Снежинка является одним из самых удивительных природных творений. Если бы человек захотел создать что-то подобное, ему пришлось бы очень постараться. Во время снегопада миллиарды маленьких кристалликов устилают землю, и стоит отметить, что среди них нет одинаковых, они все разные.

От чего зависит форма снежинки?

Форма снежинки находится в зависимости от температуры, которая способствовала ее образованию. Всем известно, что облака, которые находятся высоко, будут холоднее тех, что снизу. Итак, как влияет температура на форму снежинки:

• -3...0 °С - шестиугольник плоский;
• -5...-3 °С - кристалл игольчатый;
• -8...-5 °С - столбик-призма;
• -12...-6 °С - снова плоский шестиугольник;
• -16...-12 °С - звездчатые снежинки.

По мере своего роста снежинка становится тяжелой, что заставляет ее падать на землю. В процессе падения ее форма меняется. Если, опускаясь, снежинка вращается, то земли она достигнет идеально симметричной. А если кристаллик падает боком, то в итоге он утратит свою форму. На лету снежинки могут слипаться между собой и образовывать целые хлопья из снега. В каждом из них может содержаться до двухсот кристаллов. Можно сделать вывод, что форма снежинки полностью зависит от траектории ее полета и температурного режима на разной высоте.

Классификация снежинок

Международной комиссией по изучению снега и льда в 1951 году была принята классификация твердых осадков. Все кристаллы, согласно ей, можно поделить на группы:

• пластинки;
• звездчатые дендриты;
• иглы;
• столбцы;
• столбцы с наконечником;
• пространственные дендриты;
• образования неправильной формы.

• град;
• ледяная крупка;
• снежная мелкая крупка.

Описание основных видов снежинок

• Звездчатые дендриты - это кристаллы, которые отличаются ветвящейся, древовидной структурой. У них 6 основных веток, расположенных симметрично, и много ответвлений, размещенных хаотично. Размер таких образований, как правило, в диаметре составляет 5 мм, а их толщина - 0,1 мм. Это говорит о том, что такие снежинки тонкие и плоские.
• Столбики - это наиболее распространенная форма снежинок, которая еще называется колонной. Такие полые трубочки могут иметь форму шестигранника, как карандаш, заостренный на конце.
• Пластинки состоят из множества ледяных ребер, которые делят снежинку на сектора. Такие образования тоже очень тонкие и плоские.
• Иглы представляют собой столбчатые кристаллы, которые вырастают тонкими и длинными. Иногда внутри они бывают полыми, а иногда могут расщепляться на несколько веток.

• Столбцы с наконечником отличаются столбчатой формой, но под воздействием различных факторов могут превращаться в тонкие пластинки, особенно если их занесет в зону, где преобладает иная температура.
• Пространственные дендриты - это спрессованные или сросшиеся столбчатые кристаллы, которые образовали объемную структуру. При этом каждое ответвление располагается в отдельной плоскости.
• Снежинки неправильной формы - это кристаллы, которые за время полета пережили немало "приключений". Например, их могло занести в турбулентную зону, где они могли утратить часть веток или совсем разломаться. Такие снежинки можно увидеть при сильном ветре в мокром снегу.

