Краткая хронология наблюдений за снежными кристаллами
Многие ученые в разных странах мира на протяжении веков размышляли о тайне кристаллов снега - каковы они, почему они сформированы в многоликие формы, каков механизм образования причудливых узоров? Ниже приведены лишь некоторые основные вехи в изучении кристаллов снега.
1611 – Иоган Кеплер
Впервые на прекрасные снежинки как на кристаллы строгой формы обратил внимание Иоганн Кеплер. О своих наблюдениях и выводах он рассказал в 1611 г. в трактате «О шестиугольных снежинках», который Вернадский называл первой научной работой по кристаллографии. Это блестящее исследование, написано в полушутливой форме письма к Иоганну Вакенфельсу, советнику императора Рудольфа II.
1635 – Рене Декарт
Декарт (Descartes) Рене (латинизированное имя — Картезий; Renatus Cartesius) [31.3.1596, Лаэ (Турень), — 11.2.1650, Стокгольм], французский философ и математик. Происходил из старинного дворянского рода. Образование получил в иезуитской школе Ла Флеш в Анжу. В начале Тридцатилетней войны служил в армии, которую оставил в 1621; после нескольких лет путешествий переселился в Нидерланды (1629), где провёл двадцать лет в уединённых научных занятиях. Рене Декарт был одним из первых, кто детально описал некоторые формы снежных кристаллов, следует заметить что все наблюдения Декарта были сделаны невооруженным глазом. Декартом описаны некоторые редко встречающиеся формы кристаллов, например 12-лучевые снежинки.
1665 – Роберт Гук
Гук, (Hooke) Роберт (18.7.1635, о. Уайт, — 3.3.1703, Лондон), английский естествоиспытатель, член Лондонского королевского общества (1663). В 1653 поступил в Оксфордский университет, где впоследствии стал ассистентом Роберта Бойля. С 1665 профессор Лондонского университета, в 1677—83 секретарь Лондонского Королевского общества. Разносторонний учёный и изобретатель. В 1665 Роберт Гук издал большой труд под заглавием «Micrographia», который содержал эскизы практически всех форм кристаллов, которые он смог увидеть с помощью только что изобретенного микроскопа. Работы Гука впервые показали сложность, и запутанность симметрии кристаллов снега. Следует отметить, что с помощью усовершенствованного им микроскопа Гук. наблюдал структуру не только снежинок, но и растений. Первым дал чёткий рисунок, впервые показавший клеточное строение пробки (термин «клетка» был введён Гуком), а также описал строение клеток бузины, укропа, моркови и других растений.
<«Micrographia» Роберта Гука, 1665 г.
1931 – Вильсон Бентли
Вильсон Бентли (1865-1931) был американским фермером и занимался микрофотографией снежных кристаллов. Сделал около 5000 фотографий из которых больше чем 2000 были изданы в 1931 в его известной книге «О кристаллах снега», издание которой не прекращается и по сей день (W. A. Bentley and W. J. Humphreys, Snow Crystals (Dover, 1962). Оригинал опубликован издательством McGraw-Hill в 1931). Впервые в 1885 г. получи микрофотографию единичного кристалла снега.
Фрагменты иллюстраций из книги В. Бентли.
1954 – Накая
Ukichiro Nakaya был первым, кто сделал систематическое изучение кристаллов снега. Будучи ядерным физиком, в 1932 г Nakaya был назначен на должность профессора в Хоккайдо, где не было никаких условий и средств для ядерных исследований. Неутомимый ученый заинтересовался кристаллами снега, проделал ряд превосходных детальных наблюдений всех типов снеговых осадков, предложил их классификацию. В отличие от Бентли, Nakaya фотографировал не только самые красивые и симметричные кристаллы, но и необычные. Основная часть работ Накая была издана в 1954 в виде красивой книги с названием «Кристаллы Снега: Естественные и Искусственные».
