Как устроены снежинки: кристаллическая решётка, рост и распространённые заблуждения

Снежинка кажется готовой фигурой — звездой, пластинкой или пушистым комочком. На деле её форма складывается постепенно: частицы воды превращаются в лёд, а кристалл растёт, пока находится в облаке. На его очертания влияют строение льда, температура, содержание водяного пара и изменения условий по пути через атмосферу. Поэтому не всякий снег похож на привычную шестилучевую звезду, а рисунок кристалла не позволяет точно восстановить историю его образования.

Чтобы разобраться в устройстве снежинок, важно различать отдельный кристалл и снежинку в бытовом смысле. Первый — это упорядоченная структура льда; вторая может быть одним таким кристаллом или скоплением нескольких кристаллов. Ниже — справочник о том, из чего складывается снежная форма, какие факторы направляют рост и где заканчиваются надёжные объяснения.

Что называют снежинкой

В повседневной речи «снежинкой» называют видимую частицу снега, упавшую из облака. Она может состоять из одного ледяного кристалла, нескольких сросшихся или сцепившихся кристаллов либо более сложного образования. В научном описании различают собственно кристаллы и агрегаты — частицы, возникшие при соединении кристаллов. Поэтому фотография снежинки не всегда показывает один симметричный кристалл.

Лёд в обычных атмосферных условиях чаще всего имеет гексагональную кристаллическую структуру, которую обозначают Ice Ih. Молекулы воды в ней связаны водородными связями и расположены упорядоченно; для структуры характерна шестикратная симметрия. Это свойство помогает объяснить типичные шесть направлений роста у снежных кристаллов, но не означает, что у каждой снежинки обязательно будут шесть одинаковых отчётливых лучей.

Из чего состоит ледяной кристалл

Молекулы и решётка

Кристалл льда — не набор молекул, случайно замёрзших рядом. Внутри него молекулы воды занимают повторяющиеся положения, образуя кристаллическую решётку. Такая упорядоченность распространяется на весь кристалл, хотя реальные снежные кристаллы могут содержать дефекты и неровности. На поверхности расположение молекул отличается от внутреннего, и именно поверхностные процессы участвуют в дальнейшем росте.

Гексагональная симметрия задаёт предпочтительные направления, но внешний вид зависит также от того, насколько быстро растут разные участки поверхности. У кристалла есть грани и края, которые могут присоединять новые молекулы с разной скоростью. Рост вдоль одних направлений способен формировать широкие пластинки, вдоль других — вытянутые столбики или иглы. Форма возникает из сочетания кристаллического порядка и неравновесных условий роста.

Грани, рёбра и ветви

Плоские участки называют гранями, а выступающие края и окончания — рёбрами или вершинами. Когда кристалл растёт из водяного пара, молекулы оседают на его поверхности и встраиваются в решётку. На выступах условия захвата пара могут отличаться от условий на плоской грани: выступ получает доступ к окружающему пару с нескольких сторон. Если различия усиливаются, небольшая неровность может стать началом ветви.

Разветвлённый рисунок, таким образом, не «нарисован» заранее. Он возникает во время роста и зависит от того, как кристалл обменивается веществом и теплом с окружающим воздухом. Увеличение кристалла может менять условия около его поверхности, а локальные различия становятся частью узора. При этом симметрия задаёт общий план, но не гарантирует полного совпадения всех деталей.

Как формируется снежная частица

1. Появление ледяного зародыша. В облаке могут возникать ледяные кристаллы, в частности при участии частиц, облегчающих замерзание воды. Пути образования ледяной фазы различаются, поэтому нельзя свести начало каждой снежинки к одному универсальному сценарию.
2. Рост из водяного пара. Если условия благоприятны, молекулы водяного пара переходят на поверхность льда и включаются в кристалл. Такой процесс называют осаждением из пара. Он добавляет материал к уже существующей структуре и помогает формировать грани, пластинки, столбики и ветви.
3. Изменение формы в облаке. Кристалл перемещается в воздушных потоках и может попадать в области с другими температурой и содержанием водяного пара. Скорость роста разных участков меняется, поэтому форма не обязательно остаётся одинаковой на всём пути.
4. Столкновения и обрастание. Кристаллы могут соединяться друг с другом, образуя агрегаты. Кроме того, переохлаждённые капли воды способны сталкиваться с ледяной частицей и замерзать на ней. Такое нарастание капельного льда называют обледенением, или римингом.

Это общая схема, а не обязательный маршрут каждой частицы. Одни снежные частицы сохраняют сравнительно ясную форму отдельного кристалла, другие становятся агрегатами или заметно покрываются замёрзшими каплями. После выпадения на форму и целостность снега также воздействуют ветер, давление соседних частиц и оттепель. Вид снежинки под микроскопом поэтому может отличаться от её первоначального вида в облаке.

