Геометрия зимнего неба: почему каждая снежинка уникальна и как они вообще образуются
- Снежинки образуются благодаря процессу сублимации, когда водяной пар превращается в лед, образуя кристаллы вокруг микроскопических частиц.
- Внешний вид снежинок зависит от температуры и влажности, а их уникальность обусловлена индивидуальными условиями, через которые они проходят во время падения.
Когда первые снежинки касаются земли, мы видим красивые пейзажи. Однако за каждым из них стоит невероятно сложный физический процесс, который начинается высоко в облаках вокруг микроскопической пылинки. Каждая отдельная снежинка проходит свой уникальный путь сквозь слои воздуха, фиксируя в себе историю собственного путешествия.
Как рождается снег?
Вопреки распространенному представлению, снег – это не просто замерзшая вода. Процесс его появления начинается с водяного пара, который при низких температурах обходит жидкую фазу и превращается непосредственно в лед – это явление называют сублимацией, пишет 24 Канал.
Смотрите также Холод – не ваш друг: главные правила эксплуатации зарядных станций и аккумуляторов зимой
Для того, чтобы родилась снежинка, молекулам воды нужен фундамент, так называемое ядро нуклеации. Такой основой обычно становятся микроскопические частицы пыли, сажи, пепла или даже специфические бактерии, например Pseudomonas syringae.
Вокруг этого ядра начинает формироваться ледяной кристалл, который постепенно увеличивается, притягивая новые молекулы пара. Формирование одной снежинки обычно длится от 30 до 45 минут и требует объединения около 100 тысяч мелких капель.
Почему они шестиугольные?
Шестиугольная структура снежинок не является случайной – она продиктована самой физикой молекулы воды. Молекула H2O имеет специфическое строение, где атомы водорода и кислорода расположены под определенным углом, что определяет форму кристаллической решетки. Благодаря водородным связям при замерзании молекулы группируются в гексагональную (шестигранную) призму.
Это фундаментальное свойство льда: независимо от того, это микроскопический кристалл, или большая снежинка, они всегда сохраняют эту шестикратную симметрию. Углы шестиугольной призмы выступают чуть дальше во влажный воздух, поэтому они растут быстрее других частей, постепенно превращаясь в шесть основных ветвей.
Как на это влияют окружающие условия?
Форма снежных кристаллов критически зависит от окружающей среды. Еще в 1930-х годах японский физик Укитиро Накая обнаружил четкую зависимость между температурой, влажностью и видом снежинок, создав так называемую диаграмму Накая. По его словам, снежинки – это иероглифы с небес, по которым можно узнать об условиях в облаках. Например:
- При температуре около минус 2 градусов Цельсия образуются тонкие пластинки.
- От минус 5 до минус 10 градусов Цельсия появляются иглы или колонны.
- В диапазоне от минус 12 до минус 16 градусов Цельсия рождаются классические звездообразные дендриты.
- При температуре около минус 14 градусов Цельсия и специфической влажности могут возникать редкие треугольные снежинки
Смотрите также Гольфстрим приближается к коллапсу: ученые обнаружили новый признак будущей катастрофы
Возможно ли найти одинаковые снежинки?
Вопрос о том, существуют ли две одинаковые снежинки, десятилетиями интересует ученых. Вероятность найти идентичных близнецов в природе практически равна нулю. Каждая снежинка во время падения проходит через уникальные условия: она постоянно движется, сталкивается с различными уровнями влажности и микроизменениями температуры.
Поскольку этот путь для каждого кристалла является неповторимым, его финальный узор становится своеобразной "записью" этого путешествия. Даже в лаборатории создать абсолютно одинаковые структуры почти невозможно, хотя крошечные шестиугольные зародыши могут быть очень похожими.