Классификация кристаллов снега
Существует несколько различных схем классификации естественные кристаллов снега Как будет показано ниже все схемы различают две основные формы снежных кристаллов - пластинчатые и столбчатые, но отличаются по числу вариаций данной формы. В большинстве случаев названия подвидов пластинчатых и столбчатых кристаллов произвольны, но полезны для наблюдателя в плане отнесения изучаемых кристаллов к какой-либо категории в полевых условиях. Согласно Большой Советской Энциклопедии к первым (пластинчатые) относятся шестиугольные пластинки и звёзды с 3, 6, 12 лучами (рис.1), ко вторым — шестигранные столбики и иглы, а также комплексы столбиков («ежи»). Часто наблюдаются снежные кристаллы неправильной формы. В зависимости от физических условий образования и роста снежных кристаллов (прежде всего от температуры и влажности воздуха) их размеры и формы весьма разнообразны. С ростом температуры увеличиваются размеры снежных кристаллов и доля пластинчатых форм. Чаще всего встречаются снежные кристаллы в виде звёзд и ежей. Звёзды с игольчатыми лучами достигают в поперечнике 6—8 мм, звёзды с пластинчатыми лучами — 4—5 мм, ежи — 2—3 мм, пластинки — 1—2 мм; длина столбиков 1—2 мм, игл 3—5 мм. Крупные снежные кристаллы, выпадающие из облаков, среди которых преобладают звёзды, называются снежинками. Усложнение форм обычно начинается при достижении кристаллами размеров 0,1—0,2 мм. При сильных ветрах снежные кристаллы дробятся до 0,1 мм и менее. При падении снежных кристаллов через облако, содержащее переохлажденные капли воды, образуется снежная крупа.
 | Рис. 1. Типичные формы снежных кристаллов: 1 — пластинка; 2 — столбик; 3 — иглы; 4 — звезда с 6 пластинчатыми лучами; 5 — звезда с 6 игольчатыми лучами; 6 — звезда с 12 лучами; 7 — пластинка сложного строения; 8 — комплекс столбиков («ёж»). |
Международная комиссия по снегу и льду.
http://www.glaciology.su.se/ICSI/
Довольно простая и широко используемая классификация для твердых атмосферных осадков, предложена в 1951 международной Комиссией по Снегу и Льду. Эта схема определяет семь основных типов кристаллов снега такие как пластины, звездообразные кристаллы, столбики, иглы, пространственные дендриты, сросшиеся столбики, и нерегулярные формы. К ним добавляются три дополнительных типа снеговых осадков мокрый град (мягкий), ледовая крупа, и град. (рис. 2).
Рис 2. Классификация международной комиссии по льду и снегу.
Классификация Накая (Nakaya).
Накая идентифицировал так же семь главных групп кристаллов снега, которые разделил далее на 41 индивидуальный морфологический тип [U. Nakaya, Snow Crystals: Natural and Artificial (Harvard University Press, 1954).].
Рис 3. Классификация снежных кристаллов по Накая.
Классификация Магоно и Ли (Magono & Lee).
Самая сложная схема классификации – является расширенной таблицей Накая, предложенна Магоно и Ли в 1966 [E. R. LaChapelle, Field Guide to Snow Crystals (University of Washington Press, 1969].
Рис. 5. Классификация Магоно и Ли.
Большинство снежинок имеют каноническую форму шестиугольной призмы, что объясняется молекулярной структурой воды, и тем как молекулы выстраиваются в кристаллическую решетку льда. Как уже отмечалось выше шестиугольная призма включает два основных вида – она может быть «пластинчатой» или «столбчатой». Наблюдение во время снегопада, с микроскопом небольшого увеличения или с увеличивающей линзой, демонстрирует большое разнообразие кристаллов, включая основные пластинчатые формы:
 |  |  |
| 1. Простая шестигранная снежинка. [T. Kobayashi and T. Kuroda, in Morphology of Crystals, Part B (I. Sunagawa, ed.) (Terra Scientific 1987)]. | 2. Древовидная шестилучевая пластинка. [T. Kobayashi and T. Kuroda, in Morphology of Crystals, Part B (I. Sunagawa, ed.) (Terra Scientific 1987)]. | 3. Подобный папоротнику звездный дендрит. [T. Kobayashi and T. Kuroda, in Morphology of Crystals, Part B (I. Sunagawa, ed.) (Terra Scientific 1987)]. |
и основные подобные столбикам формы, а так же иглы.
Причины многообразия снежных кристаллов
Типичной и наиболее распространенной формой снежных кристаллов является пластинчатая шестигранная призма, что обусловлено особенностью строения молекул воды и их взаимным расположением в кристаллической решетке льда. Молекула воды значительно более сложна, чем например электрон, и не все молекулы воды строго одинаковы. Если мы ограничимся молекулами воды, которые содержат два обычных протона и один обычный атом кислорода 16O, то можно сказать о том, что все такие молекулы воды будут одинаковы. Однако в действительности не все так просто. Приблизительно одна молекула естественной воды из каждых 5000 будет содержать атом дейтерия вместо одного из протонов, и каждая 500-ая будет содержать изотоп кислорода 18O вместо обычного 16O. Если принять, что среднестатистический кристаллик снега содержит 1018 молекул воды, оказывается, что приблизительно 1015 из этих молекул будут отличаться от основной массы. Эти необычные молекулы будут беспорядочно рассеяны всюду по кристаллу снега, давая уникальную и неповторимую структуру. Вероятность, что два кристалла снега имели бы точно то же самое расположение этих молекул, очень, и очень мала. Я мог бы добавить, что, даже если мы ограничимся изотопически чистыми молекулами воды, это не значит, что все кристаллы снега будут подобны. Во время роста кристалла, молекулы не складываются вместе с совершенной регулярностью, и обычный кристалл снега содержит огромное число кристаллических дислокаций и дефектов кристаллической решетки, которые так же располагаются в объеме кристалла случайным способом. Другой причиной многообразия кристаллов снега является тот факт, что рост всякого кристалла является чрезвычайно чувствительным к внешним условиям. Во время роста кристалла снега, внешние условия постоянно изменяются, снег падает, и его заключительная форма отражает «историю» изменения этих условий роста. Большой красивый образец формируется, когда кристалл снега имеет длинную сложную «историю» роста. Чем более сложная «история» роста, тем более маловероятно, что любые два кристалла испытают точно ту же самую «судьбу».
