Физика
Факторы, определяющие формУ снежинки
Пока снежинка падает с неба, она уже успевает прожить целую жизнь: пройти через разные температуры, влажность и даже сменить форму. Именно этот путь превращает прозрачную воду в белое кружево, у которого всегда шесть углов и никогда — двух одинаковых узоров.
Снежинка — бытовое название кристалла снега. Может показаться, что снежинка образуется из замёрзшей капли воды, но на самом деле это не так. Замёрзшие капли воды называются мокрым снегом. Они больше похожи на уменьшенный град, в них нет того многообразия и изящества, которые есть в снежинках.
История изучения снежинок
Первые упоминания о форме снежинок принадлежат китайскому философу Хань Ину в 135 году до нашей эры: “Цветы растений и деревьев в основном пятиконечные, но цветы снега, которые называются инь, всегда шестиконечные.”
В Европе снежинки были задокументированы значительно позже, в 1555 скандинавским епископом Олаусом Магнусом, который подметил их богатое разнообразие форм. Английский астроном Томас Харриот в 1591 правильно идентифицировал шестиугольную симметрию снежинок. Рене Декарт, математик и философ, очень подробно описал снежинки в своих трудах «Опыт о метеорах» (1635 г.), наблюдая их невооруженным глазом.
Первые упоминания о форме снежинок принадлежат китайскому философу Хань Ину в 135 году до нашей эры: “Цветы растений и деревьев в основном пятиконечные, но цветы снега, которые называются инь, всегда шестиконечные.”
В Европе снежинки были задокументированы значительно позже, в 1555 скандинавским епископом Олаусом Магнусом, который подметил их богатое разнообразие форм. Английский астроном Томас Харриот в 1591 правильно идентифицировал шестиугольную симметрию снежинок. Рене Декарт, математик и философ, очень подробно описал снежинки в своих трудах «Опыт о метеорах» (1635 г.), наблюдая их невооруженным глазом.
Зарисовки первых снежинок, увиденных в микроскопе. Роберт Гук, 1665 год
Снежинка — всегда шестиугольная структура
Рождение снежинки происходит высоко в облаках. Само по себе облако — это водяной пар. Как только под действием низкой температуры происходит замерзание группы молекул воды, начинается рост снежинки.
Примечательно, что у снежинки всегда шесть углов: не три, не пять и не семь. Нумерология и магия тут ни при чём — ответ скрывается в молекуле воды. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.
Рождение снежинки происходит высоко в облаках. Само по себе облако — это водяной пар. Как только под действием низкой температуры происходит замерзание группы молекул воды, начинается рост снежинки.
Примечательно, что у снежинки всегда шесть углов: не три, не пять и не семь. Нумерология и магия тут ни при чём — ответ скрывается в молекуле воды. Она состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.
Молекула воды [3]
Угол между связями в молекуле воды (~105°) близок к углу правильного шестиугольника (120°). Таким образом, природе удобнее строить именно шестиугольные структуры из молекул воды.
Далее молекулы воды нарастают и образуют разнообразные формы. Примерно 100 тысяч молекул воды требуется, чтобы получить одну снежинку.
Существуют экзотические (но не редкие!) формы снежинок, такие как столбик с крышечками, столбик с множеством крышечек или иголочка. Можно найти даже снежинку с двенадцатью углами, но это не исключение из шестиугольного правила, а результат наложения двух снежинок. Кроме того, снежинки, вопреки мифам, не всегда симметричные.
Далее молекулы воды нарастают и образуют разнообразные формы. Примерно 100 тысяч молекул воды требуется, чтобы получить одну снежинку.
Существуют экзотические (но не редкие!) формы снежинок, такие как столбик с крышечками, столбик с множеством крышечек или иголочка. Можно найти даже снежинку с двенадцатью углами, но это не исключение из шестиугольного правила, а результат наложения двух снежинок. Кроме того, снежинки, вопреки мифам, не всегда симметричные.
Шестиугольная структура льда [4]
Разнообразие снежинок [1]
Снежинки лучше всего фотографировать в воздухе, пока они ещё не упали на землю. В момент падения они легко ломаются или слипаются друг с другом.
Момент, когда прозрачное становится белым
Снежинки белые по той же причине, по которой облака и горсть сахара белые. Они отражают весь падающий на них свет. А сумма всех цветов — это белый, поэтому снег так выглядит. На самом же деле снег и вода прозрачные.
На фотографиях отдельных снежинок их подсвечивают сзади: таким образом свет проходит сквозь снежинку и попадает в камеру. Проходя через кристалл, свет искривляется, что позволяет увидеть геометрию снежинки во всей красе.
Снежинки белые по той же причине, по которой облака и горсть сахара белые. Они отражают весь падающий на них свет. А сумма всех цветов — это белый, поэтому снег так выглядит. На самом же деле снег и вода прозрачные.
