Редкие формы снежинок: треугольники, розетки и двойные кристаллы

Большинство снежных кристаллов узнаваемы по шестиугольной симметрии, но в природе встречаются формы, которые на первый взгляд ей противоречат. Одни кристаллы выглядят почти треугольными, другие напоминают пучок игл или розетку, третьи состоят из двух сросшихся частей. Такие примеры не отменяют правил кристаллизации льда: необычный внешний вид чаще объясняется особенностями роста, соединением нескольких кристаллов или тем, под каким углом их рассматривают.

Важно различать отдельный снежный кристалл и снежинку в бытовом смысле. Отдельный кристалл — это выросшая из ледяной решётки частица, а снежинка, упавшая на землю, может быть скоплением нескольких кристаллов. В этой статье рассмотрены редкие формы именно как ключ к пониманию того, как развиваются ледяные кристаллы в облаках.

Почему у снежных кристаллов обычно шесть лучей

В большинстве снежных кристаллов вода замерзает в структуру, называемую гексагональным льдом, или льдом Ih. В её кристаллической решётке молекулы воды располагаются так, что для растущего кристалла характерна шестикратная симметрия. Поэтому у пластинок часто видны шесть углов, а у звёздчатых кристаллов — шесть основных лучей. Это закономерность строения льда, а не просто распространённый рисунок.

Однако решётка задаёт возможную симметрию, но не предписывает каждой снежинке быть одинаковой и аккуратной. На рост влияют температура, содержание водяного пара и движение кристалла в облаке. Вода осаждается на поверхности льда, а выступающие участки иногда растут быстрее, чем ровные грани. Поэтому небольшие различия со временем усиливаются: появляются боковые ветви, ступени, полости или неровные края.

Температура и влажность меняют облик

Физик Укичиро Накая систематически исследовал снежные кристаллы и показал, что их форма зависит от условий роста. В классической морфологической диаграмме Накаи сопоставлены температура и пересыщение водяного пара относительно льда. В разных условиях чаще формируются пластинки, столбики, иглы или ветвящиеся кристаллы. Эта диаграмма полезна как ориентир, но не как календарь с точным прогнозом для каждой снежинки.

В упрощённом виде при температурах около −2 °C и около −15 °C часто возникают пластинчатые формы, а в промежуточном диапазоне могут преобладать столбики и иглы. При высокой влажности ветвление становится заметнее, и пластинка может превратиться в звёздчатый дендрит. Границы между режимами приблизительны: имеют значение и влажность, и длительность роста, и история перемещения кристалла через облако.

Редкие и необычные формы

Треугольные пластинки

Среди наиболее выразительных исключений — снежные кристаллы, у которых очертания приближаются к треугольнику. Они редки по сравнению с обычными шестиугольными пластинками, но такие формы наблюдали и в природных образцах, и при исследованиях роста кристаллов. Треугольный вид не означает, что ледяная решётка внезапно стала трёхугольной: речь идёт о внешней форме частицы, которая может возникнуть из-за неодинакового роста её краёв.

Один из возможных факторов — нестабильность роста граней: небольшие различия в скорости осаждения льда могут усиливаться и нарушать привычный баланс шести сторон. На вид также влияют повреждения и неполное развитие кристалла. Единого простого объяснения для всех треугольных образцов нет: внешнее сходство ещё не доказывает, что они сформировались одним и тем же способом.

Столбики, иглы и «пули»

Не каждый снежный кристалл похож на плоскую звезду. При подходящих условиях лёд может вытягиваться вдоль одной оси, образуя столбик или тонкую иглу. Иногда на концах столбика появляются плоские пластинки — такую форму называют столбиком с пластинками, или кристаллом с колпачками. Она показывает, что условия роста изменились во время путешествия частицы: сначала особенно активно удлинялся один участок, позднее выросли пластинчатые окончания.

Похожая смена режимов бывает видна в так называемых пулевых розетках. Это трёхмерные кристаллы, у которых несколько вытянутых столбчатых элементов расходятся из общего основания. Их очертания могут напоминать раскрывающийся веер или пучок. Такая розетка — не плоская снежинка с необычным числом лучей, а пространственная форма, возникшая в ходе роста кристалла.

Двойные кристаллы и сросшиеся частицы

Иногда снежные кристаллы соединяются друг с другом. Если две частицы срослись под углом, у получившегося объекта могут быть две оси или две группы лучей. При взгляде сверху он способен показаться «двенадцатилучевым», хотя это не обязательно единый кристалл с двенадцатикратной симметрией. Чтобы понять строение, исследователи рассматривают не только общий контур, но и места соединения, ориентацию отдельных частей и характер их граней.

