Научное объяснение что такое снежинка
Что такое снежинки, из чего они состоят и как они образуются
Зима. На улице не очень холодно, и идет снег. Подставьте рукав под падающие хлопья – сколько снежинок сцепилось между собой колючими краями! И каждую из них можно подолгу рассматривать – настолько красив и совершенен ее уникальный узор. А как они образуются?
Подарок с неба
Каждый раз пристальное рассматривание обычной снежинки вызывает удивление и восторг. Исследуя это погодное явление около 400 лет тому назад, впервые научно описал, что такое снежинки, немецкий астроном Иоганн Кеплер в своем трактате «Новогодний подарок. О шестиугольных снежинках». Впоследствии множество исследователей из разных стран изучали это природное явление. Более трехсот лет назад хлопья снега были впервые рассмотрены с помощью микроскопа и зарисованы. Фотографы также внесли свою лепту в познание этого зимнего чуда. Оригинальный метод фотографирования снежинок придумал российский фотограф А. А. Сигсон в конце XIX века.
Вода в твердом состоянии
Как образуются в природе столь совершенные линии, как будто вычерченные по чертежу? В атмосфере Земли содержится много воды благодаря постоянному испарению. Из более теплых слоев воздуха она перемещается в холодные, с минусовыми температурами, и там замерзает. Получается, ответ на вопрос «что такое снежинки» очень прост: это кристаллы льда. Они образуются высоко в небе, где очень холодно, из застывшего водяного пара и медленно опускаются вниз. По пути к Земле с ними непрерывно происходят сложные метаморфозы.
В чем секрет формы?
Разгадка в молекулярной формуле
Любому природному явлению всегда можно найти простое научное объяснение. Давайте вспомним уроки химии, чтобы понять, что такое снежинка. Формула воды – H2O, ее молекула состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому в твердом состоянии вода образует кристаллы с количеством граней числом три или шесть.Так получаются шестиконечные снежные цветы с затейливым уникальным узором.
Легкие, как снег
Как мы знаем, снег очень легкий. Все дело в том, что при формировании снежных кристаллов причудливой формы внутри них образуются множественные воздушные пустоты. Что такое снежинки, вернее, их кристаллы? Это своеобразная ажурная сетка, на 95% заполненная воздухом. Снежинки – самая легкая и объемная разновидность снежных кристаллов. Обычно они весят около миллиграмма. Поэтому они очень легкие и тихо парят в атмосфере, постепенно опускаясь вниз.
Также снег бывает в виде мелкой колючей снежной крупы – там кристаллы спрессованы более плотно. Один кубометр снега содержит более 300 миллионов снежинок.
Как мы знаем, вода не имеет цвета. Почему же тогда снежинки и снег вообще белого цвета? Их грани отражают солнечный свет, а он, как мы знаем, состоит из цветового спектра, на который распадается белый цвет. Этим можно объяснить «удивительные» снегопады разных цветов – между кристаллами воды, в зависимости от разных причин, могут вмерзнуть различные вещества – от экзотических красных водорослей до обычной угольной пыли.
Снежинки по-научному
Оказывается, ученые изучают снежинки и даже различают несколько разновидностей по способу образования кристаллов. Они придумали для них разнообразные классификации, в которых количество разновидностей доходит до 80. Самая простая система определения была предложена в 1951 г. Комиссией снега и льда Международной ассоциации научной гидрологии.
Она включает семь видов кристаллов:
Не всегда зимой снежинки выглядят как идеальный шестигранный цветок. Как мы писали выше, это зависит от влажности и температуры воздуха.
Чудо из холодных краев
Как мы знаем, погода зависит от времени года и степени удаленности местности от полюсов холода. Наблюдать падающие снежинки зимой мы можем только в определенных температурных поясах планеты.
Снежинка
На фото — снежинка, один из символов зимы и приближающихся новогодних праздников. Почему же у снежинки всегда шестилучевая симметрия?
