Сніжинки – такі різні. Одні відрізняються тільки формою, інші – тільки розміром. Серед них трапляються дуже чудернацькі та екзотичні. І всі такі різноманітні та химерні, що цікаво, чому вони саме такі й чи можливо серед усього снігового «зоопарку» відшукати однакові.
Якщо вас попросити зобразити сніжинку, то ви неодмінно згадаєте свої шкільні малюнки, вирізки з паперу, які ви старанно, дотримуючись усіх законів симетрії, готували разом з однокласниками. Або ж у пам’яті виринуть вже готові образи з різдвяних листівок, зроблених художниками. Ба більше, якщо спробувати знайти в пошуковику зображення за запитом «сніжинка», то побачене вас не здивує: шість променів, (тобто виглядають однаково, якщо їх повернути на ⅙ оберту), одні сніжинки тоненькі та мають багато розгалужень, інші схожі на декоровані пластинки, але які також зберігають шестикутну форму.
Ми звикли, що сніжинки бувають саме такими. І, ймовірно, шукаючи взимку унікальні снігові екземпляри, ми навіть не звернемо уваги на інші, а подібно до американського метеоролога Вілсона Бентлі, який зробив перші фотографії сніжинок великим планом, колекціонуватимемо ті, які вирізняються лише своєю симетрією та красою.
Вілсон Бентлі у процесі фотографування сніжинок та перші фотографії. Джерело: W. A. Bentley, W. J. Humphreys, Snow Crystals, Dover Publications, INC, (1931), ibid. (1962); Kenneth G. Libbrecht, Rachel Wing, Capturing Snowflakes: Winter’s Frozen Artistry, Voyageur Press (2021).
Але більшість сніжинок насправді не такі. І чи не найкраще у світі про це знає американський фізик, дослідник сніжинок, професор фізики у Каліфорнійському технологічному інституті доктор Кеннет Ліббрехт. Він не тільки добре розуміє фізику утворення і формування сніжинок різної структури, але, мабуть, знайшов відповідь на загадку, підґрунтя для якої заклав ще в 1930-х роках японський фізик Укічіро Накая і над якою вже декілька десятиліть борються дослідники: чому за температури трохи нижче за нуль градусів (від 0°C до –4°C) утворюються плоскі сніжинки, а вже за трохи нижчої температури (від –4°C до –10°C) – у формі стовпців. Якщо температура ще нижча (від –10°C до –22°C), знову з’являються плоскі сніжинки, але вже більшого розміру. І нарешті, і плоскі сніжинки, і сніжинки у вигляді стовпців формуються за температури, нижчої від –22°С. Кеннет Ліббрехт у своїй лабораторії може не тільки відтворити умови всередині зимових хмар, але й створювати унікальні екземпляри снігових кристалів. Тому не дивно, що поштова служба США використала чотири зображення сніжинок, зроблених Ліббрехтом, для дизайну поштових марок.
Перед тим як розпочати розмову, наперед домовимось: у тексті ми вживатимемо слова «сніжинка» та «сніговий кристал» як синоніми. Але насправді «сніжинка» – це більш загальний термін. Він може позначати як окремий сніговий кристал, так і скупчення, адже вони можуть зіштовхуватись, об’єднуватися у групи. Іншими словами, все, що падає з неба, – це сніжинки. Натомість сніговий кристал – це єдиний кристал льоду, всередині якого всі молекули розташовані так, що утворюють шестикутну форму. І для всіх снігових кристалів притаманна шестипроменева симетрія.
У цій статті ми розглянемо сніжинки різної форми та складності. Спробуємо відповісти, чому вони так відрізняються і як на це впливають навколишні умови. Простежимо механізм їхнього утворення як на квантовому, так і на молекулярному рівнях. А на завершення простежимо за міркуваннями Кеннета Ліббрехта у вирішенні анонсованої загадки. І сподіваємося, що наприкінці статті кожен зможе відповісти на питання «Чи бувають однакові сніжинки?».
Різноманіття снігових кристалів
У природі існує багато снігових кристалів, які відрізняються розміром і формою. Така різноманітність спричинена умовами у зимових хмарах, передусім температурою та рівнем вологості. Звісно, як температура, так і вологість в різних частинах хмари відрізняються та постійно змінюються, але в масштабі окремих сніжинок вони постійні. Тому, не втрачаючи достовірності, ми можемо класифікувати снігові кристали залежно від цих параметрів. Нижче коротко поглянемо на різні типи сніжинок та умови, при яких вони формуються.
Снігові кристали різної морфології: (a) шестикутний кристал із симетричними мітками на поверхні; (b) зіркова пластина із шістьма розгалуженими відростками; (c) зірковий папоротеподібний дендрит; (d) проста шестикутна призма з конічними пустотами; (e) голкоподібні кристали та (f) стовпець із пластинками по краях. Фото Кеннета Ліббрехта