Когда речь заходит о снежинках, в голову сразу приходит мысль - как такой простой акт, как замораживание воды, приводит к разнообразию сложных узорчатых форм. Это разнообразие настолько поразительно, что легко подтверждает старую поговорку о том, что нет двух совершенно одинаковых снежинок.
Вода - настолько распространенное и простое вещество, что мы должны с лёгкостью предположить, как снежинки образуют свои сложные структуры. На самом деле, многое в процессе роста этих миниатюрных ледяных шедевров остается безумно сложным для объяснения даже на самом простом уровне. Рост снежинок - крайне нелинейное, неравновесное явление, для которого тонкие процессы на наноуровне могут оказывать глубокое влияние на развитие сложных узоров во всех масштабах. Понимание их формирования требует богатого синтеза молекулярной динамики, физики поверхности, неустойчивостей роста, формирования узоров и статистической механики. Несмотря на то что снежинки падают из зимних облаков в огромном количестве, мы только сейчас начинаем понимать, почему они образуют свои характерные формы.
Образование снежинки
Когда водяной пар в атмосфере конденсируется непосредственно в лед, минуя жидкую фазу, образующиеся формы правильно называть снежными кристаллами. Слово «снежинка» - это более общий метеорологический термин, используемый для описания нескольких различных типов зимних осадков, от отдельных снежных кристаллов до их скоплений, которые сталкиваются и слипаются вместе, падая на землю в виде хрупких пухлых шариков.
Образование снежных кристаллов обычно начинается, когда ветер заставляет массу теплого влажного воздуха столкнуться с другой массой воздуха, образуя на их границе погодный фронт. Если в результате столкновения теплая масса воздуха поднимается вверх, то по мере подъема она охлаждается. Когда воздух достаточно охлаждается, часть водяного пара, который он несет, конденсируется в бесчисленные капельки воды. Для конденсации каждой капельки необходимо ядро, которое обеспечивают частицы пыли в воздухе. Сферы микрометрового размера эффективно рассеивают свет, поэтому их огромное количество в совокупности образует видимые облака. В облаке хорошего размера может содержаться около миллиона тонн воды в виде взвешенных капель.
Если вновь образованные облака продолжают охлаждаться, пыль играет еще одну роль в образовании снега. Капельки воды не замерзают сразу, когда температура опускается ниже нуля градусов по Цельсию. Вместо этого они остаются в жидком, так называемом переохлажденном состоянии. Капли чистой воды могут быть переохлаждены почти до -40 градусов, прежде чем они замерзнут. Пыль обеспечивает твердую поверхность, чтобы запустить процесс замерзания, поэтому капли, покрытые пылью, начинают замерзать при температуре около -6 градусов. Поскольку частицы пыли разные, капли облака не замерзают при одной и той же температуре. Происходит постепенный переход, когда облако охлаждается и его капли начинают замерзать.
Как только отдельная капелька замерзает, она начинает расти и развиваться, поскольку на ее поверхности конденсируется водяной пар. Таким образом, кристаллы снега состоят в основном из водяного пара, а не из жидкой воды, застывающей непосредственно в кристаллической решетке. Жидкие капли в облаке, оставшиеся незамерзшими, медленно испаряются, снабжая воздух ещё больше водяным паром, из которого образуются их замерзшие собратья.
Таким образом, происходит чистый перенос молекул воды от капель жидкости к водяному пару и кристаллам снега. Именно таким окольным путем происходит замерзание жидкой воды в облаке. Чтобы создать достаточное количество водяного пара для одного большого снежного кристалла, необходимо испарить около миллиона облачных капель. По мере роста кристаллы становятся все тяжелее, и в конце концов гравитация вытаскивает их из облачных яслей.
