Эксперт Пермского Политеха рассказал, где и как создаются снежинки, почему у них всегда шесть лучей, с помощью чего образуется узор, всегда ли эти кристаллы белого цвета, с какой скоростью они летят, сколько молекул воды содержит одна снежинка, каких размеров достигла самая большая и от чего хрустит снег под ногами?
В ПНИПУ рассказали, что такое снежинка и от чего зависит ее узор / © Carmen Keuper, Unsplash
Снег – это замерзший водяной пар, выпадающий на Землю в виде атмосферных осадков – снежинок. В большинстве случаев они образуются в высокослоистых облаках среднего яруса на высоте 3-6 километров от поверхности земли. Температура в этих слоях тропосферы оптимальна для роста кристаллов снега.
Когда на пыльце, пылинке или любой другой частичке в небе оседают молекулы воды и мгновенно замерзают, образуется ледяной кристалл. При его падении на землю, водяной пар осаждается, кристаллизуясь на зародыше.
«Сложная форма снежинки определяется атмосферными условиями, в которых находился ледяной кристалл при падении. Его лучи могут начать расти одним способом, а затем, через определенный промежуток времени, незначительные изменения температуры или влажности окружающей среды заставляют кристалл расти в другом направлении. Чем сильнее восходящие потоки воздуха и чем больше в облаке влаги, тем крупнее успеют стать снежинки», – рассказывает Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.
При низкой температуре молекулы воды объединяются в группы по шесть и образуют правильный шестиугольник «дендрит» с внутренними углами 120 градусов. Такая структура характерна не только для снега, но еще и для талой воды и льда.
«Если говорить более подробно, то одна молекула воды – это один атом кислорода и два атома водорода. Благодаря водородным связям они выстраиваются в вершинах правильного шестиугольника, создавая главный кристалл. На нем, в свою очередь, вырастают боковые отростки. Температура и влажность воздуха вокруг снежинки одинакова, поэтому изначально она идеальна и симметрична по всей своей форме», – поясняет Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.
По словам эксперта, в 1951 году Международная ассоциация гидрологических наук предложила классификацию, различающую семь основных форм кристаллов:
Пластинки – это плоские и тонкие шестиугольные снежинки без лучиков. Звездчатые дендриты – любимые многими снежинки, когда от центральной льдинки расходятся шесть лучей. Поскольку у них много ответвлений, они захватывают воздух в снежный покров и создают самый пушистый снег.
Пространственные дендриты – это объемные снежинки, которые напоминают хлопья. Они образуются при срастании нескольких кристаллов.
Столбики (колонны) – самая распространенная форма. Этот тип имеет тенденцию образовываться при сильных морозах, поэтому они не склеиваются. Их можно увидеть в рыхлом снегу. Увенчанные столбики – колонны, на концах которых растут пластинки. Формируются, когда кристаллы попадают в зону с другой температурой.
Иглы – похожи на тонкие нити. Эта структура позволяет хлопьям очень плотно собираться вместе, поэтому такой снег идеален, чтобы кататься на горных лыжах или лепить снежки.
Кристаллы неправильной формы. На долю снежинки может выпасть немало приключений, она может потерять некоторые из своих веточек или разломаться совсем. Обычно таких сломанных снежинок много в сыром снеге и при сильном ветре.
По словам эксперта, форма снежинки зависит от атмосферного давления, от напряженности электрического и магнитного полей, ветра, влажности и температуры. Именно она решает, будет ли развиваться и видоизменяться верхняя или нижняя призма, либо же только их боковые грани.
«Известно, что когда на улице минус 5-10 градусов Цельсия, то образуются снежинки в форме иголочек или столбиков. При температурах в 10-12 градусов формируются снежинки в виде пластинок или хлопьев. А вот когда за окном держится минус 12-18 градусов, получаются самые красивые ветвистые шестигранные снежинки – звездчатые дендриты, их размер обычно пять миллиметров и более», – отмечает Егор Разумовский.
