Иероглифы с небес

28 января 1887 года, несмотря на относительно тёплую погоду, побережье реки Йеллоустоун накрыл удивительный снегопад. Свидетелями этого уникального природного явления стал кавалерийский отряд, охранявший там воинственных индейцев сиу. В хороводе падающих с небес крупных снежинок одна привлекла всеобщее внимание: в диаметре она была почти 40 см. Отметим, эта снежинка до сих пор считается самой большой, которую доводилось видеть людям.

Такие большие хлопья появляются в тёплую зимнюю погоду. Высоко в атмосфере, где рождаются снежинки, намного холоднее. Падая, они немного подтаивают по краям и слипаются друг с другом. Если поймать одну из них на варежку, можно рассмотреть, что хлопья состоят из отдельных снежинок. И каждая из них – неповторима.

Но почему так говорят? Разве кто-нибудь сможет рассмотреть все снежинки на свете и точно сказать, что ни одна из них не похожа ни на одну другую? Конечно, нет! Но это не мешает учёным с уверенностью заявлять, что одинаковых снежинок появиться не может. Чтобы понять, почему они так думают, нам нужно разобраться, что же такое снежинки и как они появляются.

Когда жидкая вода или пар замерзают, они становятся кристаллами льда. Вспомните: пар – это газ, и молекулы воды в нём летают почти свободно. Обычная вода – это жидкость, молекулы которой слабо связаны друг с другом и текут, лишь слегка "сцепляясь" друг с другом. А вот лёд твёрдый: молекулы в нём почти не двигаются, сидя по своим местам как будто привязанные к узлам невидимой решётки.

У разных кристаллов решётки бывают разные. Посмотрите на крупинку обычного сахара: она похожа на крошечный кубик, потому что молекулы сахара в ней "закреплены" по углам кубической решётки. Обычный лёд образует кристаллы, молекулы в которых находятся в углах шестигранника, похожего на одну из пчелиных сот. Такие шестигранники, соединяясь друг с другом, образуют самый обычный лёд. На языке науки он называется 1h, от греческого слова hexagon – шестиугольник.

Весь лёд на нашей планете (а учёные посчитали, что его запасы составляют около 30 миллионов кубических километров!) – это лёд-1h. Его "пчелиная" кристаллическая решётка ажурна, и в ней остаётся достаточно свободного пространства, в котором могут оказаться заперты небольшие примеси. Чаще всего там застревают пузырьки воздуха, поэтому обычный лёд легче воды и не тонет в ней. Больше всех этому радуются, наверное, рыбы: зимой лёд покрывает водоёмы сверху, и под ним остаётся еще немало жидкой воды, где можно спокойно дождаться весны.

Но в специальных условиях лаборатории можно создать лёд и другой формы. Например, при очень низком давлении его кристаллы получаются кубическими как у сахара или соли. Некоторые удивительные формы льда могут иметь даже свойства магнита, а другие будут пористыми как губка. Всего известно почти 20 разновидностей льда, почти все они нестабильны и чуть что – норовят перестроиться, образуя устойчивый лёд-1h. Из него же получаются и снежинки.

Говорят, что форма снежинок совершенно безупречна, симметрична и ровна. Если рассматривать их на рукаве, это может показаться правдой. Но стоит взять микроскоп, как всё изменится. Почти невозможно вырастить кристалл, в котором все атомы или молекулы сидели бы точно по своим местам, в котором не было бы посторонних примесей и дефектов. Поэтому почти все снежинки слегка неправильны и неровны. Физик Кеннет Либбрехт, который их просто обожает, говорит, что, по его опыту, лишь одна из 10 тысяч снежинок вырастает достаточно ровной, красивой и симметричной.

Впрочем, лёд, под которым зимой прячутся рыбы в реке, рождается на поверхности воды. Эта вода никогда не бывает спокойна, в ней полно пылинок и загрязнений, поэтому кристаллы льда не вырастают большими и ровными. Если взять обычную каплю воды и заморозить, то молекулы застынут где придётся, в беспорядке, и красивых кристаллов не получится. Но высоко в небе всё иначе: там они складываются в прекрасные снежинки.

В этой вышине воды немало – и всё это пар, который часто клубится густыми облаками и тучами. Конечно, зимой он сильно охлаждается и только и ждёт момента, чтобы сложиться в кристалл. Как только он попадает на случайную мелкую пылинку, сразу превращается в плоскую шестиугольную тарелку, похожую на пчелиную соту. Эти пылинки, как говорят учёные, служат кристаллам "центрами нуклеации", на котором они и вырастают. Несколько таких тарелок слипаются, как будто поставленные одна на другую – снежинка начинает расти.

Первые крошечные шестигранники служат только началом. К их рёбрам начинают "налипать" новые и новые молекулы, "склеиваясь" случайно и причудливо. Самый крошечный дефект на кристалле быстро обрастает ими и вытягивается лучом будущей снежинки, на лучах появляются новые дефекты – и они ветвятся. С каждым шагом снежинка складывается в свою неповторимую форму, с пушистыми или острыми, длинными или короткими лучами.

Так же, например, дело обстоит и с молниями: все они похожи на угловатые зигзаги, но все разные. Или с деревьями: все сосны имеют общую форму, непохожую на ель, но каждая ель и каждая сосна неповторимы. В среднем за день на Землю выпадает миллион миллиардов снежинок – этого хватило бы для того, чтобы все люди на свете лепили по снеговику каждые 10 минут. Но не хватит для того, чтобы повторились все детали и появились хотя бы две совершенно одинаковые снежинки. Зато их можно сделать в лаборатории.

Говорят, что форма снежинок совершенно безупречна, симметрична и ровна. Если рассматривать их на рукаве, это может показаться правдой. Но стоит взять микроскоп, как всё изменится. Почти невозможно вырастить кристалл, в котором все атомы или молекулы сидели бы точно по своим местам, в котором не было бы посторонних примесей и дефектов. Поэтому почти все снежинки слегка неправильны и неровны. Физик Кеннет Либбрехт, который их просто обожает, говорит, что, по его опыту, лишь одна из 10 тысяч снежинок вырастает достаточно ровной, красивой и симметричной.

Ещё в середине прошлого века снежинки стал изучать японский физик Юкихиро Накаи. Как настоящий японец он не торопился и сперва рассматривал их под микроскопом, сделал тысячи фотографий и составил первую классификацию снежинок. А затем собрал специальную машину, которая позволила получать их прямо в лаборатории. Меняя условия работы машины, то добавляя влажности, то меняя температуру, Накаи научился создавать снежинки если не одинаковые, то очень похожие друг на друга. Такое не под силу даже природе, где совершенно одинаковых условий не бывает.

Учёному удалось показать, что все ледяные кристаллы снежинок можно разделить на семь классов: пластинки, иглы, звёзды и так далее, и больше 40 групп поменьше. Накаи составил удобную диаграмму, в которой показал, как форма снежинки зависит от условий, в которых она образуется. Например, в сухом и холодном воздухе чаще появляются плоские шестигранники, а при среднем морозе и высокой влажности рождаются самые большие и красивые, густо ветвящиеся снежинки. "Как иероглифы, посланные нам с небес" – сказал Накаи.