Почему у снежинок всегда шесть лучей и как они формируются в облаках

Снег - 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.

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:

1. Как и где формируются снежинки
2. Почему у снежинки именно шесть лучей
3. Физика, а не случайность
4. Бывают ли исключения
5. Основные виды снежинок в природе
6. Бывают ли одинаковые снежинки
7. Почему снег белый?
8. Как снежинки используют в науке и метеорологии
9. Как определяют температуру облаков по форме снежинок
10. Практическое значение
11. Часто задаваемые вопросы
12. Заключение

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:

1. Зарождение кристалла
2. Рост из водяного пара (сублимация)
3. Падение через слои воздуха
4. Изменение формы по пути к земле

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:

1. 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.
2. Пластинки представляют собой плоские тонкие шестиугольные снежинки, лишенные лучей.
3. Звездчатые дендриты - это снежинки с шестью лучами, расходящимися от центральной льдинки. Благодаря множеству ответвлений они захватывают воздух, что делает их идеальными для создания пушистого снега.
4. Пространственные дендриты являются объемными снежинками, похожими на хлопья. Они образуются, когда несколько кристаллов срастаются в один.
5. Увенчанные столбики представляют собой колонны с пластинками на концах. Они образуются, когда кристаллы попадают в зоны с различной температурой.
6. Иглы - снежинки, похожие на тонкие нити. Такая структура позволяет хлопьям плотно сцепляться друг с другом, что делает снег идеальным для катания на горных лыжах или лепки снежков.
7. Кристаллы неправильной формы могут быть результатом различных воздействий. Они могут потерять свои веточки или полностью разломаться. Обычно такие снежинки встречаются в сыром снеге или при сильном ветре.

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 снежинки	Температура	Особенности
Пластина	−10…−12°C	Плоская, симметричная
Дендрит	−12…−18°C	Ветвистая, "звездочка"
Игла	−5…−10°C	Вытянутая
Столбик	ниже −5 °C	Компактная

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.