Необычные формы снежных кристаллов
При попытке понять и описать сложное явление, часто полезно смотреть не только на самые общие закономерности, но также обращать внимание на исключения. В случае снежных кристаллов, наряду с обычными формами мы можем наблюдать весьма необычные образования кристаллов. С некоторыми из них мы ознакомимся ниже.
Трехгранные пластины
Множество наблюдателей{обозревателей} видело простые пластинчатые кристаллы снега, форменные подобно треугольникам, часто с обрезанными подсказками{чаевыми}, в отличие от намного более распространенных шестиугольников. Изображение взято из книги [W. Tape, Atmospheric Halos, Antarctic Research Series, Vol. 64, (American Geophysical Union, 1994)], дополнительные примеры могут быть найдены в книгах Бентлея и Накая [W. A. Bentley and W. J. Humphreys, Snow Crystals (Dover, 1962-) The original book was published by McGraw-Hill in 1931, U. Nakaya, Snow Crystals: Natural and Artificial (Harvard University Press, 1954)]. Трехгранные кристаллы довольно легко получаются искусственно, например при росте в условиях свободного падения. Причина образования таких трехгранных пластин неизвестна.
Пирамидальные Кристаллы
В книге W. Tape описывается другая необычная форма снежных кристаллов. Эти кристаллы демонстрируют пирамидальный тип в дополнение к обычному основному типу призмы, и иногда наблюдаются в больших количествах в естественных снегопадах. Условия, при которых они растут, до конца не ясны, но отмечается, что они формируются только в очень низких температурах и супернасыщенности.
Рис. 1. Пирамидальные кристаллы
Двенадцатилучевые снежные звезды
Довольно часто встречаются в естественном снеге Полагается, что эти кристаллы представляют собой вращательных близнецов нормальных шестилучевых кристаллов.
Рис. 2. Двенадцатилучевые снежные звезды
Необычные дендриты
Существенное число естественных кристаллов снега образуют форму пространственных дендритов (тип P5a оп классификации Накая). Угол между соседними компонентами этих полиокристаллов составляет около 700 [T. Kobayashi and T. Kuroda, in Morphology of Crystals, Part B (I. Sunagawa, ed.) (Terra Scientific 1987).]. Комбинации Bullet Combos (тип C2a оп классификации Накая) также часто формируются с углом в 700 между различными иглами.
Рис. 3. Необычные дендриты
Двойные призмы
Призмы близнецы (двойные призмы) состоят из двух отдельных призм в суперпозиции, с общей осью сопорикосновения. Это образование на первый взгляд казалось бы вполне обычным, если бы не углубление, которое появляется, во время испарения или роста кристалла.
Рис. 4. двойные призмы
Атмосферные снежные ореолы
Когда солнечный свет отражается и преломляется сквозь миллиарды крошечных ледяных кристаллов в атмосфере, могут возникать ледяные снежные ореолы вокруг диска солнца, аналогично тому как солнечный свет отражается и преломляется водяными капельками давая радугу. Классическое введение в физику атмосферных явлений представлено книгой - Радуги Ореолы и Красота Роберта Гринлера [Robert Greenler's Rainbows, Halos, and Glories (Cambridge University Press, 1980).] наиболее свежая книга по этому предмету – «Атмосферные Ореолы», написана Уолтером Тэйпом [W. Tape, Atmospheric Halos, Antarctic Research Series, Vol. 64, (American Geophysical Union, 1994)]. В Антарктиде где практически постоянная очень низкая температура, и воздух сух, кристаллы снега растут очень медленно. Этот медленный рост приводит к образованию очень правильных шестиугольные призм, которые хорошо удовлетворяют условиям возникновения красивых атмосферных ореолов.
