формы снежинок в природе
Всё о снеге и снежинках
Сколько бы чудес ни повидал человек, первый снег, наверное, всегда будет вызывать чувство восхищения. Снег всегда ассоциируется с чем-то светлым, праздничным и чистым. С этим чудом природы связано немало любопытных фактов.
Как образуется снег?
Происхождение снега не сильно отличается от появления дождя. Это тоже вид атмосферных осадков. Фактически, дождь и снег — это одно и то же явление, происходящее при разных температурах.
Первое условие для появления снега — соответствующая температура: вода превращается в лёд уже при 0ºC. Когда холодает, вода в лужах и водоёмах замерзает и покрывается льдом. Точно так же в небе замерзают и начинают падать в виде снежинок дождевые капли.
Микроскопические капли дождя в облаках под действием низких температур притягиваются к пылевым частицам, соли, песку, пеплу и даже живым бактериям и замерзают, образуя кристаллы льда. В результате конденсации в них воды и воздуха (снежинки на 95% состоят из воздуха) они растут и падают под действием гравитации.
В некотором роде, с геологической точки зрения, можно сказать, что снег — это минерал, ведь он представляет собой лёд определённой формы, а тот, в свою очередь, твёрдое вещество, созданное из однородного материала (воды).
Какой на самом деле цвет у снежинок?
Снег не имеет цвета вообще, белизна его — всего лишь оптическая иллюзия. Отдельные снежинки представляют собой мельчайшие кристаллы льда. Они прозрачны, как и вода, из которой они состоят.
Всё дело в световых волнах: каждой длине соответствует свой цвет. Одни материалы поглощают световые волны определённой длины, другие их отражают, именно поэтому предметы имеют разные цвета. Материал, отражающий падающие на него волны, будет иметь белый свет, материал же, который поглощает световые волны, будет выглядеть чёрным.
Кристаллы снежинки имеют сложную структуру с множеством граней. Свет не проходит через них, а многократно преломляется и отражается. Из-за того, что кристаллы отражают весь спектр падающего на них света, мы воспринимаем снег как белый.
Наш мозг, наше сознание автоматически интерпретирует полученную информацию, подсказывая нам, что снег — белый (даже если он в сумерках приобретает оттенок неба или розовый на закате).
Иногда на чистом снеге можно заметить синеватый оттенок. В этом случае цвет зависит от плотности: у рыхлого снега длинные световые волны проникают глубоко, а у плотного короткие волны, преимущественно синего цвета, остаются на поверхности.
Иногда снег может приобретать розовый, красный или бурый оттенок. Такое явление часто встречается в местах, где распространена водоросль хламидомонада снежная, придающая снежному покрову такие цвета. Более того, розовый снег по вкусу напоминает арбуз — опять же благодаря хламидомонаде.
Были случаи, когда падал окрашенный в серый и даже чёрный цвета снег. Скорее всего, это связано с попаданием в атмосферу копоти и промышленных загрязнений.
В 1955-м году в Калифорнии выпал зелёный фосфоресцирующий снег. Рискнувшие попробовать его на вкус люди погибли, а у тех, кто брал такой снег в руки, появились сильный зуд и сыпь. По сей день происхождение зелёных хлопьев является тайной.
Интересный факт: шерсть полярного медведя кажется белой, хотя на самом деле он чёрный с прозрачной шерстью. Прозрачные волоски медведя имеют цилиндрическую форму и при попадании света преломляют лучи, из-за чего шерсть выглядит белой.
Формы снежинок
Первая удачная фотография снежинки под микроскопом появилась благодаря многолетнему упорству и терпению. Американского фермера Уилсона Бентли. Произошло это в 1885-м году после 46 лет проб и ошибок. С тех пор появилась целая наука «снежинковедение».
Бентли смог сфотографировать более 5000 разных видов снежинок, с чего был сделан вывод: двух одинаковых снежинок не существует. На самом деле, это просто красивая фраза. Да, вариантов форм снежинок действительно бесчисленное множество — как атомов во Вселенной, но это не исключает их повторов.
