Из чего состоят снежинки?

Снежинка — это лёд с пылинкой в середине. Но лёд особенный: он вырос прямо из водяного пара, минуя каплю, и каждый поворот его лучей отражает температуру и влажность, через которые он падал. Разбираемся, как это происходит и откуда у снежинки шесть лучей.

Снег, кристалл и снежинка

Физики различают два понятия. Снежный кристалл — это один-единственный кристалл льда. Снежинкой называют что угодно, что падает с неба в виде снега: и отдельный кристалл, и десятки кристаллов, слипшихся в хлопья.

Простейшие формы — иглы, столбики и шестигранные пластинки. Сложнее устроены звёзды с ветвистыми лучами, столбики с пластинками на концах, полые «бокалы». Изредка встречаются снежинки с двенадцатью лучами: их описывал ещё Рене Декарт в 1635 году. Но и в них шестилучевая симметрия сохраняется. Отдельные кристаллы обычно не больше нескольких миллиметров, самые крупные дорастают примерно до 18 мм. Хлопья бывают куда крупнее — обычно 7–10 сантиметров. Книга рекордов Гиннесса упоминает хлопья шириной 38 сантиметров, выпавшие в январе 1887 года в Форт-Киоге, штат Монтана.

Как пар становится льдом

Снежный кристалл зарождается в облаке, где воздух холоднее нуля и пересыщен влагой. Центром кристаллизации служит пылинка — частица минерала, пыльцы или другой органики. Без такой затравки чистая вода в облаке замерзает только ниже −35 °C.

Дальше кристалл растёт, забирая молекулы пара из воздуха. Соседние переохлаждённые капли при этом испаряются и отдают ему свою воду. В типичной снежинке около 10¹⁹ молекул воды.

Откуда шесть лучей

В кристалле льда молекулы воды выстраиваются в решётку из шестиугольных колец. Отсюда и шестигранная призма — базовая форма любого снежного кристалла, и шесть лучей у звезды.

Лучи растут независимо и ничего друг о друге «не знают». Но крошечный кристалл падает сквозь облако целиком, и все шесть лучей одновременно попадают в одну и ту же температуру и влажность. Поэтому и меняются они синхронно. Идеально симметричных снежинок при этом меньше одной десятой процента: обычно какой-то луч сломан или отстал в росте.

О том, почему снег скрипит под ногами, у нас есть отдельная статья.

Не замёрзший дождь

Снежинка — не капля, которая замёрзла по дороге вниз. Замёрзшие на лету капли выпадают ледяным дождём — прозрачными ледяными шариками без всякого узора. Снежный кристалл образуется иначе: водяной пар переходит в лёд, не становясь водой.

Если же снежинка по пути обрастает намёрзшими каплями, получается крупа — белые матовые шарики, в которых исходный кристалл уже не разглядеть.

Грани и ветки

Огранка возникает потому, что некоторые поверхности кристалла принимают новые молекулы очень неохотно. Именно такие медленные поверхности и становятся плоскими гранями, а кристалл получает ровные шестигранные стороны.

Ветвление работает в обратную сторону. Молекулы пара добираются до кристалла не напрямую, а диффундируя сквозь воздух, и путь к выступающим участкам у них короче. Любой случайный бугорок на грани получает чуть больше пара, чем соседняя поверхность, и растёт быстрее.

Чем дальше бугорок выдаётся, тем больше пара ему достаётся. Через некоторое время он превращается в ветку, бугорки на ветке — в боковые ветки, и процесс повторяется снова и снова. Физики называют это неустойчивостью ветвления.

Кристалл, на котором ветвление прошло много раз подряд, называют дендритом — от греческого «дерево». Такие снежинки похожи на папоротник или перо.

Опыты с давлением

Скорость, с которой пар подходит к кристаллу, можно менять в лаборатории. Если выращивать снежинки в разреженном воздухе, диффузия перестаёт сдерживать рост, и веток становится меньше. При давлении выше атмосферного кристаллы, наоборот, ветвятся сильнее.

Простые призмы получаются, когда пара мало или кристалл ещё крошечный. Пышные звёзды — когда влажность высокая.

Диаграмма Накаи

Какую форму примет кристалл, сильнее всего зависит от температуры. Японский физик Укитиро Накая свёл свои наблюдения в диаграмму, которой пользуются до сих пор. От нуля до −3,5 °C растут тонкие пластинки. От −3,5 до −10 °C — иглы и столбики. От −10 до −22 °C снова пластинки, а около −15 °C при высокой влажности — самые эффектные звёзды-дендриты. Ниже −22 °C опять преобладают столбики.

Снежинка, которая по дороге вниз пересекла несколько слоёв с разной температурой, собирает все эти формы. Так появляются столбики с шестигранными «шапками» на концах. Трёхлучевые снежинки тоже бывают: они редки и растут около −2 °C.

Кеплер, фермер из Вермонта и японский физик

Первым о форме снежинок всерьёз задумался Иоганн Кеплер. В 1611 году он выпустил трактат «О шестиугольных снежинках» — попытку понять, почему у них всегда шесть лучей.

Уилсон Бентли родился в 1865 году в Джерико, штат Вермонт. В пятнадцать лет мать подарила ему старый микроскоп, и он начал зарисовывать снежинки, а потом соединил микроскоп с фотокамерой. 15 января 1885 года Бентли сделал первую фотографию снежного кристалла. За жизнь он снял больше пяти тысяч. В 1931 году вышла его книга «Снежные кристаллы» с 2500 снимками, а 23 декабря того же года Бентли умер от пневмонии у себя на ферме. Именно он вместе с профессором Вермонтского университета Джорджем Перкинсом утверждал в статье, что двух одинаковых снежинок не бывает.

Накая первым вырастил снежинку искусственно. 12 марта 1936 года в его лаборатории кристалл вырос на кончике кроличьего волоска. Мысль подсказала настоящая снежинка, замеченная на кроличьем меху. В книге 1939 года Накая назвал снежные кристаллы письмами, посланными с небес.

Бывают ли одинаковые снежинки

Каждый кристалл проходит сквозь облако своим путём: чуть другая температура, чуть другая влажность, другой момент встречи с потоком воздуха. Ветки откликаются на любое из этих изменений. Поэтому две крупные звёзды, совпадающие до мельчайшей веточки, в природе почти невероятны. Подробнее о том, почему все снежинки разные и как считают шансы встретить пару, — в отдельной статье.

В лаборатории, где условия для двух кристаллов можно сделать одинаковыми, почти неотличимые снежинки вырастить удавалось.

Белый цвет снега — тоже обман зрения. Каждый кристалл прозрачен, но множество граней рассеивает свет во все стороны.

Снежинки под микроскопом

Сегодня снимать снежинки можно и без лаборатории: макросъёмкой занимаются многие фотографы, например москвич Андрей Осокин, чьи фотографии снежинок мы публиковали.