Снежинка — это одиночный кристалл льда , достигший достаточных размеров и, возможно, слившийся с другими, который выпадает через атмосферу Земли в виде снега . [1] [2] [3] Каждая чешуйка зарождается вокруг крошечной частицы в перенасыщенных воздушных массах, притягивая переохлажденные капли облачной воды, которые замерзают и срастаются в кристаллическую форму. Сложные формы возникают по мере того, как хлопья проходят через зоны с разной температурой и влажностью в атмосфере, так что отдельные снежинки отличаются друг от друга в деталях, но их можно разделить на восемь широких классификаций и как минимум 80 отдельных вариантов. Основными составляющими формами кристаллов льда, из которых могут возникать комбинации, являются игла, столбец, пластинка и иней. Снег кажется белым, несмотря на то, что он сделан из прозрачного льда. Это происходит из-за диффузного отражения всего спектра света мелкими кристаллическими гранями снежинок. [4]
Снежинки зарождаются вокруг минеральных или органических частиц в насыщенных влагой, замерзающих воздушных массах. Они растут путем прирастания к зарождающимся кристаллам в гексагональных образованиях. Силы сцепления в основном электростатические.
В более теплых облаках аэрозольная частица или «ледяное ядро» должна присутствовать в капле (или находиться в контакте с ней), чтобы действовать как ядро. Частицы, образующие ядра льда, очень редки по сравнению с ядрами, из которых образуются капли жидкого облака; однако непонятно, что делает их эффективными. Глина, пыль пустыни и биологические частицы могут быть эффективными [5] , хотя в какой степени неясно. Искусственные ядра включают частицы йодида серебра и сухого льда , и они используются для стимулирования осадков при засеве облаков . [6] Эксперименты показывают, что «гомогенное» зарождение облачных капель происходит только при температурах ниже -35 ° C (-31 ° F). [7]
После того как капля воды замерзла в виде ядра льда, она растет в перенасыщенной среде, где жидкая влага сосуществует со льдом за пределами точки равновесия при температурах ниже точки замерзания. Затем капля растет за счет осаждения молекул воды из воздуха (пара) на поверхность кристаллов льда, где они собираются. Поскольку капель воды гораздо больше, чем кристаллов льда из-за их огромного количества, кристаллы могут вырасти до сотен микрометров или миллиметров в размерах за счет капель воды. Этот процесс известен как процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена . Соответствующее истощение водяного пара приводит к испарению капель, а это означает, что кристаллы льда растут за счет капель. Эти крупные кристаллы являются эффективным источником осадков, поскольку из-за своей массы они падают в атмосферу, могут сталкиваться и слипаться в кластеры или агрегаты. Эти агрегаты обычно представляют собой частицы льда, падающие на землю. [8] В Книге рекордов Гиннеса указаны самые большие в мире снежинки, собранные в январе 1887 года в Форт-Кио , штат Монтана , ширина которых, как утверждалось, составляла 15 дюймов (38 см), что значительно превышает обычно документированный диапазон совокупных снежинок в три или четыре дюйма. в ширину. Были обнаружены монокристаллы размером с десятицентовую монету (диаметр 17,91 мм). [3] Снежинки, заключенные в иней, образуют шарики, известные как крупа .
Хотя лед сам по себе прозрачный, снег обычно кажется белым по цвету из-за диффузного отражения всего спектра света за счет рассеяния света маленькими кристаллическими гранями снежинок, из которых он состоит. [4]
Форма снежинки во многом определяется температурой и влажностью, при которых она формируется. [8] Редко, при температуре около -2 °C (28 °F), снежинки могут образовывать тройную симметрию — треугольные снежинки. [9] Большинство частиц снега имеют неправильную форму, несмотря на то, что их обычно изображают симметричными. Маловероятно, что какие-либо две снежинки похожи друг на друга, поскольку, по оценкам, типичная снежинка состоит из 10 19 (10 квинтиллионов) молекул воды, [10] которые растут с разной скоростью и по разным закономерностям в зависимости от изменяющейся температуры и влажности в атмосфере. что снежинка проваливается на пути к земле. [11] Снежинки, которые выглядят одинаково, но могут различаться на молекулярном уровне, были выращены в контролируемых условиях. [12]
Хотя снежинки никогда не бывают идеально симметричными, рост неагрегированных снежинок часто приближается к шестикратной радиальной симметрии , возникающей из-за гексагональной кристаллической структуры льда. [13] На этом этапе снежинка имеет форму минутного шестиугольника. Шесть «рук» снежинки, или дендритов, затем растут независимо от каждого угла шестиугольника, при этом каждая сторона каждого плеча растет независимо. Микросреда, в которой растет снежинка, динамически меняется по мере того, как снежинка падает сквозь облако, а малейшие изменения температуры и влажности влияют на то, как молекулы воды прикрепляются к снежинке. Поскольку микросреда (и ее изменения) вокруг снежинки почти идентична, каждая рука имеет тенденцию расти почти одинаково. Однако пребывание в одной и той же микросреде не гарантирует, что каждая рука растет одинаково; на самом деле, для некоторых форм кристаллов это не так, потому что лежащий в основе механизм роста кристаллов также влияет на то, насколько быстро растет каждая область поверхности кристалла. [14] Эмпирические исследования показывают, что менее 0,1% снежинок имеют идеальную шестикратную симметричную форму. [15] Очень редко наблюдаются двенадцать разветвленных снежинок; они сохраняют шестикратную симметрию. [16]
Снежинки имеют самые разные замысловатые формы, что привело к пониманию того, что «нет двух одинаковых». Хотя почти идентичные снежинки были изготовлены в лаборатории, маловероятно, что их можно найти в природе. [18] [10] [19] [20] Первоначальные попытки найти одинаковые снежинки, фотографируя тысячи из них с помощью микроскопа , предпринятые Уилсоном Олвином Бентли в 1885 году, обнаружили большое разнообразие снежинок, о которых мы знаем сегодня.