Угол между атомами в молекуле воды обусловливает шестиугольную форму решетки льда, что в конечном итоге приводит к шестикратной симметрии снежинки. В результате кристаллы снега сначала превращаются в маленькие граненые призмы, которые могут вырасти до нескольких десятых долей миллиметра. В зависимости от особенностей роста эти простые кристаллы могут превратиться в стройные шестиугольные колонны, напоминающие деревянные карандаши, тонкие шестиугольные пластины или что-то среднее между ними.
По мере роста кристаллы обычно приобретают более сложную структуру. Столбчатые кристаллы снега могут стать полыми колоннами с коническими пустотами на концах, а могут вырасти в тонкие ледяные иглы длиной в несколько миллиметров. Крепкие столбики часто образуют скопления, называемые пулевыми розетками, которые так названы потому, что отдельные столбики имеют форму пули. Вблизи центра скопления возникает конкуренция за водяной пар, что сдерживает рост в этой области и придает каждой колонне конусообразный вид.
Небольшие пластины могут прорастать шестью первичными ветвями, образуя звездообразные снежные кристаллы. Экземпляр хорошего размера может быть 2-3 миллиметра в диаметре, примерно как эта заглавная буква. Руки широко разветвленных звездных пластин часто украшены гребнями или другими пышными узорами на их поверхности. Шесть основных ветвей звездного снежного кристалла могут также прорастать множеством дополнительных боковых ветвей, образуя папоротникоподобные дендритные структуры диаметром до 10 миллиметров. Боковые ветви всегда отстоят друг от друга на под углом 60 градусов, и идут параллельно соседним рядам ветвей.
Иногда снежный кристалл начинает расти в виде колонны, а затем переходит к пластинчатому росту, в результате чего на концах соединяющей колонны образуются два пластиноподобных кристалла, как колеса на оси. Такие редкие и несколько экзотические формы называются колпачковыми колоннами.
Следует отметить, что прекрасные примеры симметрии снежинок - скорее исключение, чем правило. Существует множество механизмов, которые могут нарушить идеальный рост снежных кристаллов.
Когда облачная капля впервые замерзает, превращаясь в зарождающийся кристалл снега, ее размер составляет всего несколько микрон. Пока капелька замерзает в единый кристалл льда без дефектов, ее начальная форма не имеет большого значения для определения ее конечной формы. Сложная морфология отдельного снежного кристалла появляется со временем, когда водяной пар конденсируется на поверхности кристалла, вызывая развитие структуры. Снежный кристалл образуется не путем вырезания материала из глыбы льда, а путем выборочного добавления материала. Чтобы понять огромное разнообразие форм и узоров в снежных кристаллах, мы должны понять динамику их роста.
Почему не существует 2-ух одинаковых снежинок?
О симметрии и сложности снежных кристаллов размышляли сотни лет. Немецкий ученый Иоганн Кеплер, первым осознавший, что планеты вращаются вокруг Солнца по эллиптическим траекториям, также первым рассмотрел снежные кристаллы научным взглядом. В 1611 году Кеплер написал небольшой трактат под названием «Шестиугольная снежинка», в котором попытался понять цветоподобные формы снежных кристаллов.
Сравнивая цветы и снежинки, Кеплер пришел к выводу: каждое отдельное растение имеет свой собственный одушевляющий принцип, поскольку каждый экземпляр растения существует отдельно, и нет причин удивляться тому, что каждое из них имеет свою особую форму. Но представлять себе индивидуальную "душу" для каждой звездочки снега совершенно абсурдно, и поэтому формы снежинок ни в коем случае нельзя выводить из действия "души" так же, как в случае с растениями.
Если заменить «душу» на «сложную биохимию живых организмов», то Кеплер, по сути, был прав в своих рассуждениях. Не существует генетического плана, который бы управлял развитием снежных кристаллов. Их рост определяется относительно простыми физическими правилами - гораздо более простыми, чем химия живых организмов, - но сложные формы возникают спонтанно. Кеплер понял, что генезис сложных узоров и структур из простых предшественников - достойный научный вопрос, который ученые исследуют и сегодня.