Падая, снежинка продолжает расти, приобретая свою окончательную форму. Иногда лучи с одной стороны снежинки растут быстрее, чем с других, из-за того, что на пути им встречаются участки облаков, имеющие разную температуру и влажность. Благодаря этому снежинки и приобретают разные геометрические формы.
Самые распространённые форма снежинок:
Призмы — шестиугольные пластинки или тонкие столбики с шестиугольным сечением. Призмы почти не видны невооружённым взглядом, т.к. имеют крошечные размеры.
Иглы — тонкие, длинные, похожие на маленькие светлые волоски снежинки, образующиеся при очень низких температурах.
Дендриты. Имеют ярко выраженные разветвляющиеся лучи. Эти крупные кристаллы можно рассмотреть невооружённым глазом.
12-лучевые снежинки. Иногда столбики формируются с поворотом пластинок относительно друг друга на 30 градусов, из каждой пластинки вырастает кристалл с 12 лучами.
Полые столбики: внутри столбиков с шестиугольным сечением образуются полости симметричной относительно центра кристалла формы.
Папоротникоподобные дендриты — самые крупные снежинки, ветки у них тонкие и очень частые, похожие на листья папоротников.
Пространственные кристаллы. Из капли начинает расти несколько снежных кристаллов в разных направлениях, приобретая сложную форму.
Столбики с наконечниками встречаются редко. Кристаллы начинают расти в виде столбиков, но при попадании в зону с иными погодными условиями на их концах появляются пластинки.
Звёздочки — самые распространённые снежинки, пластинчатые кристаллы в виде звёзд с шестью лучами, украшенные симметричными узорами.
Белые снежинки на Новый год — виды снежинок, фото снежинок и как они образуются
Белые снежинки — Новый год … эта устойчивая ассоциация для большинства из нас знакома с раннего детства. О снежинках — кратко о главном …
Снег и снежинки
Мы не представляем наших любимых новогодних праздников без пушистого белого снега и новогодних карнавалов без ребят в костюмах «Снежинка». Красивый и любимый всеми праздник и красивейшее природное явление — Новый год и Снежинки. Этой теме посвящали свои строки многие поэты.
Данный же материал мы посвятим только Снежинкам и в большей степени их физической сути.
Издавна снежинки привлекали внимание не только художников, но и ученых мужей. В 1611 году всемирно известный ученый, один из величайших умов своего времени Иоанн Кеплер в трактате «О шестиугольных снежинках» попытался найти ответ, почему же снежинки имеют именно шестиугольную форму … Следует отметить, что этот трактат считают отправной точкой для такой науки как «Кристаллография».
Снежинки — это …
Снежинки — это кристаллы льда, или снежные кристаллы льда. Снежные кристаллы, образующиеся в облаках, как правило, имеют пусть и не идеальную, но красивую шестиугольную форму.
Основные показатели, которые влияют на форму и размер снежинок — это температура воздуха и количество водяного пара, в момент их образования и в процессе их развития.
Несколько точных определений из авторитетных источников.
Большая советская энциклопедия
Снежные кристаллы — кристаллы льда, образующиеся в облаках и туманах и выпадающие из них. Различают 2 основные формы Снежные кристаллы — пластинчатые и столбчатые. К первым относятся шестиугольные пластинки и звёзды с 3, 6, 12 лучами, ко вторым — шестигранные столбики и иглы, а также комплексы столбиков («ежи»). Часто наблюдаются Снежные кристаллы неправильной формы. В зависимости от физических условий образования и роста Снежные кристаллы (прежде всего от температуры и влажности воздуха) их размеры и формы весьма разнообразны. С ростом температуры увеличиваются размеры С. к. и доля пластинчатых форм. Чаще всего встречаются С. к. в виде звёзд и ежей. Звёзды с игольчатыми лучами достигают в поперечнике 6—8 мм, звёзды с пластинчатыми лучами — 4—5 мм, ежи — 2—3 мм, пластинки — 1—2 мм; длина столбиков 1—2 мм, игл 3—5 мм. Крупные С. к., выпадающие из облаков, среди которых преобладают звёзды, называются снежинками. С. к. возникают вследствие сублимации водяного пара (См. Сублимация водяного пара) на замёрзших каплях облаков и туманов или на кристаллических пылинках. Мелкие облачные кристаллы имеют простую форму пластинок или столбиков. Усложнение форм обычно начинается при достижении кристаллами размеров 0,1—0,2 мм. При сильных ветрах С. к. дробятся до 0,1 мм и менее. При падении С. к. через облако, содержащее переохлажденные капли воды, образуется Снежная крупа,
Типичные формы снежных кристаллов: 1 — пластинка; 2 — столбик; 3 — иглы; 4 — звезда с 6 пластинчатыми лучами; 5 — звезда с 6 игольчатыми лучами; 6 — звезда с 12 лучами; 7 — пластинка сложного строения; 8 — комплекс столбиков («ёж»).
