как снежинки приобретают такую красивую форму
Как снежинка приобретает свою форму?
В природе, наверное, нет двух совершенно одинаковых снежинок. Каждый момент времени, каждая точка пространства в один и тот же момент времени, несут свою неповторимую информацию в виде физико-химических факторов внешней среды, которую воспринимает и фиксирует в своей структуре образующаяся снежинка. Каждая снежинка, падая на землю, проходит через слои воздуха, отличающиеся влажностью, температурой, загрязнением и другими параметрами. Поэтому среди миллионов снежинок вряд ли можно найти две совершенно одинаковые.
Чтобы не путаться с многообразием снежинок, Международная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И еще три вида обледенелых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
От чего зависит форма снежинки?
Лабораторные опыты по выращиванию снежинок показали, что форма снежинок напрямую зависит от температуры и влажности воздуха.
Пластины образуются при температуре –2° C, колонки – при –5° C, около –15° C снова появляются пластины, и комбинации пластин и колонок – при –30° C. Кроме того, кристаллы снега имеют тенденцию формировать более простые формы при низкой влажности и более сложные при высокой. Самые причудливые формы – длинные иглы образуются при –5° C, и большие тонкие пластины формируются при –15° C и относительно высокой влажности.
Снег возникает, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают. Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются известные шестиконечные формы. Из-за особой структуры молекул воды возможны углы лишь в 60° и 120°.
Как образуются снежинки
При высокой термике кристаллы неоднократно вертикально передвигаются в атмосфере, частично тая и кристаллизуясь заново. Из-за этого нарушается регулярность кристаллов и образуются смешанные формы. При этом существует такое разнообразие, что обычно считается, что не бывает двух одинаковых снежинок. Кристаллизация всех шести лучей происходит в одно и то же время, в практически идентичных условиях, и поэтому особенности формы лучей снежинки получаются столь же идентичны.
Чем объясняется форма снежинок? (3 фото)
Одинаковые разные снежинки
Состав и строение снежинок
Во время исследования множества снежинок было обнаружено, что в их составе помимо водяного пара могут присутствовать и разнообразные примеси: пыльца цветов, пепел вулкана и даже пыль небесных тел, к примеру, метеоров.
То, какой именно будет форма снежинки, зависит от температуры и влажности воздуха в текущий момент времени. Даже незначительные колебания могут повлиять на форму, и заготовка может увеличиться в ширину или обзавестись лучиками. В сильный мороз они увеличиваются в высоту, образуя столбики-бочоночки, а не разветвленные ажурные объекты, или выпадают в виде алмазной пыли – мелких тончайших ледяных иголочек.
Если во время падения и прохождения сквозь облака снежинка многократно поворачивается вокруг своей оси, то становится практически идеальной с точки зрения симметрии. Если же она летит в основном одной стороной вниз, то получится однобокой и асимметричной.
Форма этих крошечных снежных кристалликов уникальна и неповторима. Воспроизвести ее не сможет даже самый талантливый скульптор. Если хорошо присмотреться, то можно рассмотреть в составе одной звездочки другие более мелкие и простые элементы.
Вероятность встретить две одинаковых снежинки практически нулевая. Но если быть точным, то ученые оценивают такой шанс как 1 на 1 квинтиллион. А это, на минуточку, единица с 18 нулями! Но этот факт – не повод расстраиваться. Любая снежинка – это источник вдохновения, ведь ее форму можно взять на вооружение, вырезать свои собственные из обычной бумаги и украсить ими дом или рабочее место. Эти простые безыскусные украшения помогут скрасить будни в ожидании самого волшебного и зимнего праздника года.
Всё о снеге и снежинках
Сколько бы чудес ни повидал человек, первый снег, наверное, всегда будет вызывать чувство восхищения. Снег всегда ассоциируется с чем-то светлым, праздничным и чистым. С этим чудом природы связано немало любопытных фактов.
Как образуется снег?
Происхождение снега не сильно отличается от появления дождя. Это тоже вид атмосферных осадков. Фактически, дождь и снег — это одно и то же явление, происходящее при разных температурах.