Образование ледяных кристаллов и снежинок в атмосфере
Ледяные кристаллы могут образоваться в атмосфере различными путями: во-первых, путем непосредственной сублимации водяного пара и, во-вторых, в результате замерзания (кристаллизации) переохлажденных капель. Процесс сублимации имеет много общего с конденсацией, поэтому все сказанное выше об условиях, необходимых для конденсации, полностью относится и к переходу воды в кристаллическое состояние. Особенность сублимации в атмосфере заключается в том, что в пересыщенном паре в отсутствие твердой фазы должны возникать зародыши, имеющие кристаллическое строение. В опытах, проведенных в лабораторных условиях и в облаках, было обнаружено появление большого числа мельчайших ледяных кристаллов при соприкосновении влажного воздуха с любыми поверхностями, имеющими очень низкую температуру (ниже —700С). В качестве охлаждающих веществ применялась твердая углекислота (СО2)с t =—78° С, жидкий воздух и т. д. Ледяные кристаллы появляются и в камере Вильсона, образование тумана происходит при температуре ниже —40°. Во всех этих опытах никаких особых ядер сублимации не было обнаружено. И хотя сейчас нельзя еще дать полного теоретического объяснения указанным фактам, можно, однако, утверждать, что в образовании зародышей ледяных кристаллов основную роль играет охлаждение воздуха, создающее огромное пересыщение — в сотни и тысячи процентов. Очевидно, что при температуре ниже —40° и больших пересыщениях любые частички могут выполнять роль ядер сублимации. Сторонники гипотезы об атмосферных ядрах сублимации указывали в качестве примера, что такими ядрами могут являться частички кварцевого песка. Это предположение также не оправдалось; кристаллическое строение кварца значительно отличается от льда, и кварцевый песок, как показали опыты, при температурах выше —400С сублимации не вызывает. Наиболее близкое к кристаллическому строению льда имеют такие вещества, как йодистое серебро (AgJ) и йодистый свинец (PbJ2). Действительно, распыление этих веществ при отрицательной температуре в тумане, состоящей из переохлаждённых капель приводит к появлению ледяных кристаллов. Но йодистые соединения в атмосфере не обнаружены. Таким образом, гипотеза об атмосферных ядрах сублимации отпадает. В связи с образованием ледяных кристаллов отметим еще одно обстоятельство, существенное для их дальнейшего роста. Упругость пара над льдом меньше, чем над переохлажденной водой. Поэтому, если при одинаковых размерах ядра конденсации и кристаллов льда (в частности, замерзших капель) упругость пара над гигроскопическими частичками (ядрами) меньше, чем над кристаллами льда, то, очевидно преимущество принадлежит конденсации; если, наоборот, над кристаллами упругость меньше, то — сублимации. Эффективность тех или других частичек можно найти из сравнения упругости пара над незамерзшими каплями и над кристаллами льда.
 | Рис. Упругость пара над замерзшей каплей. Сплошными линиями показано отношение упругости пара над льдом к упругости пара над водой при различных температурах, с учетом влияния кривизны поверхности, пунктиром дана упругость пара над раствором хлорида натрия. Как видно из этого графика в диапазоне температур 0 …– 22 0С условия для конденсации на частичках хлорида натрия более благоприятны. При температурах ниже – 22 0С более активными становятся кристаллы льда. |
Условия, влияющие на рост кристаллов определенной формы
Выращивая кристаллы снега в лаборатории при управляемых условиях, каждый исследователь находит, что образуются различные типы кристаллов снега, форма которых зависит главным образом от температуры и влажности воздуха. Такая зависимость иллюстрируется "морфологической диаграммой
Из этой диаграммы мы видим, что на очень низких уровнях пересыщения, скажем меньше чем несколько процентов относительно льда, кристаллы растут главным образом в виде простых шестиугольных призм. С понижением температуры происходит образование сначала пластин (-2 C), столбиков (-5 C), затем в обратном порядке - пластики (-15 C), и снова столбики (-30 C). С ростом перенасыщения кристаллы становятся более структурированными; так, например при -15 C мы наблюдаем правильные шестигранные. В небе уровень перенасыщения - обычно близок к уровню насыщенности воды или ниже его (отмечена линией на диаграмме); в облаках уровень перенасыщения устанавливается вблизи значения для воды, так как облако содержит очень много маленьких переохлажденных капелек. В соответствии с этим трудно ожидать увидеть звездные дендриты в естественном снегопаде, в действительности же мы наблюдаем их. Решение этого парадокса – в том что кристаллы снега в атмосфере, находятся в постоянном хаотическом движении, в результате которого с поверхности снежинок частично испаряется вода, поднимая эффективный уровень перенасыщения, при котором возможно образование дендритов.