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978
Толковый словарь Ушакова
Снежинка, снежинки, жен. — Один кристаллик снега в виде звездочки. В воздухе крутятся снежинки.
Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935-1940
Виды снежинок
В действительности разновидностей снежинок множество, до сих пор еще никто не смог найти и зафиксировать двух снежинок одинаковой формы. Исследователь снежинок Кеннет Либрехт считает, что их классификация относится, во многом, к области личных предпочтений.
Для примера, приведем классификацию снежинок, сделанную Международной комиссией по снегу и льду в 1951 году. Комиссия выделила 7 основных и 3 дополнительных типа твердых осадков.
Основные виды снежинок:
И для понимания общей картины, дополнительные типы (обледенелые осадки):
Как образуются снежинки
Снежинки рождаются высоко в небе, в облаках, а затем, повинуясь силе тяжести, плавно падают вниз, с относительно небольшой скоростью — приблизительно 0,9 км/ч. Обусловлено это тем, что снежинки имеют низкую плотность, поскольку на 95% состоят из воздуха.
Для образования снежинок требуются определенные природные условия – определенная температура, при определённом атмосферном давлении и влажности воздуха, а так же мельчайшие частицы пыли, которые станут основой для кристалла снежинки.
Более подробно с процесс образования снежинок / снега описан в нашей статье Снег кружится.
«Большая советская энциклопедия» так описывает процесс образования снега …
Большая советская энциклопедия
Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978
О снежинках
Впервые снежинки как кристаллы строгой формы описал немецкий астроном Иоганн Кеплер в работе «О шестиугольных снежинках» (1611 г).
В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, написавший трактат «Опыт о метеорах». Декарт впервые нашел и описал достаточно редкую двенадцатиконечную снежинку. До сих пор неясно, при каких условиях она образуется.
В 1665 году Роберт Гук увидел с помощью микроскопа и опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы.
В России у Вильсона Бентли был даже не последователь, а предшественник, Андрей Сигсон (1840-1907). Он заинтересовался фотографией в возрасте 14-15 лет и в дальнейшем работал фотографом в Уфе, а позже в Рыбинске, где жители считали занятия Сигсона микрофотографией пустяками, мешающими зарабатывать деньги на портретных фото.
Известно несколько классификаций снежных кристаллов. В 1951 г. Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологических наук предложена классификация, различающая семь основных форм кристаллов:
И еще три вида твердых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
Существует и более развернутая классификация, при которой каждый из этих типов разделяется на несколько видов и подвидов.
Профессор Укихиро Накайя из университета в Хоккайдо первым предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры и влажности воздуха, и подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы.
С чем связана плоская форма снежинок? Основная форма кристаллического снега – шестиугольная призма, которая включает две шестиугольные «базовые» поверхности и шесть прямоугольных граней. На боковых ребрах состояние поверхности снежинки энергетически более неравновесно, чем на «базовых» плоских поверхностях кристалла. Благодаря этому, на углах больше вероятность образования новых связей молекул друг с другом. Поэтому снежинки «предпочитают» расти не в толщину, а вширь в одной плоскости (в отличие от снежинок, у градин нет такой правильной кристаллической решетки, так как градины образуются при замерзании дождевых капель, а не из водяного пара).
