На большой высоте над землёй при температуре от 0 до 40 градусов быстро превращаются в кристаллики изо льда. Ближе к поверхности температура постепенно растёт, замедляется, на его вершины нанизываются новые кристаллики. Кристаллы будут расти, будут вытягивать лучи, или отростки лучей, и превращаться в снежинку. Каждая снежинка рождается непохожей на другую, со своим особенным рисунком.

Как именно происходит процесс, зависит от влажности, температуры, давления, первоначальной формы снежинки. Самые незначительные колебания параметров резко меняют направление роста снежинки. Вот почему не будет одинаковых снежинок.

Почему снежинки белые? Свет отражается от пограничных поверхностей между кристалликами льда и воздухом внутри снежинки и рассеивается.
Разнообразные узоры, которые мы видим в морозные вечера на стёклах окон, имеют правильную форму. Пар стремится создать сплошное образование, заполнить всё свободное пространство. Этот факт и особенность разных поверхностей влияют на направление роста кристаллов, поэтому «морозные» рисунки не сохраняют ту правильную форму, которой обладает отдельная снежинка.

Как появляются снежинки?

Учёные, посвятившие себя изучению снежинок

Француз Тиссандье наблюдал процесс образования снега с воздушного шара. Он поднялся в небо в сильный снегопад и заметил, что метр за метром снежные хлопья постепенно уменьшались в размерах до отдельных снежинок. На высоте 2000 метров воздух стал совершенно прозрачным, видны были только мелкие кристаллики из снега. Учёный, видимо, оказался в снежной лаборатории.

Первый в мире кристаллографический трактат

Форму кристалликов снега открыл в 1611 году немецкий учёный, физик, астроном И. Кеплер совершенно (для нас) случайно.
Сорокалетний учёный к этому времени открыл первые два закона движения планет, опубликовал работы по астрономии, изобрёл телескоп. Хотя он был известным учёным, жил в бедности, и не знал, как прокормить свою семью. Думая о том, как сделать лёгкий, невесомый новогодний подарок одному хорошему человеку, обратил внимание на падающие на его пальто снежинки. Войдя в дом, достал лупу и стал рассматривать тающий снег. Потом сел за стол и высказал гениальные догадки по поводу геометрической структуры кристаллов в природе. Книга написана искренне, шутливо, простым понятным языком. Здесь он, размышляя о форме снежинки, поведал о том, что не понял, почему они имеют шестиугольную форму.

В Америке натуралист-фотограф Бентлей полвека собирал коллекцию, отснял под микроскопом более 5000 фотографий снежинок. И представьте себе: среди этих фото не нашлось двух одинаковых! К нему часто обращались ювелиры и художники, пользовались его работами для создания своих. На снимках действительно снежинки похожи на украшения, созданные непревзойдённым мастером-ювелиром. Он так и называл их: снежные драгоценности. Впоследствии американское Бюро погоды из коллекции выпустило атлас снежинок, в который вошла половина снимков натуралиста. Тайну получения качественных изображений он никому не открыл.

Сделать фотографию снежинки нелегко, потому что она тает быстро и теряет резкость очертания.

Русскими тоже был открыт способ фотографирования снежных кристаллов, при котором снежинки размещали не на стекло, а на тончайшую сетку из шелковинок. Фото получались тоже хорошего качества, а сетку потом ретушировали. В 1933 году на полярной станции наблюдателем Касаткиным было получено 300 фотографий самых разных снежинок. Все снежинки, в основном, шестиугольные, но встречались особенные, те, что напоминают часы, («кристалл – часы» – так называл их Бентлей).

Кристалл йодоформа тоже шестиугольный, профессор Леман лабораторным способом получил «снежинки» йодоформа, отметил последовательное формирование их и сходство с обычными снежинками.

Формирование снежинки

Шестиугольная форма снежинки

Элементарная – тетраэдр, который объединяет шесть молекул воды. Каждая молекула воды сохраняет способность образовывать водородные связи. Поэтому тетраэдры могут соединяться друг с другом, образуют новые структуры. В природе большое их разнообразие, но базовая структура – шестигранник, при котором молекулы воды объединены в кольцо. Таким образом, снежинка состоит из сборных кристалликов льда. Гексагональная структура льда и определяет шестиугольную форму снежинки.

Маленькие кристаллики соединяются другом с другом гранями, не углами; в результате, лучи будут расти в шесть направлений, и от лучика отходить другой лучик строго под углами в 120 или 60 градусов . Условия образования снежинки каждый раз будут разными. Поэтому она увеличивается то в ширину, то будут удлиняться её лучи. В сухой морозный день образуется снежинка необычной формы, она удлиняется и превращается в шестиугольный столбик.

