Под снежным покрывалом

Из школьного курса физики все знают, что у воды есть три агрегатных состояния – твердое (лед), жидкое (вода) и газообразное (пар). Процесс перехода из одного в другой мы можем наблюдать даже в рамках квартиры: в морозильной камере вода превращается в лед, а от горячей ванны идут клубы пара. Снежинка – маленькая частность большого круга этих водных превращений. Ее рождение начинается с того, что на очень мелкой твердой частице (например, пылинке) оседает водяной пар. При температуре ниже 0 °С он переходит в твердое состояние, становится льдом. А когда падает на землю, водяной пар замерзает на первичном кристалле, создавая новые – рукава снежинки.

«Снежинки формируются в атмосфере – там, где есть ядра конденсации воды. Они попадают в холодные условия (пилоты ведь говорят в самолете: «За бортом –50 °С»), на них наседают добавочные отростки ледяных кристаллов, и снежинки падают в виде снега. На поверхности – на стекле или на почве – они тоже могут сформироваться, но немного другие: все видели изморозь на окнах. Для снежинок важна вода, влажность. Поэтому в Антарктиде в нашем понимании вообще не идет снег. В Тюмени, например, за год выпадает 400–450 мм влаги, третья часть из них – в виде твердых осадков. В Антарктиде всего 20 мм осадков. Это не дождь и не снег, а остатки центров конденсации из очень сухого перемороженного воздуха. Там есть и Долины Мак-Мердо, где сотни тысяч лет вообще ничего не выпадает. Земля располагает различным диапазоном условий», – рассказывает Владимир Семенович Шейнкман, ведущий научный сотрудник Института криосферы Земли СО РАН.

Сухие долины Мак-Мердо. blakenz.org

Форма и размер снежинок определяются температурой вокруг и влажностью. Чем выше влажность в облаках, тем сложнее будут снежинки. Больше воды – значит больше потенциального льда для «нароста». При –12–18 °С получаются самые красивые – звездочки с шестью лучами. Японский физик Укихиро Накайя (Nakaya Ukichirō) первым предположил, что на форму и размер снежинок влияют именно влажность и температура. Он экспериментально подтвердил свою теорию, научившись создавать в лаборатории кристаллы, не отличимые от настоящих снежинок. Накайя помещал в стеклянную колбу волоски кроличьего меха, а потом заполнял ее паром, который быстро замораживался. Процесс повторялся многократно, имитируя то, что происходит в облаках. В марте 1936 года после трех лет безуспешных попыток японец «вырастил» первый кристалл в форме шестиконечной звезды. Накайя был влюблен в снежинки и романтично говорил о них: «Снежные кристаллы – это письма, посланные нам с небес».

Снежинка всегда шестиугольна. Все потому, что кристалл льда обладает в природе гексагональной (шестиугольной) симметрией, которая и выливается в привычную нам форму снежинок «с ручками» – из-за ориентации молекул в кристаллической решетке и расположения свободных водородных связей (они способствуют образованию ровных граней). О шестиугольной форме снежинок писал еще в 1611 году астроном Иоганн Кеплер в труде «О шестиугольных снежинках», где он задал себе почти философский вопрос «Отчего снег шестиуголен?» и ответил: «Вещь эта мне еще не открыта». Надо сказать, что она не открыта до сих пор, – вопрос того, почему структура льда выглядит именно так, как она выглядит, не решен до конца. Мы знаем только, что эту форму обеспечивают законы физики. Известно 17 кристаллических модификаций водяного льда, но в природе чаще всего встречается лед Ih. Буква h как раз означает hexagonal – гексагональный. Молекулы воды в этой форме выстраиваются в виде шестиугольных сот. Такая же структура, как у кристаллов льда, например, у лонсдейлита – гексагонального алмаза, так что, в принципе, в ней нет ничего удивительного. Больше того, даже сама уникальность снежинок – не уникальна. Не бывает двух одинаковых снежинок, да, но также не бывает двух одинаковых кристаллов соли, двух одинаковых отпечатков пальцев, одинаковых травинок. Очень многие вещи в мире строго индивидуальны, другое дело, что не все из них такие красивые, как снежинки.

Снежинки делятся по Международной классификации снежинок на несколько видов: призмы (крошечные), иглы (тонкие и длинные), дендриты (древоподобные), 12-лучевые, двойные пластинки, папоротникообразные, треугольные. В 2017 году шведские ученые из Технологического университета Лулео обнаружили новый вид снежинок. Они рассматривали на рентгеновском аппарате снежные кристаллы и нашли новую снежинку удлиненной формы, похожую на звезду, с небольшим хоботком, полую внутри. Снежинка такого типа еще не фиксировалась прежде.

Фото: Kenneth G. Libbrecht, snowcrystals.com

Мир периодически регистрирует необычные снежинки. В Книгу рекордов Гиннесса внесена самая большая совокупная снежинка (это значит, что несколько кристаллов соединились друг с другом, проще говоря, слиплись в одну снежинку), известная история: она упала в Форт-Кио (Монтана, США) в январе 1887 года и достигала 381 мм в ширину. О ней написало в 1915 году издание Monthly Weather Review, но, естественно, эксперты Гиннесса уже не смогли выехать на место и зафиксировать рекорд, так что поверили жителям Форт-Кио на слово.

Физические свойства снега поразительно изменчивы. Его плотность, пористость, влажность, структура и форма меняются стремительно, он не может долго существовать в одном состоянии: «погибшую» снежинку не воскресить. Поэтому долгое время ученые не понимали, как изучать снег. Но в конце XIX века за дело взялся американец Уилсон Бентли (Wilson Bentley) из штата Вермонт. Он разработал метод фиксации снежинок, который сейчас называется микрофотографией, – через микроскоп и камеру делал снимки на очень близком расстоянии. Бентли сделал больше 5 тыс. снимков снежинок за 46 лет и завещал свою коллекцию Смитсоновскому институту. Бентли писал: «Мне показалось стыдным, что эту красоту не увидят и не оценят другие. Каждый кристалл представлял великолепный узор, и ни один узор не повторялся дважды. Когда снежинка таяла, узор пропадал навсегда. Так, словно бесследно навсегда уходила красота».

В России тоже был свой «снежный» энтузиаст. Андрей Сигсон из Рыбинска начал фотографировать снежинки еще раньше Бентли, в середине XIX века. Для получения снимка фотограф помещал снежинку на очень тонкую сеточку под микроскоп с увеличением от 15 до 24 раз. Чтобы не растопить объект, охлаждал руки и дышал через трубку, отводящую воздух в сторону. Несмотря на то что коллекция Сигсона скромнее Бентли, его вклад в фотографирование снежинок неоспорим. На Парижской всемирной выставке 1900 года подданный Российской империи получил за свои снимки золотую медаль. Именно после Бентли и Сигсона снег начали изучать, потому что поняли, как его фиксировать. Сейчас неплохие фотографии снежинок можно сделать даже на камеру телефона, а у снега есть своя наука – снеговедение, с монографиями и атласом снежинок.