Почему у снежинок шесть лучей — как они формируются
Надежда ВасляеваПоделитьсяСнег — это замерзший водяной пар, который падает на Землю в виде снежинок. Обычно они образуются в высокослоистых облаках среднего яруса. Температура в этих слоях тропосферы оптимальна для формирования снежных кристаллов.
Снег — это замерзший водяной пар, который падает на Землю в виде снежинок. / iStock
Они появляются в облаках из водяного пара вокруг микроскопической частицы. У подавляющего большинства снежинок всегда шесть лучей — это не случайность, а закон физики. При этом двух абсолютно похожих не существует. Также снежинка может менять вид несколько раз, пока падает на землю.
Почему у снежинок одинаковое число лучей и от чего зависит их форма в мороз и оттепель — расскажем в статье.
Содержание:
Как и где формируются снежинки
В каких условиях появляются снежинки
Снежинки формируются при минусовой температуре в облаках на высоте 3-6 км. При этом обязательным условием их появления является наличие микроскопического ядра (пылинка, кристалл).
Обязательным условием появления снежинки является наличие микроскопического ядра (пылинка, кристалл). Фото: iStock
Этапы формирования снежинки
Снежинки в природе проходят несколько этапов формирования:
Почему у снежинки именно шесть лучей
Физика, а не случайность
Лед имеет гексагональную кристаллическую решетку с атомами кислорода, образующими шестиугольники. Атомы водорода занимают разные положения, формируя водородные связи. Эти углы делают шестиугольную форму энергетически выгодной. Углы в 120° обеспечивают симметрию и меньшую плотность льда по сравнению с водой. Рост кристалла происходит равномерно во всех направлениях.
Лед имеет гексагональную кристаллическую решетку с атомами кислорода, образующими шестиугольники. Фото: iStock
Когда температура падает, молекулы воды объединяются в группы по шесть штук. Эти группы образуют правильный шестиугольник, называемый «дендрит». Такая структура характерна не только для снежинок, но и для талой воды и льда.
Каждая молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Водородные связи помогают им выстраиваться в правильный шестиугольник — основу снежинки. На этом основном кристалле затем появляются боковые отростки. Снежинка изначально обладает идеальной симметрией.
Бывают ли исключения
Да, в природе происходят некие искажения, и есть исключения:
- Сдвоенные снежинки (12 лучей) — образуются при слиянии двух шестилучевых снежинок. Это редкое явление, возникающее при высокой концентрации ледяных частиц и турбулентности.
- Искаженные формы — возможны при столкновениях с другими кристаллами, каплями воды или частицами. Неравномерное поступление молекул воды также приводит к искажениям.
Каждая снежинка уникальна из-за множества переменных, влияющих на ее формирование. Несмотря на общую гексагональную структуру, мельчайшие изменения условий приводят к различиям в форме. Математическая вероятность двух одинаковых снежинок стремится к нулю из-за огромного числа молекул.
Искаженные формы возможны при столкновениях с другими кристаллами, каплями воды или частицами. Фото: iStock
Основные виды снежинок в природе
В 1951 году Международная ассоциация гидрологических наук разработала классификацию, включающую основные формы кристаллов:
Столбики, или колонны — наиболее распространенная форма снежинок. Они часто формируются при сильных морозах и при этом не склеиваются между собой. Их можно увидеть в рыхлом снегу. Фото: iStock
От чего зависит форма снежинки
Форма снежинок непосредственно зависит от таких факторов, как температура воздуха, влажность, атмосферное давление, электрическое и магнитное поля, а также поверхностное таяние.
Почему форма меняется в полете
Снежинка проходит путь с облаков до неба, перемещаясь в слоях атмосферы с разными условиями. При этом наблюдается асимметричный рост ветвей. Поэтому форма одной снежинки может поменяться несколько раз.
Формы снежинок и условия их образования
Форма снежинкиТемператураОсобенностиПластина−10…−12°CПлоская, симметричнаяДендрит−12…−18°CВетвистая, «звездочка»Игла −5…−10°C ВытянутаяСтолбикниже −5 °CКомпактная
Бывают ли одинаковые снежинки
Под микроскопом в больших и сложных снежных кристаллах можно найти некоторые похожие узоры. Но если посмотреть на них внимательнее, на молекулярном уровне, то становится ясно, что они отличаются. Разница заключается в количестве атомов и соотношении изотопов (атомов с одинаковым числом протонов в ядре, но разным числом нейтронов).
На уникальность снежинок также оказывает влияние постоянно меняющиеся условия роста. Разная температура воздуха и атмосферное давление могут видоизменять форму снежинки несколько раз.
Под микроскопом в больших и сложных снежных кристаллах можно найти некоторые похожие узоры. Фото: iStock
Одна снежинка состоит примерно из 100 квинтиллионов молекул воды, и количество возможных комбинаций этих молекул стремится к бесконечности. Поэтому вероятность того, что две снежинки будут абсолютно идентичными, практически равна нулю. И даже микроскопические различия считаются уникальностью.
Почему снег белый?
Каждая отдельная снежинка на самом деле бесцветна и прозрачна, как лед. Однако множество таких снежинок создают иллюзию белого цвета.
Причина этого явления кроется в природе света. Каждая световая волна имеет свою длину и частоту колебаний, но сама по себе она не имеет цвета. Он появляется, когда волны отражаются от предметов и воспринимаются нашими глазами. Цвет материалов зависит от того, какие световые волны они поглощают, а какие отражают. Например, предметы, поглощающие все волны, выглядят черными, а те, что отражают все падающие на них, кажутся белыми.