Легкий пушистый снег придал новогоднего настроения и укрыл землю мягким белым ковром, который смягчит воздействие сильных морозов. Снежинки, уникальные и неповторимые, во все времена интересовали ученых, и некоторые из них посвятили исследованию ледяных кристаллов всю свою жизнь. Одним из первых ученых, задумавшихся о структуре снега, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630). В 1611 году он опубликовал короткий трактат «Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках», который можно назвать первой научной работой, посвященной снежинкам. Поскольку всякий раз, когда начинает идти снег, первые снежинки имеют форму шестиугольной звезды, то на то должна быть определенная причина. Ибо если это случайность, то почему не бывает пятиугольных или семиугольных снежинок, почему всегда падают шестиугольные, если только они от соударений не утрачивают форму, не слипаются во множестве, а падают редко и порознь? - Иоганн Кеплер, Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках, 1611 (перевод Ю. А. Данилова) Рене Декарт (1596–1650), французский философ и математик, стал первым, кто подробно описал форму снежинок. Интересно, что в записях Декарта упомянуты даже очень редкие формы ледяных кристаллов, например, увенчанные столбики. Это были маленькие пластинки льда, плоские, очень гладкие и прозрачные, толщиной примерно с лист плотной бумаги... идеально сложенные в шестиугольники, стороны которых были столь прямыми, а углы столь равными... человеку невозможно создать что-либо подобное. - Рене Декарт, 1635 Изобретение микроскопа позволило английскому физику Роберту Гуку (1635–1703) опубликовать в 1665 году работу под названием «Микрография», в которой ученый описал все, что мог исследовать с помощью нового инструмента. В издание вошло множество рисунков снежинок, впервые показавших всю сложность и замысловатость снежных кристаллов.
Рисунок из «Микрографии» Роберта Гука Цитата Изучая снежинки с помощью микроскопа, я обнаружил... чем сильнее увеличение, тем более несимметричными они кажутся. Но эту несимметричность можно приписать таянию или повреждению во время падения, но никак не дефекту Природы. - Роберт Гук, Микрография, 1665 Одним из первых известных фотографов снежинок стал Андрей Андреевич Сигсон (1840–1907), российский фотохудожник из Рыбинска. Всего ему удалось сделать фотографии около 200 различных форм ледяных кристаллов. Для этого фотограф использовал специальную технологию: снежинки ловились на сетку из шелковинок, затем с помощью микроскопа увеличивались в 15–24 раза. Чтобы хрупкие кристаллы не растаяли во время фотографирования, Сигсон охлаждал руки и дышал через специальную трубку.
Снежинки Сигсона Американским же пионером фотографии снежинок стал Уилсон Бентли (1865–1931). За всю жизнь он сделал около 5000 снимков снежинок. 2500 из них были опубликованы в 1931 году в книге «Снежные кристаллы». Снежинки Бентли, 1902 год Укихиро Накайя (1900–1962), японский физик - первый ученый, который систематизировал знания о ледяных кристаллах. Накайя не только фотографировал снежинки, но и научился выращивать их в лаборатории. Результатом изысканий ученого стала книга «Снежные кристаллы: природные и искусственные», выпущенная в 1954 году. Снежные кристаллы - это письма, посланные нам с небес. - Укихиро Накайя, документальный фильм «Снежные кристаллы», 1939 Так как же формируются снежинки? Снежинки зарождаются в облаках, где на мельчайших пылевых частицах при отрицательной температуре образуются кристаллики льда. Затем на этих кристаллах нарастают новые, и так далее. Структура молекулы воды обуславливает шестиугольную форму кристалла, между его лучами возможны углы лишь 60° и 120°. Поскольку в каждый момент времени условия, в которых растет снежинка, хоть минимально, но различаются, то каждый кристалл имеет уникальную форму. При этом все лучи одной снежинки очень похожи, так как кристаллизуются одновременно в очень похожих условиях. Сколько бывает типов снежинок? Несмотря на уникальность кристаллов, они все же поддаются классификации. Однако, по мнению американского ученого Кеннета Либбрехта из Калифорнийского технологического института, это непростое занятие, поскольку в какой-то мере это дело вкуса каждого исследователя. Сам Либбрехт выдляет 35 типов снежинок; Укихиро Накайя - 41 а самая сложная классификация предложена метеорологами Магоно и Ли в 1966 году - 80 различных видов снежных кристаллов.
Классификация Укихиро Накайи. © U. Nakaya | Snow Crystals: Natural and Artificial (Harvard University Press, 1954) Впрочем, есть и более простая классификация, разработанная в 1951 году Комиссией снега и льда Международной ассоциации научной гидрологии - всего 7 форм снежных кристаллов и 3 вида замороженных осадков. Классы снежинок по Международной классификации снега. © А. К. Дюнин, В царстве снега, Издательство «Наука», Новосибирск, 1983 1. Пластинки Самые простые из снежинок - плоские шестиугольные призмы.
© Kichigin | Shutterstock.com 2. Звезды Как и пластинки, звезды обычно плоские и тонкие, с шестью лучами.
3. Столбики Полые внутри, могут иметь форму карандаша.
4. Иглы Длинные и тонкие кристаллы, иногда состоят из нескольких веточек.
© Kenneth G. Libbrecht, Caltech | SnowCrystals.com 5. Пространственные дендриты Объемные снежинки, образуются при срастании нескольких кристаллов.

