Как устроена снежинка

Кристалл из пара

Снежинка — это отдельный кристалл льда, который выпадает из облака. Обычно её размер — от долей миллиметра до нескольких миллиметров, как правило, заметно меньше двух сантиметров^[1].

Каждая снежинка начинается с крошечной пылинки — частички минерала или органического вещества в переохлаждённом, насыщенном влагой воздухе. Капелька замерзает на ней, а дальше кристалл растёт: на его поверхность оседают молекулы водяного пара прямо из воздуха^[2][1].

Почему лучей шесть

Молекулы воды во льду соединяются в шестиугольную кристаллическую решётку^[2][1]. Поэтому новорождённая снежинка — это крошечный шестиугольник. Затем из шести его уголков начинают расти шесть лучей-дендритов, а на каждом луче — свои веточки^[2].

Почему лучи получаются такими похожими? Снежинка очень мала, и вокруг всех её лучей одинаковые условия — одинаковые мороз и влажность. Каждый луч растёт сам по себе, но в тех же условиях — и потому почти так же ^[2].

Мороз рисует форму

Форма снежинки зависит прежде всего от температуры и влажности воздуха, в котором она росла. Это выяснил японский физик Укитиро Накая, и зависимость так и называют — диаграммой Накаи^[1][2]:

• до −3 °C растут тонкие плоские пластинки;
• до −8 °C — полые столбики, призмы и иглы;
• до −22 °C — снова пластинки, часто с ветвями: здесь рождаются знаменитые звёздочки-дендриты;
• ещё холоднее — пластинки или столбики, смотря по влажности.

Чем больше в воздухе влаги, тем ветвистее снежинка; в сухом воздухе кристаллы получаются плотными и простыми^[2].

Двух одинаковых не бывает?

Снежинка падает сквозь облако, и мороз и влажность вокруг неё всё время немного меняются. Каждая крупинка проходит свой путь — поэтому и вырастает по-своему^[1][2].

В типичной снежинке около 10¹⁹ — десяти миллиардов миллиардов — молекул воды. Почти одинаковые снежинки учёные выращивали в лаборатории, но найти две одинаковые в природе крайне маловероятно^[2].

Снежинки-рекордсмены

Отдельные кристаллы бывают размером с монету — около 18 мм. А слипшиеся хлопья достигают обычно 7–10 см. Книга рекордов Гиннесса называет самыми большими хлопья, которые в январе 1887 года выпали в Монтане (США): по рассказам, они были шириной 38 см^[2].

Падают снежинки медленно — в безветренную погоду в среднем около метра в секунду^[1].

Кто изучал снежинки

• Около 1260 года немецкий богослов Альберт Великий упомянул звездообразные кристаллы льда ^[1].
• В 1611 году астроном Иоганн Кеплер написал трактат «О шестиугольных снежинках» — его считают первым научным описанием снежинок как кристаллов^[1].
• В 1820 году англичанин Уильям Скорсби составил первую классификацию снежинок^[1].
• В 1870-х русский фотолюбитель Андрей Сигсон фотографировал снежинки, охлаждая руки и дыша через особую трубку, чтобы не растопить кристаллы^[1].
• С 1885 года американец Уилсон Бентли снимал снежинки под микроскопом — тысячи фотографий ^[2][1].
• С 1932 года Укитиро Накая изучал снежинки в университете Хоккайдо, научился выращивать их в лаборатории и исследовал больше 3000 фотографий природных снежинок^[1].
• В 1949 году на основе идей Накаи приняли международную классификацию — в ней больше 40 форм снежинок ^[1].

Ветвистая снежинка похожа на фрактал: на её лучах растут веточки, на веточках — веточки поменьше. Математики придумали и идеальную «снежинку» такого рода — снежинку Коха. О ней — в статье «Фракталы».