- Здесь раньше росли яблоки, - заметил общительный Муми- тролль, глядя на голые деревья.
- А теперь здесь растёт снег, - равнодушно ответила Туу-тикки и пошла дальше.
љТуве Янссон, "Волшебная зима"
Мороз, будучи сыном коронованной властительницы Севера - Зимы - любит играть в снежное лего. Из простейших кубиков молекул воды, подаренных бабушкой-Природой, он собирает удивительные по своей сложности и по своему разнообразию формы и формочки. Эти крошечные крепости своей проекцией на плоскость больше похожи на симметричные схемы человеческих бальных танцев, например, кадрили или фигурного вальса. Кружево частых их повторений многими парами, облаченных в белое, напоминают снег. Именно его кубиками - снежинками - так сильно любит играть сыночка-Мороз. Эти игры люди прозвали "снегом" и "снегопадом", а потом бросились изучать их со всей обстоятельностью научного подхода. Все эти выводы находят свое отражения в сказках, которыми Зима баюкает Мороз на сон грядущий.
Снег относится к обложным, т.е. связанным преимущественно с теплым атмосферными фронтами, типам атмосферных осадков, и имеет форму мелких кристаллов льда. Образуются они, успокоительно-монотонно вещает Зима, в слоисто-кучевых облаках. Эти облака состоят не только из микроскопических частиц воды, но и из пылинок, частиц промышленных выхлопов, сажи и даже некоторых бактерий. Их принадлежность к стихии Земли делает эти элементы невыносимо привлекательными для роя любопытных частиц воды, и они притягиваются к этим пылинкам и былинкам, чтобы крепко их обнять и образовать кристаллы льда, не превышающие попервой размера в 0,1мм. Т.е. происходит процесс конденсации воды на твердых частицах (конденсация - процесс перехода вещества из перообразного агрегатного состояния в жидке или твердое). Однако несмотря на крошечные размеры, в результате этого процесса они становятся слишком тяжелыми, чтобы парить в облаках (в прямом смысле этого выражения) и падают вниз, в процессе чего на них конденсируются новые влага и воздух. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы. Структура молекул воды такова, что углы между лучами могут составлять только либо 60 ͦ, либо 120 ͦ. В центре всегда расположен основной кристалл воды, имеющий форму правильного шестиугольника. На его вершинах потом присаживаются поболтать новые и новые кристаллы, и так образуется все разнообразие форм звездочек-снежинок. Но атмосфера не так проста, как кажется. В ней есть множество столбов восходящего воздуха, на которых держится небосвод, которые называются термикой. Если снежинка попадает в такой поток, она многократно поднимается вверх и снова опускается вниз, кристаллизуясь повторно в первом случае и частично тая во втором. Из-за этого регулярность кристаллов может нарушиться, что влечет образование смешанных форм.
"Но это только скучные невыразительные основы, сынок, - продолжает увлекшаяся мама-Зима,- послушай лучше, как я узнала все про структуру снежинок!". И поведала Морозу удивительную историю о том, как зачаровала однажды, в конце XXв., в 80-х годах, американского ученого-физика Кеннета Либбрехта, чтобы тот помог ей разобраться в интересующем вопросе. Если опустить всю сорокалетнюю историю его изысканий, то вот к каким выводам он пришел и опубликовал во всемирной сети Интернет в октябре 2019г. В них описывается движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул рождают те или иные кристаллы, образующиеся в разных условиях.
Либбрехт предложил "прорывной", по его же собственным словам, "рецепт" снежинки. Он заключается в идее молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Она описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий, таких как температура, влажность, скорость окружающего ветра и т.п., и поведения молекул, которые его образуют. Водяной пар в облаке только начинает замерзать, поэтому молекулы воды - два атома водорода и один атом кислорода - свободно плавают в случайных направлениях. При замерзании ее молекулы образуют жесткую решетку кристаллов - один атом кислорода, окруженный четырьмя атомами водорода - которые продолжают расти, "поедая" встречные по пути молекулы воды. И расти они могут в двух направлениях: "вширь" (наружу) и "ввысь" (вверх). Тонкий водный кристалл - пластинчатый или звездообразный - образуется, когда "вширь", т.е. распространяясь наружу, он растет быстрее, чем это растут "ввысь" грани кристалла. При более быстром росте "ввысь" все происходит наоборот, и образуются иглы, полые столбы или стержни.
