Почему у снежинки 6 лучей?

Снежинки — это удивительные природные явления, которые привлекают внимание своей замысловатой формой и бесконечным разнообразием. Каждая снежинка уникальна, и это обусловлено множеством факторов, влияющих на её формирование. В этой статье мы рассмотрим, почему у снежинки 6 лучей, и какие природные процессы и физические законы стоят за этим явлением.

Кристаллическая структура льда и гексагональная форма

Снежинки формируются в небе, когда капли воды замерзают, превращаясь в крошечные кристаллы льда. Для замерзания капель температура в облаке должна быть ниже -35 °C. Если температура выше, воды для формирования снежинки будет недостаточно. Даже при температуре ниже нуля капли останутся жидкими, если не появится твердое ядро, вокруг которого кристаллизуется снежинка. Это может быть пыль, микроскопические кусочки металла или другие мелкие частицы, присутствующие в облаках.

Молекулы воды, образующие снежинку, состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода, что по форме напоминает голову Микки-Мауса. Когда молекулы оказываются рядом, они соединяются: отрицательный заряд кислорода притягивает положительный заряд водорода, образуя шестиугольник. Объединяясь, они растут, и таким образом появляется снежинка. Эта гексагональная форма является основой для всех кристаллов льда.

Симметрия молекул воды и онкогенный рост

Лучи снежинки появляются из-за вероятности. По мере роста кристалла углы шестиугольника становятся наиболее удобным местом для скопления молекул воды. Таким образом, на углах снежинки появляются лучи, симметрично ответвленные от центра кристалла. Этот процесс называется онкогенным ростом, когда новые молекулы присоединяются к уже существующим, создавая сложные структуры. Симметрия молекул воды играет ключевую роль в формировании этой удивительной кристаллической структуры.

Природные условия замерзания и разнообразие снежинок

Снежинки привлекают своей замысловатой формой и бесконечным количеством вариаций, из-за чего появилось утверждение, что каждый кристаллик уникален. Количество возможных вариаций температуры и влажности во время падения снежинки на землю бесчисленно, и именно эти факторы определяют форму кристалла. Кристалл может начать расти определенным образом, но секундное изменение температуры или влажности заставит его форму развиваться в другом направлении. Гексагональная симметрия сохраняется, но кристалл может принимать всевозможные формы: от вытянутых до более привычных плоских.

Исследования и гипотезы

Выяснить, сколько лучей у снежинки, пытались выдающиеся физики и математики. Математик и астроном Иоганн Кеплер вывел, что каждый ледяной кристалл имеет шестилучевую симметрию. Современных приборов у Кеплера не было, все исследования сводились к наблюдениям и обобщениям. Он задался вопросом, почему лучей всегда именно шесть, но точного ответа не нашёл. Зато сделал предположение, которое позже назвали гипотезой Кеплера. Изучая симметрию снежинок, учёный обнаружил их сходство с сотами и расположением гранатовых зёрен. А затем пришёл к выводу, что такая расстановка не случайна: просто шестиугольник — наиболее плотный вариант упаковки.

Японский физик Укихиро Накая заметил, что правильные шестиугольные кристаллы встречаются реже, чем неправильные, и задумался, почему снежинки разные. Укихиро провёл рентгеноструктурный анализ, после чего пришёл к выводу: на структуру снежинок влияет история их возникновения. Появившись как шестиугольник, снежинка редко долетает до земли в неизменном виде. Часто потоки воздуха и молекулы воды трансформируют структуру, заставляя одни лучики в кристалле льда расти быстрее других, и мы уже можем увидеть трёхлучевые снежинки.

Современные исследования и выводы

В начале XXI века американский исследователь Кеннет Либрехт искал объяснение открытиям, которые сделал Укихиро Накая. В книге «Физика образования кристаллов снега» Либрехт привёл более 100 разнообразных форм снежинок и дал объяснение, как появилось большинство из них. Основа его выводов — опыты. Американский учёный выращивал снежинки в лаборатории и систематически делал замеры. У Либрехта появился собственный сайт, полностью посвящённый снежинкам. Там можно найти информацию о морфологии снежинок, кристаллических решётках льда и много фотографий самых разных экземпляров. В результате своей работы учёный обнаружил: какой бы формы снежинка ни была, она всё равно состоит из шести лучей. Просто они могут расти в разных плоскостях, отчего и форму приобретают разную.

Снежинки — это не просто красивые кристаллы льда, но и результат сложных природных процессов и физических законов. Их шестилучевая структура обусловлена кристаллической структурой льда и симметрией молекул воды. Природные условия замерзания, такие как температура, влажность и наличие твердых ядер, играют ключевую роль в формировании снежинок. Исследования, проводимые учёными на протяжении веков, помогают нам лучше понять это удивительное явление и его разнообразие.