Форма снежных кристаллов зависит от температуры: от -3 до 0 градусов (по Цельсию) – формируются шестиугольные плоской формы, от -5 до -3 игольчатой формы, от -8 до -5 -столбики – призмы, от -12 до -8 -опять плоской формы. Если температура понижается, снежинки могут получиться разных форм.

У каждой снежинки своя жизнь, так как формирование снежинки каждый раз происходит в новых условиях. Каждый раз, незначительно, но, параметры: влажность, температура, давление будут меняться. При падении на Землю снежинка меняет форму: если вращается волчком, будет идеально симметричной, в других случаях нет. Если температура воздуха под облаками поднимется до нуля, будет обычный дождь. Так бывает часто, что снегопад переходит в дождь.

Современная классификация снежинок

В наше время наблюдение за снежинками выросло в . Международная комиссия по снегу взяла за основу простую классификацию твёрдых осадков. Было зафиксировано 7 видов кристаллов в форме пластинок, звездчатых кристаллов, столбцов, игл, и др. Русский учёный Заморский классифицировал снежинки на 9 классов и 48 видов . Так, видовой список снежинок можно продолжить ёжиками, пушинками, запонками, призмами, звёздочками и т.д.

Учёный который синтезирует снежинку близнеца

Если вы когда-нибудь , то замечали, что у них разные формы. Считается, что в одном кубическом метре снега находится около 350 млн. снежинок! Все они шестиугольные и имеют кристаллоподобные структуры, но у каждой своя уникальная форма. Годами ученые пытались понять, откуда такая форма, что влияет на такую симметрию и почему у всех она разная. Каждая полученная мельчайшая частичка информации раскрывает еще одну удивительную тайну, заключенную в снежинке.

Разнообразие и идеальность шестиугольной структуры снежинок – это проявление мудрости и креативности Бога как Творца. Образование снежинок - это еще одно проявление безграничной изобретательности Господа. Эти тонкие, маленькие снежинки похожи на звездочки или головку иголки с множеством хрупких кончиков. Форма снежинок на рисунках действительно удивительна. На протяжении многих лет такая структура была предметом интереса людей. С 1945 года проводилось исследование с целью определить причину формирования геометрических фигур из микроскопических ледяных кристаллов. Одна снежинка состоит из более чем 200 ледяных кристалликов. Снежинки состоят из молекул воды, которые приобрели замысловатую форму. Снег, самое настоящее архитектурное чудо природы, приобретает форму, когда водяной пар замерзает, проходя через тучу. Это происходит следующим образом.

При попадании в тучи молекулы воды, хаотично разбросанные в водяном паре, начинают терять хаотичное движение из-за повышения температуры. Через некоторое время молекулы воды замедляются, начинают собираться в группки и затвердевают. При этом они упорядочены и имеют форму шестиугольных фигур, которые часто похожих друг на друга. Сначала каждая снежинка состоит из одной геометрически шестиугольной молекулы воды. Потом к ней присоединяются другие такие же молекулы.

Согласно теорий исследователей, основным фактором, определяющим очертание снежинки является то, что эти шестиугольные молекулы воды соединяются друг с другом как звенья в цепочке. К тому же, частички кристаллов, которые должны обычно выглядят одинаково, приобретают различные формы в зависимости от температуры и уровня влажности. (Roger Davey, David Stanley, «All about ice,» New Scientist, September 6, 1993.)

И все-таки, почему все снежинки имеют шестиугольную симметрию и почему все они отличаются друг от друга? Почему их контуры угловаты, а не ровные? Ученые все еще пытаются найти ответы на эти вопросы. Но одно очевидно: только Бог, Единый Творец, обладающий огромной силой, мог обеспечить разнообразие тысяч миллиардов снежинок.

Снежинка - одно из самых прекрасных созданий природы. Нам бы пришлось немало потрудиться, чтобы создать форму, сравнимую по красоте с формой снежинки. В снегопад миллионы снежинок падают на землю, и среди них нет двух одинаковых.

Снег, как ты уже знаешь,- это просто замерзшая вода. Почему тогда снег белый, если это замерзшая вода? Он должен быть бесцветным. Снег белый оттого, что плоскости снежинки, являющиеся кристалликами льда, отражают свет, поэтому снег и кажется белым.

При замерзании воды образуются кристаллы. Это значит, что молекулы выстраиваются особым порядком, образуя геометрическую форму, что мы и называем «кристаллом».

