Великая теория снежинок

Снега в центральной части России этой зимой маловато. Кое-где он выпал, конечно, но в январе месяце можно было ждать какой-то более морозной и снежной погоды. Унылая серость и неприятная слякоть мешают ощутить радость от привычных зимних забав. Поэтому Cloud4Y предлагает добавить немного снега в нашу жизнь, поговорив о… снежинках.

Считается, что снежинки бывают только двух типов. И у одного из учёных, которого иногда называют «отцом» физики снежинок, появилась новая теория, объясняющая причину этого. Кеннет Либбрехт — это удивительный человек, который готов посреди зимы покинуть нагретую солнцем Южную Калифорнию, чтобы добраться до Фэрбенкса (Аляска), надеть тёплую куртку и сесть в промороженном поле с камерой и куском пенопласта в руках.

Зачем? Он ищет самые сверкающие, самые фактурные, самые красивые снежинки, которые может создать природа. По его словам, наиболее интересные образцы имеют тенденцию образовываться в самых холодных местах — пресловутом Фэрбенксе и в заснеженной северной части Нью-Йорка. Самый же лучший снег, который Кеннет когда-либо наблюдал, шёл в Кокрейне, местечке на северо-востоке Онтарио, где слабый ветер кружил снежинки, падающие с неба.

Очарованный стихией, Либбрехт с упорством археолога изучает свою пенопластовую доску. Если там есть что-то интересное, взгляд обязательно зацепится за это. Если же нет — снег сметается с доски, и всё начинается заново. И это длится часами.

Либбрехт — физик. По забавному стечению обстоятельств, его лаборатория в Калифорнийском технологическом институте занимается исследованиями внутренней структуры Солнца и даже разработала современные приборы для обнаружения гравитационных волн. Но последние 20 лет подлинной страстью Либбрехта был снег — не только его внешний вид, но и то, что заставляет его так выглядеть. «Вопрос о том, что за объекты падают с неба, как это происходит и почему они так выглядят, всё время терзает меня», — признаёт Кеннет.



Долгое время для физиков было достаточно знания того, что среди множества крошечных снежных кристаллов можно выделить два преобладающих типа. Один из них — плоская звезда с шестью или двенадцатью лучами, каждый из которых украшен головокружительно красивыми кружевами. Другой — своего рода миниатюрная колонна, иногда зажатая меж плоских «крышек», а иногда похожая на обычный болтик. Эти формы можно увидеть при разной температуре и влажности, но причина образования той или иной формы была загадкой. Годы наблюдений Либбрехта помогли лучше понять процесс кристаллизации снежинок.

Наработки Либбрехта в этой области помогли создать новую модель, которая объясняет, почему снежинки и другие снежные кристаллы образуют то, что мы привыкли видеть. Согласно его теории, опубликованной в интернете в октябре 2019 года, описывает движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул могут порождать совокупность кристаллов, которые образуются в различных условиях. В своей монографии объёмом 540 страниц Либбрехт описывает все знания о снежных кристаллах.

Шестиконечные звёзды

Вы, конечно же, знаете, что невозможно увидеть две одинаковые снежинки (разве что на этапе зарождения). Этот факт связан с тем, как кристаллы формируются в небе. Снег — это скопление ледяных кристаллов, которые образуются в атмосфере и сохраняют свою форму, когда они все вместе падают на Землю. Они образуются, когда атмосфера достаточно холодная, чтобы не допустить слияния или таяния и превращения в мокрый снег или дождь.

Хотя в пределах одного облака можно зафиксировать множество температур и уровней влажности, для одной снежинки эти переменные будут постоянными. Вот почему снежинка часто растёт симметрично. С другой стороны, каждая снежинка подвергается воздействию ветра, солнечного света и другим факторам. По сути, каждый кристалл подчиняется хаосу облака, и потому принимает различные формы.

Согласно исследованию Либбрехта, самые ранние размышление об этих деликатных формах зафиксированы в 135 г. до н.э. в Китае. «Цветы растений и деревьев, как правило, пятиконечные, но цветы снега всегда шестиконечные», — писал ученый Хань Инь. А первым ученым, который попытался разобраться, почему так происходит, был, вероятно, Йоханнес Кеплер, немецкий ученый и эрудит.

