Рождение крохотной снежинки — это сложный процесс и уникальное явление, которое зависит от ряда факторов: температуры, влажности, давления и наличия в атмосфере особых примесей.
Снежинки — это кристаллы льда, которые образуются из водяного пара. На высоте они начинают формироваться из шестигранной пластины, затем прирастают лучиками в каждом из шести углов. Снежинка продолжает расти по мере того, как падает на землю, встречая по дороге облака разной температуры и влажности. Эти показатели, а также направление воздушных потоков и атмосферное давление влияют на рост ледяного кристалла. Это и объясняет разнообразие форм снежинок.
Рождение каждой снежинки, как правило, начинается с мельчайшей твёрдой частицы, на которой замерзает вода — для образования ледяного кристалла на твёрдой основе нужно гораздо меньше энергии, чем просто в воздухе. Когда вода замерзает, то образует шестигранный кристалл — фундамент будущей снежинки. К граням базового кристаллика присоединяются новые кристаллы, и снежинка начинает расти. Каждый ледяной гексагон может соединиться с другим только гранью, поэтому большинство снежинок шестиконечные: их лучи растут под углом 60 или 120 градусов.
В процессе дальнейшего развития лучи снежинки обзаводятся собственными ветвями, которые, в свою очередь, могут отращивать маленькие побеги. В зависимости от атмосферных условий снежинка может расти не только в ширину, но и в высоту. Тогда мы можем наблюдать не привычные звёзды с широкими лапками, а удивительные шестиугольные столбики или иголочки.
Сколько лучей у снежинки
Выяснить это пытались выдающиеся физики и математики.
Гипотеза Кеплера, XVII век
Математик и астроном Иоганн Кеплер вывел, что каждый ледяной кристалл имеет шестилучевую симметрию. Современных приборов у Кеплера не было, все исследования сводились к наблюдениям и обобщениям. Он задался вопросом, почему лучей всегда именно шесть, но точного ответа не нашел. Зато сделал предположение, которое позже назвали гипотезой Кеплера.
Изучая симметрию снежинок, ученый обнаружил их сходство с сотами и расположением гранатовых зерен. А затем пришел к выводу, что такая расстановка не случайна: просто шестиугольник — наиболее плотный вариант упаковки. Свою гипотезу он проверял на математической модели с помощью шаров.
А — квадратная упаковка, В — кубическая упаковка. Изображение: Ensahequ / Wikimedia Commons
Если ряд шариков положить на другой ряд шариков в одной плоскости и повторить это несколько раз, получится квадратная, неплотная упаковка. А вот если второй ряд шариков сдвинуть относительно первого по диагонали, а третий и четвертый и так же последующие ряды укладывать как первый и второй относительно друг друга, получится плотная кубическая упаковка. Так же оказалось и в снежинках: их шестилучевая симметрия напомнила Кеплеру кубическую упаковку, в которой каждый шарик соседствовал с пятью другими, и эта структура образовывала идеальный шестиугольник.
Так, еще в XVII веке была описана кристаллическая решетка, которую образуют молекулы льда. Столетием позже появилось объяснение, что это связано со структурой молекулы воды.
Исследования Укихиро Накая, XX век
Японский физик заметил, что правильные шестиугольные кристаллы встречаются реже, чем неправильные, и задумался, почему снежинки разные. Укихиро провел рентгеноструктурный анализ, после чего пришел к выводу: на структуру снежинок влияет история их возникновения. Появившись как шестиугольник, снежинка редко долетает до земли в неизменном виде. Часто потоки воздуха и молекулы воды трансформируют структуру, заставляя одни лучики в кристалле льда расти быстрее других, и мы уже можем увидеть трехлучевые снежинки. Укихиро Накая обнаружил также, что, слипшись, две снежинки начинают расти как одна и образуют 12-лучевую структуру.
Ученый проводил исследования как на естественных снежинках, так и на выращенных в лаборатории. В результате он выяснил: каждая снежинка образуется как шестиугольная призма и под влиянием внешних условий вырастает как длинная призма или как плоская монета — в зависимости от того, растут ли снежинки вдоль своей оси или перпендикулярно ей.
Укихиро Накая выяснил, что по форме снежинок можно определять метеорологические условия той атмосферы, где образовался ледяной кристалл.
Крупные шестилучевые снежинки образуются при определенных условиях — в очень влажных тучах при температуре минус 15 °C.
Какими бывают снежинки
На форму снежинок впервые обратил внимание немецкий астроном Иоганн Кеплер. В его труде под названием «О шестиугольных снежинках» высказывается предположение, что причина этой формы — в правильном расположении молекул и атомов в пространстве. В 1820 году учёный Уильям Скорсби создал первую в мире классификацию снежинок. Сегодня таких классификаций несколько, и некоторые из них насчитывают более 120 типов снежных кристаллов.
Более простая классификация создана в 1951 году Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологии. Она насчитывает всего семь форм снежинок и три вида замороженных осадков:
- пластинки,
- звёзды,
- столбики,
- иглы,
- пространственные дендриты,
- увенчанные столбики,
- неправильные кристаллы.
К твёрдым осадкам относятся снежная крупка, ледяная крупка и град.
Секрет появления снежинок в форме неправильных кристаллов в том, что во время падения с ними может произойти множество событий: подтаивание, столкновение с другими снежинками и водой. Но это далеко не единственная причина неповторимости удивительных частичек.
Гарвардский университет в 1954 году издал книгу исследователя «Снежные кристаллы». Она до сих пор служит для ученых и художников справочником по формам и видам снежинок.
Разнообразие снежинок. Кадр: Veritasium / YouTube
Теория снежинок Кеннета Либрехта, XXI век
В начале XXI века американский исследователь искал объяснение открытиям, которые сделал Укихиро Накая. В книге «Физика образования кристаллов снега» Либрехт привел более 100 разнообразных форм снежинок и дал объяснение, как появилось большинство из них.
Основа его выводов — опыты. Американский ученый выращивал снежинки в лаборатории и систематически делал замеры. У Либрехта появился собственный сайт, полностью посвященный снежинкам. Там можно найти информацию о морфологии снежинок, кристаллических решетках льда и много фотографий самых разных экземпляров. В результате своей работы ученый обнаружил:
Какой бы формы снежинка ни была, она все равно состоит из шести лучей. Просто они могут расти в разных плоскостях, отчего и форму приобретают разную.
В видео ниже ученый объясняет, как ему удается создавать дизайнерские снежинки.
Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!
Без активной гиперссылки на материал Sauap.org копирование запрещено!
Ссылки: https://lifehacker.ru/skolko-luchej-u-snezhinki/, https://yandex.kz/pogoda/ru-RU/blog/snowflake_generall
