Снежинка — не обязательно идеальная звезда с шестью длинными лучами. Так называют и отдельный ледяной кристалл, и сложную частицу, в которой несколько кристаллов срослись или примерзли друг к другу. Их форма складывается во время роста в облаке, а свойства выпавшего снега зависят не только от очертаний отдельных частиц, но и от того, как они соприкасаются и меняются после приземления.
Эта связь важна для понимания снега как природного материала. Геометрия кристалла влияет на то, как он растёт, сталкивается с другими частицами и отражает свет. Но плотность снежного покрова, его прочность и способность удерживать тепло определяются также температурой, влажностью, ветром и последующим уплотнением. Поэтому по одной красивой снежинке нельзя точно описать весь снегопад.
- Почему снежные кристаллы имеют шесть направлений
- Грани, рёбра и ветвление
- От чего зависит форма снежинки
- Кристалл, снежинка и снежный покров — не одно и то же
- Как строение влияет на свойства снега
- Плотность и механическая прочность
- Теплоизоляция
- Отражение света и цвет
- Падение и укладка частиц
- Как наблюдать снежинки без ошибочных выводов
- Частые вопросы
- У каждой снежинки обязательно шесть лучей?
- Правда ли, что двух одинаковых снежинок не бывает?
- Можно ли по форме снежинок узнать температуру?
- Почему снег бывает рыхлым или слежавшимся?
Почему снежные кристаллы имеют шесть направлений
В облаке снег обычно возникает, когда водяной пар осаждается на ледяном зародыше и постепенно наращивает кристалл. Молекулы воды соединяются в твёрдую структуру с водородными связями. В обычном атмосферном льду, из которого состоят снежные кристаллы, такая структура задаёт шестикратную симметрию: основные направления роста расположены вокруг центральной оси с интервалами примерно в 60 градусов.
Именно устройство кристаллической решётки объясняет, почему плоские снежинки часто выглядят как шестиугольники или звёзды с шестью лучами. Однако симметрия не означает, что все части частицы совершенно одинаковы. Кристалл может расти неравномерно, менять условия на пути через облако, сталкиваться с каплями и другими кристаллами. Поэтому реальные снежинки нередко имеют обломанные, укороченные или сросшиеся ветви.
Грани, рёбра и ветвление
У кристалла есть плоские грани и рёбра, на которых осаждаются новые молекулы воды. Скорость роста зависит от температуры и от того, насколько воздух перенасыщен водяным паром относительно льда. При разных условиях одни грани растут быстрее других: кристалл может получиться более плоским, вытянутым или разветвлённым. Когда отдельные участки поверхности растут особенно быстро, возникают выступы и ветви.
Дендриты — разветвлённые кристаллы, похожие на маленькие деревья, — особенно наглядно показывают этот процесс. Их ветвление связано с неустойчивостью роста: выступающая часть поверхности может получать больше водяного пара, чем углубление рядом с ней, и поэтому расти быстрее. Такая форма не появляется по единственному сценарию: на результат одновременно влияют температура, влажность и история движения кристалла в облаке.
От чего зависит форма снежинки
Форма определяется прежде всего условиями роста, а не заранее заданным набором «видов снежинок». Значение имеют температура и перенасыщение воздуха водяным паром относительно льда. При изменении этих условий кристалл способен перейти от образования пластинок к росту столбиков или игл, а при высокой доступности пара — к более активному ветвлению.
В лабораторных наблюдениях и природных классификациях используют диаграммы форм кристаллов, в том числе диаграмму, связанную с работами физика Укитиро Накаи. Она показывает, что типичная форма меняется с температурой и влажностью, но не служит точным прогнозом для каждой частицы. Два кристалла, растущие в одном облаке, могут пройти разные участки воздушного потока и получить неодинаковую форму.
| Условия или процесс | Что может происходить с формой | Возможное значение для снежной массы |
|---|---|---|
| Изменение температуры | Меняется соотношение роста граней и направлений кристалла; могут преобладать пластинчатые или вытянутые формы. | Меняются размер частиц и характер их соприкосновения. |
| Повышенное перенасыщение водяным паром | Рост идёт активнее, могут образовываться выступы и ветви. | Разветвлённые частицы способны образовать рыхлую структуру, но её итог зависит от уплотнения и слипания. |
| Столкновения в облаке | Кристаллы могут срастаться или объединяться в агрегаты. | Частица становится крупнее и может иначе падать и укладываться. |
| Обмерзание каплями | Капли замерзают на поверхности кристалла, сглаживая его исходные очертания. | Частица становится более округлой и тяжёлой; такие частицы называют обледеневшими. |
Таблица описывает общие тенденции, а не гарантированный результат. Например, ветвистая форма отдельного кристалла сама по себе не позволяет определить плотность свежевыпавшего снега. После падения снежинки могут ломаться, переплетаться и оседать, а ветер способен дополнительно переносить и уплотнять их.
Кристалл, снежинка и снежный покров — не одно и то же
Для описания снега важно различать несколько уровней. Кристалл — отдельная ледяная частица с упорядоченным строением. Снежинка в бытовом смысле может быть таким кристаллом, но часто оказывается агрегатом — соединением нескольких кристаллов. Снежный покров — уже множество частиц, между которыми остаются поры, заполненные воздухом.
