Снежинки
— Здесь раньше росли яблоки, — заметил общительный Муми-тролль, глядя на голые деревья.
— А теперь здесь растёт снег, — равнодушно ответила Туу-тикки и пошла дальше.
©Туве Янссон, «Волшебная зима»
Мороз, будучи сыном коронованной властительницы Севера – Зимы - любит играть в снежное лего. Из простейших кубиков молекул воды, подаренных бабушкой-Природой, он собирает удивительные по своей сложности и по своему разнообразию формы и формочки. Эти крошечные крепости своей проекцией на плоскость больше похожи на симметричные схемы человеческих бальных танцев, например, кадрили или фигурного вальса. Кружево частых их повторений многими парами, облаченных в белое, напоминают снег. Именно его кубиками – снежинками – так сильно любит игратьсыночка-Мороз. Эти игры люди прозвали «снегом» и «снегопадом», а потом бросились изучать их со всей обстоятельностью научного подхода. Все эти выводы находят свое отражения в сказках, которыми Зима баюкает Мороз на сон грядущий.
Снег относится к обложным, т.е. связанным преимущественно с теплым атмосферными фронтами, типам атмосферных осадков, и имеет форму мелких кристаллов льда. Образуются они, успокоительно-монотонно вещает Зима, в слоисто-кучевых облаках. Эти облака состоят не только из микроскопических частиц воды, но и из пылинок, частиц промышленных выхлопов, сажи и даже некоторых бактерий. Их принадлежность к стихии Земли делает эти элементы невыносимо привлекательными для роя любопытных частиц воды, и они притягиваются к этим пылинкам и былинкам, чтобы крепко их обнять и образовать кристаллы льда, не превышающие попервойразмера в 0,1мм. Т.е. происходит процесс конденсации воды на твердых частицах (конденсация – процесс перехода вещества из перообразного агрегатного состояния в жидке или твердое).Однако несмотря на крошечные размеры, в результате этого процесса они становятся слишком тяжелыми, чтобы парить в облаках (в прямом смысле этого выражения) и падают вниз, в процессе чего на них конденсируются новые влага и воздух. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы. Структура молекул воды такова, что углы между лучами могут составлять только либо 60 ͦ, либо 120 ͦ. В центре всегда расположен основной кристалл воды, имеющий форму правильного шестиугольника. На его вершинах потом присаживаются поболтать новые и новые кристаллы, и так образуется все разнообразие форм звездочек-снежинок. Но атмосфера не так проста, как кажется. В ней есть множество столбов восходящего воздуха, на которых держится небосвод, которые называются термикой. Если снежинка попадает в такой поток, она многократно поднимается вверх и снова опускается вниз, кристаллизуясь повторно в первом случае и частично тая во втором. Из-за этого регулярность кристаллов может нарушиться, что влечет образование смешанных форм.
«Но это только скучные невыразительные основы, сынок, - продолжает увлекшаяся мама-Зима,- послушай лучше, как я узнала все про структуру снежинок!». И поведала Морозу удивительную историю о том, как зачаровала однажды, в конце XXв., в 80-х годах, американского ученого-физика КеннетаЛиббрехта, чтобы тот помог ей разобраться в интересующем вопросе. Если опустить всю сорокалетнюю историю его изысканий, то вот к каким выводам он пришел и опубликовал во всемирной сети Интернет в октябре 2019г. В них описывается движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул рождают те или иные кристаллы, образующиеся в разных условиях.
Либбрехт предложил «прорывной», по его же собственным словам, «рецепт» снежинки. Он заключается в идее молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Она описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий, таких как температура, влажность, скорость окружающего ветра и т.п., и поведения молекул, которые его образуют. Водяной пар в облаке только начинает замерзать, поэтому молекулы воды – два атома водорода и один атом кислорода – свободно плавают в случайных направлениях. При замерзании ее молекулы образуют жесткую решетку кристаллов – один атом кислорода, окруженный четырьмя атомами водорода –которые продолжают расти, «поедая» встречные по пути молекулы воды. И расти они могут в двух направлениях: «вширь» (наружу) и «ввысь» (вверх). Тонкий водный кристалл – пластинчатый или звездообразный – образуется, когда «вширь», т.е. распространяясь наружу, он растет быстрее, чем это растут «ввысь» грани кристалла. При более быстром росте «ввысь» все происходит наоборот, и образуются иглы, полые столбы или стержни.