Со временем выпавший снег частично утрачивает свою первичную структуру под влиянием собственного веса, температуры и ветра. Чем дольше лежит снег, чем больше он утрамбовывается, тем меньше в нем остается от первоначальных кристаллов льда. Старый снег утрачивает первоначальную структуру и преобразовывается в более или менее крупные зерна. При этом меняется и плотность снега. Для сухого снега это 10–20 кг/м3, для влажного — 100–300 кг/м3. Плотность лежалого снега — 200–600 кг/м3.
Ломаясь, снежинка издает неслышимый нашему уху звук. Если же снежинок одновременно ломается много, то вы этот звук слышите — это ни что иное, как скрип снега у вас под ногами. На холоде снежинки становятся более твердыми и хрупкими, поэтому хруст снега можно услышать только при сильно минусовой температуре.
Чудо природы! Всё о маленьких, беленьких снежинках
Дорогие читатели, здравствуйте! У нас новый, ну очень занимательный проект. Все из нас ловили маленькие падающие с неба белые парашютики на варежки или в тёплые ладошки, а иногда и прямо в рот! А вот откуда берутся эти узорные кристаллики льда, и знаете ли вы, какие бывают снежинки?
Как появляются снежинки?
Существуют снежинки в природе благодаря водяному пару. Из скопления воды летом выпадает дождь, а вот зимой холодный воздух замораживает маленькие капельки воды и в результате идёт снег.
Как получается это хрупкое чудо? Начало каждой узорной кристаллинки даёт её серединка – ядро, которым может стать любая пылинка из тучи. Эта пылинка по мере перемещения через облака обрастает прозрачными ледяными кристалликами, которые придают ей определённую форму. Постепенно кристалликов приклеивается столько много, что вес пылинки заставляет её опускаться на землю.
Если внимательно рассматривать узоры падающих с неба снежинок, можно без труда заметить, что ни одна из них не похожа на другую.
Интересные факты! Обычная снежинка весит около 1 миллиграмма, редко 2 или 3. А вот самые большуханские выпали в 1944 году в Москве. Их и снежинками-то не назовёшь. Размером с ладошку они больше были похожи на пёрышки страуса.
Почему снежинки разные?
Вопросом о том, почему ледяные кристаллы падают с неба разной формы, всегда был интересен для учёных. Первым, кто задумался об их структуре, был немецкий астроном Кеплер. Он удивлялся, почему с неба не падает пятиугольных или семиугольных снежинок.
Французский математик Декарт впервые сделал подробное описание, как могут выглядеть ледяные кристаллы, и разделил их на группы. В его работах упомянуты редкие формы.
Когда изобрели микроскоп, физик из Англии Гук опубликовал графические изображения снежинок, показав все уникальные замысловатые узоры чуда природы.
Российскому фотографу Сигсону удалось даже сделать фото около двухсот самых разных снежинок. Но настоящим снежным пионером фотографии стал американец Бентли, который за свою жизнь сделал 5000 снимков, из них 2500 вошли в книгу «Снежные кристаллы».
Физик из Японии Накайя научился растить снежинки в лаборатории. Он их поэтически называл письмами с небес.
В результате работы учёных из разных стран стало понятно, что
Интересные факты! Падающая на воду снежинка создаёт высокий звук. Человек его, конечно, не слышит, а вот, как говорят учёные, рыбам такой шум крайне неприятен.
Они такие непохожие!
Теперь вы знаете, откуда берутся снежинки и почему они отличаются. Все ледяные кристаллики условно подразделили на семь простых групп и дали им условные названия.
Пластинка
Самая простая из всех, тонкая и плоская. У неё много рёбер, которые делят кристалл на части.
Столбик
Такие снежинки, напоминающие полый шестигранный карандаш, — самые распространённые из всех форм. Он могут быть на концах тупые или заострённые.
Столбик с наконечником
Этот вид получается, если обычный столбик попадает в определённые условия, при которых кристалл изменяет направление своего роста и постепенно на концах превращается в пластинку. Например, такое происходит при перемещении в другую температурную зону под воздействием ветра.
