Как образуется снежинка и почему у неё всегда шесть лучей

Формирование снежинок начинается высоко в атмосфере и продолжается всё время падения кристалла вниз. Каждый этап определяет то, как в итоге будет выглядеть снежинка.

Всё начинается с пылинки: нуклеация

Кристаллизация льда в атмосфере требует отправной точки.

Этот начальный момент называется гетерогенной нуклеацией. Она может происходить в довольно широком диапазоне температур в зависимости от того, насколько эффективна конкретная частица как ядро кристаллизации: некоторые аэрозоли (например, минеральная пыль, частицы биологического происхождения) запускают образование льда уже при относительно тёплых, по меркам облаков, температурах, тогда как менее эффективные ядра требуют более сильного переохлаждения — вплоть до −35…−38 °C. Без участия каких-либо частиц — путём гомогенной (спонтанной) нуклеации — переохлаждённый водяной пар или капли воды переходят в лёд только при ещё более низких температурах, обычно ниже −38…−40 °C. Во всех этих случаях пар может переходить сразу в твёрдое состояние, минуя жидкую фазу.

Первые молекулы воды, собравшиеся вокруг пылинки, образуют крошечный кристалл льда, в котором уже заложена шестикратная симметрия. По данным физиков из Американского университета, для запуска нуклеации достаточно порядка ста молекул. Этот микроскопический шестиугольник становится основой будущего кристалла — с шестикратной симметрией, заложенной с самого начала.

Рост кристалла: от пластинки к звезде

После того как ядро сформировалось, начинается рост кристалла. Новые молекулы водяного пара оседают на его поверхности и встраиваются в решётку — пар переходит в твёрдое состояние без промежуточной жидкой фазы. Этот процесс называется сублимацией (или, точнее, депозицией). Кристалл постепенно увеличивается, сохраняя шестиугольную форму.

Ветвление лучей возникает на углах шестиугольной пластинки. Именно там доступ к влаге выше, а скорость роста больше, чем на плоских гранях — углы притягивают молекулы активнее. Из них вырастают дендриты, то есть разветвлённые лучи. Так плоская пластинка превращается в привычную звёздчатую форму.

Как быстро формируется снежинка

Снежинка формируется во время падения через атмосферу: кристалл льда проходит через слои с разными температурой и влажностью, и каждый из них вносит вклад в итоговую форму. Чем сложнее маршрут, тем более разветвлённым и детализированным получается узор. Скорость этого процесса зависит от условий в облаке: густой влажный воздух ускоряет рост, сухой и холодный — замедляет.

Именно поэтому снежинки, падающие рядом, могут выглядеть совершенно по-разному: каждая из них прошла через свой набор температурных слоёв, и эта история записана в форме её лучей.

Молекула воды и тетраэдрические связи

Молекула воды в газовой фазе имеет угол H-O-H около 104,5°, но при замерзании в решётку льда Ih этот угол расширяется примерно до тетраэдрического значения — около 109,5°. При этом каждая молекула по-прежнему связывается с четырьмя соседними молекулами, располагая их по вершинам тетраэдра.

Симметрия снежинки описывается математически: кристалл можно повернуть на 60 градусов или отразить — и он совпадёт сам с собой. Такой набор преобразований называется группой симметрии. Шестиугольник оптимально заполняет плоскость — по той же причине пчёлы строят соты из шестиугольных ячеек, а не из квадратных: шестиугольные элементы покрывают пространство эффективнее.

Снежинки с другим числом лучей: редкие исключения

Снежинок с пятью или восемью лучами в природе не существует — такая форма противоречит кристаллической решётке льда Ih. Пятиугольная симметрия несовместима с кристаллической решёткой льда Ih. То, что правильные пятиугольники не могут замостить плоскость без зазоров, — одно из проявлений этой геометрической особенности. Восьмилучевые снежинки исключены по той же причине: восьмиугольная симметрия несовместима с гексагональной решёткой льда.