Еще в 1611 году Иоганн Кеплер в своей работе Strena Seu de Nive Sexangula (Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках) предположил, что снежинка состоит из более простых элементов, которые могут объединиться только в фигуру с шестилучевой симметрией (см. C. Schneer, 1960. Kepler’s New Year’s Gift of a Snowflake и Ph. Ball, 2011. In retrospect: On the Six-Cornered Snowflake). Исследования по симметрии привели его к предположениям о наиболее эффективной упаковке шаров в трехмерном пространстве (см. Гипотеза Кеплера). Пионерские работы Кеплера в области симметрии нашли позже применение в кристаллографии и теории кодирования. Кеплер оказался прав. Действительно, молекулы воды, образуя лед, организуются в гексагональную молекулярную кристаллическую решетку, что в конечном итоге определяет и геометрию самого ледяного кристалла — снежинки.
Треугольные снежинки. Рисунок с сайта snowcrystals.com
Правда, не все снежинки долетают до земли шестиугольными, есть и треугольные. Они начинают свой путь как шестиугольники, но воздушные потоки в атмосфере могут способствовать ускорению роста трех чередующихся лучей, и кристалл выглядит как треугольный. Может произойти и так, что два шестиугольных кристалла слипаются и начинают расти как один, формально образуя двенадцатилучевую снежинку.
Двенадцатилучевые снежинки. Рисунок с сайта snowcrystals.com
Японский физик Укитиро Накая (Ukichiro Nakaya) был первым ученым, обнаружившим, что форма снежинки может рассказать историю ее образования. В 1930 году он был нанят на, как ему казалось, перспективную должность, но оказалось, что у нанявшего его университета нет денег для покупки оборудования, необходимого для запланированной работы в области рентгеноструктурного анализа. Накайя не опустил руки и начал делать то, что позволяла ему материальная база, — исследовать обычные снежинки и выращивать искусственные на отдельных волосках кролика (см. его книгу Snow Crystals: Natural and Artificial — «Снежные кристаллы: Натуральные и искусственные»).
Он обнаружил, что каждая снежинка начинает свой рост с образования шестиугольной призмы, которая может быть и длинной, как граненый карандаш, и почти плоской, как шестиугольные монеты. Поскольку углы шестиугольника больше охлаждаются окружающим воздухом, связывание новых порций воды с углами идет быстрее, и снежинка отращивает привычные лучи.
Схема образования снежинки: a — частичка атмосферной пыли, играющая роль центра кристаллизации; б — пары воды покрывают поверхность пылинки, конденсируясь на её поверхности в жидкость; в — жидкая вода кристаллизуется в лёд; г — шесть углов образующегося ледяного кристалла растут быстрее других областей, поскольку они больше охлаждены и быстрее могут принимать на себя новые порции воды; д — начинается образование случайных и не повторяющихся форм — условия могут способствовать росту новых шестиугольников, лучей и так далее.
Форма снежинок может быть очень разной. В верхних слоях атмосферы кристаллики льда растут при разной температуре и влажности. Поскольку их рост протекает в неравновесных условиях, образующиеся кристаллы могут быть совершенно не похожи на каноническое изображение новогодней снежинки. В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы — снежинки-столбики или снежинки-иглы. В других условиях они растут перпендикулярно к оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек. К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды — и образуются снежинки неправильной и несимметричной формы.
Как признается в своем обзоре «Физика кристаллов снега» (The physics of snow crystals, 2005 год) американский физик из Калтеха Кеннет Либбрехт (Kenneth Libbrecht), точная механика процессов образования столь симметричных кристаллов воды — снежинок — так и неизвестна нам даже на качественном уровне, и мы не приблизились к разгадке тайны их появления по сравнению с трудами Накаи.
Типы снежинок. Рисунок сайта snowсrystals.com
Во время снегопада практически невозможно найти пару одинаковых снежинок (вырастить идентичные снежинки удается только в лаборатории, где возможен более строгий контроль условий). Тем не менее человек всегда хочет найти порядок в хаосе, поэтому существует давняя традиция классификации снежинок. В 1675 году немец Фридрих Мартенс описал 24 типа снежинок. В 1832 году благодаря даймё Дои Тосицуре (Doi Toshitsura) число типов снежинок увеличилось до 86 (см. его книгу Sekka Zusetu).
«Sekka Zusetsu» — японская книга о снежинках, написанная Дои Тосицурой в 1832 году. Фото с сайта digitalcollections.nypl.org
Классификация продолжается и в наше время, и сейчас мы можем говорить о более чем ста типах снежинок — от хорошо знакомых кристаллов-дендритов, похожих на звёзды, до слившихся шестигранных колонн. Согласно работам Накайи, самые крупные и самые красивые дендритные снежинки — именно те, которые мы ассоциируем с новогодними праздниками, — растут в очень влажных тучах при температуре около −15°C.
