Не бывает двух одинаковых снежинок?

Облака состоят из капель воды, водяного пара и взвешенных примесей, таких, как крошечные частицы пыли. Если температура в облаке уменьшается, молекулы воды кристаллизируются, организуя вокруг себя частицы пыли в гексагональной (шестиугольной) структурной решетке  известной как Лед IH

(см. рис 1). Есть четырнадцать известных форм льда, но лед IH (аббревиатура для "Формы 1 - шестиугольник") стабилен при температурах от -100°С до 0°С и поэтому мы рассматриваем его в качестве снежинки. Молекулы воды расположенные в виде шестиугольника в стеке листов с совершенно ровными сторонами, расположенными друг к другу под углом в 120°, называются "аспекта" (см. рис 2).

Рисунок 1. Красные сферы представляют собой атомы кислорода, белые - водорода. Когда воздух охлаждается, то соседствующие молекулы воды начинают организовывать решетку, постепенно строя шестиугольник "льда IH". У каждой молекулы воды есть четыре соседа (только один лист показан) и она выступает в качестве донора водорода для двух из них и как акцептор водорода от двух других.

Рисунок 2 - Молекуле легче держаться за шероховатую поверхность, чем гладкую, потому что шероховатая поверхность дает больше места, на котором могут закрепиться сразу несколько молекул.

Из-за того, что молекуле проще закрепиться на шероховатой поверхности, чем на ровной, появляются грани. Так неровные участки заполняются, а затем и медленно растущие гладкие поверхности, которые впоследствии определят форму кристалла. Таким образом, первоначальной формой любой снежинки является идеальная шестиугольная призма. Это показано на рисунке 3. Потом, в процессе роста, ей всё труднее сохранить свою форму и на углах появляются ответвления в виде ножек. Окончательная форма кристалла всегда будет иметь 6 ответвлений - по одному на каждый угол. На самом деле, как показывает рисунок 4, в центре многих снежинок все еще можно увидеть породившую их шестигранную призму.

Рисунок 3. Фотография гексагонального     Рисунок 4. Дендритный снежный кристалл.В центре снежного кристалла                                      видно шестиугольник из которого он вырос.

Размер упавших на землю снежинок может варьироваться от почти идеальной шестигранной призмы врего лишь 0,2 мм шириной (так называемой алмазной пыли) до больших "дендритных" снежных кристаллов шириной 5 мм. Кристаллы, которые меньше алмазной пыли, слишком легкие, чтобы падать на землю, поэтому они остаются в воздухе, в то время как крупные кристаллы очень хрупкие и разваливаются при малейшем ветерке.

Но что заставляет сежинку начать формироваться? Это происходит, когда в облаке начинают выполняться два основных условия: перенасыщение и переохлаждение, и конечная форма снежинки может показать, какими были эти условия.

Перенасыщение

Перенасыщение возникает, когда в воздухе больше водяных паров, чем при обычной влажности (которая составляет 100%). Для каждой температуры есть максимальное количество водяного пара, которое может быть присутствовать в воздухе. Чем выше температура, тем больше водяных паров могут присутствовать. Но если вы охладите воздух при 100% относительной влажности, он станнет перенасыщенным, и это состояние очень нестабильно. В результате лишние пары кристаллизируются либо в капельки воды либо сразу в лед.

Переохлаждение

Если температура воды ниже 0°C, это называется переохлаждением. Удивительно, но если вы охладите чистую воду ниже ее точки замерзания, она не замерзнет, и это происходит потому, что молекулы каплях жидкости имеют тепловое движение, которое мешает им кристаллизироваться. На самом деле температура должна упасть до -42°C прежде чем замерзнуть. Капля простой воды легко замерзает при 0°C из-за примесей, которые обеспечивают поверхность для прикреплеия молекул воды, и это снижает эффект теплового движения, увеличивая температуру замерзания. Если бы вы могли наблюдать этот процесс под микроскопом вы увидели бы большое количество молекул воды, соединяющихся в форме крошечных кристалликов льда. Если кристалл больше критических размеров он будет расти, но если он слишком мал, молекулы будут отваливаться. То же самое происходит в облаках и структура и состав снежинки могут рассказать ученым о температурных условиях внутри облака во время формирования снежинки.

Рисунок 5. Как формируется снежинка. Рост снежного кристалла начинается, когда молекулы собираются вокруг крошечных примесей. Изменения во внешней среде, могут изменять форму и размеры кристалла.

Кроме того, снежинки пока растут, летают внутри облака, а это значит, что они подвергаются разным воздействиям в разное время, в результате чего их форма меняется. Рисунок 5 иллюстрирует, каким образом экологическая история снежинки записывается в ее структуре и как это может быть использовано для сбора информации о породившем снежинку облаке. Как показывает рисунок 6, понимание этого процесса означает, что ученые могут сами создавать снежинки искусственно, получая информацию о физике роста кристаллов и модели их формирования.

Дизайнер снежинок

Рисунок 6. Дизайн снежинки. Понимание того как снежинки формируются дает физиками возможность вырастить их в лаборатории. То, как температура влияет на рост снежинок до сих пор неизвестно, и исследование этих снежных кристаллов помогает понять физику роста и модель их формирования.

Верно ли, что не существует двух одинаковых снежинок?

Каждый школьник знает фразу, что "нет двух одинаковых снежинок", и для крупных дендритных снежинок это, безусловно, верно. Почему? Представьте, что вы расставляете приправы на полке. У вас есть пять приправ и пять банок для них. Есть пять способов поставить на полку первую банку, четыре способа поставить вторую, три третью и так далее. В общей сложности Есть 120 способов расставить пять банок на полке.

У снежинок более 100 различных признаков, что дает 10¹⁵⁸ (а это 1 со 158 нулями) вариантов создания снежинки. Это примерно в два раза больше, чем атомов во Вселенной, так что очень маловероятно, что вы найдете две одинаковых! И поскольку рост снежинки является результатом воздействия окружающей среды, даже малейший перепад температуры или влажности будет кардинально изменять форму снежинки. Если во время формирования снежинка подвергалась множеству различных воздействий, то она вырастет черти как (как и большинство снежинок в природе). Идеально симметричные кристаллы появляются тогда, когда каждая часть снежинки росла в одних и тех же условиях, так что увидеть одинаковые снежинки проще, когда они очень малы.

Но зачем же исследовать снежинки?

Вода сама по себе имеет много необычных и алогичных свойств, некоторые из которых всем очень хорошо знакомы. Например тот факт, что лед (камень) имеет меньшую плотность, чем жидкость. Наука об облаках является одной из наиболее важных при исследовании климатических изменений, и эти красивые микроскопические кристаллики помогают нам лучше изучить окружающую среду.

Рисунок 7. Создание снежинок