Изредка встречаются кристаллы с трёхкратной симметрией — треугольные пластинки. Они возникают, когда условия роста нарушают стандартную шестикратную симметрию: шестиугольная пластинка неравномерно усечена до треугольной формы. Это редкое явление, и оно не создаёт лучей в привычном смысле — скорее, это особая форма пластинки, сохраняющая гексагональную молекулярную решётку. Случайных значений симметрии здесь не бывает.

Все снежинки шестиугольные, но выглядят совершенно по-разному.

Температура: главный скульптор формы

При разных температурах одни грани кристалла растут быстрее других — это и меняет итоговый облик снежинки. Около минус 2 градусов Цельсия формируются тонкие плоские шестиугольные пластины. При минус 6 градусах вырастают иглы и столбики. Около минус 15 градусов появляются крупные ветвистые звёзды-дендриты с детализированными лучами. При минус 20–25 градусах и ниже преобладают столбики и призмы, а сложные секторные пластины формируются чаще в промежуточных диапазонах.

Снежинка проходит через несколько температурных слоёв за время падения, поэтому один и тот же кристалл последовательно меняет режим роста. Финальная форма отражает всю эту историю: по лучам снежинки можно буквально прочитать погоду, через которую она прошла.

Влажность и узор лучей

Влажность воздуха определяет, насколько активно растут лучи. При высокой влажности молекул пара много, они быстро встраиваются в углы кристалла и порождают новые разветвления — узор получается сложным и детализированным. При низкой влажности рост идёт медленнее, и снежинка остаётся более простой по форме.

Шестиугольная симметрия при этом сохраняется всегда: все шесть лучей одновременно находятся в одинаковых микроклиматических условиях — в одном и том же воздухе, при одной температуре и одной влажности. Поэтому все ветви развиваются синхронно, и симметрия снежинки не нарушается даже при самом сложном узоре.

Каждый кристалл льда в атмосфере падает по своему маршруту, встречая уникальные сочетания температуры, влажности и частиц.

Базовая гексагональная структура у всех снежинок одинакова. Уникальны только узоры лучей — их ветвление, длина, детали, так как узор формирует уникальный путь через атмосферу Земли, а шесть лучей остаются неизменными у всех.

Снежинка под микроскопом

Изучать снежинки под микроскопом непросто: при комнатной температуре ледяные кристаллы начинают таять почти мгновенно. Учёные фотографируют их сразу после падения, работая в условиях низких температур. Первым, кто систематически занялся этим, был американский фермер Уилсон Бентли: начиная с конца XIX века и на протяжении более сорока лет, вплоть до 1920-х годов, он сфотографировал тысячи снежинок и показал, что среди них нет двух одинаковых. Его работа стала первым визуальным доказательством уникальности каждого кристалла.

Современные исследования используют высокоскоростные камеры и цифровую микроскопию. Это позволяет фиксировать структуру льда в деталях и отслеживать, как изменяется форма кристалла при разных условиях. Физика льда сегодня — активная область науки, и снежинка остаётся одним из её удобных объектов.

Домашний эксперимент с кристаллами

Вырастить кристалл дома можно из поваренной соли или сахара: принцип кристаллизации тот же, что у снежинки. Насыщенный раствор медленно испаряется, и молекулы вещества выстраиваются в упорядоченную решётку вокруг ядра кристаллизации — например, нитки или небольшого зёрнышка. Форма будет другой, потому что у соли и льда разные кристаллические системы, но сам процесс наглядно показывает, как из хаоса молекул возникает строгая геометрия.

Такой эксперимент занимает несколько дней и не требует специального оборудования. Кристалл растёт постепенно — и это хорошо видно, если оставить раствор в тихом, тёмном месте и проверять его раз в сутки.

Шесть лучей снежинки — прямое следствие строения молекулы воды и законов кристаллографии. Форма каждого кристалла хранит запись погоды, через которую он прошёл. Все снежинки подчиняются одним физическим законам — и все при этом неповторимы. Зимние природные явления, которые кажутся привычными, оказываются точной работой молекулярной геометрии.