Снежинка — не просто маленькая ледяная звезда. Это кристалл или соединение нескольких кристаллов, а снежный покров — сложная пористая среда, в которой лёд соседствует с воздухом, а иногда и с жидкой водой. Поэтому особенности снежинок важны не только для рисунка под микроскопом: они связаны с тем, как снег уплотняется, отражает солнечный свет и меняется при оттепелях.
При этом форму отдельного кристалла нельзя напрямую использовать как точный прогноз свойств всего снега. После выпадения кристаллы оседают, ломаются, срастаются и преобразуются под действием температуры и влаги. Чтобы понять снег, полезно различать три уровня: строение кристалла, устройство слоя и свойства снежного покрова в целом.
Из чего состоит снежинка
В обычных атмосферных условиях снежные кристаллы состоят из льда, молекулы которого образуют упорядоченную структуру. Для льда, формирующегося в облаках при типичных для Земли давлениях, характерна гексагональная кристаллическая решётка. Этим объясняется распространённая шестилучевая симметрия снежинок: направления роста связаны с устройством кристалла, а не с заранее заданным шаблоном.
Снежный кристалл растёт в облаке, когда водяной пар осаждается на ледяной частице. Молекулы воды присоединяются к поверхности, и разные её участки могут расти с неодинаковой скоростью. На форму влияют температура и влажность окружающего воздуха, а также история перемещения кристалла через облако. Поэтому ветви одной снежинки обычно похожи по общему рисунку, но не являются идеально одинаковыми.
Почему кристаллы отличаются друг от друга
Температура влияет на то, какие грани растут быстрее, а доступность водяного пара — на скорость и разветвлённость роста. В одних условиях формируются преимущественно плоские пластинки, в других — столбики, иглы или более сложные ветвистые кристаллы. Границы между типами не следует понимать как строгие переключатели: реальный рост зависит от меняющихся условий и может сочетать признаки нескольких форм.
Если кристалл проходит через участки облака с разной температурой или влажностью, его части могут развиваться по-разному. При высокой доступности водяного пара на отдельных участках поверхности рост становится особенно заметным, и возникают ветви. Однако даже характерная форма не позволяет без дополнительных данных точно восстановить весь маршрут снежинки: одинаковый внешний вид может возникать при разных сочетаниях условий.
Основные формы снежных кристаллов
Классифицировать снежинки можно по внешнему виду, но категории описывают скорее характерные типы, чем исчерпывающий перечень. Один кристалл бывает простым, другой — сложным и разветвлённым; выпавшая на землю частица может также состоять из нескольких слипшихся кристаллов. В таблице приведены распространённые формы и то, что их строение может подсказать наблюдателю.
| Форма | Как выглядит | Что важно учитывать |
|---|---|---|
| Пластинка | Плоская, часто с шестью сторонами или лучами | Плоская форма заметна в микроскопе, но сама по себе не определяет поведение слоя снега. |
| Столбик | Удлинённый кристалл, иногда похожий на короткую призму | Это один из вариантов роста ледяной решётки; столбчатые формы могут быть полыми или иметь дополнительные грани. |
| Игла | Тонкий вытянутый кристалл | Иглы способны соединяться с другими частицами, поэтому после выпадения их исходный вид может измениться. |
| Ветвистый кристалл | Разветвлённая форма с боковыми отростками | Ветви увеличивают сложность рисунка, но часто обламываются при переносе и уплотнении снега. |
| Агрегат | Несколько соединённых кристаллов | Это уже не один кристалл: агрегаты могут быть крупнее и иметь более рыхлую или неоднородную структуру. |
Симметрия не означает одинаковость
Шестикратная симметрия — узнаваемый признак многих снежных кристаллов, но идеальная симметрия встречается не всегда. Лучи растут одновременно, однако каждый взаимодействует с немного отличающимся окружением. Мелкие изменения влажности и температуры, столкновения с каплями или другими частицами могут оставить на ветвях неодинаковые детали.
Кроме того, не всякая белая частица, упавшая с неба, представляет собой отдельную красивую звезду. Снег может включать сросшиеся кристаллы, обломки и частицы, изменённые при столкновениях. Поэтому фотографии отдельных снежинок показывают разнообразие кристаллов, но не дают полного описания осадков или снежного слоя.
Как строение снежинки связано со свойствами снега
Свежевыпавший снег — пористая смесь ледяных частиц и воздуха. Форма, размер и сцепление кристаллов влияют на то, как частицы располагаются рядом, но после выпадения исходный рисунок постепенно меняется. Под нагрузкой снег оседает, контактные участки между зёрнами перестраиваются, а кристаллы могут разрушаться и округляться. Поэтому свойства слоя зависят не только от того, какие снежинки выпали, но и от дальнейшей погоды и нагрузки.
Плотность и уплотнение
Плотность снежного слоя связана с долей льда и воздуха в заданном объёме. Свежий рыхлый снег обычно содержит много воздуха, а со временем может уплотняться под собственным весом, ветром или нагрузкой сверху. Важны также влажность и неоднородность слоя: наст, ледяные прослойки и рыхлые горизонты могут соседствовать в одном снежном покрове.
Разветвлённые кристаллы при оседании нередко теряют выступающие части, а соседние ледяные зёрна сближаются. В результате первоначальную форму становится трудно распознать. По этой причине внешний вид свежих хлопьев нельзя считать прямым измерением плотности снега на земле: плотность определяют для конкретного слоя, а не выводят из рисунка отдельных снежинок.