У людей есть любимое и очень популярное мнение, что двух одинаковых снежинок не существует. Это не совсем так. В пределах одного облака существует множество зон с различными температурами и влажностями. Но для одной-единственной снежинки эти переменные будут сохраняться постоянными. Одновременно, каждая из снежинок подвержена воздействию ветра, солнечного света и других факторов. Каждый крошечный кристалл безвольно мечется в хаотичном бурлении облака, и потому все они, вернее, почти все, различаются в итоге по форме. Хотя теоретическая вероятность того, что одинаковые снежинки существуют, притом, далекая от нуля, все же существует. Это может случиться при совпадении условий формирования снежинок, что гораздо более вероятно при спокойной инертной погоде на высоте облаков. Они посыпают людские головы куда более единообразными снежинками. Однако, даже выглядящие одинаково снаружи снежинки будут иметь различную молекулярную структуру.
"Ну да, мам, я все это знаю уже много миллионов лет безо всякого этого твоего Кеннета Либбрехта, - скучающе гундосит сыночка-Мороз, водя пальчиками по чьему-то оконному стеклу, отчего на нем образуются вызывающие восторг у людей инистые узоры (о которых мы поговорим в другой раз), - мне всегда больше нравилось играться с формами снежинок, ты же знаешь! Хочешь, расскажу про основные формы, по которым эти кристаллические образования можно классифицировать?". И Мороз принимается за свою часть извечного ночного перепирательства с матушкой-Зимой.
Есть Призмы - шестиугольные пластинки или тонюсенькие столбики с шестиугольным сечением. Они практически не видны для человеческого глаза, потому что имеют крошечные размеры. Такие простые формы нравятся Джеку Фросту - простому и добродушному эльфу из английского фольклора, вначале перекрашивающему листья деревьев в желтый и красный цвета, а потом рисующему морозные узоры на оконных стеклах. В Англии имя "Джек" стало нарицательным для простого и бесхитростного, "сельского" парня, что отражено и в других преданиях и сказаниях. Этого персонажа нередко отождествляют с русским Дедом Морозом.
Есть Иглы - тонкие и длинные снежинки, так похожие на волоски. Они образуются только при очень низких температурах и потому формируют шубу Йети или Снежного человека - зимнего антропоморфного чудовища Мех-Теха народов Тибета и Непала. На него допускается охотиться. Видимо, потому, что, по поверьям, его кровь делает предметы волшебными и потому используется во многих магических ритуалах.
Или вот Дендриты, имеющие шесть ярко выраженных разветвляющихся лучей. Их использует японский женский демон Юкионна в качестве бижутерии. Кожа ее так бела, что сливается со снежным покровом, и потому она часто пренебрегает одеяниями. Изгиб голубых губ способен свести с ума любого мужчину. Да и вообще она нечеловечески красива. Хоть и рождается из замерзших насмерть, но все равно вполне реальных женщин. Бывает, на руках она качает младенца, но если согласиться взять того покачать к себе на руки, то ребеночек своим весом придавит несчастного к земле и превратит в ледяную глыбу. Юкионну трудно отличить от земной женщины и для этого нужно проявить внимательность: во-первых, ее одежды (если таковые имеются) застегнуты не слева направо, как принято у японцев, а справа налево, как они делают при похоронах. Во-вторых, красавица не оставляет следов на снегу. И, конечно, забирает души тех, чьи желания пообещала исполнить.
Дендриты еще бывают папоротникообразные, названные так благодаря ветвистости их лучей, которые своей формой напоминают ветви папоротников. Ими мог бы украсить свое облачение ацтекский бог зимы Ицтлаколиуки, чьем имя переводится как "кривой обсидиановый клинок". Когда-то он был богом утренней звезды, но превратился в бога зимы и смерти, когда проиграл свой вызов на бой бога солнца Тонатиу. А в бога утренней звезды, в свою очередь, превратился тольтекский правитель, принявший мученическую смерть на костре.