Почему кристаллы бывают разной формы

Два особенно важных фактора роста — температура и насыщенность воздуха водяным паром относительно льда. Они влияют на то, какие участки кристалла растут быстрее и как меняется его поверхность. В одних условиях заметнее развиваются плоские грани, в других — вытянутые формы или ветвление. Но зависимость сложная: одной температуры недостаточно, чтобы однозначно предсказать конкретный рисунок.

Кристалл может проходить через разные слои облака, где условия не совпадают. Тогда на разных участках его истории появляются особенности роста, связанные с разной средой. Ветви способны продолжать общий шестикратный рисунок, но получать неодинаковую длину или толщину. Добавьте к этому столкновения с другими частицами — и итоговая снежинка уже не будет идеальной геометрической фигурой.

Специалисты описывают множество форм ледяных частиц: от простых пластинок и столбиков до сложных разветвлённых кристаллов и их скоплений. Это не строгая лестница, по которой каждый кристалл обязательно проходит по порядку. Классификация помогает назвать наблюдаемую форму, но не всегда раскрывает всю последовательность условий, в которых она возникла.

Что в популярных представлениях требует уточнения

• «Все снежинки — шестилучевые звёзды». Шестикратная симметрия характерна для кристаллической структуры обычного атмосферного льда, но снежные частицы бывают пластинками, столбиками, иглами и агрегатами. Даже у разветвлённого кристалла ветви могут быть неравными или частично повреждёнными.
• «У каждой снежинки есть ровно шесть одинаковых лучей». Общая симметрия не равна идеальной геометрии. На рост влияют локальные изменения среды, дефекты кристалла и столкновения, поэтому реальные очертания часто асимметричны.
• «Форму определяет только температура». Температура важна, но одновременно имеют значение доступность водяного пара, движение частицы через облако, время роста и взаимодействия с каплями и другими кристаллами. Поэтому простой таблицы, связывающей каждую форму с одной точной температурой, недостаточно для объяснения всех случаев.
• «Две снежинки никогда не бывают одинаковыми». Это популярное утверждение нельзя считать универсально доказанным правилом. В природе встречаются частицы с похожими формами, а понятие «одинаковые» зависит от того, сравнивают ли общий тип, контур или мельчайшие детали. Утверждать, что совпадение невозможно, нет оснований.
• «Снежинка всегда состоит из одного кристалла». Видимая снежная частица может быть агрегатом нескольких кристаллов. Внешняя форма отдельного кристалла и форма собравшейся из них частицы — разные вещи.

Как рассматривать снежинку

Для наблюдения удобнее выбрать холодную погоду и поймать снежную частицу на тёмную поверхность, стараясь не касаться её пальцами: тепло быстро меняет структуру льда. Увеличительное стекло или макросъёмка помогают рассмотреть края и ветви. Если частица сложная, сначала стоит выяснить, виден ли один кристалл или несколько соединённых между собой.

По внешнему виду можно описать форму, симметрию, наличие ветвления и признаки столкновений. Но нельзя надёжно определить только по фотографии точный маршрут снежинки в облаке или единственную температуру, при которой она росла. Для научного вывода нужны измерения условий и наблюдения, а не только сравнение с картинкой из справочника.

Кратко о строении снежинок

• Основой большинства атмосферных снежных кристаллов служит гексагональная форма льда Ice Ih.
• Шестикратная симметрия связана с устройством кристаллической решётки, но не требует идеальных шести лучей у каждой частицы.
• Кристалл растёт, в частности, когда водяной пар оседает на его поверхности и встраивается в лёд.
• Температура и содержание водяного пара влияют на форму совместно; одного фактора для полного объяснения недостаточно.
• Снежинка в бытовом смысле может быть отдельным кристаллом, агрегатом или частицей с замёрзшими на ней каплями.

Частые вопросы

Почему у снежинок часто встречается симметрия шести направлений?

Она связана с гексагональной кристаллической структурой обычного атмосферного льда. Эта структура задаёт предпочтительный общий рисунок роста, однако реальная снежинка может иметь неравные ветви и повреждённые участки.

Все ли снежинки растут из капель воды?

Нет. Ледяной кристалл может расти из водяного пара: молекулы оседают на поверхности и становятся частью решётки. Переохлаждённые капли тоже могут участвовать в росте, если сталкиваются с кристаллом и замерзают на нём.

Можно ли по форме определить погоду в облаке?

Форма даёт полезные сведения о росте, но обычно не позволяет однозначно восстановить условия. Кристалл мог перемещаться между слоями с разными характеристиками, а его поверхность могла измениться из-за столкновений и обрастания.

Почему снежинки слипаются?

В облаке кристаллы могут сталкиваться и образовывать агрегаты. У поверхности земли снег также уплотняется и меняется под действием влажности, температуры и механического давления. Поэтому рыхлый снег и крупные хлопья не обязательно состоят из одного большого кристалла.