Снежинки — это не просто символ зимы и новогодних праздников. Они представляют собой настоящее чудо природы, завораживающее своей красотой и сложностью структуры. В этом тексте мы подробно рассмотрим всё о снежинках: от их образования и форм до уникальных свойств и интересных фактов.
Что такое снежинка?
Снежинка — это ледяной кристалл, который выпадает из облаков в виде атмосферных осадков. Она образуется, когда капельки воды в воздухе замерзают, превращаясь в крошечные кристаллики льда. Каждая снежинка уникальна, и её форма зависит от множества факторов, включая температуру, влажность и движение воздуха.
Как образуются снежинки?
Процесс образования снежинки начинается в облаке. Вокруг микроскопической частицы — пылинки, частицы соли или даже микроскопического кусочка золы — замерзает водяной пар. Эта частица становится ядром кристаллизации, вокруг которого формируется ледяной кристалл.
Дальнейший рост снежинки происходит в зависимости от атмосферных условий:
- температура и влажность воздуха определяют, как будет расти кристалл — в длину, ширину или высоту;
- ветер и другие факторы также влияют на форму снежинки;
- при разных температурах образуются разные формы снежинок.
Этапы формирования снежинки:
- в облаке появляется ядро кристаллизации (пылинка или другая микрочастица);
- при минусовой температуре вокруг ядра образуются льдинки;
- по мере роста кристалла снежинка принимает различные формы, развиваясь в разных направлениях;
- в течение определённого времени снежинка приобретает свою окончательную форму;
- затем она выпадает на землю вместе с другими снежинками.
Почему у снежинок шесть лучей?
Шестиугольная форма снежинок обусловлена молекулярной структурой воды. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Благодаря водородным связям молекулы выстраиваются в вершинах правильного шестиугольника, создавая главный кристалл. На нём вырастают боковые отростки, которые также следуют шестиугольной симметрии. Углы между молекулами воды в твёрдом состоянии составляют около 120 градусов, что определяет шестиугольную симметрию снежинок.
Однако не все снежинки долетают до земли шестиугольными. Воздушные потоки в атмосфере могут способствовать ускорению роста трёх чередующихся лучей, и кристалл выглядит как треугольный. Также может произойти слияние двух шестиугольных кристаллов, которые начинают расти как один, формально образуя двенадцатилучевую снежинку.
Формы и узоры снежинок
Учёные выделяют несколько основных типов снежинок:
- пластинки — плоские и тонкие шестиугольные снежинки без лучиков;
- звездчатые дендриты — снежинки с шестью лучами, от которых расходятся ответвления;
- иглы и столбцы — тонкие столбчатые кристаллики льда, которые могут быть сплошными, полыми или частично полыми;
- маркеры и неправильные формы — снежинки, которые могут сужаться к одному концу, образуя форму пули или маркера;
- другие сложные формы, включая снежинки в форме «пуль» и их комбинации.
Форма снежинки зависит от:
- атмосферного давления;
- напряжённости электрического и магнитного полей;
- ветра;
- влажности и температуры.
Например:
- при температуре около −2 °C чаще всего образуются плоские пластинки;
- при −5 °C формируются полые столбики;
- при −15 °C появляются сложные звездчатые кристаллы.
Уникальность каждой снежинки
Нет двух абсолютно одинаковых снежинок. Их уникальность обусловлена:
- микроскопическими различиями в условиях формирования (температура, влажность, движение воздуха);
- различиями на молекулярном уровне — количеством атомов и соотношением изотопов;
- воздействием различных факторов в процессе роста и падения.
Одна снежинка содержит примерно 100 квинтиллионов водных молекул, и число комбинаций, составленных таким количеством, близится к бесконечности. Поэтому шанс образования двух полностью совпадающих структур снежинок практически равен нулю.
Свойства снежинок
- Цвет. Каждая снежинка сама по себе прозрачна, как лёд, но множество снежинок вместе кажутся белыми. Это происходит из-за того, что солнечный свет, попадая на снежинки, многократно преломляется и рассеивается ледяными кристаллами, меняя своё направление. В результате весь видимый спектр света отражается равномерно, создавая ощущение белого цвета.
- Размер и скорость падения. Размеры снежинок обычно невелики — несколько миллиметров, но бывают и исключения. Скорость падения снежинок зависит от их формы и размера: более крупные и пушистые снежинки падают медленнее из-за низкой плотности и сопротивления воздуха, а маленькие и плотные падают быстрее.
- Хруст снега. Хруст снега под ногами возникает, когда тысячи микрокристаллов ломаются одновременно. После −18 °C снежинки становятся более твёрдыми и хрупкими, что усиливает хруст.
Интересные факты о снежинках
- Самые крупные снежинки. В Книге рекордов Гиннесса зафиксирован случай обнаружения огромной снежинки в Форт-Киу, штат Монтана, 28 января 1887 года. Её ширина достигала 38 сантиметров, а толщина — 20 сантиметров. Это был пространственный дендрит — множество кристаллов, которые срослись во время падения.
- Снежинки и климат. Снежинки «запоминают» состояние атмосферы, через которую они проходят. Анализ структуры снежинок помогает учёным лучше понять климатические условия, влажность и температурные изменения.
- Вдохновение для технологий. Идеальная симметрия снежинок вдохновляет инженеров и учёных на разработку новых материалов и конструкций. Например, снежинки послужили моделью для создания сложных наноструктур.
- Изучение снежинок. Исследователи, такие как Кеннет Либбрехт, изучают снежинки и пытаются создать модель, которая объяснит механизмы их формирования. Либбрехт считает, что рост снежного кристалла зависит от начальных условий и поведения молекул, которые его образуют.
История изучения снежинок
Интерес к изучению снежинок возник давно. Ещё в 135 г. до н. э. в Китае учёный Хань Инь писал о шестиконечных «цветах снега». Йоханнес Кеплер также задавался вопросом о причинах шестиугольной формы снежинок. Он предположил, что это связано с наиболее эффективной упаковкой сфер, что позже нашло применение в кристаллографии и теории кодирования.
В 1675 году немец Фридрих Мартенс описал 24 типа снежинок, а в 1832 году благодаря даймё Дои Тосицуре число типов снежинок увеличилось до 86. Классификация снежинок продолжается и в наше время, и сейчас мы можем говорить о более чем ста типах снежинок.
Снежинки в культуре и искусстве
Снежинки часто становятся источником вдохновения для художников, фотографов и дизайнеров. Их красота и уникальность находят отражение в различных произведениях искусства:
- фотографии снежинок под микроскопом поражают своей детализацией и сложностью узоров;
- художники используют формы снежинок в орнаментах и узорах;
- дизайнеры черпают вдохновение в симметрии и формах снежинок при создании украшений и текстиля.
Заключение
Снежинки — это не только символ зимы, но и пример того, как природа может создавать невероятную красоту и сложность. От их уникальной формы до роли в изучении климата — снежинки остаются бесконечным источником вдохновения и научных открытий. В следующий раз, когда пойдёт снег, присмотритесь к снежинкам внимательнее — возможно, вы откроете для себя ещё больше чудес.