В 1611 году Кеплер преподнёс новогодний подарок своему покровителю, императору Священной Римской империи Рудольфу II: небольшой трактат под названием «О шестиугольных снежинках».

«Я перехожу мост, терзаемый стыдом – я оставил тебя без новогоднего подарка! И тут мне подворачивается удобный случай! Водяные пары, сгустившись от холода в снег, выпадают снежинками на мою одежду, все, как одна, шестиугольными, с пушистыми лучами. Клянусь Гераклом, вот вещь, которая меньше любой капли, имеет форму, может служить долгожданным новогодним подарком любителю Ничего и достойна математика, обладающего Ничем и получающего Ничто, поскольку падает с неба и таит в себе подобие шестиугольной звезды!».

«Должна быть причина, по которой снег имеет форму шестиугольной звездочки. Это не может быть случайностью», — был уверен Йоханнес Кеплер. Возможно, ему вспомнилось письмо от своего современника Томаса Харриота, английского ученого и астронома, который также успел поработать штурманом для исследователя сэра Уолтера Роли. Около 1584 года Харриот искал наиболее эффективный способ складывать пушечные ядра на палубах кораблей Роли. Харриот обнаружил, что гексагональные узоры кажутся наилучшим способом расположения сфер, и он обсуждал этот вопрос в переписке Кеплером. Кеплер задавался вопросом, происходит ли что-то подобное в снежинках и благодаря какому элементу возникают и держатся эти шесть лучей.


Можно сказать, что это было начальное понимание принципов атомной физики, о которой заговорят лишь через 300 лет. Действительно, молекулы воды с их двумя атомами водорода и одним кислородом имеют тенденцию соединяться вместе, образуя гексагональные массивы. Кеплер и его современники даже не представляли, насколько это важно.

Как говорят физики, благодаря водородной связи и взаимодействия молекул друг с другом мы можем наблюдать открытую кристаллическую структуру. Помимо способности выращивать снежинки, шестиугольная структура позволяет сделать лёд менее плотным по сравнению с водой, что оказывает огромное влияние на геохимию, геофизику и климат. Другими словами, если бы лёд не плавал, жизнь на Земле была бы невозможна.

Но после трактата Кеплера наблюдение за снежинками было скорее хобби, чем серьёзной наукой. В 1880-х годах американский фотограф по имени Уилсон Бентли, живший в холодном, вечно заснеженном маленьком городишке Иерихон (штат Вермонт, США), начал делать снимки снежинок с помощью фотопластин. Он успел создать более 5000 фотографий, прежде чем умер от пневмонии.



Ещё позднее, в 1930-х годах, японский исследователь Укичиро Накая начал систематическое изучение различных типов снежных кристаллов. В середине столетия Накая выращивал снежинки в лаборатории, используя отдельные волоски кролика, помещённые в охлаждённое помещение. Он возился с настройками влажности и температуры, выращивая основные типы кристаллов, и собрал свой оригинальный каталог возможных форм. Накая обнаружил, что снежинки-звёзды имеют тенденцию образовываться при -2 °C и при -15 °C. Столбцы образуются при -5 °C и примерно при -30 °C.

Тут важно отметить, что при температуре около -2 °C появляются тонкие пластинчатые формы снежинок, при -5 °С они создают тонкие столбики и иголки, когда температура опускается до -15 °C, они становятся действительно тонкими пластинами, а при температуре ниже -30 °C они возвращаются в более толстые колонны.



В условиях низкой влажности снежинки-звёзды образуют несколько ветвей и напоминают гексагональные пластины, но при высокой влажности становятся более замысловатыми, кружевными.

По мнению Либбрехта причины появления различных форм снежинок стали понятнее именно благодаря работе Накая. Было установлено, что снежные кристаллы превращаются в плоские звёзды и пластины (а не трёхмерные структуры), когда края быстро растут наружу, а грани медленно растут вверх. Тонкие колонны растут по-другому, с быстро растущими гранями и более медленно растущими краями.