Первое условие для появления снега — соответствующая температура: вода превращается в лёд уже при 0ºC. Когда холодает, вода в лужах и водоёмах замерзает и покрывается льдом. Точно так же в небе замерзают и начинают падать в виде снежинок дождевые капли.
Микроскопические капли дождя в облаках под действием низких температур притягиваются к пылевым частицам, соли, песку, пеплу и даже живым бактериям и замерзают, образуя кристаллы льда. В результате конденсации в них воды и воздуха (снежинки на 95% состоят из воздуха) они растут и падают под действием гравитации.
В некотором роде, с геологической точки зрения, можно сказать, что снег — это минерал, ведь он представляет собой лёд определённой формы, а тот, в свою очередь, твёрдое вещество, созданное из однородного материала (воды).
Какой на самом деле цвет у снежинок?
Снег не имеет цвета вообще, белизна его — всего лишь оптическая иллюзия. Отдельные снежинки представляют собой мельчайшие кристаллы льда. Они прозрачны, как и вода, из которой они состоят.
Всё дело в световых волнах: каждой длине соответствует свой цвет. Одни материалы поглощают световые волны определённой длины, другие их отражают, именно поэтому предметы имеют разные цвета. Материал, отражающий падающие на него волны, будет иметь белый свет, материал же, который поглощает световые волны, будет выглядеть чёрным.
Кристаллы снежинки имеют сложную структуру с множеством граней. Свет не проходит через них, а многократно преломляется и отражается. Из-за того, что кристаллы отражают весь спектр падающего на них света, мы воспринимаем снег как белый.
Наш мозг, наше сознание автоматически интерпретирует полученную информацию, подсказывая нам, что снег — белый (даже если он в сумерках приобретает оттенок неба или розовый на закате).
Иногда на чистом снеге можно заметить синеватый оттенок. В этом случае цвет зависит от плотности: у рыхлого снега длинные световые волны проникают глубоко, а у плотного короткие волны, преимущественно синего цвета, остаются на поверхности.
Иногда снег может приобретать розовый, красный или бурый оттенок. Такое явление часто встречается в местах, где распространена водоросль хламидомонада снежная, придающая снежному покрову такие цвета. Более того, розовый снег по вкусу напоминает арбуз — опять же благодаря хламидомонаде.
Были случаи, когда падал окрашенный в серый и даже чёрный цвета снег. Скорее всего, это связано с попаданием в атмосферу копоти и промышленных загрязнений.
В 1955-м году в Калифорнии выпал зелёный фосфоресцирующий снег. Рискнувшие попробовать его на вкус люди погибли, а у тех, кто брал такой снег в руки, появились сильный зуд и сыпь. По сей день происхождение зелёных хлопьев является тайной.
Интересный факт: шерсть полярного медведя кажется белой, хотя на самом деле он чёрный с прозрачной шерстью. Прозрачные волоски медведя имеют цилиндрическую форму и при попадании света преломляют лучи, из-за чего шерсть выглядит белой.
Формы снежинок
Первая удачная фотография снежинки под микроскопом появилась благодаря многолетнему упорству и терпению. Американского фермера Уилсона Бентли. Произошло это в 1885-м году после 46 лет проб и ошибок. С тех пор появилась целая наука «снежинковедение».
Бентли смог сфотографировать более 5000 разных видов снежинок, с чего был сделан вывод: двух одинаковых снежинок не существует. На самом деле, это просто красивая фраза. Да, вариантов форм снежинок действительно бесчисленное множество — как атомов во Вселенной, но это не исключает их повторов.
Падая, снежинка продолжает расти, приобретая свою окончательную форму. Иногда лучи с одной стороны снежинки растут быстрее, чем с других, из-за того, что на пути им встречаются участки облаков, имеющие разную температуру и влажность. Благодаря этому снежинки и приобретают разные геометрические формы.
Самые распространённые форма снежинок:
Призмы — шестиугольные пластинки или тонкие столбики с шестиугольным сечением. Призмы почти не видны невооружённым взглядом, т.к. имеют крошечные размеры.
Иглы — тонкие, длинные, похожие на маленькие светлые волоски снежинки, образующиеся при очень низких температурах.