© Kenneth G. Libbrecht, Caltech | SnowCrystals.com 6. Увенчанные столбики Образуются в случае, если столбики попадают в иные условия, и кристаллы меняют направление роста.

© Yanping Wang | Shutterstock.com 7. Неправильные кристаллы Самый распространенный тип. Образуется при повреждении снежинки.

© Kenneth G. Libbrecht, Caltech | SnowCrystals.com

Снежинки, уникальные и неповторимые, во все времена интересовали ученых, и некоторые из них посвятили исследованию ледяных кристаллов всю свою жизнь.

Одним из первых ученых, задумавшихся о структуре снега, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571-1630). В 1611 году он опубликовал короткий трактат «Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках», который можно назвать первой научной работой, посвященной снежинкам.

Поскольку всякий раз, когда начинает идти снег, первые снежинки имеют форму шестиугольной звезды, то на то должна быть определенная причина. Ибо если это случайность, то почему не бывает пятиугольных или семиугольных снежинок, почему всегда падают шестиугольные, если только они от соударений не утрачивают форму, не слипаются во множестве, а падают редко и порознь?

— Иоганн Кеплер, Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках, 1611 (перевод Ю. А. Данилова)

Рене Декарт (1596-1650), французский философ и математик, стал первым, кто подробно описал форму снежинок. Интересно, что в записях Декарта упомянуты даже очень редкие формы ледяных кристаллов, например, увенчанные столбики.

Это были маленькие пластинки льда, плоские, очень гладкие и прозрачные, толщиной примерно с лист плотной бумаги... идеально сложенные в шестиугольники, стороны которых были столь прямыми, а углы столь равными... человеку невозможно создать что-либо подобное.

— Рене Декарт, 1635

Изобретение микроскопа позволило английскому физику Роберту Гуку (1635-1703) опубликовать в 1665 году работу под названием «Микрография», в которой ученый описал все, что мог исследовать с помощью нового инструмента. В издание вошло множество рисунков снежинок, впервые показавших всю сложность и замысловатость снежных кристаллов.

Рисунок из «Микрографии» Роберта Гука

Цитата

Изучая снежинки с помощью микроскопа, я обнаружил... чем сильнее увеличение, тем более несимметричными они кажутся. Но эту несимметричность можно приписать таянию или повреждению во время падения, но никак не дефекту Природы.

— Роберт Гук, Микрография, 1665

Одним из первых известных фотографов снежинок стал Андрей Андреевич Сигсон (1840-1907), российский фотохудожник из Рыбинска. Всего ему удалось сделать фотографии около 200 различных форм ледяных кристаллов. Для этого фотограф использовал специальную технологию: снежинки ловились на сетку из шелковинок, затем с помощью микроскопа увеличивались в 15-24 раза. Чтобы хрупкие кристаллы не растаяли во время фотографирования, Сигсон охлаждал руки и дышал через специальную трубку.

Снежинки Сигсона

Американским же пионером фотографии снежинок стал Уилсон Бентли (1865-1931). За всю жизнь он сделал около 5000 снимков снежинок. 2500 из них были опубликованы в 1931 году в книге «Снежные кристаллы».

