Снежная экзотика

Вырезать или нарисовать снежинку может кто угодно. Главное правило: это должна быть шестилучевая звезда, а во всем остальном можно импровизировать. Однако ученые до сих пор точно не понимают, почему снежные кристаллы в большинстве случаев приобретают именно эту форму, а не, например, форму шестигранных призм, как диктует молекулярная структура льда. Рассказываем, что физика знает о снежинках, и показываем, каких монстров, совсем не похожих на привычные «звезды», могут порождать необычные атмосферные условия.

У водяного льда известно 17 различных кристаллических модификаций, но в естественных условиях встречается преимущественно только одна — лед I_h. Буква h здесь обозначает hexagonal, то есть гексагональный или шестиугольный. В этой форме молекулы воды выстраиваются в виде шестиугольных сот, образующих параллельные слои — в кристаллографии такое расположение называется гексагональной сингонией. Структура такого льда напоминает графит — в нем ту же структуру образуют атомы углерода.

У углерода известна и вторая кристаллическая форма — алмаз. Ее аналог для льда — модификация I_c, где c означает cubic, то есть кубический. Так ее называют потому, что форму куба имеет минимальный повторяющийся элемент, однако сами молекулы воды располагаются в вершинах тетраэдра — в кристаллографии такое расположение называют гранецентрированной кубической сингонией. Лед Ic, однако, в отличии от алмаза неустойчив при температуре выше 73 градусов Цельсия ниже нуля, и поэтому встречается только на больших высотах. Практически все кристаллы льда, которые сыпятся на нас с неба каждую зиму, относятся к модификации I_h, то есть молекулы воды в нем образуют шестиугольники.

Зародыши снежинок летят к земле сквозь холодный влажный воздух и постепенно обрастают новыми молекулами воды. Так как наибольшее количество связей новая молекула образует там, где грань кристалла еще не достроена, именно там вероятность присоединить новую молекулу выше всего, и именно поэтому выросший кристалл должен повторять форму его кристаллической решетки. Однако это означает, что снежинки должны иметь форму шестиугольной призмы, а не шестилучевой звезды, к которой мы все привыкли.

И такие «правильные» снежинки действительно встречаются, хотя и не так часто как обычные. Они имеют форму либо тонкой шестиугольной пластины, либо шестигранного «карандаша».

Чтобы объяснить, почему большая часть снежинок все-таки обзаводится лучами, нужно вспомнить, что углы шестиугольника выступают чуть дальше в окружающий влажный воздух, и поэтому соприкасаются с большим количеством молекул воды. Для относительно небольших снежинок этот эффект незначителен, однако с увеличением их размера он становится все более заметным и в конце концов приводит к образованию лучей.

Однако это не объясняет, почему снежинки плоские: ведь нет никаких причин считать, что рост кристалла вширь чем-то лучше роста кристалла в длину.

Самая проработанная гипотеза, объясняющая эту асимметрию, принадлежит профессору Калифорнийского технологического университета Кеннету Либбрехту (Kenneth Libbrecht), который в течение многих лет в качестве хобби фотографировал снежинки, а затем даже организовал небольшую лабораторию, где проводил эксперименты по их контролируемому росту.

В 2019 году Либбрехт сформулировал гипотезу молекулярной диффузии, которая заключается в том, что молекулы воды изначально в основном «цепляются» за выступающие углы снежинки, и только затем перемещаются — вернее диффундируют — вдоль ее поверхности. В каком направлении будет происходить диффузия, определяется внешними условиями, в основном, температурой.
Сложное поведение молекул воды в такой системе связано с явлением, которое Либбрехт назвал «предтаянием». Дело в том, что образование снежинок идет в основном при температуре, не сильно отличающейся от температуры плавления льда, и поэтому внешний слой молекул на поверхности снежинок на самом деле находится в некоем промежуточном состоянии между кристаллическим и жидким, и не является в полной мере упорядоченным. Явление предтаяния протекает по-разному на разных гранях кристалла, поскольку эти грани имеют разную структуру. Однако — и это главный недостаток гипотезы — как предтаяние связано с этой структурой, неизвестно. Провести соответствующие численные расчеты Либбрехту пока не удалось в силу их высокой ресурсозатратности.

Тем не менее, подобрав эмпирически параметры, ученый показал, что отличие свойств полурастаявшего льда на разных гранях приводит к отличию их энергии поверхностного натяжения и к тому, что энергетически молекулам воды выгоднее диффундировать на одну из граней, а не на другую. В большинстве случаев более выгодной является диффузия на боковые грани шестигранной призмы. В результате снежинка растет вширь, образуя тонкие пластинки.

Однако в узком диапазоне температур — около 6 градусов Цельсия ниже нуля — ситуация противоположная: кристалл растет в длину, образуя длинные тонкие иглы. На своем долгом пути в атмосфере снежинка может пройти через несколько разных областей с разной температурой, и тогда образуются более причудливые формы кристаллов в виде, например, толстого столбика или столбика с шляпками.

Эксперименты, которые проводил Либбрехт, в своей лаборатории, в частности, показали, что можно вырастить две практически идентичные снежинки — однако для этого надо, чтобы условия их роста в точности совпадали. Однако "настоящие" снежинки растут на разных высотах, при разных температурах, рост их может нарушаться или идти не так. В результате могут формироваться "монстры", совсем не похожие на привычные шестиугольные звезды.

Артем Коржиманов