Снежинки часто представляют как готовые узоры, которые возникают при определённой температуре. Но форма кристалла зависит не от одного показания термометра: важны влажность воздуха, доступ водяного пара и изменения условий во время падения. Поэтому два кристалла, образовавшиеся в одной облачной системе, могут заметно различаться, а один кристалл — менять характер роста на разных этапах пути.
Чтобы разобраться в этом, полезно отделять отдельный снежный кристалл от снежинки в бытовом смысле. Кристалл растёт из водяного пара в облаке, а видимая снежинка может состоять из нескольких слипшихся кристаллов. В этой статье проследим, как облачные условия задают форму ледяного зерна и почему итоговый снег не всегда похож на идеальную шестилучевую фигуру.
- С чего начинается снежный кристалл
- Три условия, которые задают форму
- Температура воздуха
- Влажность и поступление пара
- Время и маршрут внутри облака
- Почему у кристалла появляются ветви
- От отдельного кристалла к снежинке
- Что можно и чего нельзя узнать по форме
- Коротко: от чего зависит результат
- FAQ
- Почему у снежинок обычно шесть лучей?
- Можно ли определить температуру облака по одной снежинке?
- Все снежинки состоят из одного кристалла?
- Почему снежинки одного снегопада так различаются?
С чего начинается снежный кристалл
В обычном атмосферном льду молекулы воды располагаются в кристаллической решётке с шестикратной симметрией. Поэтому у многих снежных кристаллов есть шесть лучей или шесть главных направлений роста. Это не означает, что каждая снежинка обязана быть правильной плоской звездой: кристалл может вырасти столбиком, пластинкой, иглой или приобрести сложную, несимметричную форму.
Ледяные кристаллы в облаках обычно растут за счёт осаждения водяного пара: молекулы воды из воздуха переходят непосредственно в лёд на поверхности кристалла. Такое нарастание не следует путать с замерзанием капли. В облаке могут одновременно находиться кристаллы льда и переохлаждённые капли — жидкая вода, которая остаётся незамёрзшей при температуре ниже нуля.
Для заметного роста кристаллу нужен водяной пар сверх насыщения относительно льда. Чем больше такого избытка, тем активнее молекулы оседают на поверхности, хотя конкретная скорость зависит и от температуры, и от того, на каких участках кристалла они закрепляются. При недостатке пара рост замедляется; при более интенсивном поступлении пара легче возникают выступы и ветвление.
Три условия, которые задают форму
Температура воздуха
Температура влияет на то, какие грани льда растут быстрее. У кристалла есть базальные грани, ограничивающие его торцы, и призматические грани, образующие боковую поверхность. Их относительные скорости роста меняются с температурой, поэтому в одних условиях кристалл вытягивается в столбик, а в других расширяется в тонкую пластинку.
В лабораторных наблюдениях выявлены характерные температурные области, в которых чаще возникают разные формы. Они не являются жёсткими границами: результат зависит от влажности и конкретной истории роста. В упрощённом виде закономерность выглядит так:
| Температурная область | Частые формы при подходящей влажности | Как понимать ориентир |
|---|---|---|
| Около −2 °C | Плоские пластинки | Одна из типичных областей пластинчатого роста |
| Около −5 °C | Столбики и иглы | В вытянутых формах особенно заметен рост вдоль оси |
| Около −15 °C | Пластинки и разветвлённые звёздчатые кристаллы | При высокой влажности возможно активное ветвление |
Таблица передаёт общую картину, известную по исследованиям роста снежных кристаллов, а не предсказывает форму каждой снежинки. В природе температура меняется по мере движения кристалла, а облачная влажность не остаётся постоянной. Даже при похожих условиях небольшие различия в зарождении и росте могут привести к неодинаковым деталям.
Влажность и поступление пара
Температура влияет на предпочтительную геометрию роста, а влажность определяет, насколько интенсивно кристалл может развиваться. При сравнительно небольшом избытке пара форма обычно меняется медленнее. При более высокой влажности выступы поверхности получают доступ к пару и способны расти быстрее соседних участков, создавая ветви и боковые ответвления.
В смешанном облаке с переохлаждёнными каплями лёд может расти также потому, что равновесное давление водяного пара над льдом ниже, чем над жидкой водой при той же отрицательной температуре. При определённых условиях капли испаряются, а водяной пар оседает на ледяных кристаллах. Этот процесс помогает объяснить рост кристаллов в облаках, где присутствуют и жидкая вода, и лёд; его интенсивность зависит от облачной среды.
Время и маршрут внутри облака
Кристалл не обязательно проводит всё время в одном слое облака. Воздушные потоки могут переносить его вверх и вниз, так что он попадает в зоны с разной температурой и влажностью. Например, сначала кристалл может вырасти в виде столбика, а затем, оказавшись в условиях, благоприятных для расширения боковых граней, получить пластинчатые элементы.