Источник: Katrina Krämer. Explainer: snowflakes // Chemistry World, 8 December 2017.
Как образуются снежинки и почему все они такие разные
Игорь Гладкобородов
Снежинка начинает свою жизнь в облаке, когда вокруг маленькой пылинки образуется кристаллик льда. Кристаллы льда имеют форму шестигранника. Именно из-за этого большинство снежинок имеют форму шестиконечной звезды.
Дальше этот кристаллик начинает расти. У него могут начать расти лучи, или у этих лучей начинают появляться отростки, или — наоборот, снежинка начинает расти в толщину.
Как именно в данный момент будет расти снежинка зависит от текущих условий вокруг снежинки: влажность, температура, давление, форма снежинки. И даже самые минимальные изменения этих параметров могут изменить ход роста снежинки.
Условия постоянно меняются. И получается, что снежинка то растет в ширину, то у нее отрастают лучи. В холодную и сухую погоду снежинки вообще растут в высоту, а не в ширину, и получаются шестиугольные столбики, а не привычные нам разлапистые звезды.
Направления роста изменений снежинки всегда обусловлены тем, что кристаллы льда шестиугольные. Два кристаллика не могут соединилься углом, они всегда присоединяются друг к другу гранью. Поэтому лучи всегда растут в шесть сторон, а от луча может отходить «ветка» только под уголом 60 или 120 градусов.
Поскольку каждая снежинка живет своей жизнью и внешние условия у них у всех хотя бы минимально, но отличаются, то все снежинки разные. Не бывает абсолютно одинаковых снежинок — каждая из них проходит через разные сочетания влажности, давления и температуры.
Великая теория снежинок
Снега в центральной части России этой зимой маловато. Кое-где он выпал, конечно, но в январе месяце можно было ждать какой-то более морозной и снежной погоды. Унылая серость и неприятная слякоть мешают ощутить радость от привычных зимних забав. Поэтому Cloud4Y предлагает добавить немного снега в нашу жизнь, поговорив о… снежинках.
Считается, что снежинки бывают только двух типов. И у одного из учёных, которого иногда называют «отцом» физики снежинок, появилась новая теория, объясняющая причину этого. Кеннет Либбрехт — это удивительный человек, который готов посреди зимы покинуть нагретую солнцем Южную Калифорнию, чтобы добраться до Фэрбенкса (Аляска), надеть тёплую куртку и сесть в промороженном поле с камерой и куском пенопласта в руках.
Зачем? Он ищет самые сверкающие, самые фактурные, самые красивые снежинки, которые может создать природа. По его словам, наиболее интересные образцы имеют тенденцию образовываться в самых холодных местах — пресловутом Фэрбенксе и в заснеженной северной части Нью-Йорка. Самый же лучший снег, который Кеннет когда-либо наблюдал, шёл в Кокрейне, местечке на северо-востоке Онтарио, где слабый ветер кружил снежинки, падающие с неба.
Очарованный стихией, Либбрехт с упорством археолога изучает свою пенопластовую доску. Если там есть что-то интересное, взгляд обязательно зацепится за это. Если же нет — снег сметается с доски, и всё начинается заново. И это длится часами.
Либбрехт — физик. По забавному стечению обстоятельств, его лаборатория в Калифорнийском технологическом институте занимается исследованиями внутренней структуры Солнца и даже разработала современные приборы для обнаружения гравитационных волн. Но последние 20 лет подлинной страстью Либбрехта был снег — не только его внешний вид, но и то, что заставляет его так выглядеть. «Вопрос о том, что за объекты падают с неба, как это происходит и почему они так выглядят, всё время терзает меня», — признаёт Кеннет.
Долгое время для физиков было достаточно знания того, что среди множества крошечных снежных кристаллов можно выделить два преобладающих типа. Один из них — плоская звезда с шестью или двенадцатью лучами, каждый из которых украшен головокружительно красивыми кружевами. Другой — своего рода миниатюрная колонна, иногда зажатая меж плоских «крышек», а иногда похожая на обычный болтик. Эти формы можно увидеть при разной температуре и влажности, но причина образования той или иной формы была загадкой. Годы наблюдений Либбрехта помогли лучше понять процесс кристаллизации снежинок.