Дендриты. Имеют ярко выраженные разветвляющиеся лучи. Эти крупные кристаллы можно рассмотреть невооружённым глазом.
12-лучевые снежинки. Иногда столбики формируются с поворотом пластинок относительно друг друга на 30 градусов, из каждой пластинки вырастает кристалл с 12 лучами.
Полые столбики: внутри столбиков с шестиугольным сечением образуются полости симметричной относительно центра кристалла формы.
Папоротникоподобные дендриты — самые крупные снежинки, ветки у них тонкие и очень частые, похожие на листья папоротников.
Пространственные кристаллы. Из капли начинает расти несколько снежных кристаллов в разных направлениях, приобретая сложную форму.
Столбики с наконечниками встречаются редко. Кристаллы начинают расти в виде столбиков, но при попадании в зону с иными погодными условиями на их концах появляются пластинки.
Звёздочки — самые распространённые снежинки, пластинчатые кристаллы в виде звёзд с шестью лучами, украшенные симметричными узорами.
Ученые объяснили, от чего зависит форма снежинок
Французские специалисты метеоцентра ответили на вопросы, почему снег белый, а замерзшая вода прозрачная. В опубликованом газетой Le Figaro материале они также объяснили, от чего зависит форма снежинок.
Эксперты напомнили в этой связи, что превращение воды или водной взвеси в различные по форме снежинки далеко не простой процесс. В большинстве случаев он начинается с того, что вода притягивается к мельчайшим твердым частицам, которые могут быть диаметром в сотую долю миллиметра. То есть изначально это происходит в условиях отнюдь не идеального по чистоте воздуха.
«Французские специалисты метеоцентра ответили на вопросы, почему снег белый,»
Я В ШОКЕ: это было написано во всех детских книжках советского периода!
Хвала хранцузской науке!
Спросите их про жёлтый снег.
Пусть поломают головы.
Иоганн Кеплер, De nive sexangula (О шестиугольных снежинках), 1611 год
Почему снежинки шестиугольны? Этот вопрос не дает мне покоя.
Поправьте под картинкой «снег бЫлый».
неужто кто-то не знал про снег?
Картина «Снежное покрывало»
30*35 холст, темпера. Автор Андрей Бóрис.
Картину можно увидеть на выставке «Сказки у камина» в Мытищинской картинной галерее до 21 марта.
Снежинка
Ответ на пост «В мире нет ничего совершенного, ну кроме снежинок»
В мире нет ничего совершенного, ну кроме снежинок
Чудесный снег!
Вышел на улицу, а вокруг красотень. Словно всё глиттером обсыпали. Редкое сочетание мороза и снегопада, видимо, в облаках создались условия для формирования идеальных снежинок.
Снег искрится как тысячи бриллиантов, всеми цветами радуги. Камера не передаёт великолепия.
Пытался снять макро, но получилось так себе. А потом вовсе камера сказала «отбой», замёрз аккумулятор.
Поглядите, все снежинки как блестяшки! Правильной кристаллической формы.
У каждого своя ёлка на новый год.
Интересные факты о снеге
Этот год оказался сложным для всех. Но кто нам может помешать долгими зимними вечерами смотреть на падающий снег? Лепить снежную бабу, кататься с горок зимой. А так ли прост снег как нам кажется? Давайте узнаем интересные факты про снег.
1. Около 50% населения Земли никогда не видели настоящего снега. Разве что на фото. Поэтому, может, мы делаем доброе дело для жителей Фиджи или Пуэрто-Рико, когда публикуем зимние картинки? (Жители северных городов РФ позавидовали бы им, и их климату)
2. Считается, что двух снежинок с одинаковым узором не существует. Как уверяет физик Джон Нельсон, вариантов геометрических форм снежинок больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. (Я пытался вырезать 2 одинаковые снежинки из бумаги, не получилось)
4. Снег белый. Да. В подавляющем большинстве случаев. Однако иногда ему случается быть другого цвета. Например, розовым или красным. Такое бывает высоко в горах и в приполярных областях Земли. Необычный оттенок ему придает распространенная там водоросль хламидомонада снежная. (Жду шутки про желтый снег в комментариях)
8. Может, жизни на Марсе и нет. Но снег там есть точно! Как привычный нам, так и снег из твердой углекислоты.
