В 1635 году французский философ и математик Рене Декарт занялся описанием видов снежинок, разглядывая их невооруженным глазом. Он писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Его особенно поразила найденная им в середине снежинки "крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля, которым пользовались, чтобы очертить ее окружность". Декарт также впервые нашел и описал достаточно редкую двенадцатиконечную снежинку. До сих пор двенадцатиконечная снежинка считается большой редкостью, так до конца и неясно, где и при каких условиях она образуется. Считается, что снежинок с 4, 5 и 8 гранями не бывает, а вот с тремя увидеть можно.
В 1665 году Роберт Гук рассматривал снежинки уже под микроскопом, оставив нам свои зарисовки. Первые фотографии снежного кристалла под микроскопом были сделаны в 1885 году американским фермером Уилсоном Бентли. Сфотографировав за свою жизнь свыше пяти тысяч снежных кристаллов, он пришел к выводу, что среди них нет ни одного одинакового. В 1931 году вышла его знаменитая книга "Снежные кристаллы".
Американские исследователи - профессор математики Янко Гравнер из Калифорнийского университета в Девисе и Дэвид Гриффит из Университета Висконсина-Мэдисона - с помощью компьютера научились достоверно моделировать образование реальных трехмерных снежинок - то есть они решили, наконец, задачу, которая до сих пор не поддавалась всем усилиям ученых. Такие моделированные снежинки получили наименование "снежных фальшивок", псевдоснежинок – snowfakes (очевидная игра слов, ведь снежинки по-английски именуются 'snowflakes'). Модель, построенная Гравнером и Гриффитом, учитывает множество коэффициентов и параметров - атмосферное давление, температуру, концентрацию паров и прочее. Варьируя эти коэффициенты (то есть меняя начальные условия образования снежинок), исследователи сумели воспроизвести достаточно обширный ряд естественных форм снежинок. Вместо того, чтобы моделировать поведение каждой молекулы воды, программа просто делит пространство на клетки поперечником в один микрометр. Моделирование одной снежинки занимает на обычном настольном компьютере приблизительно сутки.
Как и в реальном мире, компьютерные снежинки с наибольшей вероятностью отращивали иглы. А классическая шестиконечная "древовидная" или перистая снежинка рождалась относительно редко (также, как в природных условиях). Вообще, в рисунках снежинок встречаются пластинки, пирамиды, столбики, иглы, стрелы, простые и сложные звездочки... Гравнер и Гриффин сумели также получить некоторые необычные новые формы снежинок, вроде "butterflake" - то есть похожие на трех склеенных между собой бабочек. В природе подобные формы не появляются из-за своей исключительной хрупкости и неустойчивости. Некоторой неожиданностью стал тот факт, что компьютерные снежинки сумели обрести и ярко выраженное третье измерение - появились структуры, растущие между двумя пластинами. Эту особенность среди реальных снежинок наблюдать достаточно сложно, однако при особо дотошных исследованиях с участием электронных микроскопов она также была уже отмечена.
Гравнер и Гриффин - это, конечно, не единственные ученые, интересующиеся в наше время снежинками. Очередной шаг в изучении свойств наиболее известных природных кристаллов - снежинок - сделан профессором физики Кеннетом Либбрехтом из Калифорнийского технологического института. В лаборатории профессора Либбрехта снежинки выращиваются искусственно.
"Я пытаюсь выяснить динамику формирования кристаллов на молекулярном уровне, - комментирует профессор. - Это непростая задача, и ледяные кристаллы скрывают множество секретов".
Снежинка - сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов "сборки" множество - до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. Исследования, проведенные в лаборатории Либбрехта, подтверждают этот факт - кристаллические структуры можно вырастить искусственно или наблюдать в природе. Существует даже классификация снежинок, но, несмотря на общие законы построения, снежинки все равно будут чуть-чуть отличаться друг от друга даже в случае относительно простых структур.