Наработки Либбрехта в этой области помогли создать новую модель, которая объясняет, почему снежинки и другие снежные кристаллы образуют то, что мы привыкли видеть. Согласно его теории, опубликованной в интернете в октябре 2019 года, описывает движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул могут порождать совокупность кристаллов, которые образуются в различных условиях. В своей монографии объёмом 540 страниц Либбрехт описывает все знания о снежных кристаллах.
Шестиконечные звёзды
Вы, конечно же, знаете, что невозможно увидеть две одинаковые снежинки (разве что на этапе зарождения). Этот факт связан с тем, как кристаллы формируются в небе. Снег — это скопление ледяных кристаллов, которые образуются в атмосфере и сохраняют свою форму, когда они все вместе падают на Землю. Они образуются, когда атмосфера достаточно холодная, чтобы не допустить слияния или таяния и превращения в мокрый снег или дождь.
Хотя в пределах одного облака можно зафиксировать множество температур и уровней влажности, для одной снежинки эти переменные будут постоянными. Вот почему снежинка часто растёт симметрично. С другой стороны, каждая снежинка подвергается воздействию ветра, солнечного света и другим факторам. По сути, каждый кристалл подчиняется хаосу облака, и потому принимает различные формы.
Согласно исследованию Либбрехта, самые ранние размышление об этих деликатных формах зафиксированы в 135 г. до н.э. в Китае. «Цветы растений и деревьев, как правило, пятиконечные, но цветы снега всегда шестиконечные», — писал ученый Хань Инь. А первым ученым, который попытался разобраться, почему так происходит, был, вероятно, Йоханнес Кеплер, немецкий ученый и эрудит.
В 1611 году Кеплер преподнёс новогодний подарок своему покровителю, императору Священной Римской империи Рудольфу II: небольшой трактат под названием «О шестиугольных снежинках».
«Я перехожу мост, терзаемый стыдом – я оставил тебя без новогоднего подарка! И тут мне подворачивается удобный случай! Водяные пары, сгустившись от холода в снег, выпадают снежинками на мою одежду, все, как одна, шестиугольными, с пушистыми лучами. Клянусь Гераклом, вот вещь, которая меньше любой капли, имеет форму, может служить долгожданным новогодним подарком любителю Ничего и достойна математика, обладающего Ничем и получающего Ничто, поскольку падает с неба и таит в себе подобие шестиугольной звезды!».
«Должна быть причина, по которой снег имеет форму шестиугольной звездочки. Это не может быть случайностью», — был уверен Йоханнес Кеплер. Возможно, ему вспомнилось письмо от своего современника Томаса Харриота, английского ученого и астронома, который также успел поработать штурманом для исследователя сэра Уолтера Роли. Около 1584 года Харриот искал наиболее эффективный способ складывать пушечные ядра на палубах кораблей Роли. Харриот обнаружил, что гексагональные узоры кажутся наилучшим способом расположения сфер, и он обсуждал этот вопрос в переписке Кеплером. Кеплер задавался вопросом, происходит ли что-то подобное в снежинках и благодаря какому элементу возникают и держатся эти шесть лучей.
Можно сказать, что это было начальное понимание принципов атомной физики, о которой заговорят лишь через 300 лет. Действительно, молекулы воды с их двумя атомами водорода и одним кислородом имеют тенденцию соединяться вместе, образуя гексагональные массивы. Кеплер и его современники даже не представляли, насколько это важно.
Как говорят физики, благодаря водородной связи и взаимодействия молекул друг с другом мы можем наблюдать открытую кристаллическую структуру. Помимо способности выращивать снежинки, шестиугольная структура позволяет сделать лёд менее плотным по сравнению с водой, что оказывает огромное влияние на геохимию, геофизику и климат. Другими словами, если бы лёд не плавал, жизнь на Земле была бы невозможна.
Но после трактата Кеплера наблюдение за снежинками было скорее хобби, чем серьёзной наукой. В 1880-х годах американский фотограф по имени Уилсон Бентли, живший в холодном, вечно заснеженном маленьком городишке Иерихон (штат Вермонт, США), начал делать снимки снежинок с помощью фотопластин. Он успел создать более 5000 фотографий, прежде чем умер от пневмонии.
