Снежинка — не обязательно одна ажурная звезда с шестью одинаковыми лучами. Так называют и одиночный кристалл льда, и комок из нескольких слипшихся кристаллов. Их форма складывается по мере роста в облаке: на неё влияют температура, влажность, движение воздуха и время, проведённое частицей в разных слоях атмосферы. Понимание этих условий помогает объяснить разнообразие снежинок и свойства снега на земле.
У снежного кристалла нет заранее заданного узора и цели, ради которой он «строит» ветви. Его геометрия возникает из молекулярного устройства льда и взаимодействия кристалла с водяным паром. Поэтому слово «адаптация» здесь уместно только как образное описание физических последствий формы: например, ветвистые кристаллы могут сцепляться друг с другом, но это не биологическое приспособление.
Из чего складывается снежный кристалл
Почему основа снежинки обычно шестигранная
В обычных условиях облаков вода замерзает в форме льда Ih — разновидности льда с гексагональной кристаллической решёткой. В ней молекулы воды располагаются так, что у растущего кристалла проявляется шестикратная симметрия. Поэтому многие снежные кристаллы имеют шесть сторон или шесть лучей. Это закономерность кристаллической структуры, а не следствие того, что снежинка «выбирает» форму.
Симметрия не означает, что все снежинки выглядят как правильные плоские звёзды. Кристалл может быть пластинкой, столбиком, иглой или сложной ветвистой фигурой. Даже у звёздчатого кристалла лучи не всегда совершенно одинаковы: мельчайшие различия в обдуве, влажности и доступе водяного пара постепенно накапливаются. Общая шестилучевая организация при этом может сохраняться.
Как кристалл увеличивается
В облаке есть водяной пар, переохлаждённые капли и частицы, на которых может начаться образование льда. Когда кристалл уже сформировался, молекулы водяного пара оседают на его поверхности и встраиваются в решётку. Этот процесс называется ростом из паровой фазы. В зависимости от условий новые молекулы преимущественно удлиняют грани, наращивают плоские поверхности или образуют выступы и боковые ветви.
Рост часто становится неравномерным. Выступающая часть кристалла получает больше доступа к водяному пару, чем углубление между ветвями; поэтому первоначальная неровность может усиливаться. Так возникают разветвлённые формы. Кристалл, однако, не обязательно всё время растёт одинаково: снежинка перемещается внутри облака, попадает в слои с другими условиями, а затем продолжает формироваться уже по новому «сценарию».
От чего зависят формы снега
Температура и влажность
Температура влияет на то, какие поверхности кристалла растут быстрее, а влажность определяет, сколько водяного пара доступно для роста. При одних сочетаниях условий чаще развиваются плоские пластинки, при других — столбики, иглы или ветвистые звёзды. При повышенном пересыщении водяным паром рост выступов может становиться особенно заметным: формируются сложные разветвления. Это общие закономерности, а не простая таблица, позволяющая по одной температуре безошибочно предсказать форму.
В лабораторных исследованиях строят диаграммы форм снежных кристаллов в зависимости от температуры и влажности. Они показывают, что небольшое изменение условий способно менять преобладающий тип роста. В реальном облаке картина сложнее: влажность и температура не остаются постоянными, кристаллы движутся, сталкиваются и иногда покрываются замёрзшими каплями. Поэтому одна снежная буря может принести частицы разных форм и размеров.
| Условия роста | Какие формы могут преобладать | Что важно учитывать |
|---|---|---|
| Рост преимущественно по боковым направлениям | Плоские пластинки, иногда с гранями или узором | Форма зависит также от доступности водяного пара и времени роста |
| Удлинение кристалла вдоль одной оси | Столбики и иглы | Столбик может менять характер роста и обрастать пластинками |
| Интенсивное ветвление выступающих участков | Звёздчатые дендриты | Разветвлённость связана с условиями на поверхности кристалла, а не с отдельным «видом» снега |
| Столкновения с переохлаждёнными облачными каплями | Обледеневшие, шероховатые кристаллы и снежные зёрна | Капли замерзают на кристалле и меняют его поверхность и массу |
| Столкновения кристаллов друг с другом | Снежные агрегаты, то есть слипшиеся частицы | Размер и рыхлость агрегата зависят от столкновений и последующего таяния |
Таблица описывает типичные процессы, а не точный прогноз погоды. В природных облаках одновременно могут действовать несколько механизмов. Кроме того, снежный кристалл способен пройти несколько температурных и влажностных слоёв, поэтому его конечная форма может сочетать разные элементы.
Основные разновидности снежных частиц
- Пластинки — относительно плоские кристаллы с шестиугольными очертаниями. У некоторых по краям появляются выступы или лучи.
- Столбики и иглы — вытянутые кристаллы. Иглы обычно выглядят тоньше и длиннее, а столбики могут иметь плоские грани.
- Звёздчатые кристаллы и дендриты — формы с лучами и боковыми ответвлениями. Слово «дендрит» обозначает ветвистый характер роста.
- Комбинированные кристаллы — например, столбик с пластинками на концах. Такая форма может отражать смену условий во время роста.
- Обледеневшие кристаллы — частицы с замёрзшими на поверхности облачными каплями. Их очертания становятся менее чёткими и более зернистыми.