Снежинки Бентли, 1902 год

Укихиро Накайя (1900-1962), японский физик — первый ученый, который систематизировал знания о ледяных кристаллах. Накайя не только фотографировал снежинки, но и научился выращивать их в лаборатории. Результатом изысканий ученого стала книга «Снежные кристаллы: природные и искусственные», выпущенная в 1954 году.

Снежные кристаллы — это письма, посланные нам с небес.

— Укихиро Накайя, документальный фильм «Снежные кристаллы», 1939

Так как же формируются снежинки?

Снежинки зарождаются в облаках, где на мельчайших пылевых частицах при отрицательной температуре образуются кристаллики льда. Затем на этих кристаллах нарастают новые, и так далее. Структура молекулы воды обуславливает шестиугольную форму кристалла, между его лучами возможны углы лишь 60° и 120°.

Поскольку в каждый момент времени условия, в которых растет снежинка, хоть минимально, но различаются, то каждый кристалл имеет уникальную форму. При этом все лучи одной снежинки очень похожи, так как кристаллизуются одновременно в очень похожих условиях.

Сколько бывает типов снежинок?

Несмотря на уникальность кристаллов, они все же поддаются классификации. Однако, по мнению американского ученого Кеннета Либбрехта из Калифорнийского технологического института, это непростое занятие, поскольку в какой-то мере это дело вкуса каждого исследователя. Сам Либбрехт выдляет 35 типов снежинок; Укихиро Накайя — 41 а самая сложная классификация предложена метеорологами Магоно и Ли в 1966 году — 80 различных видов снежных кристаллов.

Классификация Укихиро Накайи. U. Nakaya | Snow Crystals: Natural and Artificial (Harvard University Press, 1954)

Впрочем, есть и более простая классификация, разработанная в 1951 году Комиссией снега и льда Международной ассоциации научной гидрологии — всего 7 форм снежных кристаллов и 3 вида замороженных осадков.

Классы снежинок по Международной классификации снега. А. К. Дюнин, В царстве снега, Издательство «Наука», Новосибирск, 1983

1. Пластинки

Самые простые из снежинок — плоские шестиугольные призмы.

Наблюдается исключительно большое разнообразие форм снежинок. Наиболее простые из них: иглы, столбики и пластинки. Кроме того, встречаются многочисленные усложненные формы снежинок: игольчатые звезды; пластинчатые звезды; ежи, состоящие из нескольких столбиков; столбики с пластинками и звездами на концах. Некоторые формы столбиков имеют внутренние полости или образуют вид бокалов; встречаются также 12-лучевые звезды.

Размеры отдельных снежинок могут быть весьма различными. Обычно снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г. Наибольшие линейные размеры обычно имеют игольчатые звезды (их радиус достигает 4-5 мм). Снежинки часто соединяются между собой и выпадают в виде хлопьев. Размеры хлопьев могут достигать очень большой величины, наблюдались хлопья радиусом до 15-20 см.

Весной 1944 года в Москве выпали хлопья размером до 10 сантиметров в поперечнике, похожие на кружащиеся блюдца. А в Сибири наблюдались снежные хлопья диаметром до 30 сантиметров. Самая большая снежинка была зафиксирована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США. Её диаметр составил 38 см, а толщина — 20 см. Для этого феномена необходимо полнейшее безветрие, ведь чем дольше снежинки путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются друг с другом. Поэтому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков - «алмазной пыли». Вероятность увидеть крупные снежинки существенно возрастает вблизи водоемов: испарения с озер и водохранилищ — это отличный строительный материал.

Форма снежинок отражает внутреннюю упорядоченность молекул воды, когда они находятся в твердом состоянии - в виде льда или снега. Снежинки растут точно так же, как растут кристаллы любого вещества, переходящего из жидкого состояния в твердое: соединяясь между собой, молекулы стремятся максимизировать силы взаимного притяжения и минимизировать силы отталкивания, так как энергия системы при кристаллизации уменьшается. Всего через несколько минут упав на теплую поверхность снежинка потеряет свою декоративную структуру, свой уникальный образ, который никогда снова не повторится.