Появление в 1920-х годах методов дифракции рентгеновских лучей позволило высветить кристаллические структуры, заложив основы кристаллографии, и вскоре обнаружило шестикратную симметрию кристаллической решетки льда. Структура решетки помогла объяснить шестикратную симметрию кристаллов снега, но сама по себе она не объясняет сложную морфологию кристаллов.
Физик Укичиро Накая из Университета Хоккайдо в Японии в 1930-х годах привлек к решению этой проблемы научные методы XX века, проведя замечательную серию наблюдений и экспериментальных исследований. Пронаблюдав и задокументировав диапазон типов природных снежных кристаллов, Накая понял, что необходимы лабораторные эксперименты, чтобы выяснить, при каких условиях появляются различные типы кристаллов.
Накая разработал несколько методик выращивания изолированных кристаллов снега в испытательных камерах и вскоре обнаружил, что морфология кристалла в основном зависит от температуры и влажности воздуха. Чуть ниже нуля, при температуре около -2 градусов, появлялись тонкие пластиноподобные кристаллы. При чуть более холодных условиях, около -5 градусов, предпочтительной формой были тонкие иглы. При температуре -15 градусов образовывались самые крупные и тонкие пластиноподобные кристаллы, а при температуре ниже -25 градусов кристаллы росли в основном в виде коротких столбиков.
При всех температурах Накайя обнаружил, что при низкой влажности образуются простые призмоподобные кристаллы и рост идет медленно, в то время как при более высокой влажности рост идет быстрее и образуются более сложные структуры. Последующие работы дополнительно показали, что мелкие кристаллы обычно имеют более простые формы, а крупные - более сложные.
Накая отобразил все свои данные на так называемой диаграмме морфологии снежных кристаллов, которая показывает форму кристаллов в зависимости от температуры и влажности. Спустя 75 лет мы все еще не можем объяснить многие особенности, наблюдаемые на этой простой диаграмме. В частности, странная температурная зависимость морфологии кристалла, демонстрирующая почти осциллирующее поведение между пластинами и колоннами на протяжении всего нескольких градусов, до сих пор остается во многом нерешенной загадкой.
Диаграмма морфологии может легко объяснить две интересные особенности снежных кристаллов - почему все они выглядят так по-разному и почему шесть ветвей на звездном кристалле выглядят одинаково. Объяснение вытекает из наблюдения Накайи о том, что рост льда удивительно чувствителен к температуре и влажности.
Разлетаясь внутри облаков, развивающийся кристалл снега испытывает постоянные изменения температуры и уровня влажности во время своего путешествия. Каждое изменение в местной среде меняет способ роста кристалла. Его рост может быть пластинчатым или столбчатым, граненым или разветвленным - все зависит от условий, в которых он находится. Поскольку чувствительность к температуре и влажности так велика, даже незначительные колебания внутри облака вызывают значительные изменения в росте. После многочисленных поворотов и кувырков во время своего путешествия конечная структура отдельного кристалла может быть довольно сложной.
Более того, маршрут, по которому движется каждая растущая снежинка, сам по себе является в высшей степени случайной прогулкой под влиянием хаотических завихрений и вихрей, которые постоянно присутствуют в атмосфере. Совершенно невозможно, чтобы две снежинки прошли абсолютно одинаковый путь через облака, поэтому вероятность найти две одинаковые снежинки практически равна нулю.
Хотя каждая снежинка летит по своему пути, концы отдельного кристалла движутся вместе. Все шесть ветвей претерпевают одинаковые изменения в условиях в одно и то же времени. В результате ветви, кажется, растут синхронно, просто потому, что каждая из них переживает одну и ту же историю роста.
***
Друзья, если вам понравилась эта статья, буду очень благодарен, если вы подпишетесь. Это действительно поможет мне развиваться и создавать больше интересного для вас. Спасибо!