Это разновидность столбчатой снежинки, которая выросла тонкой и длинной. Бывает, что внутри у них полость, но иногда на концах они раскрываются в виде веточек.
Звёзды
У этого экземпляра красивый ветвящийся силуэт, которым мы любим восхищаться. В нём есть шесть абсолютно симметричных основных лучиков и много разных ответвлений. Размером они около 5 миллиметров и обычно плоские.
Пространственные дендриты
Удивительные узорчатые кристаллы получаются объёмными за счёт соединения разных других видов.
Неправильные снежинки
Да, есть и такая группа, куда входят повреждённые представительницы, которые на пути к нам повредили свои веточки или совсем разломились на части. Такие покалеченные снежинки получаются обычно при сильном ветре, их много в сыром снеге.
Помните, мы говорили о том, что разные формы получаются при разных условиях? Так вот,
Интересные факты! Подсчитано, что половина жителей Земли никогда не видела снежинок. Но у них есть шанс приехать на север или посетить единственный в мире музей снежинок в Японии на острове Хоккайдо.
Вот такой интересный проект у нас сегодня получился. Заглядывайте к нам почаще, в мире ещё много интересного, про что можно рассказать!
Кстати, о многом интересном мы уже беседовали. Например, о том, почему листья желтеют осенью. Здесь мы познакомились с зимними народными приметами, а тут узнали больше о шаровой молнии.
Евгения Климкович.
Великая теория снежинок
Снега в центральной части России этой зимой маловато. Кое-где он выпал, конечно, но в январе месяце можно было ждать какой-то более морозной и снежной погоды. Унылая серость и неприятная слякоть мешают ощутить радость от привычных зимних забав. Поэтому Cloud4Y предлагает добавить немного снега в нашу жизнь, поговорив о… снежинках.
Считается, что снежинки бывают только двух типов. И у одного из учёных, которого иногда называют «отцом» физики снежинок, появилась новая теория, объясняющая причину этого. Кеннет Либбрехт — это удивительный человек, который готов посреди зимы покинуть нагретую солнцем Южную Калифорнию, чтобы добраться до Фэрбенкса (Аляска), надеть тёплую куртку и сесть в промороженном поле с камерой и куском пенопласта в руках.
Зачем? Он ищет самые сверкающие, самые фактурные, самые красивые снежинки, которые может создать природа. По его словам, наиболее интересные образцы имеют тенденцию образовываться в самых холодных местах — пресловутом Фэрбенксе и в заснеженной северной части Нью-Йорка. Самый же лучший снег, который Кеннет когда-либо наблюдал, шёл в Кокрейне, местечке на северо-востоке Онтарио, где слабый ветер кружил снежинки, падающие с неба.
Очарованный стихией, Либбрехт с упорством археолога изучает свою пенопластовую доску. Если там есть что-то интересное, взгляд обязательно зацепится за это. Если же нет — снег сметается с доски, и всё начинается заново. И это длится часами.
Либбрехт — физик. По забавному стечению обстоятельств, его лаборатория в Калифорнийском технологическом институте занимается исследованиями внутренней структуры Солнца и даже разработала современные приборы для обнаружения гравитационных волн. Но последние 20 лет подлинной страстью Либбрехта был снег — не только его внешний вид, но и то, что заставляет его так выглядеть. «Вопрос о том, что за объекты падают с неба, как это происходит и почему они так выглядят, всё время терзает меня», — признаёт Кеннет.
Долгое время для физиков было достаточно знания того, что среди множества крошечных снежных кристаллов можно выделить два преобладающих типа. Один из них — плоская звезда с шестью или двенадцатью лучами, каждый из которых украшен головокружительно красивыми кружевами. Другой — своего рода миниатюрная колонна, иногда зажатая меж плоских «крышек», а иногда похожая на обычный болтик. Эти формы можно увидеть при разной температуре и влажности, но причина образования той или иной формы была загадкой. Годы наблюдений Либбрехта помогли лучше понять процесс кристаллизации снежинок.