Так получилось, что молекула воды состоит из трех частиц - двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому при кристаллизации она может образовать трех- или шестиугольную фигуру. Вода, превращающаяся в снег, есть форма водяного пара в атмосфере. При замерзании кристаллики воды настолько малы, что их не видно. При образовании снега эти кристаллики перемещаются воздушными потоками в атмосфере вверх и вниз.

Во время таких перемещений они группируются вокруг мельчайших частичек пыли или капелек воды. Подобная группа кристаллов становится все больше и больше, вокруг одного такого ядра может собраться несколько сотен таких кристаллов.

Эта группа становится большой, тяжелой и падает на землю. Мы называем ее «снежинкой». Некоторые снежинки достигают трех сантиметров в диаметре. Размеры снежинок зависят от температуры. Чем ниже температура, тем меньше снежинки.

Почему снежинки такой формы? Все просто! Вот:

Молекула H2O - это тетраэдр, в центре которого находится кислород, а на двух вершинах - протоны водорода, которые задействуются при образовании связи с кислородом. Две свободные вершины заняты парой электронов кислорода, не участвующих в образовании внутримолекулярных связей. В узлах кристаллической решетки атомы кислорода упорядочены и образуют правильные шестиугольники, а вот атомы водорода занимают произвольные положения вдоль связей.

Поскольку, вследствие анизотропии кристалла, замерзание происходит неравномерно, все снежинки выглядят по разному. Но так как кристалл льда имеет три оси второго порядка, снежинка может быть только шестиугольной.

Если вы ничего не поняли из этого объяснения - не волнуйтесь. Мы его тоже не поняли, просто процитировали учебник. Чтобы понять, почему снежинка имеет такую форму, вернемся к молекуле воды. Она представляет собой треугольник:

Кристаллы льда же имеют форму шестигранника, который состоит из вышеупомянутых треугольников:

Этот самый первый кристаллик - будущая снежинка. Дальнейший его/её рост будет происходить за счет присоединения новых молекул водяного пара к кристаллику.

Хотя порядок присоединения новых молекул хаотичный, в конечном итоге они выстраиваются в шестигранники, такие же, как и наш первый кристаллик.

Далее у снежинки начнут расти ответвления. Как именно они буду выглядеть зависит от температуры, влажности, давления и кучи других факторов. Кристаллики присоединяются друг к другу всегда гранью и никогда углом, поэтому луч снежинки всегда будет шестиугольным.

От луча могут отходить ветки, но они всегда будут расти под углом 60° или 120°.

Это была идеальная снежинка. В реальности, огромное скопление «веток», которые прирастают в хаотичном порядке, делает каждую снежинку уникальной. Поэтому снежинки могут выглядеть так:

Или так:

Или так:

И даже так (когда «сцепляются» две снежинки, получается 12-лучевая снежинка):

Ходят слухи, что есть треугольные снежинки:

На самом деле, это те же шестиугольные снежинки, у которых часть сторон короче других.

Зависимость формы снежинок от внешних условий

Существует упрощенная статистика зависимости формы снежинок от температуры. Она основана на многолетних наблюдениях ученых:

0..-3°С: плоские шестиугольники
-4..5°С: игольчатые кристаллы
-6..-8°С: столбики-призмы
-9..-12°С: снова плоские шестиугольники
-13..-16°С: снежинки-звездочки
>16°C: снежинки любых форм, в том числе очень сложных

И все же предсказать форму снежинок более точно невозможно - слишком много факторов влияют на это. Моделирование процесса создания снежинок невозможно, поскольку пришлось бы моделировать каждый отдельный случай. Считается, что каждая новая снежинка не похожа на уже созданную.

Снежные хлопья и цветной снег

Снежинки также могут сцепляться друг с другом (как на рисунке выше), образуя сложные многоугольные снежные хлопья. Порой эти хлопья бывают рекордных размеров - в Сербии как-то выпал снег с диаметром хлопьев до 30 см! Было это зимой 1971 года. Но чаще всего их размер не превышает 1-2 см.

Бывает также цветной снег - мелкие частички пыли попадают в облака, окрашивая снежинки в желтый, красноватый или бурый цвет. Бывает это в местностях, расположенных недалеко от пустынь, где бушуют песчаные бури. К слову, снег иногда выпадает и в самых пустынях, радуя местных жителей разнообразием и красотой снежинок.