В условиях низкой влажности снежинки-звёзды образуют несколько ветвей и напоминают гексагональные пластины, но при высокой влажности становятся более замысловатыми, кружевными.
По мнению Либбрехта причины появления различных форм снежинок стали понятнее именно благодаря работе Накая. Было установлено, что снежные кристаллы превращаются в плоские звёзды и пластины (а не трёхмерные структуры), когда края быстро растут наружу, а грани медленно растут вверх. Тонкие колонны растут по-другому, с быстро растущими гранями и более медленно растущими краями.
В то же время, основные процессы, влияющие на то, станет ли снежинка звездой или колонной, остались невыясненными. Возможно, секрет крылся в температурных условиях. И Либбрехт пытался найти ответ на этот вопрос.
Рецепт снежинки
Вместе со своей маленькой командой исследователей Либбрехт пытался придумать рецепт снежинки. То есть некий набор уравнений и параметров, которые можно загрузить в компьютер и получить от ИИ великолепное разнообразие снежинок.
Свои исследования Кеннет Либбрехт начал двадцать лет назад, узнав об экзотической форме снежинки, называемой закрытой колонной. Она похожа на катушку для ниток или на два колеса и ось. Рождённый на севере страны, он был шокирован тем фактом, что ни разу не видел такой снежинки.
Поражённый бесконечными формами снежных кристаллов, он занялся изучением их природы, создав лабораторию для выращивания снежинок. Результаты многолетних наблюдений помогли создать модель, которую сам автор считает прорывной. Он предложил идею молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Эта идея описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий и поведения молекул, которые его образуют.
Представьте, что молекулы воды расположены свободно, так как пары воды только начинают замерзать. Если бы можно было оказаться внутри крошечной обсерватории и смотреть на этот процесс, то можно было бы увидеть, как молекулы замёрзшей воды начинают образовывать жёсткую решетку, где каждый атом кислорода окружён четырьмя атомами водорода. Эти кристаллы растут путём включения молекул воды из окружающего воздуха в их структуру. Они могут расти в двух основных направлениях: вверх или наружу.
Тонкий плоский кристалл (пластинчатый или звездообразный) образуется, когда края формируются быстрее, чем две грани кристалла. Растущий кристалл будет распространяться наружу. Однако, когда его грани растут быстрее, чем его края, кристалл становится выше, образуя иглу, полый столб или стержень.
Ещё момент. Обратите внимание на третью фотографию, сделанную Либбрехтом в северном Онтарио. Это кристалл с «закрытыми колоннами» — две пластины, прикрепленные к концам толстого столбчатого кристалла. В этом случае каждая пластина разделена на пару гораздо более тонких пластин. Приглядитесь к краям, вы увидите, как пластина делится на две. Края этих двух тонких пластин примерно такие же острые, как лезвие бритвы. Общая длина ледяной колонны составляет около 1,5 мм.
Согласно модели Либбрехта, водяной пар сначала оседает по углам кристалла, а затем распространяется (диффундирует) по поверхности либо к краю кристалла, либо к его граням, заставляя кристалл расти наружу или вверх. Какой из этих процессов «выигрывает», зависит главным образом от температуры.
Нужно заметить, что модель является «полуэмпирической». То есть она частично построена так, чтобы соответствовать происходящему, а не объяснять принципы роста снежинок. Нестабильности и взаимодействия между бесчисленными молекулами слишком сложны, чтобы полностью их раскрыть. Впрочем, остаётся надежда на то, что идеи Либбрехта послужат основой для всеобъемлющей модели динамики роста льда, которую можно будет детализировать с помощью более подробных измерений и экспериментов.
Не стоит думать, что эти наблюдения интересны узкому кругу учёных. Подобные вопросы возникают в физике конденсированных сред и в других сферах. Молекулы лекарств, полупроводниковые чипы для компьютеров, солнечные элементы и множество других отраслей полагаются на высококачественные кристаллы, и целые группы занимаются вопросом их выращивания. Так что нежно любимые Либбрехтом снежинки вполне могут послужить на благо науки.
Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y