Укичиро Накая разработал диаграмму морфологии кристаллов, связывающую форму кристаллов с условиями температуры и влажности, при которых они образовались, которая обобщена в следующей таблице: [21]
Форма снежинки определяется прежде всего температурой и влажностью, при которых она формируется. [8] Замораживание воздуха до температуры -3 °C (27 °F) способствует образованию плоских кристаллов (тонких и плоских). В более холодном воздухе до -8 ° C (18 ° F) кристаллы образуют полые столбцы, призмы или иглы. В воздухе холоднее -22 °C (-8 °F) формы снова становятся пластинчатыми, часто с разветвленными или дендритными чертами. При температуре ниже -22 ° C (-8 ° F) кристаллы становятся пластинчатыми или столбчатыми, в зависимости от степени насыщения. Как обнаружил Накая , форма также зависит от того, находится ли преобладающая влажность выше или ниже насыщения. Формы ниже линии насыщения имеют тенденцию к большей твердости и компактности. Кристаллы, образовавшиеся в перенасыщенном воздухе, более кружевные, нежные и богато украшенные. В зависимости от условий и ядер льда также образуются многие более сложные модели роста, такие как боковые плоскости, пулевидные розетки, а также плоские типы. [22] [23] [24] Если кристалл начал формироваться в режиме столбчатого роста, при температуре около -5 °C (23 °F), а затем перешел в более теплый пластинчатый режим, тогда прорастают пластинчатые или дендритные кристаллы. в конце столбца, образуя так называемые «колонны с заглушками». [8]
Магоно и Ли разработали классификацию свежеобразованных снежных кристаллов, которая включает 80 различных форм. Они перечислены в следующих основных категориях (с символом): [25]
Каждое из них они документировали микрофотографиями. [26]
Международная классификация сезонного снега на земле описывает классификацию снежных кристаллов после того, как они оседают на земле, включая форму и размер зерен. Эта система также характеризует снежный покров, поскольку отдельные кристаллы метаморфизируются и сливаются. [27]
Снежинка часто является традиционным сезонным изображением или мотивом, используемым в рождественский сезон , особенно в Европе и Северной Америке. Как христианский праздник, Рождество празднует воплощение Иисуса , который, согласно христианской вере , искупает грехи человечества ; Так, в европейских и североамериканских рождественских традициях снежинки символизируют чистоту. [28] [29] Снежинки также традиционно ассоциируются с погодой « Белого Рождества », которая часто бывает во время святок. [29] В этот период довольно популярно делать бумажные снежинки , складывая лист бумаги несколько раз, вырезая ножницами узор, а затем разворачивая его. [30] [31] Книга Исайи говорит об искуплении грехов, в результате чего они кажутся «белыми, как снег» перед Богом (ср. Исаия 1:18); [29]
Снежинки также часто используются как символы, обозначающие зиму или холод. Например, зимние шины , улучшающие сцепление в суровых зимних условиях, маркируются снежинкой на символе горы. [32] Стилизованная снежинка была частью эмблемы Зимних Олимпийских игр 1968 года , Зимних Олимпийских игр 1972 года , Зимних Олимпийских игр 1984 года , Зимних Олимпийских игр 1988 года , Зимних Олимпийских игр 1998 года и Зимних Олимпийских игр 2002 года . [33] [34]
Шестиконечная стилизованная шестиугольная снежинка, используемая для Ордена Канады (национальная система чести), стала символом северного наследия и разнообразия канадцев . [35]
В геральдике снежинка — стилизованный заряд . В Юникоде закодированы три разных символа снежинки : «снежинка» в U + 2744 (❄); «плотная тройчатая снежинка» в U + 2745 (❅); и «тяжелая шевронная снежинка» на U + 2746 (❆).
Во времена династии Тан снежинки в поэзии иногда служили символом космической энергии Дао и галактики Млечный Путь . [36]
Подборка фотографий, сделанных Уилсоном Бентли (1865–1931):
Всесторонние фотографические исследования свежих снежинок показывают, что простая симметрия, представленная на фотографиях Бентли, встречается редко. [37]