Важна и длительность пребывания в подходящей среде. Краткий эпизод активного роста оставит небольшой признак, а более продолжительное пребывание может заметно изменить размер и очертания кристалла. Поэтому форма — это своего рода след последовательности условий, но по ней нельзя однозначно восстановить весь маршрут: похожие очертания способны возникать при разных сочетаниях температуры и влажности.
Почему у кристалла появляются ветви
Ветвление связано не только с шестикратной симметрией льда. Когда на поверхности возникает небольшой выступ, он может сильнее выступать в окружающий поток водяного пара, чем соседние участки. Выступ захватывает больше молекул и растёт быстрее, а на его боковых гранях при достаточной влажности формируются новые ответвления. Так возникают дендритные, то есть древовидно-разветвлённые, кристаллы.
Это объясняет, почему крупная разветвлённая снежинка обычно не является результатом простого повторения одного и того же узора. Малые различия усиливаются в процессе роста: один луч получает чуть больше пара, его ответвление меняет форму, а соседние лучи развиваются в похожих, но не абсолютно одинаковых условиях. При этом общая шестилучевая организация может сохраняться, поскольку она связана с решёткой льда.
Симметрия снежинки поэтому относительна. Главные лучи одного кристалла нередко напоминают друг друга, но на уровне мелких веточек почти идеального совпадения ожидать не следует. Потоки воздуха, столкновения с частицами и небольшие различия в снабжении паром влияют на каждый участок отдельно.
От отдельного кристалла к снежинке
В повседневной речи снежинкой называют и одиночный кристалл, и группу кристаллов. В падающем снегу частицы могут сталкиваться и соединяться; так появляются агрегаты из нескольких снежных кристаллов. Их форма зависит не только от роста внутри облака, но и от вероятности столкновения, сцепления и последующего изменения в воздухе.
Если ледяной кристалл проходит через область с переохлаждёнными каплями, капли могут осесть на нём и замёрзнуть. Такое покрытие называют изморозевым нарастанием. При слабом обрастании детали кристалла ещё различимы; при более сильном поверхность становится неровной, а исходные ветви могут скрыться. Значит, крупная или комковатая снежная частица не обязательно выросла как единый сложный кристалл.
На пути к земле снег также может сталкиваться с другими частицами и попадать в слои с иной температурой. Это влияет на то, сохранится ли рыхлая форма, произойдёт ли слипание или частичное таяние. Вид снежинок у поверхности поэтому не всегда позволяет напрямую судить о том, какая температура была в верхней части облака.
Что можно и чего нельзя узнать по форме
Форма даёт полезные подсказки о среде роста, но не служит точным термометром. Пластинчатый кристалл может указывать на условия, в которых боковой рост был выражен сильнее, а столбчатый — на преобладание роста вдоль оси. Однако интерпретация требует учитывать влажность, время роста и возможное прохождение через несколько слоёв.
Нельзя также заключать, что все кристаллы в одном снегопаде должны быть одинаковыми. Они могли зародиться в разных местах облака, провести там разное время и двигаться по разным воздушным траекториям. Даже близкие маршруты не гарантируют полного сходства: микроскопические различия на ранней стадии могут увеличиться по мере роста.
Для сравнения снежинок полезно отмечать не только общий силуэт, но и признаки, связанные с историей частицы: есть ли отдельные лучи, насколько выражены боковые ветви, видны ли признаки обрастания каплями и соединения с другими кристаллами. Такие наблюдения помогают описать форму, но сами по себе не заменяют измерения условий в облаке.
Коротко: от чего зависит результат
- Температура меняет относительную скорость роста разных граней и влияет на то, будет ли кристалл более плоским или вытянутым.
- Влажность относительно льда определяет доступность водяного пара и влияет на скорость роста и выраженность ветвления.
- Путь кристалла задаёт последовательность температурных и влажностных условий, в которых он растёт.
- Капли и столкновения могут покрывать кристалл льдом или соединять несколько кристаллов в одну снежинку.
FAQ
Почему у снежинок обычно шесть лучей?
Это связано с шестикратной симметрией кристаллической структуры обычного атмосферного льда. Но снежный кристалл не всегда выглядит как звезда: он может быть пластинкой, столбиком или иглой.
Можно ли определить температуру облака по одной снежинке?
Точно — нет. Форма зависит не только от температуры, но и от влажности, длительности роста и перемещения кристалла между слоями облака. Она может подсказать вероятный тип условий, но не даёт однозначного показания.
Все снежинки состоят из одного кристалла?
Нет. Некоторые снежинки — одиночные кристаллы, а некоторые представляют собой агрегаты из нескольких столкнувшихся и сцепившихся кристаллов. Переохлаждённые капли также могут замёрзнуть на поверхности льда и изменить его первоначальную форму.
Почему снежинки одного снегопада так различаются?
Кристаллы могут расти в разных частях облака и проходить через неодинаковые условия. Различаются также их время роста, количество доступного пара и история столкновений. Поэтому общий снегопад не означает единую форму для всех снежинок.
