Чому кожна сніжинка унікальна: Фізика зростання дендричного льоду

Чотирикутна молекула, прихована вісімка

Кожен зимовий сезон трильйони сніжинок падають – але жодна з них не є точно однаковою. Це не міф; це фізика. Вода – це H₂O: один атом кисню, зв’язаний з двома атомами водню під кутом приблизно 104,5°. Ця вигнута форма робить молекули води дещо полярними, із негативним атомом кисню та позитивними атомами водню. Коли вода замерзає, ці поляризовані молекули приваблюють одна одну через водневі зв’язки та зафіксовані в упорядкованій кристалічній решітці. За звичайного тиску найстабільніша структура – це гексагональне щільне пакування льоду, де кожен атом кисню знаходиться у куті шестикутника — і саме ця геометрична правда пояснює, чому сніжинки завжди мають шість сторін або гілок.

Чому ріст завжди дотримується шестикратної симетрії

Випукле шестигранне положення змушує будь-які ознаки, що ростуть пізніше — гілки, бічні гілки, кінчики — також організовуватись із шестигранною симетрією: гілка дендриту, яка росте на одній ніжці шестигранника, автоматично виробляє майже ідентичні гілки на всіх шести ніжках. Навіть коли загальна форма сніжинки стає складною, обертання її на 60° все ще виглядає однаково, невід’ємний наслідок основної гексаедричної структури льоду.

Як фактично росте кристал: відкладання та дивергенції

Сніжинка починається як крихітний льодяної кристал, часто утворений навколо частки пилу або порошку. Коли ембріональний кристал падає через перенасичене хмарне середовище — де є більше водяного пару, ніж повітря може зазвичай утримувати — водяний пар безпосередньо відкладається на кристалі без попереднього танення, процес, який називається відкладанням. Найшвидший ріст відбувається на кінчиках і кутах шестигранника, оскільки вони виступають в оточенні повітря і ефективніше збирають пару, ніж плоскі поверхні. Ця нерівність робить кути швидшими за площини, розвиваючи шість основних гілок, потім менші гілки від цих та ще менші — складну, деревоподібну дивергентну структуру, яка дає класичним сніжинкам їх мереживчастий вигляд. Швидкість росту в кожній точці безперервно залежить від місцевої температури, перенасиченості та навіть домішок у повітрі.

-2 to  -3 °C   thin hexagonal plates
-3 to  -5 °C   needles and columns
-5 to  -8 °C   hollow columns and sheaths
-8 to -12 °C   sector plates, plates with extensions
-12 to -16 °C  dendritic (branching star) — the classic shape
-16 to -25 °C  fern-like stellar dendrites with side branches
below  -25 °C  hollow columns and bullet rosettes

Чому дві сніжинки ніколи не однакові

Сніжинка падає приблизно від 30 до 60 хвилин з хмари на землю, просуваючись на відстань до 1500 метрів і проходити через багато шарів повітря з дещо різними температурами та вологістю. Кожна невелика зміна умов трохи змінює ріст — утворюється гілочка, пластина розширюється, кут загострюється — тому сніжинка буквально записує свою подорож у своїй формі. Одинакова сніжинка містить приблизно 10¹⁸ молекул води, а кількість способів їх розташування в дійсному льодному кристалі є настільки великою, що дві сніжинки, які ідентично повторюють однакову мікроскопічну траєкторію через штормовий хмарний фронт від нуклеації до посадки, практично неможливі. Це ніколи не відбувалося. Дуже прості форми, як-от маленькі гексагональні пластини, можуть виглядати однаково неозброєним оком — науковець Кеннет Лібрехт вирощував пари "ідентичних" сніжинок у лабораторії за умови збігаються умов, і вони були поверхнево схожі, але все ще відрізнялися в найдрібніших деталях.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.