10. Кстати, скрип, похожий на хруст снега, можно получить, если сжимать смешанные соль и сахар. Раньше этот прием довольно часто использовался при озвучивании фильмов и в театральных постановках.
11. Известно, что в 1949 году снег выпал в пустыне Сахара. И даже продержался там целых полчаса!
12. Первая удачная фотография снежинки под микроскопом была сделана в 1885 году. Заслуга принадлежит упорству и терпению американского фермера Уилсона Бентли. Ему понадобилось для этого кадра 46 лет проб и ошибок. Всего же Бентли принадлежат более 5000 уникальных снимков. Утверждение, что не существует двух одинаковых снежинок, изначально строилось именно на его работах. (Жители Норильска вам бросили вызов. )
13. В Японии на острове Хоккайдо существует музей снежинок. Он назван в честь физика Накая Укитиро. (В Норильске мне кажется больше снежинок )
14. В США в лаборатории профессора Кеннета Либбрехта снежинки научились выращивать искусственно.
15. Существует Всемирный день снега. Он ежегодно отмечается 19 января.
16. Раньше считалось, что слов для обозначения снега и льда больше всего в языке эскимосов. А сейчас пальму первенства в этом плане лингвисты отдали саамам, живущим на севере Скандинавии (минимум 180 слов для этих понятий). (Норильск. жду ваших ответов как вы называете снег)
17. Предполагается, что в одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок.
18. Обычно снежинки имеют диаметр в 5 мм и весят порядка 0,004 г.
Всем спасибо за уделенное время.
Что может быть лучше котиков? =)
Лето. Жара. А про зиму забыли.
Просто кошка впервые видит снег и ничего больше.
октябрь 2018
Камера со снежинками поможет обнаружить темную материю
Ученые из Университета штата Нью-Йорк в Олбани открыли свойство переохлажденной воды замерзать при символическом воздействии на нее на субатомном уровне. Это позволило им сконструировать новый вид детектора, который поможет в поисках темной материи. Преимущество технологии в невероятной дешевизне, что позволит в перспективе создать тысячи детекторов.
Мэтью Шидагис, ведущий автор исследования, рассказывает: им удалось доказать, что даже ничтожно малое воздействие на атомы воды в таком состоянии провоцирует образование льда. Это во многом схоже с принципом работы старых дозиметров с камерой с перегретым паром – при движении через неустойчивую среду активные частицы вызывают возмущение, которое можно заметить визуально. Однако в случае с переохлажденной водой гамма-излучение никакого эффекта не дало — в отличие от нейтронов, что и навело ученых на мысль о постройке детектора темной материи.
Вкратце, идея в том, чтобы создать вокруг камеры с водой такие условия, когда можно будет исключить все виды воздействия на нее. А затем провести замеры – если нечто вызовет образование льда, значит, мы нашли новое излучение! А так как вода много дешевле, чем жидкий ксенон или сверхтекучий гелий в современных приборах, то эксперименты можно ставить много и с размахом, и наконец-то заняться масштабными поисками темной материи.
Создан энергогенератор, высасывающий электричество из снежинок
Группа физиков из Канады и США создала устройство, которое вырабатывает электричество при соприкосновении со снегом. Выдаваемая им мощность слишком мала для промышленных целей, однако ее может быть достаточно для питания малых автономных метеостанций.
Новая разработка использует для генерации электричества тот факт, что снежинки несут на себе слабый электрический заряд. Ученым удалось добиться того, что при взаимодействии с положительно заряженными снежинками материал приобретает такой же заряд — поэтому изготовленная из него пластина при снегопаде оказывается положительным полюсом батареи постоянного тока. Напряжение такого источника тока достигает восьми вольт при плотности тока до 40 микроампер с квадратного метра: экспериментальная установка выдала на испытаниях 0,2 милливатта мощности.
Для работы чего-то серьезного это, конечно, слишком малая величина (даже один светодиод потребляет десятки милливатт). Но такой мощности может оказаться достаточно для питания микросхемы в автоматической метеостанции. Кроме того, по выдаваемому устройством току можно достаточно точно определить плотность снегопада вкупе с направлением и скоростью ветра.