Жили-были снежинки, а поскольку не нашли себе занятия получше, полетели они вниз, на землю. Многие оказались в поле и остались там, многие упали на крыши и остались там, а одна снежинка угодила в открытое окно, но о ее участи рассказ умалчивает, наверное, там она и осталась.
Роберт Вальзер. Семейство Таннер

Воздух, в котором они возникают, наполнен творческим гением. Вряд ли я восхитился бы больше,
даже если бы мне на пальто упали настоящие звезды.
Генри Дэвид Торо

Снежинка - красивая и изящная форма замороженной воды - всегда необычайно нравилась людям. Как известно, снежинка - это снежный или ледяной кристалл, обычно в форме шестиугольных пластинок и шестилучевых звездочек.

Во время очень сильных морозов (при температуре ниже −30 °C) ледяные кристаллики выпадают в виде «алмазной пыли » — в этом случае на поверхности земли образуется слой очень пушистого снега, состоящего из тоненьких ледяных иголочек.

Обычно же в процессе своего движения внутри ледяного облака ледяные кристаллики растут за счет непосредственного перехода водяного пара в твердую фазу. Как именно происходит этот рост, зависит от внешних условий, в частности от температуры и влажности воздуха. Характер зависимости ученые в общих чертах выявили, однако объяснить его пока не смогли.

В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы — снежинки-столбики, снежинки-иглы . В других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях, перпендикулярных к их оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек . К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды — в результате образуются снежинки неправильной формы .

В разное время снежинками интересовались Рене Декарт - французский естествоиспытатель; барон Николай Васильевич Каульбарс - генерал и военный писатель, член Императорского Русского географического общества, который обнаружил снежинки необычной формы; американец Уилсон Алвин Бентли - один из первых фотографов снежинок; японский физик-ядерщик Укихиро Накая в 1954 году издал книгу «Кристаллы Снега: Естественные и Искусственные », где подробно рассмотрел природу снежинок; Кеннет Либбрехт - американский профессор физики, издавший книгу «Снежинки. Тайна красота зимней природы ».

Первым же изучать снежинки начал Иоганн Кеплер (1571-1630) - знаменитый немецкий астроном и математик.

Еще в 1611 году он выпустил трактат «», в котором разобрал геометрические аспекты их строения. Это известное научно-художественное произведение в доступной форме раскрывает природу маленьких крох. Несмотря на то, что окончательного ответа на поставленный вопрос автор не дает, данный труд оказал значительное влияние на развитие науки и считается исходной точкой в развитии кристаллографии.

Высокие научные достижения трактата Кеплера оценил в свое время В. И. Вернадский в работе «Основы кристаллографии». Вернадский отметил:

«Значение работы заключается в том, что он впервые доказал, что кристаллы подчиняются законам геометрии».

«Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках » - изящная миниатюра-шутка. Свой труд Иоганн Кеплер посвятил другу - Иоганну Маттею Вакеру фон Вакенфельсу , советнику императора Рудольфа II, которому Кеплер в качестве новогоднего подарка придумал подарить «Ничто». Так, в поисках новогоднего подарка, И. Кеплер размышляет:

«Я перехожу мост, терзаемый стыдом - я оставил тебя без новогоднего подарка! И тут мне подворачивается удобный случай! Водяные пары, сгустившись от холода в снег, выпадают снежинками на мою одежду, все, как одна, шестиугольными, с пушистыми лучами. Клянусь Гераклом, вот вещь, которая меньше любой капли, имеет форму, может служить долгожданным новогодним подарком любителю Ничего и достойна математика, обладающего Ничем и получающего Ничто, поскольку падает с неба и таит в себе подобие шестиугольной звезды!».

Иоганн Кеплер не зря сравнивает «Ничто» и снежинку. Ведь по латыни Nix значит «снег», а по-немецки Nihil - «ничто». Ученый раздумывает, отчего снежинки, прежде чем сбиться в крупные хлопья, падают шестиугольниками и пушистыми, как перышки с шестью лучами.

И отчего всякий раз, когда начинает идти снег, первые снежинки имеют форму шестиугольной звезды. Следовательно, на то должна быть определенная причина. Обратившись к геометрии, ученый заметил, что и пчелиные соты также построены в шестиугольном порядке:

«любая ячейка в сотах окружена шестью другими ячейками, каждая из которых имеет с ней по одной общей стенке. Основание каждой ячейки имеет три плоскости, которые, соединяясь с ее боковыми сторонами, образуют шесть многогранных углов. Трехгранное донышко ячейки имеет форму, которую геометры называют ромбом. Но почему же пчелы строят соты именно шестиугольной формы, а не другой? А потому, что правильный шестиугольник покрывает наибольшую площадь без зазоров. Пчелы интуитивно стремятся строить как можно более вместительные соты, чтобы запасти побольше меда».

