Снежинка

Снежинка — это единичный кристалл льда, имеющий характерную симметричную шестилучевую форму, образующийся в атмосфере при замерзании водяного пара. Снежинки относятся к классу твёрдых атмосферных осадков, выпадающих из облаков при отрицательных температурах воздуха. Их структура и форма определяются условиями кристаллизации, в первую очередь температурой и влажностью, и могут варьироваться от простых шестиугольных пластинок до сложных разветвлённых дендритов.

История изучения

Первые научные описания снежинок относятся к XVI веку. В 1555 году шведский архиепископ Олаф Магнус в своей книге «История северных народов» опубликовал зарисовки снежинок, отметив их шестиугольную симметрию. Однако систематическое исследование началось лишь в XVII веке.

В 1611 году немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер опубликовал трактат «О шестиугольных снежинках», в котором задался вопросом о причинах шестилучевой симметрии. Кеплер предположил, что форма кристаллов льда связана с плотной упаковкой сферических частиц, что предвосхитило современные представления о кристаллографии.

В 1635 году французский философ и математик Рене Декарт в своём труде «Метеоры» впервые детально описал различные формы снежинок, включая сложные дендритные структуры. Он также отметил, что снежинки могут иметь не только шесть, но и двенадцать лучей.

В 1665 году английский учёный Роберт Гук с помощью микроскопа зарисовал снежинки, подтвердив их сложную внутреннюю структуру. Однако из-за быстрого таяния кристаллов точные изображения получить было трудно.

Настоящий прорыв в изучении снежинок произошёл в конце XIX века. В 1885 году американский фермер и фотограф Уилсон Бентли, известный как «Снежинка Бентли», впервые сфотографировал снежинку под микроскопом. За свою жизнь он сделал более 5000 фотографий, показав, что каждая снежинка уникальна. Его работы были опубликованы в 1931 году в книге «Снежные кристаллы».

В XX веке исследования продолжились. В 1930-х годах японский физик Укитиро Накаяма разработал первую классификацию снежинок, выделив 41 тип. В 1954 году он опубликовал монографию «Снежные кристаллы: естественные и искусственные», в которой описал условия образования каждого типа.

Классификация

Снежинки классифицируются по форме и условиям образования. Наиболее распространённая система была разработана Укитиро Накаямой и дополнена Всемирной метеорологической организацией (ВМО). Выделяют следующие основные типы:

Пластинки

Простые шестиугольные пластинки образуются при температурах от -10 до -20 °C и низкой влажности. Они имеют плоскую форму с чёткими гранями.

Звёзды (дендриты)

Наиболее известный тип. Дендриты имеют шесть лучей с разветвлениями. Образуются при температурах от -12 до -18 °C и высокой влажности. Размеры могут достигать 5 мм в диаметре.

Столбики

Кристаллы в форме шестиугольных призм. Образуются при температурах ниже -20 °C. Могут быть как полыми, так и сплошными.

Иглы

Тонкие, длинные кристаллы, напоминающие иглы. Образуются при температурах от -3 до -5 °C. Часто встречаются в смешанных осадках.

Секторные пластинки

Пластинки с радиальными углублениями, разделяющими их на шесть секторов. Образуются при температурах, близких к -15 °C.

Неправильные кристаллы

Кристаллы, не имеющие чёткой симметрии. Образуются при нестабильных условиях или в результате столкновения с другими кристаллами.

Классификация по ВМО

В 2017 году ВМО утвердила новую классификацию, включающую 35 типов снежинок, объединённых в 7 основных групп: пластинки, звёзды, столбики, иглы, пространственные дендриты, секторные пластинки и неправильные кристаллы.

Физические свойства

Структура

Снежинка представляет собой кристалл льда, в котором молекулы воды образуют гексагональную кристаллическую решётку. Угол между связями в молекуле воды составляет 104,5°, что при кристаллизации приводит к образованию шестилучевой симметрии.

Размеры

Средний диаметр снежинки составляет от 0,5 до 5 мм. Самые крупные снежинки, зафиксированные в истории, достигали 38 мм в диаметре (зафиксировано в 1887 году в США, штат Монтана).

Масса

Масса одной снежинки составляет около 1 мг (0,001 г). Для образования снежного покрова толщиной 1 см требуется около 10 000 снежинок на квадратный метр.

Цвет

Снежинки бесцветны и прозрачны. Белый цвет снега объясняется многократным отражением и рассеянием света внутри скопления кристаллов.

Температура образования

Снежинки образуются при температурах от 0 до -40 °C. Оптимальная температура для образования дендритов — от -12 до -18 °C.

Процесс образования

Снежинки образуются в облаках, где водяной пар сублимируется (переходит из газообразного состояния в твёрдое) на ядрах кристаллизации. Ядрами могут служить мельчайшие частицы пыли, сажи, соли или бактерий.

Процесс начинается с образования зародыша кристалла — гексагональной призмы. Затем, в зависимости от температуры и влажности, начинается рост лучей. При низкой влажности кристалл растёт равномерно, образуя пластинку. При высокой влажности скорость роста на углах выше, что приводит к образованию разветвлённых дендритов.

Важным фактором является время пребывания кристалла в облаке. Чем дольше снежинка находится в пересыщенном водяном паре, тем сложнее становится её форма. Падение снежинки через облака может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Применение и значение

Метеорология

Снежинки являются важным индикатором атмосферных процессов. По форме и размеру кристаллов можно судить о температуре и влажности в облаках, что используется для прогнозирования погоды.

Криогеника

Изучение структуры снежинок помогает в разработке материалов, устойчивых к обледенению, и в создании искусственных кристаллов для научных целей.

Искусство и дизайн

Изображения снежинок широко используются в декоративно-прикладном искусстве, архитектуре, дизайне одежды и украшений. Симметрия снежинок вдохновляет художников и архитекторов.

Научные исследования

Снежинки служат моделью для изучения процессов кристаллизации и самоорганизации в физике и химии. Исследования снежинок применяются в материаловедении, в частности при создании наноструктур.

Интересные факты

• Утверждение «нет двух одинаковых снежинок» является статистически верным, но не абсолютным. Теоретически, при одинаковых условиях могут образоваться идентичные кристаллы, но вероятность этого ничтожно мала из-за огромного числа возможных комбинаций.
• В 1988 году в США была создана Международная комиссия по снегу и льду, которая занимается классификацией и изучением снежинок.
• Самая большая снежинка, зафиксированная в России, была обнаружена в 1944 году в Сибири и имела диаметр около 30 мм.
• В 2013 году учёные из Калифорнийского технологического института впервые сняли на видео процесс роста снежинки в реальном времени.
• Снежинки могут содержать примеси — пыль, сажу, бактерии, что влияет на их цвет. Например, снег, содержащий водоросли, может приобретать розовый или красный оттенок.

Источники

• Кеплер И. «О шестиугольных снежинках» (1611).
• Декарт Р. «Метеоры» (1635).
• Бентли У., Хамфрис У. «Снежные кристаллы» (1931).
• Накаяма У. «Снежные кристаллы: естественные и искусственные» (1954).
• Всемирная метеорологическая организация. «Международный атлас облаков» (2017).
• Libbrecht K. G. «The Physics of Snow Crystals» (2005).