Таким образом, «снежный генератор» сможет, по меньшей мере, стать прибором для мониторинга снегопадов: по заверениям изобретателей, в этой области до сих пор не хватает автономных и надежных решений.
Еще одной важной особенностью генератора является то, что он полностью напечатан на специальном принтере. Подложка и покрывающий слой сделаны из силиконового полимера, твердеющего под действием ультрафиолета — а токопроводящие и электризующиеся дорожки также созданы из прозрачного затвердевающего полимера PEDOT: PSS (смесь поли-3,4-этилендиокситиофена и поли-4-стиролсульфоната). Напечатать можно любую нужную форму, а гибкость используемых полимеров (кстати, недавно другой коллектив научился делать в силиконе даже гибкие транзисторы) позволяет сделать «снегоэлектрическое» покрытие практически на чем угодно.
Так, ученые отмечают, что их прозрачное детище можно укладывать поверх заносимых снегом солнечных батарей — так они продолжат выдавать достаточный для работы метеодатчиков ток даже во время ночного снегопада. А в ходе других тестов разработчики крепили слой «сноутенга» (Snow-TENG) к подошвам зимних ботинок и расхаживали в них по сугробам, вырабатывая электричество.
PS: баянометр показывал сходную картинку, новости подобной он не нашел на сайте, если что не так извините, просто весьма забавно, а главное, за чтооо. так наказали снежинок)))
Великая теория снежинок
Снега в центральной части России этой зимой маловато. Кое-где он выпал, конечно, но в январе месяце можно было ждать какой-то более морозной и снежной погоды. Унылая серость и неприятная слякоть мешают ощутить радость от привычных зимних забав. Поэтому Cloud4Y предлагает добавить немного снега в нашу жизнь, поговорив о… снежинках.
Считается, что снежинки бывают только двух типов. И у одного из учёных, которого иногда называют «отцом» физики снежинок, появилась новая теория, объясняющая причину этого. Кеннет Либбрехт — это удивительный человек, который готов посреди зимы покинуть нагретую солнцем Южную Калифорнию, чтобы добраться до Фэрбенкса (Аляска), надеть тёплую куртку и сесть в промороженном поле с камерой и куском пенопласта в руках.
Зачем? Он ищет самые сверкающие, самые фактурные, самые красивые снежинки, которые может создать природа. По его словам, наиболее интересные образцы имеют тенденцию образовываться в самых холодных местах — пресловутом Фэрбенксе и в заснеженной северной части Нью-Йорка. Самый же лучший снег, который Кеннет когда-либо наблюдал, шёл в Кокрейне, местечке на северо-востоке Онтарио, где слабый ветер кружил снежинки, падающие с неба.
Очарованный стихией, Либбрехт с упорством археолога изучает свою пенопластовую доску. Если там есть что-то интересное, взгляд обязательно зацепится за это. Если же нет — снег сметается с доски, и всё начинается заново. И это длится часами.
Либбрехт — физик. По забавному стечению обстоятельств, его лаборатория в Калифорнийском технологическом институте занимается исследованиями внутренней структуры Солнца и даже разработала современные приборы для обнаружения гравитационных волн. Но последние 20 лет подлинной страстью Либбрехта был снег — не только его внешний вид, но и то, что заставляет его так выглядеть. «Вопрос о том, что за объекты падают с неба, как это происходит и почему они так выглядят, всё время терзает меня», — признаёт Кеннет.
Долгое время для физиков было достаточно знания того, что среди множества крошечных снежных кристаллов можно выделить два преобладающих типа. Один из них — плоская звезда с шестью или двенадцатью лучами, каждый из которых украшен головокружительно красивыми кружевами. Другой — своего рода миниатюрная колонна, иногда зажатая меж плоских «крышек», а иногда похожая на обычный болтик. Эти формы можно увидеть при разной температуре и влажности, но причина образования той или иной формы была загадкой. Годы наблюдений Либбрехта помогли лучше понять процесс кристаллизации снежинок.
