Прекрасные кристаллические формы

Наука — она везде. Вот падает с неба снег. И за каждым сугробом можно найти труды физиков, кристаллографов, географов. Прочитав этот текст, вы уже никогда не будете смотреть на снежинки по-прежнему — не задумываясь, например, о гексагональной сингонии. По крайней мере, мы уже не можем.

Рассказывает Владимир Голубев, ведущий научный сотрудник лаборатории снежных лавин и селей географического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова:

— Мы все привыкли к изображению шестиконечной снежинки. Новогодние открытки, витрины, пойманные на темную рукавицу звездочки... Тем не менее снежинки вовсе не всегда бывают с шестью лучиками. Они могут иметь форму шестигранника, столбика, пластинки, на самом деле каждая снежинка уникальна. Хотя в любом случае это ледяной кристалл, в основании которого всегда шестигранник. Такая симметрия называется гексагональной сингонией.

Кристалл льда образуется вокруг минеральной или органической частицы: осадки могут формироваться и на пыльце, и на песчинке. В 2009 году были опубликованы результаты исследования, показавшего, что наиболее продуктивной для формирования осадков является пыль Сахары.

Сначала на частице конденсируется капелька воды. Чтобы замерзнуть, ей нужно собрать 460 молекул H2O, — это минимум, без которого кристаллизация не произойдет. При разном соотношении температуры и перенасыщения пара в облаке формируются различные типы снежинок. 

Путь снежинки

1. У пылинки есть неровности. Попав в облако, пылинка ловит первую молекулу воды. Молекуле воды трудно оттуда выбраться.
2. Времени, на которое задерживается вода в этой ловушке, достаточно, туда же залетела вторая молекула воды, которая сразу связывается с первой.
3. Таким же образом туда попадают новые молекулы. В облаке, где относительная влажность порядка 120%, их предостаточно.
4. Когда молекул воды набирается 460, они замерзают и формируют кристалл льда.
5. Этот кристалл начинает обрастать новыми молекулами воды, которые уже поодиночке замерзают на его поверхности.
6. В один прекрасный момент он становится тяжелым и срывается вниз. Это уже снежинка.
7. По дороге, в разных слоях атмосферы, снежинка продолжает то расти, то подтаивать. То, какой мы увидим снежинку, когда она прилетит на землю, зависит от того, каким был ее путь.
8. На поверхности земли снежинка попадает в компанию себе подобных – в сугроб. Если, конечно, не тает сразу, на теплом асфальте или на носу у собаки.
9. После приземления у снежинки начинается бурная жизнь. У нее ломаются или подплавляются лучики. Вскоре она принимает форму маленького шарика. Тогда её нарекают мелкозернистым снегом.
10. Такие зерна соединяются между собой, вырастая до средне- и крупнозернистого снега. Это называется деструктивный метаморфизм.
11. Если же сугроб довольно глубокий, а воздух сильно охлажден, то в толще сугроба возникает большой градиент температуры. Под действием этого градиента снег испаряется, и из зерен снега формируются хрупкие кристаллы, похожие на бокальчики. Это – самый развитый снег, который называют глубинной изморозью. А процесс – конструктивным метаморфизмом.
12. А потом наступает весна. И снежинки, снег, глубинная изморозь, - все они тают и утекают, вызывая половодья на реках. Реки впадают в моря, моря выходят в океан, океан испаряется. И молекулы воды снова попадают в облака, с тем, чтобы возродиться новой снежинкой. В другое время или совсем в другом месте. 

Международная классификация снежинок

В 2013 году японский ученый Кацухиро Кикучи с соавторами предложил новую классификацию снежинок, которая включает 8 основных групп и 121 категорию. 

1. Столбики (Группа С – Column crystal)

Мельчайшие ледяные кристаллы, образующиеся при сильном минусе. Они искрятся и буквально слепят нас днем — те самые «мороз и солнце», — вечерами же нарядно сверкают, подсвеченные фонарем. Делятся на иглы, капсулы, столбики и пули.

2. Пластинки (Группа P – Plane crystal)

Самый красивый и разнообразный тип. Кикучи делит их на «блюдца», пластинки с секторами, дендриты и другие смешанные типы. Такие снежинки вырастают при значительном перенасыщении пара и самых разных температурах.

Дендриты обладают свойствами фрактала, то есть их узоры можно описать математической формулой. Пластинки могут вырастать до 5–7 мм. 

3. Комбинированные кристаллы из столбиков и пластинок (Группа CP – Combination of column and plane crystals)

Сочетания столбиков и пластинок, которые нарастают друг на друге в разных направлениях, превращаясь в «ежиков». Одну из категорий в этой группе Кикучи назвал гохэй: кристалл похож на ритуальный жезл гохэй с бумажными лентами, который синтоисты используют для очищения от негативной энергии. 

4. Конгломерат снежных кристаллов (Группа А – Aggregation of snow crystals)

В полете снежинки цепляются друг за друга лучиками, а оказавшись в более теплом воздухе, слепляются. Такие снежинки на порядок больше самостоятельных кристаллов. Часто выпадают в виде хлопьев. 

5. Заиндивевшие снежинки (Группа R - Rimed snow crystal)

Оригинальная форма этих кристаллов, напротив, угадывается легко. Снежинка попадает в теплое облако, на ней быстро и равномерно конденсируется вода, которая ниже, в более холодном воздухе, сразу замерзает. 

6. Зародыш кристалла (Группа G – Germ of ice crystal)

Язык не поворачивается назвать это снежинкой! Так образуется снег в Арктике, где холодно, мало влаги в воздухе и кристалл дальше зародыша не развивается. 

7. Неправильные кристаллы (Группа I – Irregular snow particle)

Снежинки, сталкиваясь друг с другом на ветру, могут ломаться и деформироваться. К этой группе японец причислил все «покалеченные» кристаллы.

8. Другие твёрдые осадки (Группа H - Other solid precipitation)

Ледяной дождь — твердые прозрачные шарики льда, внутри которых находится незамерзшая вода. Снежная крупа — твердые маленькие белые шарики, выпадающие при температуре около нуля. Град — кусочки льда различной формы. Обычно его выпадение связано с тем, что в облаке мало центров кристаллизации.

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №1 (03) январь-февраль 2015 г.

_{Подписаться на «Кота Шрёдингера»}