Одинаковые ли снежинки, или Что сокрыто в замерзшей воде?

Многим, наверное, известно, что встретить в природе пару идентичных снежинок невозможно, но они могут быть очень похожи друг на друга. Этот феномен является той многовековой тайной, раскрыть которую помог в наши дни процесс компьютерного моделирования.

Впервые попытался приблизиться к разгадке немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер, написавший в одном из своих трактатов, что все снежинки имеют шесть граней и одну ось симметрии. Великий учёный связывал такое строение с характером расположения частиц. Его предположения были положены в основу науки кристаллографии.

Другой философ и математик, француз Рене Декарт в 1635 году занялся изучением и описанием снежинок, наблюдая их невооруженным глазом. Учёный описывал их строение как похожее на розы, лилии и механические шестеренки с шестью зубьями. Также Декарт был первым, кто увидел и описал снежинку с двенадцатью лучиками. До сих пор считается, что двенадцатиконечная снежинка является большой редкостью, доподлинно не известно, при каких условиях происходит её образование.

В 1665 году английский естествоиспытатель Роберт Гук занимался изучением снежинок уже под микроскопом. Он оставил науке большое количество зарисовок. Ну, а первые фотографические снимки были сделаны американским фермером Уилсоном Бентли. Этот человек с детства увлекался строением снежинок, и когда у него появилась возможность, посвятил себя их фотографированию. Чтобы получить первые снимки, он потратил два года. Сконструированный Бентли фотоаппарат представлял собой гибрид фотокамеры и микроскопа. Интересно, что поначалу эти снимки не считали подлинными, однако несколькими годами позже они были признаны и успешно используются в качестве иллюстраций к различным научным статьям. В 1931 году Бентли издал книгу «Снежные кристаллы», которая содержала более 2500 фотографий.

Но скрупулезнее всех к изучению вопроса подошли японцы. Профессор университета в Хоккайдо Укихиро Накайя занялся в 1932 году выращиванием искусственных снежинок, что, в свою очередь, позволило ему создать первую классификацию снежных кристаллов, а также определить зависимость формы и размера этих образований от температуры и влажности окружающего воздуха. Им была создана классификация, содержащая 41 индивидуальный тип. В городе Кага, что расположен на западе острова Хонсю находится «Музей снега и льда», носящий имя учёного. Там хранится машина для производства искусственных снежинок. Многими годами позже, в 1996, метеорологами Магано и Сю Ли были описаны уже 80 типов.

Как же появляется это чудо природы? Снежинки образуются из перенасыщенного водяного пара. Центрами кристаллизации являются взвешенные в воздухе пылинки. Поверхность кристалла представляет собой полужидкий слой. Молекулы воды могут как присоединяться к нему, так и отделяться. В конце концов они заполняют свободные места на вогнутых участках. Снежинка размером всего одну десятую миллиметра уже имеет гексагональную решетку. Причиной тому является строение молекулы воды, которая представляет собой тетраэдр (шестиугольник). Поэтому между лучами кристаллов возможны лишь углы 60 и 120 градусов.

Впоследствии на вершинах этого шестиугольника оседают новые молекулы, образуя тем самым причудливые формы снежинок. В процессе перемещения в атмосфере, а также под воздействием перепада температур кристаллы могут частично подтаивать и снова замерзать, образуя смешанные формы узоров.

Так что, вырезая снежинки к Новому Году, помните, что в природе не встречаются кристаллы с четырьмя, пятью или восемью гранями, практически все они шестиконечные.