Когда капли воды замерзают в облаках, образуются крошечные кристаллы льда. Из них могут образоваться впечатляющие снежинки – при правильных условиях.
Формирование снежинок начинается с мельчайших частиц льда, которые могут образовываться в облаках двумя способами. В очень холодном воздухе чистый водяной пар может превратиться прямо в частицы льда. Однако для этого температура должна быть очень низкой, близкой к минус 40 градусам Цельсия. Поэтому гораздо типичнее другой процесс, в котором центральную роль играют частицы пыли, а их обычно много в воздухе.
Отдельные молекулы воды прикрепляются к пылинкам, и при температурах ниже нуля градусов образуются мельчайшие переохлажденные капельки. Если воздух охлаждается дальше, то переохлажденные капельки замерзают, образуя кристаллы льда. Во-первых, они имеют размер всего несколько микрометров и почти всегда имеют шестиугольную форму: это шестиугольные пластинки или столбики. Это связано с доминирующей кристаллической структурой льда – молекулы воды расположены в виде шестиугольника. Атомы кислорода расположены по углам шестиугольника, а водородные связи соединяют их с другими молекулами воды.
Постепенно все больше и больше молекул воды прикрепляются к кристаллам и позволяют им расти, особенно по краям. Из-за гексагональной структуры льда таким образом образуются «ветви», типичные для снежных кристаллов. В художественных изображениях они выглядят абсолютно одинаково, но это не соответствует действительности. Вместо этого можно найти кристаллы снега слегка асимметричной формы.
Тем не менее, шесть ветвей очень похожи. Это потому, что внешние условия, определяющие рост льда, одинаковы для всех ветвей. Прежде всего, температура и влажность воздуха, в котором растет кристалл снега, влияют на его последующую форму. Например, при температурах, близких к минус двум градусам, образуются гексагональные пластинки, которые с увеличением влажности все больше разветвляются. Аналогичная ситуация с кристаллами снега при минус 15 градусах. Затем создаются особенно красивые экземпляры. С другой стороны, при температурах около минус семи градусов по Цельсию образуются в основном ледяные столбики, иглы или призмы.
То, как формы снежных кристаллов развиваются в деталях, до сих пор является предметом исследований. Одна из причин этого заключается в том, что изменение поверхности кристаллов очень тонко влияет на рост льда. Эти процессы трудно наблюдать или рассчитать. Кроме того, на пути сквозь облака снежный кристалл часто подвергается воздействию очень разных значений температуры и влажности. Это может привести к очень сложным кристаллическим формам.
С другой стороны, больше известно о среднем размере снежных кристаллов – обычно они достигают в диаметре нескольких миллиметров. Чем больше они становятся, тем быстрее они падают с неба. Это неизбежно приводит к столкновениям. Если несколько кристаллов слипаются, то они образуют снежинки, что особенно легко происходит при температурах, близких к нулю градусов.
Снежинки могут вырасти размером с грецкий орех, не разваливаясь. Хотя наблюдались и более крупные хлопья, во время их образования преобладали чрезвычайно слабый ветер и влажные условия. Но такие состояния очень редки.
Чтобы первыми узнавать о последних космических открытиях и новых интересных фактах о Вселенной подписывайтесь на канал «Глубины космоса» в Телеграм