Наработки Либбрехта в этой области помогли создать новую модель, которая объясняет, почему снежинки и другие снежные кристаллы образуют то, что мы привыкли видеть. Согласно его теории, опубликованной в интернете в октябре 2019 года, описывает движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул могут порождать совокупность кристаллов, которые образуются в различных условиях. В своей монографии объёмом 540 страниц Либбрехт описывает все знания о снежных кристаллах.
Шестиконечные звёзды
Вы, конечно же, знаете, что невозможно увидеть две одинаковые снежинки (разве что на этапе зарождения). Этот факт связан с тем, как кристаллы формируются в небе. Снег — это скопление ледяных кристаллов, которые образуются в атмосфере и сохраняют свою форму, когда они все вместе падают на Землю. Они образуются, когда атмосфера достаточно холодная, чтобы не допустить слияния или таяния и превращения в мокрый снег или дождь.
Хотя в пределах одного облака можно зафиксировать множество температур и уровней влажности, для одной снежинки эти переменные будут постоянными. Вот почему снежинка часто растёт симметрично. С другой стороны, каждая снежинка подвергается воздействию ветра, солнечного света и другим факторам. По сути, каждый кристалл подчиняется хаосу облака, и потому принимает различные формы.
Согласно исследованию Либбрехта, самые ранние размышление об этих деликатных формах зафиксированы в 135 г. до н.э. в Китае. «Цветы растений и деревьев, как правило, пятиконечные, но цветы снега всегда шестиконечные», — писал ученый Хань Инь. А первым ученым, который попытался разобраться, почему так происходит, был, вероятно, Йоханнес Кеплер, немецкий ученый и эрудит.
В 1611 году Кеплер преподнёс новогодний подарок своему покровителю, императору Священной Римской империи Рудольфу II: небольшой трактат под названием «О шестиугольных снежинках».
«Я перехожу мост, терзаемый стыдом – я оставил тебя без новогоднего подарка! И тут мне подворачивается удобный случай! Водяные пары, сгустившись от холода в снег, выпадают снежинками на мою одежду, все, как одна, шестиугольными, с пушистыми лучами. Клянусь Гераклом, вот вещь, которая меньше любой капли, имеет форму, может служить долгожданным новогодним подарком любителю Ничего и достойна математика, обладающего Ничем и получающего Ничто, поскольку падает с неба и таит в себе подобие шестиугольной звезды!».
«Должна быть причина, по которой снег имеет форму шестиугольной звездочки. Это не может быть случайностью», — был уверен Йоханнес Кеплер. Возможно, ему вспомнилось письмо от своего современника Томаса Харриота, английского ученого и астронома, который также успел поработать штурманом для исследователя сэра Уолтера Роли. Около 1584 года Харриот искал наиболее эффективный способ складывать пушечные ядра на палубах кораблей Роли. Харриот обнаружил, что гексагональные узоры кажутся наилучшим способом расположения сфер, и он обсуждал этот вопрос в переписке Кеплером. Кеплер задавался вопросом, происходит ли что-то подобное в снежинках и благодаря какому элементу возникают и держатся эти шесть лучей.
Можно сказать, что это было начальное понимание принципов атомной физики, о которой заговорят лишь через 300 лет. Действительно, молекулы воды с их двумя атомами водорода и одним кислородом имеют тенденцию соединяться вместе, образуя гексагональные массивы. Кеплер и его современники даже не представляли, насколько это важно.
Как говорят физики, благодаря водородной связи и взаимодействия молекул друг с другом мы можем наблюдать открытую кристаллическую структуру. Помимо способности выращивать снежинки, шестиугольная структура позволяет сделать лёд менее плотным по сравнению с водой, что оказывает огромное влияние на геохимию, геофизику и климат. Другими словами, если бы лёд не плавал, жизнь на Земле была бы невозможна.
Но после трактата Кеплера наблюдение за снежинками было скорее хобби, чем серьёзной наукой. В 1880-х годах американский фотограф по имени Уилсон Бентли, живший в холодном, вечно заснеженном маленьком городишке Иерихон (штат Вермонт, США), начал делать снимки снежинок с помощью фотопластин. Он успел создать более 5000 фотографий, прежде чем умер от пневмонии.
