Почему снежинки всегда шестиконечные?

Почему же у снежинки всегда шестилучевая симметрия? Еще в 1611 году Иоганн Кеплер в своей работе Strena Seu de Nive Sexangula (Новогодний подарок, или О шестиугольных снежинках) предположил, что снежинка состоит из более простых элементов, которые могут объединиться только в фигуру с шестилучевой симметрией.

Исследования по симметрии привели его к предположениям о наиболее эффективной упаковке шаров в трехмерном пространстве (см. Гипотеза Кеплера). Пионерские работы Кеплера в области симметрии нашли позже применение в кристаллографии и теории кодирования. Кеплер оказался прав. Действительно, молекулы воды, образуя лед, организуются в гексагональную молекулярную кристаллическую решетку, что в конечном итоге определяет и геометрию самого ледяного кристалла — снежинки.

Треугольные снежинки. Рисунок с сайта snowcrystals.com

Правда, не все снежинки долетают до земли шестиугольными, есть и треугольные. Они начинают свой путь как шестиугольники, но воздушные потоки в атмосфере могут способствовать ускорению роста трех чередующихся лучей, и кристалл выглядит как треугольный. Может произойти и так, что два шестиугольных кристалла слипаются и начинают расти как один, формально образуя двенадцатилучевую снежинку.

Двенадцатилучевые снежинки. Рисунок с сайта snowcrystals.com

Японский физик Укитиро Накая (Ukichiro Nakaya) был первым ученым, обнаружившим, что форма снежинки может рассказать историю ее образования. В 1930 году он был нанят на, как ему казалось, перспективную должность, но оказалось, что у нанявшего его университета нет денег для покупки оборудования, необходимого для запланированной работы в области рентгеноструктурного анализа. Накайя не опустил руки и начал делать то, что позволяла ему материальная база, — исследовать обычные снежинки и выращивать искусственные на отдельных волосках кролика (см. его книгу Snow Crystals: Natural and Artificial — «Снежные кристаллы: Натуральные и искусственные»).

Он обнаружил, что каждая снежинка начинает свой рост с образования шестиугольной призмы, которая может быть и длинной, как граненый карандаш, и почти плоской, как шестиугольные монеты. Поскольку углы шестиугольника больше охлаждаются окружающим воздухом, связывание новых порций воды с углами идет быстрее, и снежинка отращивает привычные лучи.

Схема образования снежинки: a — частичка атмосферной пыли, играющая роль центра кристаллизации; б — пары воды покрывают поверхность пылинки, конденсируясь на её поверхности в жидкость; в — жидкая вода кристаллизуется в лёд; г — шесть углов образующегося ледяного кристалла растут быстрее других областей, поскольку они больше охлаждены и быстрее могут принимать на себя новые порции воды; д — начинается образование случайных и не повторяющихся форм — условия могут способствовать росту новых шестиугольников, лучей и так далее.

Форма снежинок может быть очень разной. В верхних слоях атмосферы кристаллики льда растут при разной температуре и влажности. Поскольку их рост протекает в неравновесных условиях, образующиеся кристаллы могут быть совершенно не похожи на каноническое изображение новогодней снежинки. В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы — снежинки-столбики или снежинки-иглы. В других условиях они растут перпендикулярно к оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек. К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды — и образуются снежинки неправильной и несимметричной формы.

Как формируются снежинки (ускоренная съемка)

Как признается в своем обзоре «Физика кристаллов снега» (The physics of snow crystals, 2005 год) американский физик из Калтеха Кеннет Либбрехт (Kenneth Libbrecht), точная механика процессов образования столь симметричных кристаллов воды — снежинок — так и неизвестна нам даже на качественном уровне, и мы не приблизились к разгадке тайны их появления по сравнению с трудами Накаи.

Типы снежинок. Рисунок  сайта snowсrystals.com

Во время снегопада практически невозможно найти пару одинаковых снежинок (вырастить идентичные снежинки удается только в лаборатории, где возможен более строгий контроль условий). Тем не менее человек всегда хочет найти порядок в хаосе, поэтому существует давняя традиция классификации снежинок. В 1675 году немец Фридрих Мартенс описал 24 типа снежинок. В 1832 году благодаря даймё Дои Тосицуре (Doi Toshitsura) число типов снежинок увеличилось до 86 (см. его книгу Sekka Zusetu).

«Sekka Zusetsu» — японская книга о снежинках, написанная Дои Тосицурой в 1832 году. Фото с сайта digitalcollections.nypl.org

Классификация продолжается и в наше время, и сейчас мы можем говорить о более чем ста типах снежинок — от хорошо знакомых кристаллов-дендритов, похожих на звёзды, до слившихся шестигранных колонн. Согласно работам Накайи, самые крупные и самые красивые дендритные снежинки — именно те, которые мы ассоциируем с новогодними праздниками, — растут в очень влажных тучах при температуре около −15°C.

Источник: Katrina Krämer. Explainer: snowflakes // Chemistry World, 8 December 2017.

Фото Алексея Клятова с сайта flickr.com. О том, как снимать снежинки, можно прочесть в интервью с фотографом.

Аркадий Курамшин