Магические кристаллы. Учёный объяснил тайны снежинок
Американец Уилсон Бентли потратил 46 лет жизни, чтобы доказать: двух одинаковых снежинок не бывает. Для этого он фотографировал их и сравнивал, сделав в совокупности более 5 тысяч снимков. А физик Джон Нельсон из Университета Аризоны подсчитал, что форм снежинок больше, чем атомов в наблюдаемой нами Вселенной.
Так почему не бывает двух одинаковых снежинок? По какой причине у них всегда шесть лучей? Как формируются их узоры? Какой размер у снежинки-рекордсменки? Aif.ru нашёл ответы на эти вопросы.
Звёздчатый многогранник
Снег — это замёрзший водяной пар, оседающий на землю. Обычно снежинки формируются в плотных облаках на высоте от 3 до 6 километров. Там условия для их образования наиболее подходящие.
В центре снежинки всегда находится крошечная пылинка, которая может быть любого происхождения. Когда на этой частице оседают молекулы воды, они сразу замерзают, формируя ледяную структуру. По мере её опускания на землю водяной пар продолжает конденсироваться на ней, создавая всё более сложный и красивый кристалл льда.
«На рисунок снежинки влияют атмосферные условия, в которых она находится при падении. Изменения температуры и влажности могут изменять направления роста её лучей. При большом количестве влаги и сильных восходящих потоках снежинки разрастаются до более крупных размеров», — говорит аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций Пермского Политеха Егор Разумовский.
Снежинка имеет сложную форму и огромное количество мелких граней. С точки зрения геометрии, она представляет собой звёздчатый многогранник. При низких температурах молекулы воды соединяются в группы по шесть штук, образуя правильные шестиугольники с внутренними углами 120 градусов.
«По какой причине у снежинки шесть лучей? Дело в том, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Благодаря связям они выстраиваются в шестиугольную форму, создавая основной кристалл, на котором возникают боковые ветви. Поскольку температура и влажность воздуха вокруг снежинки со всех сторон одинаковы, её форма изначально симметрична», — поясняет Разумовский.
Узор зависит от погоды
В 1951 году Международная комиссия по снегу и льду приняла классификацию твёрдых осадков. Согласно предложенной системе, существуют семь основных типов кристаллов льда:
пластинки (плоские шестиугольные призмы);
звёзды (плоские и тонкие снежинки с шестью лучами);
столбики, или колонны (полые, похожие на карандаш);
иглы (длинные и тонкие);
пространственные дендриты (объёмные снежинки из кристаллов);
увенчанные столбики (столбики, изменившие направление роста из-за каких-либо условий);
неправильные кристаллы (возникают при повреждении снежинки).
Формирование снежинок зависит от метеоусловий — таких параметров среды, как атмосферное давление, напряжённость электрического и магнитного полей, ветер, влажность и температура воздуха. Эта совокупность факторов и определяет, с какой стороны кристалл будет дальше развиваться и видоизменяться. А также какой вид снежинки образуется.
«Например, замечено, что при температуре минус 5-10°C образуются иглы и столбики. Пластины или звёзды возникают при минус 10-12°C. А при минус 12-18°C формируются дендриты, самые красивые из снежинок», — отмечает эксперт.
Одинаковые, но ...разные
Если наблюдать за снежинками в микроскоп, среди них в конце концов можно отыскать такие, которые покажутся одинаковыми. Но если начать считать в них молекулы (допустим, кто-то задастся такой целью), выяснится, что в них разное количество атомов и соотношение изотопов. Поэтому двух одинаковых снежинок действительно не существует.
«В одной снежинке содержится столько молекул воды, что число комбинаций, которое можно из них составить, стремится к бесконечности. Поэтому вероятность возникновения двух полностью идентичных структур практически равна нулю», — утверждает Егор Разумовский.
Однако американский физик Кеннет Либбрехт доказал, что в идеальных лабораторных условиях могут сформироваться абсолютно одинаковые снежинки. В природе такое невозможно: во время падения кристаллов льда симметрия и очертания лучей постоянно меняются.
Напоследок о снежных рекордах. Согласно Книге рекордов Гиннесса, самая большая снежинка была зафиксирована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кьоу (Монтана, США). Диаметр её составлял 38 сантиметров. Такой гигантский кристалл возник в результате срастания множества других.
В нашей стране самую крупную снежинку наблюдали в 1971 году в городе Братске. Её размер был около 30 сантиметров.