Но шутки в сторону — займемся делом. Поскольку всякий раз, когда начинает идти снег, первые снежинки имеют форму шестиугольной звезды, то на то должна быть определенная причина. Ибо если это случайность, то почему не бывает пятиугольных или семиугольных снежинок, почему всегда падают шестиугольные, если только они от соударений не утрачивают форму, не слипаются во множестве, а падают редко и порознь?
Иоганн Кеплер. О шестиугольных снежинках
Простой, даже детский вопрос, заданный немецким математиком Иоганном Кеплером более четырех сотен лет назад, конечно же, имел куда более сложный ответ. Сейчас трактат «О шестиугольных снежинках» называют первым научным трудом по кристаллографии. Иоганн Кеплер уже тогда понимал, что структура и форма снежинок не могут браться из ниоткуда, что есть некое «начало», точка отсчета, форма которой влияет и на конечный результат. Впрочем, даже сейчас, четыре века спустя, далеко не все люди знают, почему на самом деле снежинки выглядят так, как выглядят. Например, станет ли для вас сюрпризом факт, что снежинки вовсе не всегда принимают форму шестиконечной звезды?
В 1870-х гг., спустя два столетия после Иоганна Кеплера, формой снежинок увлекся один из первых русских фотохудожников Андрей Андреевич Сигсон. Первопроходец микрофотографирования, он смог запечатлеть более 200 разнообразных снежинок. Андрей Андреевич ловил снежинки на редкую сетку из шелковинок (на стекле они слишком быстро теряли резкость), помещал под микроскоп с небольшим увеличением и фотографировал при сильном боковом освещении. За работу, которую впоследствии отметили серебряной медалью московской Политехнической выставки 1872 г., ему пришлось поплатиться проблемами со здоровьем. Из-за того что во время фотографирования ему приходилось охлаждать руки, у А.А. Сигсона развился ревматизм.
Для своих снимков фотохудожник выбирал самые изящные снежинки — привычные для нас шестиконечные звезды. Настолько привычные, что большинство людей и не подозревают, насколько в реальности много иных форм этого простейшего водяного кристалла. Снежинки могут выглядеть как иглы, столбы с «крышками», столбы без «крышек», широкие пластины, пули, чашечки… Разные исследователи насчитывают разное количество типов снежинок, но все сходятся на том, что их несколько десятков. Одну из первых классификаций, в которую входило 40 морфологических категорий, предложил японский физик и натуралист Укисиро Накайя. Он же создал и так называемую диаграмму Накайи, которая связывала температуру и влажность воздуха со свойствами наблюдаемых форм снежинок.
Пришла пора поговорить о том, как же снежинки образуются в естественной среде . Водяной пар, поднимающийся с Земли в результате испарения, движется все выше и выше в атмосфере и по мере своего движения начинает охлаждаться. В какой-то момент воздух становится перенасыщенным молекулами воды и они начинают конденсироваться на частицах пыли, витающих в воздухе. Молекулы воды замерзают, фиксируются на месте и образуют шестиугольный кристалл.
Эта структура появляется из-за особенностей молекул воды, в этом Иоганн Кеплер был совершенно прав. Один атом кислорода и два атома водорода, составляющие H₂O, собираются в изогнутую форму, которая делает молекулу полярной, подобно магниту. Слегка отрицательные атомы кислорода притягивают слегка положительные атомы водорода, образуя между соседними молекулами водородную связь. Примагничиваясь друг к другу, молекулы воды собираются в шестиугольную, гексагональную решетку. Но как эта микроскопическая решетка вырастает в кристалл, который мы можем видеть?
Представьте себе трехмерную «гайку», в которую собрались молекулы воды. У нее есть шесть плоскостей по бокам, две плоскости сверху и снизу и грани между всеми этими плоскостями. Пролетающая мимо этой гайки молекула хотела бы за нее зацепиться, но от плоской грани она имеет тенденцию отскакивать. Зато за выступающую часть схватиться и примагнититься ей очень легко. Так что снежинка начинает расти от граней «гайки», лежащей в ее основе, и чем дальше выступают углы, тем легче за них зацепиться, тем дальше они растут… Так в некоторых случаях шесть граней гайки обращаются в шесть радиальных лучей знакомой нам звезды снежинки.
Но в некоторых случаях снежинка начинает расти не вширь, а вверх. На это, как и указывал Накайя в своей диаграмме, влияют влажность и температура воздуха, который окружает растущую снежинку. При температуре около −2 °C образуются пластины, при −5 °C — столбики и иглы, при −15 °C — снова пластины, а затем ниже −20 °C появляются и столбики, и пластины. В форме каждой снежинки записана история того места, в котором она росла, и поэтому Накайя любил называть объект своих исследований письмами с небес. Когда кристалл меняет свое положение, все шесть ветвей претерпевают одинаковое изменение температуры и влажности, потом еще и еще, и в итоге полет снежинки создает неповторимый набор условий, выражающийся в ее уникальном внешнем виде.
Осталось ответить на последний вопрос: почему на диаграмме Накайи столбики и пластины снежинок так странно сменяют друг друга? Как именно температура воздуха влияет на кристалл снежинки, что он начинает расти тем или иным образом? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо снова представить изначальную «гайку» снежинки с шестью боковыми гранями и двумя «крышками» сверху и снизу. Эти два типа граней отличаются друг от друга не только формой, но и так называемым барьером зарождения. Фактически этот барьер — значение критической массы молекул воды, которые должны собраться у одной из граней, чтобы зацепиться за нее. В зависимости от температуры более «шершавыми» и удобными для зацепления становятся то боковые, то верхние и нижние грани кристалла снежинки.
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