Наработки Либбрехта в этой области помогли создать новую модель, которая объясняет, почему снежинки и другие снежные кристаллы образуют то, что мы привыкли видеть. Согласно его теории, опубликованной в интернете в октябре 2019 года, описывает движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул могут порождать совокупность кристаллов, которые образуются в различных условиях. В своей монографии объёмом 540 страниц Либбрехт описывает все знания о снежных кристаллах.
Шестиконечные звёзды
Вы, конечно же, знаете, что невозможно увидеть две одинаковые снежинки (разве что на этапе зарождения). Этот факт связан с тем, как кристаллы формируются в небе. Снег — это скопление ледяных кристаллов, которые образуются в атмосфере и сохраняют свою форму, когда они все вместе падают на Землю. Они образуются, когда атмосфера достаточно холодная, чтобы не допустить слияния или таяния и превращения в мокрый снег или дождь.
Хотя в пределах одного облака можно зафиксировать множество температур и уровней влажности, для одной снежинки эти переменные будут постоянными. Вот почему снежинка часто растёт симметрично. С другой стороны, каждая снежинка подвергается воздействию ветра, солнечного света и другим факторам. По сути, каждый кристалл подчиняется хаосу облака, и потому принимает различные формы.
Согласно исследованию Либбрехта, самые ранние размышление об этих деликатных формах зафиксированы в 135 г. до н.э. в Китае. «Цветы растений и деревьев, как правило, пятиконечные, но цветы снега всегда шестиконечные», — писал ученый Хань Инь. А первым ученым, который попытался разобраться, почему так происходит, был, вероятно, Йоханнес Кеплер, немецкий ученый и эрудит.
В 1611 году Кеплер преподнёс новогодний подарок своему покровителю, императору Священной Римской империи Рудольфу II: небольшой трактат под названием «О шестиугольных снежинках».
«Я перехожу мост, терзаемый стыдом – я оставил тебя без новогоднего подарка! И тут мне подворачивается удобный случай! Водяные пары, сгустившись от холода в снег, выпадают снежинками на мою одежду, все, как одна, шестиугольными, с пушистыми лучами. Клянусь Гераклом, вот вещь, которая меньше любой капли, имеет форму, может служить долгожданным новогодним подарком любителю Ничего и достойна математика, обладающего Ничем и получающего Ничто, поскольку падает с неба и таит в себе подобие шестиугольной звезды!».
«Должна быть причина, по которой снег имеет форму шестиугольной звездочки. Это не может быть случайностью», — был уверен Йоханнес Кеплер. Возможно, ему вспомнилось письмо от своего современника Томаса Харриота, английского ученого и астронома, который также успел поработать штурманом для исследователя сэра Уолтера Роли. Около 1584 года Харриот искал наиболее эффективный способ складывать пушечные ядра на палубах кораблей Роли. Харриот обнаружил, что гексагональные узоры кажутся наилучшим способом расположения сфер, и он обсуждал этот вопрос в переписке Кеплером. Кеплер задавался вопросом, происходит ли что-то подобное в снежинках и благодаря какому элементу возникают и держатся эти шесть лучей.
Можно сказать, что это было начальное понимание принципов атомной физики, о которой заговорят лишь через 300 лет. Действительно, молекулы воды с их двумя атомами водорода и одним кислородом имеют тенденцию соединяться вместе, образуя гексагональные массивы. Кеплер и его современники даже не представляли, насколько это важно.
Как говорят физики, благодаря водородной связи и взаимодействия молекул друг с другом мы можем наблюдать открытую кристаллическую структуру. Помимо способности выращивать снежинки, шестиугольная структура позволяет сделать лёд менее плотным по сравнению с водой, что оказывает огромное влияние на геохимию, геофизику и климат. Другими словами, если бы лёд не плавал, жизнь на Земле была бы невозможна.
Но после трактата Кеплера наблюдение за снежинками было скорее хобби, чем серьёзной наукой. В 1880-х годах американский фотограф по имени Уилсон Бентли, живший в холодном, вечно заснеженном маленьком городишке Иерихон (штат Вермонт, США), начал делать снимки снежинок с помощью фотопластин. Он успел создать более 5000 фотографий, прежде чем умер от пневмонии.