Из чего же состоит снег?

И снежинки, и снежные кристаллы образуются изо льда. Кристалл снега, как подразумевается из его названия, единый ледяной кристалл. Снежинка - более общий термин; он может подразумевать как индивидуальный кристалл снега, так и несколько снежных кристаллов, которые держатся вместе, или же большие скопления снежных кристаллов, формирующие снег, который падает из облаков.

Структура кристаллов льда.

Молекулы в кристалле льда формируют шестиугольную решётку. Шестикратная симметрия снежинок берёт своё начало от кристаллической решётки льда. Снежинки растут из испарений воды.

Снежинки — это не замёрзшие дождевые капли. Иногда капли дождя замерзают, пока падают, но это называется «град». Градины не имеют ни одного тщательно разработанного и симметричного образца, которые обнаруживаются в кристаллах снега.

Снежные кристаллы образуются, когда испарения воды конденсируются непосредственно в лёд, что случается в облаках. Снежинки возникают вследствие роста кристаллов. Самая основная форма кристаллического снега — шестиугольная призма, показанная выше. Эта структура возникает, потому что определенные поверхности кристалла, поверхности граней, накапливают материал очень медленно.

Происхождение сложных форм снежинок.

Ответ на этот вопрос лежит в том, как молекулы воды перемещаются через воздух, чтобы конденсироваться на растущем кристалле снега. Молекулы распространяются через воздух, чтобы достичь кристалла, и эта диффузия замедляет их нарастание. Более отдаленные молекулы воды должны дольше перемещаться в воздухе, чтобы достичь растущего кристалла. Итак, рассмотрим плоскую ледяную поверхность, которая растет в воздухе. Если происходит маленькое столкновение и остаётся на поверхности, то след от него выдвигается немного дальше, чем остальная часть кристалла. Это означает, что другие молекулы воды могут достичь этого места быстрее, чем остальной части кристалла, поскольку к ней им приходится перемещаться дальше.

С увеличением числа молекул воды, достигающих места столкновения, место столкновения растет быстрее. Через короткое время столкновения происходят всё чаще, и рост происходит ещё быстрее. Затем возникает то, что называется неустойчивостью ветвления — новые маленькие столкновения зарождаются на больших ветвях, и становятся местом образования боковых ветвей. Так рождается сложность. Эта неустойчивость — главная причина в создании сложных форм снежных кристаллов.

Первым изучать снежинки начал известный астроном Иоганн Кеплер. В 1611 году он выпустил трактат «О шестиугольных снежинках», в котором в основном разбирал геометрические аспекты их строения.

Следующего прорыва пришлось ждать больше двух веков. На 15ти летие мама подарила своему сыну, юному фермеру из штата Вермонт Уилсону Элвину Бентли, микроскоп. И тот решил смотреть в него на снежинки. 15 января 1885 года он получил первый снимок снежинки, приладив фотоаппарат к микроскопу и снимая ее на фоне черной бумаги. К концу своей жизни он получил изображения 5381 снежинки. В 1920 году он получит должность в Национальной метеослужбе и грант в $25 на свои исследования, а снег начнет сыпаться не только на фермах, но и в лабораториях кинетиков и кристаллографов. Но именно Бентли первым сказал, что двух одинаковых снежинок никогда не видел.

Существует расхожее убеждение о том, что двух одинаковых снежинок в природе не бывает. Казалось бы, как же так. С неба сыпятся миллионы. Но, с другой стороны, если очень грубо прикинуть, то в снежинке примерно 1020 молекул воды, а человеческий глаз способен определить около 100 визуальных параметров снежинки. Так что такая мозаика может сложиться конечным, но безумно огромным числом способов. А если вспомнить, что атомы кислорода и водорода имеют разные изотопы, а в все равно есть примеси… в общем, стоит принять, что двух одинаковых снежинок в природе нет. Зато у кристаллов симметричная форма. Макроскопические факторы (температура, давление, концентрации различных веществ) в столь небольшом пространстве, как текущее положение зародыша кристалла в момент времени, отличаются несильно, и рост во все стороны одинаков. Пока не произойдет облом или, наоборот, слипание.