В то же время, основные процессы, влияющие на то, станет ли снежинка звездой или колонной, остались невыясненными. Возможно, секрет крылся в температурных условиях. И Либбрехт пытался найти ответ на этот вопрос.

Рецепт снежинки

Вместе со своей маленькой командой исследователей Либбрехт пытался придумать рецепт снежинки. То есть некий набор уравнений и параметров, которые можно загрузить в компьютер и получить от ИИ великолепное разнообразие снежинок.

Свои исследования Кеннет Либбрехт начал двадцать лет назад, узнав об экзотической форме снежинки, называемой закрытой колонной. Она похожа на катушку для ниток или на два колеса и ось. Рождённый на севере страны, он был шокирован тем фактом, что ни разу не видел такой снежинки.

Поражённый бесконечными формами снежных кристаллов, он занялся изучением их природы, создав лабораторию для выращивания снежинок. Результаты многолетних наблюдений помогли создать модель, которую сам автор считает прорывной. Он предложил идею молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Эта идея описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий и поведения молекул, которые его образуют.



Представьте, что молекулы воды расположены свободно, так как пары воды только начинают замерзать. Если бы можно было оказаться внутри крошечной обсерватории и смотреть на этот процесс, то можно было бы увидеть, как молекулы замёрзшей воды начинают образовывать жёсткую решетку, где каждый атом кислорода окружён четырьмя атомами водорода. Эти кристаллы растут путём включения молекул воды из окружающего воздуха в их структуру. Они могут расти в двух основных направлениях: вверх или наружу.

Тонкий плоский кристалл (пластинчатый или звездообразный) образуется, когда края формируются быстрее, чем две грани кристалла. Растущий кристалл будет распространяться наружу. Однако, когда его грани растут быстрее, чем его края, кристалл становится выше, образуя иглу, полый столб или стержень.


Ещё момент. Обратите внимание на третью фотографию, сделанную Либбрехтом в северном Онтарио. Это кристалл с «закрытыми колоннами» — две пластины, прикрепленные к концам толстого столбчатого кристалла. В этом случае каждая пластина разделена на пару гораздо более тонких пластин. Приглядитесь к краям, вы увидите, как пластина делится на две. Края этих двух тонких пластин примерно такие же острые, как лезвие бритвы. Общая длина ледяной колонны составляет около 1,5 мм.

Согласно модели Либбрехта, водяной пар сначала оседает по углам кристалла, а затем распространяется (диффундирует) по поверхности либо к краю кристалла, либо к его граням, заставляя кристалл расти наружу или вверх. Какой из этих процессов «выигрывает», зависит главным образом от температуры.

Нужно заметить, что модель является «полуэмпирической». То есть она частично построена так, чтобы соответствовать происходящему, а не объяснять принципы роста снежинок. Нестабильности и взаимодействия между бесчисленными молекулами слишком сложны, чтобы полностью их раскрыть. Впрочем, остаётся надежда на то, что идеи Либбрехта послужат основой для всеобъемлющей модели динамики роста льда, которую можно будет детализировать с помощью более подробных измерений и экспериментов.

Не стоит думать, что эти наблюдения интересны узкому кругу учёных. Подобные вопросы возникают в физике конденсированных сред и в других сферах. Молекулы лекарств, полупроводниковые чипы для компьютеров, солнечные элементы и множество других отраслей полагаются на высококачественные кристаллы, и целые группы занимаются вопросом их выращивания. Так что нежно любимые Либбрехтом снежинки вполне могут послужить на благо науки.

Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y

→ Солёная солнечная энергия
→ Пентестеры на передовой кибербезопасности
→ Стартапы, способные удивить
→ Интернет на воздушных шарах
→ Нужны ли в ЦОД подушки?

Подписывайтесь на наш Telegram-канал, чтобы не пропустить очередную статью! Пишем не чаще двух раз в неделю и только по делу. Кстати, если вы ещё не в курсе, стартапы могут получить $10 000 от Cloud4Y. Условия и анкета для желающих — на нашем сайте: bit.ly/2sj6dPK