На фотографиях отдельных снежинок их подсвечивают сзади: таким образом свет проходит сквозь снежинку и попадает в камеру. Проходя через кристалл, свет искривляется, что позволяет увидеть геометрию снежинки во всей красе.
Фото снежинки с подсветкой спереди (слева) и сзади (справа) [1]
Стекло — ещё один пример одновременно белого и прозрачного объекта. Сплошное стекло прозрачно, но если его разбить на маленькие кусочки, оно выглядит белым. Причина та же — многократное отражение света от кристаллов стекла и объединение разных цветов света в белый.
Как природа творит уникальное искусство
Влажность и холод — главные ингредиенты «приготовления» снежинки. В облаке все эти условия имеются. Более того, в разных частях облака отличаются влажность и температура. Именно от этих двух параметров зависит форма снежинки.
При небольшом минусе образуются пластинки, похожие на звёзды или папоротники. При температуре от –5 до –10 °C наблюдаются иголочки и полые столбики — на варежке они выглядят как маленькие волоски. От –10 до –22 °C снова формируются пластинки, а при ещё более низких температурах — опять столбики.
Чем выше влажность, тем больше молекул воды содержится в воздухе, а значит, образуются более крупные снежинки.
Влажность и холод — главные ингредиенты «приготовления» снежинки. В облаке все эти условия имеются. Более того, в разных частях облака отличаются влажность и температура. Именно от этих двух параметров зависит форма снежинки.
При небольшом минусе образуются пластинки, похожие на звёзды или папоротники. При температуре от –5 до –10 °C наблюдаются иголочки и полые столбики — на варежке они выглядят как маленькие волоски. От –10 до –22 °C снова формируются пластинки, а при ещё более низких температурах — опять столбики.
Чем выше влажность, тем больше молекул воды содержится в воздухе, а значит, образуются более крупные снежинки.
Диаграмма морфологии снежных кристаллов (диаграмма Накая). Взято и переведено из [1]
Итого, у снежинок есть два направления роста: вдоль изначального шестиугольника и поперёк него. В первом случае получается пластинка, во втором — столбик. В обоих случаях молекулы воды нарастают на выпирающие углы, так как туда другим молекулам воды проще прикрепиться.
Рецепт экзотической формы типа «столбик с крышечками» таков: снежинка должна начать расти как столбик в одном диапазоне температур, а затем попасть в другой, чтобы на её концах выросли пластинки.
Рецепт экзотической формы типа «столбик с крышечками» таков: снежинка должна начать расти как столбик в одном диапазоне температур, а затем попасть в другой, чтобы на её концах выросли пластинки.
Секрет уникальности снежинки — в её неповторимом пути внутри облака с особыми условиями влажности и температуры.
Чтобы получить две одинаковые снежинки, необходимо создать для них абсолютно одинаковые условия температуры и влажности. Это пытался повторить в своей лаборатории по изучению снежинок Кеннет Либбрехт. Однако, по его словам, даже при одинаковых условиях снежинки всё равно немного отличались.
Наука, за которую готов платить Disney
Американский учёный Кеннет Либбрехт разработал прибор, в котором он имитирует условия облаков и выращивает снежинки. В установку встроен микроскоп с камерой, что позволяет фотографировать снежинки в полёте. Управляя температурой и влажностью в камере, он может самостоятельно задавать геометрию снежинок.
Кеннет накопил огромный опыт изучения снежинок и охотно делится им на своём сайте и в книгах, посвящённых снежинкам.
Он даже читал лекцию для команды художников мультфильма «Холодное сердце» (Frozen) о том, как образуются снежинки. Ведь в мультфильме, где много снега и магии холода, крайне важно физически правдоподобно изображать снежинки!
Американский учёный Кеннет Либбрехт разработал прибор, в котором он имитирует условия облаков и выращивает снежинки. В установку встроен микроскоп с камерой, что позволяет фотографировать снежинки в полёте. Управляя температурой и влажностью в камере, он может самостоятельно задавать геометрию снежинок.
Кеннет накопил огромный опыт изучения снежинок и охотно делится им на своём сайте и в книгах, посвящённых снежинкам.
Он даже читал лекцию для команды художников мультфильма «Холодное сердце» (Frozen) о том, как образуются снежинки. Ведь в мультфильме, где много снега и магии холода, крайне важно физически правдоподобно изображать снежинки!
Мультфильм «Холодное сердце» (Frozen)
Список литературы:
- Сайт Кеннета Либбрехта о снежинках
- Кеннет Либбрехт. Книга The Snowflakes, Winter's frozen artistry
- Вода. Википедия
- Лёд. Википедия
Автор: Тобольченко Екатерина, студентка физического факультета МГУ
