Снежинки: что наука знает о снеге

Снегопад кажется самым привычным зрелищем зимы, но за ним стоит много физики. Кеплер писал трактат о том, почему у снежинок шесть лучей, японский физик называл их письмами с неба, а скрип снега под ногами можно разложить на частоты, как музыкальный аккорд.

В притихшем городе падает снег…
И на крыши домов, и в ладони,
Словно эта зима навек!
Город в хлопьях сверкающих тонет…

Фонарь для любования снегом

В японских садах встречается приземистый каменный фонарь на изогнутых ножках, с широкой, похожей на зонт крышей. Это юкими-доро — «фонарь для любования снегом». Обычно его ставят у воды, а зимой на широкой крыше собирается снежная шапка. Каждая снежинка в этой шапке устроена сложнее, чем кажется, и люди издавна пытались понять, откуда берутся их правильные узоры.

Кто первым разглядел снежинку

В 1611 году Иоганн Кеплер, немецкий математик и астроном, написал небольшой трактат о шестиугольных снежинках — первую попытку объяснить их симметрию. В 1635 году Рене Декарт описал редкую двенадцатилучевую форму снежного кристалла. Через тридцать лет Роберт Гук зарисовал снежинки, рассмотренные в микроскоп, а первую систематическую классификацию составил английский полярный исследователь Уильям Скорсби в 1820 году.

В 1885 году американский фермер Уилсон Бентли начал фотографировать снежинки через микроскоп и со временем собрал тысячи снимков. Японский физик Укитиро Накая в 1936 году впервые вырастил снежный кристалл в лаборатории, а в 1954 году выпустил книгу «Снежные кристаллы: природные и искусственные». Снежинки он называл «письмами, посланными с неба».

Бывают ли одинаковые снежинки

Каждая снежинка начинается с крошечной частицы — ядра, на котором замерзает вода. Дальше кристалл растёт за счёт водяного пара, оседающего прямо на лёд, и, проходя по пути вниз через слои с разной температурой и влажностью, меняет рисунок. Поэтому форма снежинки зависит в основном от того, через какой воздух она падала. Шестилучевая симметрия задана строением льда, но идеально симметричны меньше 0,1% снежинок. Современная классификация выделяет восемь основных групп и не меньше восьмидесяти разновидностей.

В типичной снежинке около десяти квинтиллионов молекул воды, и уложиться они могут почти бесконечным числом способов. Поэтому две полностью сформировавшиеся одинаковые снежинки в природе очень маловероятны. Почти одинаковые кристаллы удавалось вырастить в лаборатории, а простые мелкие призмы и в природе выглядят похоже — но и они различаются на уровне молекул.

Почему снег белый и лёгкий

Лёд прозрачен, а снег белый: снежинки на 95% состоят из воздуха, и свет многократно рассеивается на гранях кристаллов. Из-за того же воздуха снег такой лёгкий, а снежинки падают медленно — около метра в секунду. Обычная снежинка имеет около пяти миллиметров в поперечнике и весит примерно четыре тысячных грамма.

Бывают и гиганты. Книга рекордов Гиннесса упоминает хлопья, выпавшие в январе 1887 года в Форт-Кио в Монтане: по рассказам очевидцев, они были около 38 сантиметров в ширину. Правда, речь шла не об одиночном кристалле, а о слипшихся снежинках.

Снег как зеркало планеты

Снег влияет на Землю не только своим весом. Чистый снег отражает около 90% солнечного света — это одна из самых высоких отражательных способностей среди природных поверхностей. Поэтому от того, сколько суши покрыто снегом, заметно зависит, сколько тепла получает планета.

Звучит странно, но зимой холодно во многом из-за самого снега. Для растений и животных снежное одеяло — защита от мороза, а в масштабе планеты оно выхолаживает огромные территории, отражая солнечные лучи обратно. Ясным весенним днём солнце уже могло бы прогреть почву и воздух над ней, но пока лежит снег, земля остаётся мёрзлой, а сам он тает медленно. По мере таяния снег намокает и темнеет, отражает меньше, и процесс ускоряется.

Позёмок

Свежий снег рыхлый, снежинки почти не держатся друг за друга, и даже слабый ветер начинает их перегонять. Когда ветер, не больше пяти метров в секунду, гонит снег низко над землёй, это называют позёмком: большинство снежинок поднимается лишь на несколько сантиметров, а видимость почти не ухудшается. Чтобы остановить такой перенос, высокие преграды не нужны — его хорошо задерживает даже оставшаяся в поле стерня.

Почему по снегу скользко

Одно из самых полезных для человека свойств снега — он скользкий. Санный путь веками был быстрее и легче колёсного. Под полозьями или лыжами поверхностные кристаллики подтаивают от давления и трения, и тонкая плёнка воды работает как смазка. Поэтому скольжение зависит и от температуры снега, и от скорости: в сильный мороз лыжи идут заметно хуже, а на мокром, раскисшем снегу трение снова растёт.

Отчего снег скрипит

Снег скрипит только в мороз. Скрип — это шум миллионов ломающихся крошечных кристаллов: каждый по отдельности хрустит неслышно для уха, но вместе они дают вполне отчётливый звук. Чем крепче мороз, тем твёрже и хрупче лёд, и тем выше тон скрипа.

Акустические измерения показали, что в спектре скрипа два размытых максимума — в диапазонах 250–400 и 1000–1600 герц. Когда воздух теплее минус шести градусов, высокочастотный максимум сглаживается и почти исчезает: энергия шага уходит уже не на слом кристаллов, а на их подтаивание, и снег под ногами больше не хрустит, а мягко проминается.

Снег, который исчезает без таяния

Обычно снег тает, когда воздух теплее нуля. Но немалая часть его испаряется и в мороз, минуя жидкую фазу. Такой переход льда сразу в пар называется сублимацией, или возгонкой. Сильнее всего она идёт под солнцем, а в метель снежинки, которые ветер несёт над землёй, тоже теряют заметную часть массы. Её можно увидеть и дома: бельё, вывешенное на мороз, сначала каменеет от льда, а потом всё равно высыхает.

Снегопад у Бориса Пастернака выглядит так:

Снег идёт, и всё в смятеньи,
Всё пускается в полёт, —
Чёрной лестницы ступени,
Перекрёстка поворот.