На тёмную варежку упали две снежинки. Обе похожи на крошечные ледяные звёзды, обе сверкают на свету — но узоры совершенно разные. У одной тонкие длинные ветви, у другой короткие и почти геометрически ровные. Кто рисует эти узоры внутри облака и почему природа так любит число шесть?
Чтобы разгадать эту загадку, придётся подняться туда, где рождается снежинка, — в холодную часть облака. Там нет художника с линейкой. Вместо него работают молекулы воды, температура и влажность воздуха.
Как образуются снежинки в облаке
История снежинки начинается не возле земли, а высоко в облаке, где температура опускается ниже нуля.
В воздухе находится водяной пар. В подходящих условиях молекулы воды присоединяются к крошечному зародышу ледяного кристалла. Таким зародышем может стать мельчайшая частица, находящаяся в облаке.
Кристалл начинает расти. К нему присоединяются всё новые молекулы воды, и постепенно появляется форма, которую уже можно назвать снежным кристаллом.
Поэтому снег — это не просто капли дождя, которые успели замёрзнуть по дороге. Снежные кристаллы формируются непосредственно в холодных облаках.
А само облако тоже состоит не из «пара», как иногда кажется с земли, а из огромного количества мельчайших капель воды и ледяных частиц. Подробнее об этом — в материале «Как образуются облака и почему они не падают».
Почему форма снежинки связана с числом шесть
Вот мы и добрались до самого красивого места нашей загадки.
Когда вода превращается в обычный атмосферный лёд, её молекулы располагаются не как попало. Их внутреннее устройство создаёт шестикратную, или гексагональную, симметрию.
Именно поэтому у классической звёздчатой снежинки появляются шесть основных направлений роста.
Это не облако решило нарисовать шестиконечную звезду и не мороз вырезал её по готовому шаблону. Число шесть возникает из устройства самого ледяного кристалла.
Если бы мы могли увеличивать его всё сильнее и сильнее, то обнаружили бы, что красивый внешний узор связан с порядком на гораздо меньшем — молекулярном — уровне.
Почему узор снежинки получается таким сложным
Шесть направлений задаёт строение льда. Но оно ещё не объясняет, почему снежинки покрываются такими причудливыми веточками.
Здесь в дело вступает путешествие через облако.
Растущий кристалл падает, кружится и перемещается между участками воздуха с немного разной температурой и влажностью. А условия роста напрямую влияют на форму кристалла.
В одних условиях появляются простые пластинки. В других вытягиваются столбики. При подходящей влажности и температуре начинают быстро расти ветви — и возникает знакомая звёздчатая снежинка.
Получается, что узор снежинки — в некотором смысле запись условий, через которые проходил кристалл.
Почему снежинки разные
Теперь представим два крошечных кристалла, которые почти одновременно начали расти в одном облаке.
Сначала условия вокруг них могут быть очень похожи. Но затем один кристалл немного сместит воздушный поток, другой начнёт падать другим путём, один окажется в более влажном участке, другой — в чуть более сухом.
Каждое такое изменение влияет на дальнейший рост.
Даже совсем небольшая разница может постепенно превратиться в заметно другой рисунок ветвей. Поэтому огромное число снежинок получает собственную сложную форму.
У каждой отдельной красивой снежинки шесть ветвей часто похожи друг на друга потому, что они растут одновременно и находятся почти в одинаковых условиях. Но на микроскопическом уровне их история всё равно немного различается.
Правда ли, что двух одинаковых снежинок не бывает
Фраза «не существует двух одинаковых снежинок» звучит почти как сказка, но здесь нужно быть аккуратными.
Если сравнивать расположение всех молекул в двух больших сложных снежных кристаллах, вероятность полного совпадения невероятно мала.
Но две простые снежинки вполне могут выглядеть почти одинаково для человеческого глаза или даже на обычной фотографии.
Поэтому научнее сказать так: сложные снежинки имеют огромное разнообразие форм, и найти две совершенно идентичные во всех мельчайших подробностях чрезвычайно трудно.
