Из чего состоят снежинки?

Снежинки — одно из самых красивых, сложных и абсолютно уникальных творений природы. Как они образуются и из чего состоят?

Что такое снег и снежинки

Снег — это 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: 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.

Как образуются снежинки

Форма снежинок отражает внутреннюю упорядоченность молекул воды, когда они находятся в твердом состоянии — в виде льда или снега. Снежинки растут так же, как 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 после падения на теплую поверхность снежинка теряет свою декоративную структуру — уникальный образ, который никогда больше не повторится.

Состав и структура снежинок

И снежинки, и снежные кристаллы образуются изо льда. Кристалл снега — это единый ледяной кристалл. Снежинка — более общий термин; он может означать как индивидуальный кристалл снега, так и несколько снежных кристаллов, соединенных вместе, или большие скопления снежных кристаллов, формирующие снег, который падает из облаков.

Молекулы воды в кристалле льда формируют шестиугольную решётку. Шестикратная симметрия снежинок берёт начало от кристаллической решётки льда. Снежинки растут из водяного пара.

Статья по теме на LifeGlobe.net: Почему снег скрипит под ногами?

Отличие снежинок от града

Снежинки — это не замёрзшие капли дождя. Иногда капли дождя замерзают во время падения, но это называется "град". Градины не имеют тщательно разработанных симметричных узоров, которые характерны для снежных кристаллов. Снежные кристаллы образуются, когда водяной пар конденсируется непосредственно в лёд — это происходит в облаках.

Как растут снежинки

Снежинки возникают вследствие роста кристаллов. Основная форма кристаллического снега — шестиугольная призма. Эта структура возникает потому, что определённые поверхности кристалла (грани) накапливают материал очень медленно. Поверхности, где образуются углы, более энергетически неравновесны, чем плоские грани, так как на углах выше вероятность образования связей между молекулами.

Происхождение сложных форм

Ответ на вопрос о сложных формах снежинок лежит в том, как молекулы воды перемещаются через воздух, чтобы конденсироваться на растущем кристалле. Молекулы диффундируют через воздух, и этот процесс замедляет их нарастание. Более отдалённые молекулы воды должны дольше перемещаться, чтобы достичь кристалла.

Если на плоской ледяной поверхности происходит маленькое столкновение и молекула остаётся на поверхности, то это место выдвигается немного дальше, чем остальная часть кристалла. В результате другие молекулы воды достигают этого места быстрее, чем остальной поверхности, и оно растёт быстрее.

С увеличением числа молекул воды, достигающих места столкновения, оно растёт быстрее. Через короткое время столкновения происходят всё чаще, и рост ускоряется. Возникает так называемая неустойчивость ветвления — новые маленькие столкновения зарождаются на больших ветвях, становясь основой для боковых ветвей. Так рождается сложная структура.

Ледяные дендриты

Когда неустойчивость ветвления повторяется многократно, образуется ледяной дендрит. Слово "дендрит" означает "древообразный", и звёздчатые древовидные кристаллы снега встречаются часто. Скорость диффузии молекул воды можно изменять в лабораторных условиях.

Если снежные кристаллы выращиваются в воздухе при пониженном атмосферном давлении, они менее ветвисты. Это происходит потому, что диффузия не ограничивает рост при низком давлении, и неустойчивость ветвления менее интенсивна. При больших давлениях образуются более ветвистые кристаллы.

Баланс между гранями и ветвлением

Рост снежных кристаллов зависит от равновесия между образованием граней и ветвлением. Грани стремятся создавать простые плоские поверхности, а ветвление — более сложные структуры. Это взаимодействие тонко зависит от температуры и влажности, что приводит к огромному разнообразию форм снежинок.

История изучения снежинок

Первым изучать снежинки начал астроном Иоганн Кеплер. В 1611 году он выпустил трактат "О шестиугольных снежинках", где разбирал геометрические аспекты их строения. Следующего прорыва пришлось ждать более двух веков.

В 15 лет фермер из Вермонта Уилсон Элвин Бентли получил в подарок микроскоп и начал изучать снежинки. 15 января 1885 года он сделал первый снимок снежинки, прикрепив фотоаппарат к микроскопу. К концу жизни он запечатлел 5381 снежинку. В 1920 году он получил должность в Национальной метеослужбе и грант на исследования. Именно Бентли первым заявил, что двух одинаковых снежинок не существует.

Уникальность каждой снежинки

Существует убеждение, что двух одинаковых снежинок в природе не бывает. В снежинке примерно 10²⁰ молекул воды, а человеческий глаз может различить около 100 визуальных параметров. Такая комбинация может сложиться конечным, но невероятно большим числом способов. Если учесть разные изотопы кислорода и водорода, а также примеси в воде, можно принять, что одинаковых снежинок действительно не существует.

Однако у кристаллов симметричная форма. Макроскопические факторы (температура, давление, концентрация веществ) в небольшом пространстве вокруг зародыша кристалла различаются незначительно, поэтому рост происходит одинаково во всех направлениях — пока не произойдет облом или слипание.

Снежинки под микроскопом