Чому кожна сніжинка унікальна?

Молекула води

Вода — це H₂O: один атом кисню, зв'язаний із двома атомами водню під кутом близько 104.5°. Ця зігнута форма робить молекули води трохи полярними — кінець із киснем трохи від'ємний, а кінці з воднем трохи додатні.

Коли вода замерзає, ці полярні молекули притягуються одна до одної й шикуються в упорядковану кристалічну структуру. Водневі зв'язки (притягання між H однієї молекули та O іншої) затягують молекули в шестикутне розташування. Саме ця шестикутна симетрія є причиною того, що сніжинки завжди мають шість сторін або променів.

Чому шестикутна?

У рідкій воді молекули рухаються вільно. Коли температура падає нижче 0 °C, вони сповільнюються, поки водневі зв'язки не зафіксують їх у кристалічній ґратці. Найстабільніше розташування для водяного льоду за звичайного тиску — гексагональне щільне пакування — кожен атом кисню розташований у вершині шестикутника.

Ця шестикутна основа змушує кожну рису, що виросте пізніше — гілки, бічні гілки, вершини — теж розташовуватися із 6-кратною симетрією. Дендритна гілка, що росте на одному промені шестикутника, автоматично утворює однакові гілки на всіх шести променях.

Як росте сніжинка

Сніжинка починається як крихітний кристал льоду — часто утворений навколо порошинки пилу чи пилку. Поки зародковий кристал падає крізь перенасичену хмару (де водяної пари більше, ніж повітря зазвичай може утримати), водяна пара осідає прямо на кристал, не розтаючи спершу. Цей процес називається десублімацією.

Ріст кристала найшвидший на вершинах і кутах шестикутника, бо вони виступають у навколишнє повітря й ефективніше збирають водяну пару. Це призводить до того, що кути ростуть швидше за плоскі грані — розвиваючись у шість первинних гілок. Потім від них ростуть менші гілки, а від тих — ще менші, створюючи складну дендритну (деревоподібну) структуру.

Швидкість росту постійно змінюється залежно від:

• Температури: різні температури сприяють пластинчастому чи голчастому росту в різних масштабах.
• Перенасичення: вища вологість означає швидший ріст і складніше галуження.
• Тиску повітря та домішок: сліди інших газів впливають на точну відстань між вузлами ґратки.

Чому немає двох однакових

Сніжинка падає з хмари на землю приблизно 30–60 хвилин, долаючи до 1 500 метрів. Під час цього падіння вона проходить крізь багато різних шарів повітря з трохи різними температурами й рівнями вологості.

Кожна крихітна зміна умов трохи змінює ріст — утворюється гілка, розширюється пластина, загострюється кут. Сніжинка буквально записує свою подорож у своїй формі.

Кількість можливих конфігурацій вражаюче велика. Сніжинка має приблизно 10¹⁸ молекул води. Кількість способів, якими їх можна розташувати у правильній ґратці льоду, настільки величезна, що дві сніжинки, які пройшли б точно той самий мікроскопічний шлях крізь хмару, є по суті неможливими. Двом сніжинкам довелося б пройти точно ту саму мікроскопічну послідовність температури й вологості — упродовж усього падіння. Такого ніколи не траплялося.

Типи сніжинок

Не всі сніжинки — це класична зірка з 6 променями. Форма залежить від температури, за якої відбувся більшість росту:

• −2 до −3 °C: тонкі шестикутні пластини
• −3 до −5 °C: голки та стовпчики
• −5 до −8 °C: порожнисті стовпчики та чохли
• −8 до −12 °C: секторні пластини та пластини з виростами
• −12 до −16 °C: дендритні (галузиста зірка) — класична форма
• −16 до −25 °C: папоротеподібні зіркові дендрити з бічними гілками
• Нижче −25 °C: порожнисті стовпчики та кулеподібні розетки

Одна сніжинка може показувати риси кількох типів, якщо вона проходила крізь різні температурні зони, поки падала.

Спробуй сам

Ти можеш змоделювати ріст кристала сніжинки в браузері:

• Симуляція росту кристала сніжинки — модель обмеженої дифузією агрегації (DLA) з шестикутною симетрією. Налаштуй температуру й вологість і спостерігай, як твоя унікальна сніжинка формується в реальному часі.