Грани волшебства: как образуются снежинки

В природе не существует двух одинаковых снежинок, и этот факт придает изящным ледяным кристаллам очарование тайны в наших глазах. Хотя на самом деле структура снежинки — это всего лишь следствие физических закономерностей.

Как же появляются снежинки? Почему форма снежинки всегда подразумевает 6-стороннюю радиальную симметрию? Как образуются разные формы снежинок и на  какие виды их можно подразделить? 

Фотограф по прозвищу “Снежинка”

Первые качественные фотографии снежинок были сделаны в 1885 году американским фотографом Уилсоном Бентли. Он придумал способ ловить и фотографировать хрупкие кристаллы на черном бархате так быстро, чтобы они не успевали растаять.

Именно Бентли высказал идею, что нет повторяющихся снежинок, у всех снежинок разные формы. И он знал, о чем говорит, ведь Бентли сделал более 5 тысяч снимков снежинок; часть из них опубликованы в его книге “Снежные кристаллы”. Причем Бентли фотографировать только самые красивые и совершенные, не подтаявшие, симметричные. Для этого ему приходилось каждый раз пересматривать на картоне, покрытом черным бархатом, тысячи снежинок, чтобы сфотографировать одну. Кстати, умер довольно рано, в 66 лет, подхватив пневмонию после того, как прошагал в метель 10 километров в поисках классного кадра.

Форма снежинок

Диаметр снежинки — до нескольких миллиметров, толщина измеряется в микрометрах; края тонкие, как лезвие бритвы.

Снежинки всегда имеют в основе шестигранник, но их формы могут быть самыми разными. Кроме снежинок с шестью лучами, существуют снежинки в форме столбиков, игл, пуль, или столбиков с дисками на концах, похожих на гантели.  

Классические «снежинки из сказки» называются дендритами (от греческого корня, означающего «дерево» — ведь у таких снежинок ветвистые лучи).

Существуют различные классификации типов снежинок разных авторов, но проблема в том, что эти классификации довольно произвольны. По одной классификации их около 40, по другой — 108, по третьей — 35. 

Каким же образом лед образует столько разных форм? 

Как появляются снежинки

Вода на поверхности земли постоянно испаряется и поднимается вверх в виде пара. По мере продвижения в более холодные слои атмосферы пар охлаждается и становится перенасыщенным. Это означает, что в воздухе пребывает больше молекул воды, чем в равновесном состоянии. Любая пылинка может вызвать процесс конденсации такого пара: молекулы воды прилипают к пылинкам, образуя капли. Если температура ниже нуля, рано или поздно часть капель начинают замерзать. 

Внутри капли молекулы воды образуют шестигранные кристаллы. Почему форма снежинки всегда шестигранная? Это объясняется особенностями молекулы воды (Н2О)  Атомы кислорода притягивают электроны сильнее, чем атомы водорода (иначе говоря, у этих элементов разная электроотрицательность). Атомы водорода — это положительно заряженная часть молекулы, поэтому они одновременно отталкиваются друг от друга и притягиваются к одной и той же отрицательной стороне атома кислорода. Отсюда и возникает изгиб — как компромисс между притяжением и отталкиванием. Благодаря изогнутой форме молекула поляризована.

Поскольку противоположные заряды притягиваются, каждый атом водорода одной молекулы располагается рядом с кислородом другой молекулы, создавая очень крепкую  водородную связь. Так образуется молекулярная решетка кристаллической воды, то есть льда. 

Как эта решетка вырастает в шестигранный кристалл, который мы можем увидеть невооруженным взглядом в виде снежинки? Наиболее энергетически выгодная фигура — это круг, и именно в круг стремятся собраться молекулы воды при снижении температуры. Максимально близкая к кругу форма, которую можно сложить из шестигранных решеток, — это шестигранник (подобно тому, как пчелы строят шестигранные соты). Вначале молекулы воды образуют фигуру с шестью гранями, между которыми есть шероховатые участки:

К этим шероховатым участкам с торчащими молекулярными связями другие молекулы прилипают легче, чем к гладким поверхностям. Таким образом шероховатые участки заполняются, а гладкие растут медленнее, и в итоге получается идеальный шестигранник — ледяная призма. 

Что определяет форму снежинки?

Итак, у нас есть 6-гранная ледяная призма: шесть граней, два основания. В атмосфере она соседствует с еще не замерзшими каплями воды и теперь сама служит ядром роста — соседние капли испаряются и отдают свои молекулы воды растущей снежинке. В зависимости от того, что будет расти быстрее — основания или грани призмы, определится и форма снежинки. 

Если основания призмы растут быстрее, получается шестигранный столбик.

Если же боковые грани растут быстрее, получается плоская снежинка. Поскольку углы шестиугольника выпирают, они сильнее притягивают к себе новые молекулы воды, растут быстрее, чем грани — так образуются радиальные лучи снежинки. И чем длиннее луч, тем быстрее он притягивает к себе новые молекулы воды. На углах каждого луча по тем же причинам появляются ответвления. 

Для образования одной снежинки нужно около 30-45 минут.

От каких факторов зависит структура снежинки?

В 1930-х годах японенц Укисиро Накайя, специалист по физике атмосферного льда, изучал снежинки в университете Хоккайдо. Он выяснил, что лишь два фактора определяют то, какие виды снежинок образуются: температура и уровень перенасыщенности пара. Причем зависимость от этих двух факторов нелинейная. Выводы ученого обобщены в так называемой диаграмме Накайя: 

При температуре -2 С получаются плоские снежинки (пластины и дендриты, то есть шестилучевые снежинки), при -5 С — пустотелые столбики, призмы и иглы, при -15 С опять пластины разной формы и дендриты, при температуре ниже — 20 С столбики и пластины (но без шестилучевых красивых снежинок). Таким образом, можно по форме снежинки понять, в каких условиях рос этот кристалл. 

Почему снежинки симметричны? 

Все стороны снежинки растут в одинаковых условиях, поэтому они одинаковые. Кстати, если рядом растут две снежинки, они конкурируют за влагу, что замедляет их рост с одной стороны. 

Почему нет одинаковых снежинок?

Каждая снежинка проходит уникальный путь развития, растет в отличающихся условиях, поэтому нет двух одинаковых снежинок. Но вообще-то этот факт не должен нас удивлять так сильно: в природе вообще не существует двух одинаковых объектов, имеющих хоть сколько-нибудь сложную структуру.

Читайте также:

От капелек воды до снежинок: уникальное видео

Американский фотограф показал снежинки в рекордном разрешении