Снег представляет собой хаотичное скопление снежинок, образующих рыхлую массу. Фото: iStock
Снег представляет собой хаотичное скопление снежинок, образующих рыхлую массу. Когда солнечный свет падает на снег, он многократно преломляется и рассеивается ледяными кристаллами, изменяя свое направление. Это приводит к равномерному отражению всего видимого спектра света, создавая ощущение белого цвета.
Как снежинки используют в науке и метеорологии
Как определяют температуру облаков по форме снежинок
- При температуре от -3 до 0 °С появляются плоские шестиугольники.
- В диапазоне от -5 до -3 °С формируются игольчатые кристаллы.
- При температуре от -8 до -5 °С возникают столбики-призмы.
- При температуре от -12 до -8 °С снова появляются плоские шестиугольники.
- От -16 до -12 °С образуются первые звездчатые снежинки.
При дальнейшем понижении температуры снежинки могут принимать любые формы.
При температуре от -3 до 0 °С появляются плоские шестиугольники. Фото: iStock
Практическое значение
Снежинки имеют прикладное значение в разных областях: метеорологии, климатологии и физике кристаллов.
- Метеорология
Снежинки — важный индикатор изменений температуры, влажности и давления. Их форма и размер помогают прогнозировать снегопады и другие атмосферные явления.
Исследование снежного покрова важно для климатических исследований. Снег влияет на глобальный климат. Фото: iStock
Изучение движения снежинок улучшает прогнозы осадков. Ученые выделили четыре типа движения кристаллов: стабильное падение, зигзагообразное, смешанное и спиралевидное. Эти данные помогают интерпретировать радиолокационные сигналы. В снегопад метеорологи могут использовать снежинки для оценки состояния верхних слоев атмосферы.
- Климатология
Исследование снежного покрова важно для климатических исследований. Снег влияет на глобальный климат, отражая солнечное излучение, поглощая и испаряя воду, изменяя поверхностную температуру и другие процессы. Понимание взаимодействия снега с атмосферой, почвой и гидросферой улучшает прогнозы климатических изменений.
- Физика кристаллов
Изучение снежинок важно для исследований формы, структуры и свойств снега и ледяных кристаллов. Это помогает понять процессы кристаллизации и образования льда в атмосфере.
Теория позволяет предсказывать рост кристаллов с разной симметрией от центрального ствола до мельчайших ветвей с помощью единого уравнения. Фото: iStock
Так, исследования Кеннета Либбрехта подтвердили гипотезу о молекулярной диффузии: молекулы воды сначала «цепляются» за углы снежинки, а затем перемещаются по ее поверхности. Ученые Уральского федерального университета создали математическую модель, описывающую форму снежинок и металлических кристаллов (дендритов). Эта теория позволяет предсказывать рост кристаллов с разной симметрией от центрального ствола до мельчайших ветвей с помощью единого уравнения.
Часто задаваемые вопросы
Почему у снежинок шесть лучей?
Снежинки имеют шесть лучей (или граней), что обусловлено спецификой кристаллизации льда. Это явление связано с молекулярной структурой воды и особенностями процесса кристаллизации. При понижении температуры молекулы воды группируются по шесть штук, формируя правильный шестиугольник, известный как «дендрит». Внутренние углы этого шестиугольника составляют 120°. Такая структура присуща не только снегу, но и талой воде и льду.
Как формируются снежинки в облаках?
Снежинки появляются в облаках благодаря охлаждению водяного пара и его конденсации на мельчайших частицах пыли или соли. После этого капли воды кристаллизуются, образуя снежинки. Обычно этот процесс происходит в высокослоистых облаках на высоте от 3 до 6 километров над поверхностью земли.
Бывают ли снежинки с другим количеством лучей?
У большинства снежинок шесть лучей, что объясняется строением кристаллической решетки льда, состоящей из шестиугольных ячеек. Однако при слиянии в полете двух снежинок на землю может опуститься кристалл с большим числом лучей. Если же снежинка имеет меньше лучей, чем обычно, это, скорее всего, результат воздействия ветра, который в полете сломал один-два луча.
От чего зависит форма снежинки зимой?
Форма снежинки зависит от атмосферных условий, в которых она формируется. Лучи снежинки могут расти в одном направлении, но под воздействием небольших изменений температуры или влажности воздуха кристалл начинает расти иначе. Интенсивность восходящих воздушных потоков и количество влаги в облаке влияют на размер снежинок: чем сильнее потоки и больше влаги, тем крупнее становятся снежинки.
Почему снег хрустит под ногами?
Хруст снега обусловлен одновременным разрушением множества микрокристаллов. При температуре ниже -18 °С снежинки теряют свою эластичность и становятся хрупкими. Даже слабое воздействие или трение могут вызвать их разрушение, что приводит к появлению характерного хруста. Этот звук становится более отчетливым при движении, так как структура кристаллов нарушается под давлением. В условиях температур, близких к нулю, снег содержит жидкую воду. Энергия, передаваемая от подошвы обуви, вызывает таяние кристаллов, что делает шаги почти бесшумными.
Заключение
Снежинка — результат строгих законов физики, а не случайности. Шесть лучей — это следствие кристаллической структуры льда. Разнообразие форм создается условиями, при которых снежинка формируется в атмосфере. Все это наука, делающая снег сказкой. Поэтому стоит ли удивляться форме снежинок, если каждая из них — маленький физический эксперимент природы.