Каждая снежинка сама по себе не белая, а бесцветная, прозрачная, как лед, но множество таких снежинок наш глаз воспринимает белыми. Суть в том, что каждая световая волна имеет свою длину и частоту колебаний. Однако сами по себе они не имеют цвета. Цвет появляется, когда мы воспринимаем отражение волн глазами. Цвет окружающих нас предметов формируется благодаря поглощению и отражению световых волн. Одни материалы способны поглощать волны определенной длины, а другие — отражать. Например, материалы, которые вбирают все волны, будут выглядеть черными, а те, что отбрасывают все падающие на него – белым.
«Снег лежит в хаотичном порядке и образует рыхлую массу. Солнечный свет, попадая на снежинки, многократно преломляется и рассеивается ледяными кристаллами, меняя свое направление. Это приводит к тому, что весь видимый спектр света отражается равномерно, создавая ощущение белого», – сообщает эксперт ПНИПУ.
Примечательно, что снег способен отражать и ультрафиолет, поэтому на его фоне очень легко загорать и можно получить кожный ожог в мороз.
Состав облаков и область их географического расположения влияют на оттенок образующихся кристаллов. Это связано с тем, что частицы разного вида пыли и цвета могут являться центрами кристаллизации (зародышами). Обычно мы все равно видим такой снег белым.
«Если говорить про коричневый, бурый или серый падающий снег, то его цвет вызван циклонами, принесшими пыль. Например, частицы песка, горных пород, химических веществ на производствах, сланцевого угля захватываются сильными воздушными потоками и поднимаются в нижние слои атмосферы, где происходит постоянное перемешивание воздуха и перемещение его в разных направлениях. Некоторые частицы задерживаются в этих слоях, а затем выпадают вместе с осадками», – поясняет Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.
«Снежинки падают на землю со скоростью, которая зависит от нескольких параметров: формы, размера и плотности. При этом важно учитывать и турбулентные потоки воздуха. В среднем снежные кристаллы находятся в состоянии падения с постоянной скоростью около 0,3 метров в секунду», – отметил эксперт Пермского Политеха.
У больших и сложных снежных кристаллов через микроскоп действительно можно найти сходства. Однако если спуститься на молекулярный уровень, то окажется, что они различаются по количеству атомов и соотношению изотопов – атомов с одинаковым числом протонов в ядре, но разным числом нейтронов.
«Немножко снежной теории вероятности. Одна снежинка содержит примерно 100 квинтиллионов водных молекул и число комбинаций, составленное таким количеством, близится к бесконечности, поэтому шанс образования двух полностью совпадающих структур снежинок практически равна нулю», – отмечает Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.
В Книге рекордов Гиннесса зафиксирован случай обнаружения огромной снежинки в Форт-Киу, штат Монтана, 28 января 1887 года. Ее ширина достигала 38 сантиметров, а толщина — 20 сантиметров. Важно отметить, что это был пространственный дендрит, то есть множество кристаллов срослись во время падения.
Самый крупный индивидуальный ледяной кристалл был описан исследователем Кеннетом Либбрехтом, который всю свою жизнь посвятил изучению и фотографированию снежинок. Самый большой экземпляр он обнаружил 30 декабря 2003 года в городе Кокрейн, расположенном в провинции Онтарио, Канада. Длина такого звездчатого дендрита от одного конца до другого составляла 10 миллиметров.
«Хруст снега возникает, когда тысячи микрокристаллов ломаются одновременно. После минус 18 градусов Цельсия снежинки становятся более твердыми и хрупкими. Они разрушаются от незначительного воздействия и трения. Достаточно легкого движения и структура кристаллов уже начинает разрушаться, а хруст становится более различимым и четким. При околонулевых температурах снег содержит в себе некоторое количество воды в жидком состоянии. А энергия, передаваемая ботинком, заставляет кристаллы таять, в результате чего мы шагаем почти беззвучно», – говорит Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.