В условиях низкой влажности снежинки-звёзды образуют несколько ветвей и напоминают гексагональные пластины, но при высокой влажности становятся более замысловатыми, кружевными.
По мнению Либбрехта причины появления различных форм снежинок стали понятнее именно благодаря работе Накая. Было установлено, что снежные кристаллы превращаются в плоские звёзды и пластины (а не трёхмерные структуры), когда края быстро растут наружу, а грани медленно растут вверх. Тонкие колонны растут по-другому, с быстро растущими гранями и более медленно растущими краями.
В то же время, основные процессы, влияющие на то, станет ли снежинка звездой или колонной, остались невыясненными. Возможно, секрет крылся в температурных условиях. И Либбрехт пытался найти ответ на этот вопрос.
Рецепт снежинки
Вместе со своей маленькой командой исследователей Либбрехт пытался придумать рецепт снежинки. То есть некий набор уравнений и параметров, которые можно загрузить в компьютер и получить от ИИ великолепное разнообразие снежинок.
Свои исследования Кеннет Либбрехт начал двадцать лет назад, узнав об экзотической форме снежинки, называемой закрытой колонной. Она похожа на катушку для ниток или на два колеса и ось. Рождённый на севере страны, он был шокирован тем фактом, что ни разу не видел такой снежинки.
Поражённый бесконечными формами снежных кристаллов, он занялся изучением их природы, создав лабораторию для выращивания снежинок. Результаты многолетних наблюдений помогли создать модель, которую сам автор считает прорывной. Он предложил идею молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Эта идея описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий и поведения молекул, которые его образуют.
Представьте, что молекулы воды расположены свободно, так как пары воды только начинают замерзать. Если бы можно было оказаться внутри крошечной обсерватории и смотреть на этот процесс, то можно было бы увидеть, как молекулы замёрзшей воды начинают образовывать жёсткую решетку, где каждый атом кислорода окружён четырьмя атомами водорода. Эти кристаллы растут путём включения молекул воды из окружающего воздуха в их структуру. Они могут расти в двух основных направлениях: вверх или наружу.
Тонкий плоский кристалл (пластинчатый или звездообразный) образуется, когда края формируются быстрее, чем две грани кристалла. Растущий кристалл будет распространяться наружу. Однако, когда его грани растут быстрее, чем его края, кристалл становится выше, образуя иглу, полый столб или стержень.
Ещё момент. Обратите внимание на третью фотографию, сделанную Либбрехтом в северном Онтарио. Это кристалл с «закрытыми колоннами» — две пластины, прикрепленные к концам толстого столбчатого кристалла. В этом случае каждая пластина разделена на пару гораздо более тонких пластин. Приглядитесь к краям, вы увидите, как пластина делится на две. Края этих двух тонких пластин примерно такие же острые, как лезвие бритвы. Общая длина ледяной колонны составляет около 1,5 мм.
Согласно модели Либбрехта, водяной пар сначала оседает по углам кристалла, а затем распространяется (диффундирует) по поверхности либо к краю кристалла, либо к его граням, заставляя кристалл расти наружу или вверх. Какой из этих процессов «выигрывает», зависит главным образом от температуры.
Нужно заметить, что модель является «полуэмпирической». То есть она частично построена так, чтобы соответствовать происходящему, а не объяснять принципы роста снежинок. Нестабильности и взаимодействия между бесчисленными молекулами слишком сложны, чтобы полностью их раскрыть. Впрочем, остаётся надежда на то, что идеи Либбрехта послужат основой для всеобъемлющей модели динамики роста льда, которую можно будет детализировать с помощью более подробных измерений и экспериментов.
Не стоит думать, что эти наблюдения интересны узкому кругу учёных. Подобные вопросы возникают в физике конденсированных сред и в других сферах. Молекулы лекарств, полупроводниковые чипы для компьютеров, солнечные элементы и множество других отраслей полагаются на высококачественные кристаллы, и целые группы занимаются вопросом их выращивания. Так что нежно любимые Либбрехтом снежинки вполне могут послужить на благо науки.
Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y