Кристаллы также могут сталкиваться и формировать агрегаты. Снег в облаке несёт воздушными потоками, поэтому частицы встречаются, сцепляются и продолжают падать вместе. В результате на фотографии или под микроскопом видна сложная фигура, но её отдельные элементы могут сохранять собственную шестикратную симметрию. В повседневной речи такую частицу всё равно называют снежинкой — это нормально, если не путать её с единым монокристаллом.

Неровные, повреждённые и частично сформированные кристаллы

В природе далеко не каждая снежинка успевает вырасти до завершённой звезды. Она может столкнуться с другой частицей, попасть в участок облака с иными условиями или частично разрушиться. На поверхности кристалла могут появиться округлые отложения переохлаждённых капель; этот процесс называется обледенением, или римингом. При сильном обледенении тонкие ветви теряют чёткие очертания, а частица становится более зернистой и массивной.

Встречаются и кристаллы с асимметричными лучами: одни ветви длиннее других, некоторые почти отсутствуют. Это не обязательно означает особую разновидность льда. Разница может возникнуть из-за неодинакового доступа к водяному пару, соседства с другими кристаллами или изменения условий по мере движения через облако. Поэтому «идеальная» снежинка с шестью совершенно одинаковыми лучами — скорее удобный образ, чем обязательный результат роста.

Как читать необычную форму

Внешний вид кристалла полезен как свидетельство условий его развития, но не работает как точный термометр. Например, дендриты и пластинки связаны с определёнными диапазонами температуры и влажности, однако один снимок обычно не позволяет восстановить весь путь частицы. Снежинка могла последовательно пройти через области с разными условиями, а её форму меняли столкновения и обледенение. Поэтому исследователи сопоставляют морфологию с наблюдениями среды и изучают структуру частицы, а не делают вывод только по силуэту.

При сравнении образцов полезно обращать внимание на несколько признаков:

• Плоская или объёмная форма. Пластинка и столбик растут по-разному, поэтому сходное число выступов ещё не означает одинаковую структуру.
• Есть ли общая точка соединения. Несколько расходящихся элементов могут быть частями одной розеточной формы, а могут оказаться сросшимися кристаллами.
• Повторяется ли симметрия. Шесть основных направлений поддерживают объяснение через обычную симметрию льда; дополнительные «лучи» могут быть ветвями или отдельными частицами.
• Насколько чётки грани. Неровные края, округлые покрытия и поломки могут указывать на обледенение, повреждение или неполное развитие.

Сравнение необычных форм

Что необычные снежинки говорят о кристаллизации

Редкие формы ценны не только своей зрелищностью. Они показывают, что внешняя симметрия кристалла зависит от сочетания внутреннего устройства льда и внешней среды. Шестикратная симметрия объясняет типичное строение, а треугольные очертания, розетки и срастания помогают увидеть, как на него накладываются особенности роста. В результате «исключение» часто оказывается не нарушением физических правил, а более сложной историей развития.

Классификация снежных кристаллов, связанная с работами Накаи, и последующие систематизации форм, в том числе классификация Магoно и Ли, дают исследователям общий язык для описания таких наблюдений. При этом научная классификация не обещает, что каждый образец можно безошибочно отнести к одной категории по фотографии. У природных частиц переходы между формами постепенны, а агрегаты могут сочетать несколько типов строения.

Частые вопросы

Бывают ли снежинки совсем без шестиугольной симметрии?

Да, внешний контур отдельного кристалла может быть асимметричным, а сросшаяся частица — объединять кристаллы с разной ориентацией. Но для обычного гексагонального льда шестикратная симметрия остаётся основным структурным ориентиром. Неровная форма сама по себе не означает, что внутри частицы другая кристаллическая решётка.

Почему на фотографии у снежинки больше шести лучей?

У шести основных лучей могут быть многочисленные боковые ветви, которые выглядят как дополнительные лучи. Кроме того, частица может состоять из нескольких сросшихся кристаллов или быть объёмной розеткой. По одному изображению не всегда можно отличить эти варианты.

Можно ли определить температуру по форме снежинки?

Только приблизительно и с оговорками. Известные морфологические зависимости показывают, какие формы чаще растут при определённых сочетаниях температуры и влажности, но не дают точного значения для отдельного образца. Для надёжного вывода нужны данные о среде и истории роста кристалла.

На чём основаны сведения о формах снежинок?

Описание опирается на исследования строения льда и морфологии снежных кристаллов, включая классическую работу Укичиро Накаи «Снежные кристаллы: природные и искусственные» и классификацию снежных кристаллов, предложенную Магoно и Ли. Эти работы важны как основа описания типов кристаллов, но отдельная природная снежинка может сочетать признаки нескольких форм.