Очень высоко, в небе, где температура -30, есть скопление капелек воды — облака. В тёплое время года капли воды выпадают в виде дождя, а когда наступает зима, холод замораживает микроскопические капли воды и превращает их в ледяные кристаллики – снежинки. Снежинок так много и все они разные — нет ни одной одинаковой.
Самая крупная когда-либо засвидетельствованная снежинка имела диаметр в 12 см. Обычно же снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г.

Есть даже классификация снежинок по схожему типу:

Призмы — бывают, как 6-угольные пластинки, так и тонкие столбики с 6-угольным сечением. У призм крошечные размеры, их почти не видно невооруженным глазом. Грани призмы, очень часто украшают различные сложные узоры.

Иглы — тонкие и длинные снежные кристаллы, они образуются при температуре примерно -5 градусов.
При рассмотрении они похожи на маленькие светлые волоски.

Дендриты — или древоподобные, имеют ярко выраженные разветвляющиеся тонкие лучи. Чаще это крупные кристаллы, их можно увидеть невооруженным глазом. Максимальный размер дендрита может достигать 30 см в диаметре.

12-лучевые снежинки — иногда столбики с наконечниками формируются с поворотом пластинок относительно друг друга на 30 градусов. Когда из каждой пластинки вырастают лучи, получается кристалл с 12 лучами.

Двойные пластинки — у данного типа, столбики с наконечниками имеют короткую вертикальную часть. Пластинки растут очень быстро, от водяных паров одна из низ заслоняет вторую и в результате вырастает более крупной по размеру.

Полые столбики — внутри столбиков с шестиугольным сечением, бывает образуются полости. Интересно, что форма полостей симметрична относительно центра кристалла. Необходимо большое увеличение, чтобы рассмотреть полочти в маленьких снежинках.

Папоротникообразные дендриты — этот тип один из самых крупных. Ветки звездчатых дендритов вырастают тонкими и очень частыми, в итоге снежинка начинает быть похожей на папоротник.

Пространственные кристаллы — бывает так, что из микроскопической капли начинает расти несколько снежных кристаллов в различных направлениях. И после они могут приобрести сложную форму. Такие сращенные кристаллы могут распадаться на несколько простых снежинок.

Искусственный снег — с помощью специальных снежных пушек, в воздухе распыляют мелкие капли воды, которые в полете замерзают. В результате такие искусственные снежинки похожи на замерзшие капли воды.

Кристаллы неправильной формы — снежные кристаллы зачастую бывают маленькими, несимметричными и сросшимися друг с другом. Чтобы получились красивые симметричные кристаллы, нужно чтобы было удачное стечение многих погодных обстоятельств.

Треугольные кристаллы — такие снежинки формируются при температуре около -2 градусов. На самом деле — это шестиугольные призмы, часть сторон которых значительно короче других. А вот на гранях таких могут вырасти лучи.

Столбики с наконечниками — такие снежинки редко можно увидеть. Кристаллы начинают расти в виде столбиков, но после ветер переносит их в зону с другими погодными условиями, и тогда на их концах начинают расти пластинки.

Звездоподобные снежинки — такие снежинки широко распространены. Это тонкие пластинчатые кристаллы, в виде звезд с шестью лучами. Чаще они украшены симметричными различными узорами. Такие снежинки появляются при -2 °С или при -15 °С.

Пластина с секторами — это звездообразная пластинчатая снежинка, но с особенно заметными рёбрами, которые указывают на углы между смежными гранями призмы.