А еще бывают 12-лучевые снежинки. Иногда она сформирована не из одной, а из 2 пластинок. В таком случае они могут повернуться друг относительно друга по оси на 30 ͦ, и тогда получится пушистое облачко, ведь на каждой из пластинок снежинки растет по 12 лучей. Такая красавица наверняка пришлась бы по вкусу "хозяйке" Скандинавии - "лучезарной невесте богов" охотнице Скади. Она наиболее известна в кругах широкой общественности именно своей любовью к охоте, однако на самом деле она была богиней гор, зимы, холода и выступала покровительницей лыжников, охотников и лучников. Но лишь покровительницей (насколько слово "лишь" применимо к богам).
Кельтской же божественной старухе, олицетворяющей собой зимнее время года и жонглирующей сразу двумя именами - Калех (буквально означает "скрытая под капюшоном") и Бейра (в переводе с древнеирландского - "рогатая") - наверняка бы пришлись по вкусу снежинки-полые столбики с шестиугольным сечением, внутри которых образуются полости симметричной относительно центра кристалла формы. Каллех-Байра, скалясь ржаво-желтыми зубами, разрезающими синюю кожу лица, подставляет эти полые столбики под порывы сурового северного ветра, чтобы те гремели на нем в аккомпанемент бешеной пляске длинных белых волос. Эта богиня, согласно преданиям, то ли вырубила гигантским молотом ирландские горы, то ли сотворила их, просыпав из своей корзины несколько камешков.
Среди плоских снежинок также встречаются пространственные кристаллы, когда из капли начинают расти несколько снежных кристаллов различной формы, и треугольные кристаллы, часто с усеченными вершинами, которые формируются при температуре примерно -2 ͦ. Эти строгие, без лишней мишуры ветвей, кристаллы с бритвенно-острыми краями наверняка наполняют страну ётунов - Ётунхейм. Это один из 9 миров, составляющих божественное и человеческое бытие, в скандинавской мифологии. Его населяют ётуны - снежные великаны, создания, крайне необщительные и представляющие угрозу как для богов Асгарда, так и для людей.
Помимо игл и полых столбиков еще встречаются, хоть и очень редко, столбики с наконечниками. Кристаллы таких снежинок похожи на катушку для ниток и начинают расти как столбики, но при попадании в отличающиеся погодные условия на их концах появляются пластинки. Этими колесами с осью посередине когда-то богиня по имени Маржана (известная так же как Мара, Морена, Морана, Мора, Мурава и пр.) прокатилась по недавно принятому на Руси христианству. Ведь именно соломенное чучело этого духа славяне так и продолжили сжигать на Масленицу, что и делают до сих пор.
И, наконец, самые распространенные снежинки - это звездочки, пластинчатый шестигранный кристалл с шестью лучами, украшенными симметричным узором. Такая снежинка наиболее привычна для всех нас, поэтому именно с ней мы вернемся обратно к науке.
Таким образом, все существующие формы снежинок можно классифицировать по двум основным формам: пластинки (когда они растут "вширь") и столбики (когда они тянутся "ввысь").
Как упоминалось выше, в процессе падения снежинки вниз, на уже имеющийся кристалл конденсируется не только влага, но и воздух. Снежинки состоят из него на 95%, что обуславливает их низкие плотность (100-400 кг/м³) и скорость падения (0,9 км/ч).
- Ладно, малыш Мороз, засыпай скорей, и пусть тебе приснится твое белое хобби.
- Но мама, снежинки вовсе не белые! Они только кажутся такими человеческому глазу! Ты же знаешь про заключенный в них воздух, и они только кажутся людям белыми именно благодаря ему! И снег, как большое скопление снежинок, тоже! Потому что свет с любой длиной волны отражается на граничных поверхностях между кристаллами льда и воздухом, и рассеивается там, ну. Ты тоже что-то рассеялась сегодня вечером, - недовольно бубнит сыночка-Мороз и, наконец, засыпает.