- Агрегаты — соединения нескольких кристаллов. Именно такие крупные рыхлые частицы часто воспринимаются наблюдателем как одна сложная снежинка.
Границы между бытовыми названиями не всегда строгие. Например, крупная частица, упавшая на рукав, может оказаться не единым симметричным кристаллом, а рыхлым агрегатом. А во время снегопада форма частиц часто быстро меняется из-за обледенения, столкновений и частичного таяния.
Как строение снежинок влияет на снежный покров
Форма отдельного кристалла влияет на то, как снежинки сталкиваются, сцепляются и оседают. Ветвистые и рыхлые частицы могут образовывать объёмный слой с большим количеством воздуха между кристаллами. При оседании и уплотнении такой слой меняется: частицы сближаются, кристаллы разрушаются или округляются, а снег становится плотнее. Поэтому внешний вид свежевыпавшего снега не сохраняется неизменным в течение зимы.
Пористая структура снежного покрова важна для обмена теплом между поверхностью и воздухом. Воздух в порах проводит тепло хуже, чем плотный лёд, поэтому рыхлый слой способен ограничивать теплопередачу. Но реальные свойства зависят не от формы одной снежинки, а от толщины и плотности слоя, размера зёрен, влажности и изменений снега со временем.
Свежий снег также отражает значительную часть поступающего солнечного излучения, однако его отражательная способность меняется. На неё влияют размер и состояние снежных зёрен, загрязнение, увлажнение и уплотнение. По мере старения снежного покрова мелкие кристаллы преобразуются, а поверхность меняется; поэтому свойства многодневного снега не равны свойствам свежевыпавшего.
В природных экосистемах снежный покров служит средой обитания и сезонным укрытием для организмов, а также влияет на температуру почвы и сроки её оттаивания. Это последствия физических свойств снега в целом. Нельзя заключать, что определённая форма снежинки сформировалась специально ради защиты растений или животных: кристаллы возникают по законам роста льда, а их экологическое значение проявляется уже после выпадения.
Почему две снежинки похожи, но не одинаковы
Шесть лучей у звёздчатого кристалла растут в одном облаке и в среднем испытывают сходные условия, поэтому их формы часто перекликаются. Но окружающая среда меняется во времени и пространстве, а мельчайшие случайные различия усиливаются в процессе роста. На результат влияют локальный поток пара, столкновения, изменение температуры и возможное обледенение. Поэтому сходство лучей не означает идеальной копии.
Утверждение, будто любые две снежинки обязательно уникальны, слишком категорично: одинаковость зависит от того, насколько подробно сравнивать частицы, а простые кристаллы могут выглядеть очень похожими. Корректнее сказать, что сложный рисунок отдельного кристалла обычно содержит множество случайных деталей, а вероятность найти две совершенно одинаковые сложные снежинки крайне мала. На практике обычный наблюдатель чаще различает тип формы, а не каждую микроскопическую особенность.
Как рассматривать снежинки
Для наблюдений удобны тёмная ткань или холодная пластинка: на них легче увидеть контур выпавших частиц. Снег лучше рассматривать сразу после оседания, пока кристаллы не начали заметно таять. Лупа помогает различить пластинки, лучи и агрегаты, хотя мелкие детали зависят от освещения и состояния образца.
- Сначала определите, перед вами одиночный кристалл или группа слипшихся частиц.
- Посмотрите, преобладают ли плоские грани, вытянутые оси или ветвление.
- Отметьте, выглядит ли поверхность гладкой, шероховатой или покрытой мелкими наростами.
- Сравнивайте несколько образцов: один кристалл не описывает весь снегопад.
Макроснимок снежинки может показать тонкие детали, но сам по себе не раскрывает всю историю её роста. Чтобы связать форму с условиями облака, нужны наблюдения за атмосферой и микрофизические измерения. В полевых условиях внешний вид даёт полезные подсказки, но не позволяет точно восстановить маршрут частицы или все изменения температуры и влажности.
Частые вопросы
У каждой снежинки обязательно шесть лучей?
Нет. Шестикратная симметрия характерна для кристаллической структуры обычного атмосферного льда, но не каждая снежная частица является плоской звездой. Существуют пластинки, столбики, иглы, обледеневшие частицы и агрегаты из нескольких кристаллов.
Можно ли по форме снежинки определить температуру облака?
Только приблизительно и с оговорками. Морфология зависит от сочетания температуры, влажности и других условий, а частица могла побывать в разных слоях атмосферы. Поэтому по одной снежинке нельзя надёжно установить точную температуру облака.
Снежинка и снежный кристалл — одно и то же?
В повседневной речи эти слова часто употребляют как синонимы. В научном описании полезно различать одиночный кристалл и агрегат, состоящий из нескольких слипшихся кристаллов. Так проще точно говорить о строении частицы.
Являются ли снежинки природной адаптацией?
Нет, если понимать адаптацию как биологический признак, сформированный естественным отбором. Форма снежинки возникает вследствие физического роста льда. Её влияние на сцепление частиц, плотность снега и теплообмен можно описывать как физические последствия, но не как намеренное приспособление.