Для изучения характеристик снежинок профессор Либбрехт с 2001 год начал делать фотографии образовавшихся естественным образом снежинок и проводить их сравнительную классификацию. Структура и внешний вид снежинок, как выяснилось, зависят от того, где именно их наблюдали. По мнению Либбрехта, самые красивые и сложные по структуре снежинки выпадают там, где климат суровее - к примеру, на Аляске, а вот в Нью-Йорке, где климат мягче, структуры снежных кристалликов гораздо проще.
Для того, чтобы структура снежинки была хорошо видна на фотографии (а это очень важно для изучения ее кристаллического строения), образец подсвечивают специальным образом, и сама снежинка работает как сложная линза. Либбрехт разработал специальную камеру с встроенным микроскопом для полевых исследований. Фотографировать снежинки надо очень быстро - когда снежинка спустилась с неба, ее кристаллики перестают расти и почти сразу же начинают терять четкость граней.
Фотографии позволили ученому выявить нестабильности роста кристаллов у снежинок, что раньше еще никому не удавалось. "Эти нестабильности очень важны для понимания процесса роста кристаллов, но объяснить их с научной точки зрения пока еще сложно", - комментирует ученый.
Уникальные декоративные свойства базы данных профессора Либбрехта уже оценены по достоинству. В октябре 2006 года почтовая служба США выпустила 4 памятных марки с изображением снежинок. При помощи специальных экспериментальных подходов были получены изображения мельчайших частиц льда, образующихся на гидрофобных металлических поверхностях, а теоретическое моделирование позволило рассчитать их структуру. [10]
Изображения ледяных кластеров были получены при температуре 5 градусов Кельвина (- 268 °С). Самые маленькие из них – гексамеры – состоят из шести молекул воды. Это самые элементарные снежинки. Также были визуализированы кластеры из семи, восьми и девяти молекул.
При наблюдении таких объектов возникают вполне понятные трудности – кластеры очень хрупки и легко разрушаются электронами. Поэтому необходимо использовать как можно более слабые токи.
Теоретическое рассмотрение преподнесло ряд неожиданностей. Расчеты показали, что связи между молекулами воды в кластерах могут быть неравноценны – некоторые короче, а некоторые длиннее. Это проясняет тот факт, что молекулы воды образуют водородные связи между собой и при этом могут связываться с поверхностью, которая инициирует зародышеобразование. [18]
Результаты работы позволяют объяснить механизмы образования льда на поверхностях различных материалов, таких как переходные металлы и соли. Также существует возможность обобщения и разработки теории формирования кластеров на любых твердых поверхностях, например, на частицах аэрозолей или пыли, находящихся в атмосфере.
Несмотря на докучливость ученых, снежинка до сих пор не открыла до конца всех своих тайн. Ее история необычайно удивительна и может поведать нам много интересного. К примеру, не многие знают, что древние считали снег благородным минералом. Собственно, и происхождение слова "кристалл" (звучит оно почти одинаково на всех европейских языках) связанно с самой обыкновенной снежинкой. Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали - "krystallos ", по-гречески – лед. Слово происходит от греческого "криос", что значит холод или мороз. Дело в том, что за лед принимали тогда горный хрусталь, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Полагали, что лед, находясь, длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять. Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что "кристаллос" рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту". Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии - лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. [15]
3. Классификация снежинок
Термин "снежинка" вполне научный - этот кристалл в форме простейшей шестиугольной призмы сформирован из молекул воды, сгруппировавшихся вокруг ядра. Принимает он самые разнообразные формы. Причем единства по этому вопросу среди ученых нет. Одни утверждают, что уникальна каждая снежинка. "Рождение" в атмосфере каждого нового ледяного кристалла неповторимо - молекулы воды налипают на ядро и лучи случайным образом. Это миллиарды, если не больше, самых удивительных форм... Другие склоняются к тому, что всего в природе не больше 130 видов снежинок - именно столько конфигураций в различных осях симметрии может образовывать шестиугольная снежинка. А вот международная система классификации признает только 10 видов.
В 1951 году Международная Комиссия по Снегу и Льду приняла классификацию (приложение 2) твёрдых осадков. Согласно ей все снежные кристаллы можно разделить на следующие группы: звёздчатые дендриты, пластинки, столбцы, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились еще три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.