Как образуются снежинки и сколько у них лучей

Как образуются снежинки

Снежинки — это кристаллы льда, которые образуются из водяного пара. На высоте они начинают формироваться из шестигранной пластины, затем прирастают лучиками в каждом из шести углов. Снежинка продолжает расти по мере того, как падает на землю, встречая по дороге облака разной температуры и влажности. Эти показатели, а также направление воздушных потоков и атмосферное давление влияют на рост ледяного кристалла. Это и объясняет разнообразие форм снежинок.

Сколько лучей у снежинки

Выяснить это пытались выдающиеся физики и математики. 

Гипотеза Кеплера, XVII век

Математик и астроном Иоганн Кеплер вывел, что каждый ледяной кристалл имеет шестилучевую симметрию. Современных приборов у Кеплера не было, все исследования сводились к наблюдениям и обобщениям. Он задался вопросом, почему лучей всегда именно шесть, но точного ответа не нашёл. Зато сделал предположение, которое позже назвали гипотезой Кеплера. 

Изучая симметрию снежинок, учёный обнаружил их сходство с сотами и расположением гранатовых зёрен. А затем пришёл к выводу, что такая расстановка не случайна: просто шестиугольник — наиболее плотный вариант упаковки. Свою гипотезу он проверял на математической модели с помощью шаров.

Если ряд шариков положить на другой ряд шариков в одной плоскости и повторить это несколько раз, получится квадратная, неплотная упаковка. А вот если второй ряд шариков сдвинуть относительно первого по диагонали, а третий и четвёртый и так же последующие ряды укладывать как первый и второй относительно друг друга, получится плотная кубическая упаковка. Так же оказалось и в снежинках: их шестилучевая симметрия напомнила Кеплеру кубическую упаковку, в которой каждый шарик соседствовал с пятью другими, и эта структура образовывала идеальный шестиугольник. 

Так, ещё в XVII веке была описана кристаллическая решётка, которую образуют молекулы льда. Столетием позже появилось объяснение, что это связано со структурой молекулы воды.

Исследования Укихиро Накая, XX век

Японский физик заметил, что правильные шестиугольные кристаллы встречаются реже, чем неправильные, и задумался, почему снежинки разные. Укихиро провёл рентгеноструктурный анализ, после чего пришёл к выводу: на структуру снежинок влияет история их возникновения. Появившись как шестиугольник, снежинка редко долетает до земли в неизменном виде. Часто потоки воздуха и молекулы воды трансформируют структуру, заставляя одни лучики в кристалле льда расти быстрее других, и мы уже можем увидеть трёхлучевые снежинки. Укихиро Накая обнаружил также, что, слипшись, две снежинки начинают расти как одна и образуют 12-лучевую структуру.

Учёный проводил исследования как на естественных снежинках, так и на выращенных в лаборатории. В результате он выяснил: каждая снежинка образуется как шестиугольная призма и под влиянием внешних условий вырастает как длинная призма или как плоская монета — в зависимости от того, растут ли снежинки вдоль своей оси или перпендикулярно ей. 

Укихиро Накая выяснил, что по форме снежинок можно определять метеорологические условия той атмосферы, где образовался ледяной кристалл.

Гарвардский университет в 1954 году издал книгу исследователя «Снежные кристаллы». Она до сих пор служит для учёных и художников справочником по формам и видам снежинок.

Теория снежинок Кеннета Либрехта, XXI век

В начале XXI века американский исследователь искал объяснение открытиям, которые сделал Укихиро Накая. В книге «Физика образования кристаллов снега» Либрехт привёл более 100 разнообразных форм снежинок и дал объяснение, как появилось большинство из них.

Основа его выводов — опыты. Американский учёный выращивал снежинки в лаборатории и систематически делал замеры. У Либрехта появился собственный сайт, полностью посвящённый снежинкам. Там можно найти информацию о морфологии снежинок, кристаллических решётках льда и много фотографий самых разных экземпляров. В результате своей работы учёный обнаружил: 

В видео ниже учёный объясняет, как ему удаётся создавать дизайнерские снежинки.