Теплоизоляция
Воздух в порах плохо переносит тепло по сравнению со сплошным льдом, поэтому рыхлый снежный покров способен замедлять теплообмен между поверхностью и грунтом. Но степень теплоизоляции зависит от характеристик всего слоя: его плотности, толщины, влажности и внутреннего устройства. Уплотнение уменьшает объём воздушных пор, а жидкая вода меняет теплоперенос и при последующем замерзании может формировать плотные участки.
Следовательно, форма снежинки влияет на теплоизоляционные свойства лишь косвенно — через укладку и преобразование частиц. Для практической оценки важнее состояние снежного покрова в целом. Два слоя, появившиеся после разных снегопадов, могут со временем стать похожими по плотности, если подвергались сходной нагрузке и температурным изменениям.
Отражение света и таяние
Свежий снег кажется белым, потому что свет многократно рассеивается на границах между льдом и воздухом внутри пористого слоя. Отражательная способность меняется по мере старения снега: зёрна перестраиваются и укрупняются, поверхность загрязняется, а при таянии появляются участки с водой. На процесс также влияют свойства падающего света и состояние поверхности.
Таяние зависит не от одной только формы кристаллов. Существенны поступление солнечной энергии, температура воздуха и поверхности, ветер, влажность и контакт с более тёплым грунтом. Жидкая вода способна просачиваться вниз и повторно замерзать, из-за чего в слое возникают ледяные корки или более плотные прослойки. Так меняется структура снега, даже если новые осадки не выпадают.
Как снег меняется после выпадения
Снег не сохраняет первоначальный вид бесконечно. В сухом слое кристаллы постепенно перестраиваются, а различия между острыми ветвями и более округлыми зёрнами могут сглаживаться. Температурный градиент внутри покрова способен приводить к росту и перераспределению ледяных зёрен; при таянии и замерзании изменения идут иначе и могут формировать плотные корки.
Ветер переносит снег, сортирует частицы и уплотняет поверхность. Слой, который образовался из ветвистых хлопьев, после переноса может выглядеть иначе и иметь другие механические свойства. Поэтому при описании снежного покрова полезно указывать не только форму исходных кристаллов, но и условия наблюдения: свежий ли это снег, успел ли он осесть, есть ли в нём вода или ледяные прослойки.
Что можно понять по снежинке, а что нельзя
- Можно заметить: кристаллическую симметрию, общую форму, наличие ветвей, пластин или столбчатых элементов.
- Можно предположить: что частица росла в определённых условиях облака, но только в общих чертах, поскольку форма зависит от нескольких переменных.
- Нельзя надёжно определить по одной снежинке: плотность всего снежного покрова, его несущую способность, толщину или точный срок таяния.
- Для описания слоя нужны: сведения о его толщине, плотности, влажности, температурном состоянии и неоднородности.
Такое разделение особенно важно при бытовых наблюдениях. Фотография красивого кристалла помогает обсуждать морфологию, но не заменяет измерений снежного слоя. И наоборот, измеренная плотность слоя не объясняет, какие именно кристаллы выпадали ранее: следы их исходной формы могли быть утрачены.
Как наблюдать снежинки и снег
Для рассмотрения отдельных кристаллов лучше выбирать свежий снег и работать быстро: тепло рук и окружающей среды меняет мелкие детали. Снежинку можно осторожно перенести на тёмную холодную поверхность и рассмотреть с увеличением. Полезно сравнивать несколько частиц, а не делать вывод по одной: различия между кристаллами одного снегопада могут быть заметными.
Если задача — описать не отдельный кристалл, а снежный покров, наблюдают несколько участков и отмечают различия по глубине. В простом описании стоит указать, рыхлый снег или слежавшийся, сухой или влажный, однородный или с корками. Это не заменяет специальных измерений, но помогает не смешивать внешний вид снежинки со свойствами всего слоя.
Частые вопросы
У всех ли снежинок шесть лучей?
Шестикратная симметрия характерна для многих отдельных кристаллов льда, но снежные частицы бывают разной формы. Встречаются пластинки, столбики, иглы, обломки и агрегаты из нескольких кристаллов. Поэтому не всякая частица выглядит как правильная шестилучевая звезда.
Почему две снежинки не бывают совершенно одинаковыми?
Во время роста условия вокруг разных частей кристалла немного различаются и постоянно меняются. Даже соседние лучи могут получать неодинаковое количество водяного пара или сталкиваться с частицами. Это создаёт индивидуальные детали, хотя общий тип и симметрия могут быть похожими.
Влияет ли форма хлопьев на то, будет ли снег рыхлым?
Влияет, но не определяет результат сама по себе. Имеют значение сцепление и укладка частиц, а также ветер, нагрузка, температура и наличие жидкой воды. После выпадения кристаллы разрушаются и преобразуются, поэтому рыхлость оценивают по состоянию слоя, а не по форме хлопьев в воздухе.
Почему снег белый, хотя лёд обычно прозрачен?
В снегу много границ между ледяными частицами и воздушными порами. На них свет рассеивается многократно, и слой воспринимается как белый. Цвет и отражение могут изменяться при загрязнении, увлажнении и перестройке зёрен.
Главное
Форма снежинки связана с устройством кристаллического льда и условиями роста в облаке. Она помогает описывать отдельные частицы, но свойства снежного покрова определяются также уплотнением, температурой, ветром, влагой и временем. Чтобы понять, насколько снег плотный, теплоизолирующий или склонный к таянию, нужно рассматривать весь слой и его состояние, а не только красоту отдельных кристаллов.