Какие бывают кристаллы снежинок
Звёздчатый дендрит — самая знаменитая форма. Именно её рисуют на открытках, ёлочных игрушках и новогодних свитерах.
Но настоящий снег куда разнообразнее.
Среди снежных кристаллов встречаются:
- пластинки — плоские шестиугольные кристаллы;
- звёздчатые пластинки — с шестью заметными выступами;
- дендриты — сложные ветвящиеся «звёзды»;
- столбики — вытянутые ледяные кристаллы;
- игольчатые формы — тонкие вытянутые кристаллы;
- слипшиеся снежинки — несколько кристаллов, соединившихся во время падения.
Так что запрос «форма снежинки» на самом деле скрывает не одну форму, а целое семейство ледяных конструкций.
Почему снежинка не обязательно падает прямо вниз
Снежинка очень лёгкая, поэтому её путешествием управляет не только сила тяжести.
Воздушные потоки могут поднимать кристалл, уводить его в сторону, заставлять вращаться и снова переносить в другую часть облака.
Чем сложнее путь, тем больше разных условий успевает встретить растущий кристалл.
Именно поэтому ветер участвует в истории снежинки ещё задолго до того, как она попадёт тебе на рукав. О том, почему воздух вообще начинает двигаться, можно прочитать в статье «Почему дует ветер и откуда он берётся».
Почему одни снежинки огромные, а другие почти незаметные
Размер тоже зависит от истории путешествия.
Если кристалл долго растёт в подходящих условиях и вокруг достаточно водяного пара, он может стать крупнее и обзавестись сложными ветвями.
Кроме того, отдельные снежные кристаллы способны сталкиваться и слипаться друг с другом. Тогда на землю падает уже большая рыхлая снежинка, состоящая сразу из нескольких кристаллов.
Поэтому огромная снежинка, которую удаётся поймать во время тихого снегопада, не обязательно представляет собой один гигантский идеальный кристалл.
Можно ли поймать снежинку и рассмотреть её
Да — и для этого не нужен настоящий микроскоп.
Во время спокойного снегопада вынеси на улицу кусочек тёмного картона или плотной тёмной ткани и дай ему охладиться. Если поверхность тёплая, снежинка быстро растает.
Затем поймай несколько снежинок и рассмотри их через увеличительное стекло.
Попробуй не искать «самую красивую», а сравнить формы. Есть ли шесть основных направлений? Видны ли ветви? Попались ли простые пластинки? Отличаются ли соседние кристаллы?
Так обычный снегопад превращается в маленькую лабораторию.
Проводить наблюдение лучше в спокойную погоду и ненадолго: в сильный мороз или метель исследование вполне может подождать.
Что рассказала нам снежинка
Вернёмся к двум снежинкам на варежке.
Теперь мы знаем, что никакой невидимый художник их не рисовал.
Шесть основных направлений появились благодаря внутреннему строению льда. А различия в узорах возникли потому, что кристаллы росли и путешествовали через немного разные участки облака.
Температура, влажность и движение воздуха шаг за шагом меняли их форму.
Получается удивительная вещь: снежинка существует совсем недолго, но в её крошечном узоре можно увидеть историю целого путешествия через облако.
Коротко для школьного сообщения
Снежинки образуются в холодных облаках из ледяных кристаллов. Молекулы воды при замерзании образуют структуру с шестикратной симметрией, поэтому у многих снежных кристаллов появляются шесть основных направлений роста.
Форма снежинки зависит от температуры и влажности воздуха. Во время падения кристалл проходит через разные участки облака, поэтому его форма постепенно меняется. Снежинки могут выглядеть как шестигранные пластинки, столбики, иглы или сложные ветвящиеся звёзды.
Источники
- UCAR Center for Science Education — Snowflakes
- National Snow and Ice Data Center — Science of Snow
- Wikimedia Commons — фотографии, авторство и лицензии.