В условиях низкой влажности снежинки-звёзды образуют несколько ветвей и напоминают гексагональные пластины, но при высокой влажности становятся более замысловатыми, кружевными.
По мнению Либбрехта причины появления различных форм снежинок стали понятнее именно благодаря работе Накая. Было установлено, что снежные кристаллы превращаются в плоские звёзды и пластины (а не трёхмерные структуры), когда края быстро растут наружу, а грани медленно растут вверх. Тонкие колонны растут по-другому, с быстро растущими гранями и более медленно растущими краями.
В то же время, основные процессы, влияющие на то, станет ли снежинка звездой или колонной, остались невыясненными. Возможно, секрет крылся в температурных условиях. И Либбрехт пытался найти ответ на этот вопрос.
Рецепт снежинки
Вместе со своей маленькой командой исследователей Либбрехт пытался придумать рецепт снежинки. То есть некий набор уравнений и параметров, которые можно загрузить в компьютер и получить от ИИ великолепное разнообразие снежинок.
Свои исследования Кеннет Либбрехт начал двадцать лет назад, узнав об экзотической форме снежинки, называемой закрытой колонной. Она похожа на катушку для ниток или на два колеса и ось. Рождённый на севере страны, он был шокирован тем фактом, что ни разу не видел такой снежинки.
Поражённый бесконечными формами снежных кристаллов, он занялся изучением их природы, создав лабораторию для выращивания снежинок. Результаты многолетних наблюдений помогли создать модель, которую сам автор считает прорывной. Он предложил идею молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Эта идея описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий и поведения молекул, которые его образуют.
Представьте, что молекулы воды расположены свободно, так как пары воды только начинают замерзать. Если бы можно было оказаться внутри крошечной обсерватории и смотреть на этот процесс, то можно было бы увидеть, как молекулы замёрзшей воды начинают образовывать жёсткую решетку, где каждый атом кислорода окружён четырьмя атомами водорода. Эти кристаллы растут путём включения молекул воды из окружающего воздуха в их структуру. Они могут расти в двух основных направлениях: вверх или наружу.
Тонкий плоский кристалл (пластинчатый или звездообразный) образуется, когда края формируются быстрее, чем две грани кристалла. Растущий кристалл будет распространяться наружу. Однако, когда его грани растут быстрее, чем его края, кристалл становится выше, образуя иглу, полый столб или стержень.
Ещё момент. Обратите внимание на третью фотографию, сделанную Либбрехтом в северном Онтарио. Это кристалл с «закрытыми колоннами» — две пластины, прикрепленные к концам толстого столбчатого кристалла. В этом случае каждая пластина разделена на пару гораздо более тонких пластин. Приглядитесь к краям, вы увидите, как пластина делится на две. Края этих двух тонких пластин примерно такие же острые, как лезвие бритвы. Общая длина ледяной колонны составляет около 1,5 мм.
Согласно модели Либбрехта, водяной пар сначала оседает по углам кристалла, а затем распространяется (диффундирует) по поверхности либо к краю кристалла, либо к его граням, заставляя кристалл расти наружу или вверх. Какой из этих процессов «выигрывает», зависит главным образом от температуры.
Нужно заметить, что модель является «полуэмпирической». То есть она частично построена так, чтобы соответствовать происходящему, а не объяснять принципы роста снежинок. Нестабильности и взаимодействия между бесчисленными молекулами слишком сложны, чтобы полностью их раскрыть. Впрочем, остаётся надежда на то, что идеи Либбрехта послужат основой для всеобъемлющей модели динамики роста льда, которую можно будет детализировать с помощью более подробных измерений и экспериментов.
Не стоит думать, что эти наблюдения интересны узкому кругу учёных. Подобные вопросы возникают в физике конденсированных сред и в других сферах. Молекулы лекарств, полупроводниковые чипы для компьютеров, солнечные элементы и множество других отраслей полагаются на высококачественные кристаллы, и целые группы занимаются вопросом их выращивания. Так что нежно любимые Либбрехтом снежинки вполне могут послужить на благо науки.
Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y