Скоро ожидается снегопад! Ученые объяснили, что представляет собой снежинка и от чего зависит ее уникальный узор.

Происхождение снежинки

Снег представляет собой замерзший водяной пар, который падает на Землю в виде снежинок. В большинстве случаев они формируются в высокослоистых облаках среднего уровня на высоте от 3 до 6 километров над землей. Температура в этих слоях тропосферы является оптимальной для роста снежных кристаллов.

Когда молекулы воды оседают на пыльце, пылинке или другой частице в атмосфере и моментально замерзают, образуется ледяной кристалл. При его падении на землю водяной пар осаждается и кристаллизуется на зародыше.

«Сложная форма снежинки зависит от атмосферных условий, в которых находился ледяной кристалл в процессе падения. Его лучи могут расти одним способом, а затем небольшие изменения температуры или влажности окружающей среды могут заставить кристалл развиваться в другом направлении. Чем сильнее восходящие потоки воздуха и чем больше влаги в облаке, тем крупнее становятся снежинки», – объясняет Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.

Почему снежинка имеет шесть лучей?

При низких температурах молекулы воды объединяются в группы по шесть и формируют правильный шестиугольник «дендрит» с внутренними углами по 120 градусов. Такая структура характерна не только для снега, но и для талой воды и льда.

«Если говорить более подробно, одна молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Благодаря водородным связям они располагаются в вершинах правильного шестиугольника, создавая основной кристалл. На нем вырастают боковые отростки. Температура и влажность воздуха вокруг снежинки одинаковы, поэтому изначально она идеальна и симметрична», – уточняет Егор Разумовский, аспирант кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ.

Какие формы может принимать снег?

По словам эксперта, в 1951 году Международная ассоциация гидрологических наук предложила классификацию, выделяющую семь основных форм кристаллов:

Пластинки – это плоские и тонкие шестиугольные снежинки без лучиков. Звездчатые дендриты – популярные снежинки, от центрального кристалла которых расходятся шесть лучей. Благодаря множеству ответвлений они захватывают воздух, образуя самый пушистый снег.

Пространственные дендриты – объемные снежинки, напоминающие хлопья. Они формируются в результате срастания нескольких кристаллов.

Столбики (колонны) – наиболее распространенная форма. Этот тип образуется при сильных морозах, поэтому они не слипаются. Их можно увидеть в рыхлом снегу. Увенчанные столбики – колонны, на концах которых растут пластинки. Они формируются, когда кристаллы попадают в зону с другой температурой.

Иглы – напоминают тонкие нити. Эта структура позволяет хлопьям плотно собираться, что делает такой снег идеальным для катания на горных лыжах или лепки снежков.

Кристаллы неправильной формы. У снежинки может быть множество приключений: она может потерять некоторые из своих веточек или даже полностью сломаться. Обычно такие сломанные снежинки встречаются в сыром снегу и при сильном ветре.

Узор снежинки зависит от погоды

По словам эксперта, форма снежинки зависит от атмосферного давления, напряженности электрических и магнитных полей, ветра, влажности и температуры. Именно эти факторы определяют, будет ли развиваться и видоизменяться верхняя или нижняя призма, или же только их боковые грани.

«Известно, что при температуре от минус 5 до минус 10 градусов Цельсия образуются снежинки в форме иголочек или столбиков. При температурах от минус 10 до минус 12 градусов формируются снежинки в виде пластинок или хлопьев. А вот при температуре от минус 12 до минус 18 градусов появляются самые красивые ветвистые шестигранные снежинки – звездчатые дендриты, их размер обычно составляет пять миллиметров и более», – отмечает Егор Разумовский.

Снег кажется белым

Каждая снежинка сама по себе не белая, а бесцветная и прозрачная, как лед, но множество таких снежинок наш глаз воспринимает как белые. Дело 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. Некоторые материалы поглощают волны определенной длины, а другие – отражают. Например, материалы, которые поглощают все волны, будут выглядеть черными, тогда как те, что отражают все на них падающие волны – белыми.

«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 легко загорать и можно получить солнечный ожог даже в мороз.

Цветные осадки

Состав облаков и их географическое расположение влияют на оттенок образующихся кристаллов. Это связано с тем, что частицы различных видов пыли и цвета могут служить центрами кристаллизации (зародышами). Обычно мы все равно видим такой снег белым.

«Если говорить о коричневом, буром или сером падающем снегу, то его цвет обусловлен циклонами, которые принесли пыль. Например, частицы песка, горных пород, химических веществ из производств, сланцевого угля поднимаются сильными воздушными потоками в нижние слои атмосферы, где происходит постоянное перемешивание воздуха и его перемещение в разных направлениях. Некоторые частицы задерживаются в этих слоях и затем выпадают вместе с осадками», – поясняет Егор Разумовский.

Скорость падения снежинки

«Снежинки падают на землю с скоростью, зависящей от нескольких факторов: формы, размера и плотности. Также важно учитывать турбулентные потоки воздуха. В среднем снежные кристаллы падают с постоянной скоростью около 0,3 метра в секунду», – отмечает эксперт Пермского Политеха.

Похожие, но разные

У крупных и сложных снежных кристаллов действительно можно найти сходства при микроскопическом исследовании. Однако если углубиться на молекулярный уровень, то оказывается, что они различаются по количеству атомов и соотношению изотопов – атомов с одинаковым числом протонов в ядре, но разным числом нейтронов.

«Немного о теории вероятностей. Одна снежинка содержит примерно 100 квинтиллионов молекул воды, и количество возможных комбинаций такого количества близится к бесконечности, поэтому шанс образования двух полностью идентичных снежинок практически равен нулю», – отмечает Егор Разумовский.

Самая большая снежинка

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