиугольная призма включает две шестиугольные "базовые" поверхности и шесть прямоугольных "призматических" поверхностей, как показано на рисунке.  Заметьте, что шестиугольная призма может быть пластинчатой или столбчатой, что зависит от скорости роста поверхностей. Когда снежные кристаллы очень маленькие, они существуют по большей части в форме простых шестиугольных призм.  Но когда они растут, В«ветвиВ» пускают ростки от углов призм, создавая более сложные формы.

Происхождение сложных форм снежинок. Ответ на этот вопрос лежит в том, как молекулы воды перемещаются через воздух, чтобы конденсироваться на растущем кристалле снега. Молекулы распространяются через воздух, чтобы достичь кристалла, и эта диффузия замедляет их нарастание.  Более отдаленные молекулы воды должны дольше перемещаться в воздухе, чтобы достичь растущего кристалла. Итак, рассмотрим плоскую ледяную поверхность, которая растет в воздухе.  Если происходит маленькое столкновение и остаётся на поверхности, то след от него выдвигается немного дальше, чем остальная часть кристалла.  Это означает, что другие молекулы воды могут достичь этого места быстрее, чем остальной части кристалла, поскольку к ней им приходится перемещаться дальше.

С увеличением числа молекул воды, достигающих места столкновения, место столкновения растет быстрее.  Через короткое время столкновения происходят всё чаще, и рост происходит ещё быстрее. Затем возникает то, что называется неустойчивостью ветвления – новые маленькие столкновения зарождаются на больших ветвях, и становятся местом образования боковых ветвей.  Так рождается сложность. Эта неустойчивость – главная причина в создании сложных форм снежных кристаллов.

Когда неустойчивость ветвления применяется к кристаллу снега снова и снова, в результате образуется то, что называется ледяным дендритом. Слово В«дендритВ» означает В«древообразныйВ», и звёздчатые древовидные кристаллы снега являются обычными. Скорость диффузии молекул воды можно менять в лаборатории. Если снежные кристаллы выращиваются в воздухе ниже атмосферного давления, они менее ветвистые. Это происходит потому, что диффузия не ограничивает прирост при низком давлении, следовательно, неустойчивость ветвления не настолько интенсивна. При больших давлениях образуются более ветвистые кристаллы снега. Рост снежных кристаллов зависит от равновесия между гранями и ветвлением. Грани стремятся создавать простые плоские поверхности, а ветвление – более сложные структуры. Взаимодействие между гранями и ветвлением является тонким и сильно зависит от таких параметров, как температура и влажность. Это означает, что снежные кристаллы могут расти многими различными способами, что приводит к большому разнообразию, которое наблюдается в формах снежинок.

Первым изучать снежинки начал известный астроном Иоганн Кеплер. В 1611 году он выпустил трактат В«О шестиугольных снежинкахВ», в котором в основном разбирал геометрические аспекты их строения. Следующего прорыва пришлось ждать больше двух веков. На 15ти летие мама подарила своему сыну, юному фермеру из штата Вермонт Уилсону Элвину Бентли, микроскоп. И тот решил смотреть в него на снежинки. 15 января 1885 года он получил первый снимок снежинки, приладив фотоаппарат к микроскопу и снимая ее на фоне черной бумаги. К концу своей жизни он получил изображения 5381 снежинки. В 1920 году он получит должность в Национальной метеослужбе и грант в $25 на свои исследования, а снег начнет сыпаться не только на фермах, но и в лабораториях кинетиков и кристаллографов. Но именно Бентли первым сказал, что двух одинаковых снежинок никогда не видел.Существует расхожее убеждение о том, что двух одинаковых снежинок в природе не бывает. Казалось бы, как же так. С неба сыпятся миллионы. Но, с другой стороны, если очень грубо прикинуть, то в снежинке примерно 1020 молекул воды, а человеческий глаз способен определить около 100 визуальных параметров снежинки. Так что такая мозаика может сложиться конечным, но безумно огромным числом способов. А если вспомнить, что атомы кислорода и водорода имеют разные изотопы, а в воде все равно есть примеси… в общем, стоит принять, что двух одинаковых снежинок в природе нет. Зато у кристаллов симметричная форма. Макроскопические факторы (температура, давление, концентрации различных веществ) в столь небольшом пространстве, как текущее положение зародыша кристалла в момент времени, отличаются несильно, и рост во все стороны одинаков. Пока не произойдет облом или, наоборот, слипание.