Наблюдая за тем, что под влиянием холода происходит сгущение водяных паров, ученый задается вопросом: можно ли холод считать причиной, по которой снег имеет шестиугольную форму? И почему зимой на окнах образуются морозные узоры? Ответ такой:

«зимний холод проникает сквозь щели в окнах. Возле этих узких щелей происходит противоборство с теплом. Тепло устремляется вверх, а холод опускается вниз. Ведь в тепле вещество расширяется, а на холоде становится более плотным и тяжелым, и от этого тепло выталкивается вверх. Поэтому, когда скопившийся внутри пар устремляется наружу, скопившийся снаружи холод, устремляется внутрь, отчего края открытого окна или щели становятся особенно холодными. Достигая их, пар будет непрестанно замерзать, а движения пара и воздуха то в одну, то в другую сторону и создают те полоски и острые лучи. На них и оседает пар».

Однако по-прежнему не былая выяснена причина шестиугольной формы снежинок. Наконец Кеплер заметил, что снежинки при падении не сразу ложатся плашмя. Несколько мгновений отдельные их части стояли торчком и лишь некоторое время спустя опускались на землю. Почему?

«Шестиугольные звездочки возникают при падении трех опущенных диаметров, соединенных в одной точке так, что концы их равномерно распределяются по окружности, и опускаются на землю лишь тремя опущенными лучами, в то время как три других луча, служащие продолжениями первых, остаются приподнятыми до тех пор, пока лучи, на которые опирается звездочка, не разогнутся и другие лучи, торчащие вверх, не опустятся на ту же плоскость в промежутках между первыми тремя лучами.

Если спросить математика, в какой фигуре три диаметра пересекаются в одной точке ортогонально, или в виде двойного креста, то математик ответит: в октаэдре, противоположные вершины которого соединены. Но октаэдр имеет именно шесть вершин. Как же случается, что падающий снег, прежде чем стать плоским, тремя своими диаметрами, расположенными под прямыми углами друг к другу, образует остов октаэдра?

Итак, кубическое расположение в пространстве капель, из которых состоит снег, обусловлено внутренней теплотой пара. Она закрепляет воображаемые капли пара вдоль трех диаметров, расставляя их в октаэдрическом порядке так, что вещество, сгущаясь, скапливается вдоль указанных диаметров. Следует также добавить, что все пушинки от центра направлены наружу, как иголки на еловой ветке. Это свидетельствует о том, что формообразующая сила сосредоточена в центре и действует оттуда одинаково по всем направлениям».

Кеплер выдвинул предположение о том, что три избранных диаметра возникают по той же причине, по которой в телах живых существ имеются три избранных направления: верх, низ, передняя и задняя часть, а также правая и левая стороны.

Возникновение шести избранных направлений в телах животных говорит о том, что тела животных не только сотворены по архетипу геометрических фигур, а именно куба, а также в силу необходимости для достижения некой цели. Человека также можно уподобить кубу, собранному из различных элементов.

Итак, изучив все, что только было возможным, ученый пришел к следующему выводу: «шестиугольная форма снега обусловлена постоянными числовыми соотношениями».

Какова же цель в образовании снега? И. Кеплер отвечает:

«Формообразующее начало не только стремится достичь цели, но также и способствует украшению, не только порождает естественные тела, но и не чуждо мимолетным забавам, о чем свидетельствуют многочисленные примеры ископаемых. И если природа забавляется, не лишена чувства юмора, то и жизнь без философии мертва!».

Невесомые снежинки - это сказочная красота чудесницы-природы! В настоящее время красивые фотографии снежинок, выполненные на макро-объектив, создал канадский фотограф Дон Комаречка (Don Komarechka ).

Понимание процесса формообразования позволило ученым самим создавать снежинки, получая информацию о физике роста кристаллов и модели их формирования. Исследование снежинок может помочь и при изучении климатических изменений и свойств воды в целом.

Миниатюра И. Кеплера «О шестиугольных снежинках » - это не только раритет науки, документ теоретической кристаллографии и гордость ее истории. По словам историка кристаллографии И. И. Шафрановского :

«Это изобилие глубочайших идей, широта подхода при рассмотрении причин образования снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие высказанных гипотез».

И хотя работа была написана более четырех веков назад, но даже сегодня читателя увлекает то, как точные научные сведения Иоганн Кеплер сумел преподать в шутливой форме новогоднего рассказа.

Приятного Вам чтения!

Резник Марина Васильевна,
библиотекарь отдела городского абонемента