- Одиночный кристалл показывает характер роста льда, но не описывает весь снегопад.
- Агрегат образуется, когда кристаллы соединяются в облаке или при выпадении. Его размеры и очертания могут быть неправильными.
- Снежный покров меняется со временем: частицы оседают, ломаются и образуют ледяные связи в местах контакта.
После выпадения структура снега продолжает изменяться. Под действием собственного веса и ветра покров уплотняется. При температурных изменениях лёд может перераспределяться между участками частиц, а при оттепели и последующем замерзании возникают более прочные ледяные перемычки или корка. Поэтому вид снега на поверхности не всегда отражает условия, в которых сформировались первоначальные кристаллы.
Как строение влияет на свойства снега
Плотность и механическая прочность
Свежий снег состоит не только из льда: значительную часть его объёма занимают промежутки с воздухом. Плотность зависит от того, насколько тесно уложены частицы, какова их форма, сколько их сломалось и срослось, а также от ветрового переноса и времени после снегопада. Поэтому нельзя вывести плотность покрова только из того, были ли кристаллы похожи на иглы или на звёзды.
Механическая прочность также определяется контактами между частицами. Рыхлый покров, где ледяные элементы соприкасаются лишь в немногих местах, легче деформируется. Со временем в точках контакта могут возникать ледяные связи, и слой становится более связным. Ветер, увлажнение и повторное замерзание способны менять структуру, поэтому одинаково выглядящие сверху участки иногда имеют разную прочность внутри.
Теплоизоляция
Пористость снега имеет важное последствие: неподвижный воздух между ледяными частицами затрудняет передачу тепла. Поэтому снежный слой способен изолировать грунт от холодного воздуха, хотя эффективность зависит от его толщины, плотности, влажности и состояния. Более плотный или влажный снег обычно проводит тепло иначе, чем рыхлый сухой слой; это общее направление, а не универсальная оценка для любой ситуации.
С течением времени снег уплотняется, а его частицы округляются и связываются между собой. Это меняет размер и связность пор, а значит, влияет и на теплообмен. Для оценки утепляющего действия важнее рассматривать весь слой и его состояние, чем изучать форму одной снежинки под лупой.
Отражение света и цвет
Лёд сам по себе не белый в том смысле, в каком бела бумага. Снежный покров выглядит белым потому, что свет многократно рассеивается на границах между льдом и воздухом внутри пористого слоя. Форма, размер и расположение ледяных зёрен влияют на рассеяние, но результат зависит также от толщины покрова, наличия примесей и состояния поверхности.
Свежий чистый снег обычно хорошо отражает солнечное излучение. По мере таяния, уплотнения и загрязнения оптические свойства поверхности меняются: вода и примеси влияют на поглощение света, а более крупные зёрна — на его прохождение в слое. Поэтому отражательная способность — свойство не одной снежинки, а поверхности снежного покрова в целом.
Падение и укладка частиц
На движение снежинки в воздухе влияют её масса, площадь и форма. Ветвистая частица и компактное ледяное зерно при прочих равных могут по-разному взаимодействовать с воздушным потоком. Однако реальный снегопад состоит из частиц разных размеров и форм, а на их траектории влияют восходящие потоки и ветер. По внешнему виду хлопьев нельзя надёжно определить скорость выпадения или точное место, где они образовались.
Как наблюдать снежинки без ошибочных выводов
Для простого наблюдения подойдёт тёмная холодная поверхность: на ней легче рассмотреть контуры отдельных кристаллов. Полезно сравнивать несколько частиц, а не делать вывод по одной. Если снег мокрый, долго лежал или был перенесён ветром, исходные грани могут быть уже повреждены или частично скрыты.
При описании наблюдений стоит разделять то, что видно, и то, что можно заключить. Можно отметить, что частица пластинчатая, ветвистая, столбчатая или состоит из нескольких сросшихся элементов. Но по одному образцу нельзя достоверно установить температуру всего облака, влажность на высоте или плотность снежного покрова. Форма — полезная подсказка о росте, но не самостоятельный метеорологический прибор.
Частые вопросы
У каждой снежинки обязательно шесть лучей?
Шестикратная симметрия характерна для кристаллической структуры обычного атмосферного льда. Но у снежинки не всегда заметны шесть длинных лучей: она может быть пластинкой, столбиком, обломком или агрегатом из нескольких кристаллов.
Правда ли, что двух одинаковых снежинок не бывает?
Это популярное преувеличение, а не строгий физический закон. Кристаллы могут быть похожи, особенно если росли при близких условиях, но их история роста и мелкие детали обычно различаются. Утверждать, что абсолютное совпадение невозможно, без определения способа измерения и масштаба сравнения некорректно.
Можно ли по форме снежинок узнать температуру?
Форма отражает условия роста, среди которых важны температура и доступность водяного пара. Однако она зависит также от влажности и перемещений кристалла в облаке. Поэтому отдельная снежинка не позволяет точно восстановить температуру или маршрут воздушного потока.
Почему снег бывает рыхлым или слежавшимся?
Рыхлость и слеживание связаны с расположением частиц, площадью контактов между ними, ветром, температурой, увлажнением и временем. Исходная форма кристаллов имеет значение, но не объясняет состояние покрова в одиночку. После выпадения структура снега продолжает меняться.
