Снежинка

В более тёплых облаках для формирования кристалла необходима частица аэрозоля или «ядро льда», присутствующее в капле или контактирующее с ней. Частицы, образующие такие ядра, значительно реже, чем ядра для образования жидких облачных капель.

Основным источником естественных ядер служит минеральная пыль. Вопреки прежним представлениям, её льдообразующая активность связана не столько с глинистыми минералами, сколько с частицами полевого шпата (в особенности калиевого), которые эффективны при относительно тёплых температурах (выше −25 °C). Исследования после 2016 года подтвердили, что калиевый полевой шпат является наиболее эффективным минеральным ядром льдообразования^[5]. В то же время кварц, несмотря на более низкую активность, может вносить существенный вклад в общее число ядер из-за своего большего обилия в пустынной пыли^[6]. В 2024 году было детально описано, как на атомной структуре поверхности полевого шпата формируется упорядоченный слой гидроксильных групп, служащих «посадочными местами» для молекул воды и способствующих кристаллизации^[7].

Биологические частицы (бактерии, грибковые споры, пыльца) также являются высокоэффективными ядрами, способными инициировать замерзание при температурах выше −20 °C. Новейшие исследования значительно расширили список известных биологических ядер. Источниками служат морские экосистемы, где аэрозоли из фитопланктона и полисахариды, производимые микроорганизмами, играют доминирующую роль в образовании льда над Южным океаном^[8][9]. Споры грибов рода Fusarium формируют чрезвычайно эффективные белковые комплексы^[10], а аэрозоли от лесных пожаров выступают ядрами кристаллизации в Арктике^[11]. В 2024 году было обнаружено, что даже респираторные вирусы, включая SARS-CoV-2, могут служить ядрами льдообразования^[12].

В качестве искусственных ядер при искусственном воздействии на облака применяются частицы йодида серебра и сухой лёд. Кристаллическая структура иодида серебра схожа со структурой льда, что позволяет ему служить готовым центром кристаллизации. Его эффективность была детально подтверждена в ходе проекта SNOWIE (2017), где удалось проследить весь цикл образования осадков после засева^[13]. Однако существуют опасения по поводу его умеренной токсичности и кумулятивного эффекта в окружающей среде^[14]. Сухой лёд (твёрдая двуокись углерода) с температурой около −78,5 °C не служит ядром, а вызывает локальное экстремальное охлаждение, приводя к спонтанному замерзанию капель (гомогенной нуклеации). Он считается менее эффективным по массе, чем иодид серебра. Развиваются и новые технологии, такие как электрический засев с помощью дронов и использование наноматериалов^[15].

Эксперименты показывают, что «гомогенная» нуклеация (самопроизвольное замерзание) чистых облачных капель без участия ядер возможна только при очень низких температурах. Классический экспериментальный предел для капель микрометрового размера составляет около −38 °C (235 К)^[16][17]. Однако фундаментальный предел переохлаждения сверхчистой воды, при котором её жидкое состояние становится нестабильным, может достигать −48 °C (225 К)^[18][19].

После того как капля воды замёрзла, став ядром кристаллизации, она начинает расти в пересыщенной среде, где жидкая влага и лёд сосуществуют при отрицательных температурах в условиях превышения равновесной влажности. Капля увеличивается благодаря депозиции водяных молекул из пара на поверхности ледяного кристалла. Поскольку капли воды гораздо многочисленнее ледяных кристаллов, последние могут вырасти до сотен микрометров или даже миллиметров, поглощая влагу за счёт испарения водяных капель. Такой процесс называется процесс Вегенера—Бергерона—Финдезена. Современные исследования уточняют, что в реальных облаках этот процесс усложняется из-за турбулентности, захвата более сухого воздуха и высокой пространственной неоднородности облаков, которые состоят из множества сегментов с жидкой, ледяной и смешанной фазами^[20]. Это напрямую влияет на эффективность процесса, который в численных моделях зачастую протекает медленнее, чем в реальных условиях^[21].

Вследствие снижения парциального давления водяного пара капли испаряются, а кристаллы льда продолжают расти за их счёт. Крупные кристаллы — эффективный источник выпадения осадков, поскольку под действием массы они выпадают вниз, сталкиваются и склеиваются, образуя сгустки. Подобные агрегаты чаще всего представляют собой лёд, выпадающий на землю.

Процесс слипания отдельных кристаллов в снежные хлопья (агрегация) происходит благодаря нескольким механизмам. Современные радарные технологии позволяют идентифицировать зоны преобладания агрегации в облаках по характерным признакам, таким как низкая доплеровская спектральная ширина^[22]. При температурах, близких к 0 °C, поверхность кристаллов покрывается тонким квазижидким слоем, который действует как клей. После первоначального контакта в точке соединения начинается процесс спекания (англ. sintering), когда молекулы воды образуют прочную ледяную «шейку», связывающую кристаллы. Основным механизмом этого процесса является перенос массы через паровую фазу: молекулы воды испаряются (сублимируют) с выпуклых поверхностей и конденсируются на вогнутых участках в местах контактов^[23][24]. Кроме того, сложные ветвистые кристаллы, такие как дендриты, могут механически сцепляться друг с другом.

Мировой рекорд по самому крупному зафиксированному снежному сгустку (агрегату) установлен 28 января 1887 года в Форт-Киог (Монтана), его ширина составила 38 см. Крупные снежные хлопья наблюдались и в XX веке: 30 апреля 1944 года в Москве падали сгустки размером с человеческую ладонь (около 10 см в диаметре), по форме напоминавшие страусиные перья. Такие гигантские образования являются не одиночными кристаллами, а агрегатами из множества слипшихся снежинок. Размер отдельных кристаллов обычно не превышает 10 мм, хотя встречались экземпляры размером с десятицентовую монету (17,91 мм в диаметре). Снежинки, покрытые изморозью, образуют шарики — граупель.

Хотя лёд сам по себе прозрачен, снег обычно выглядит белым из-за диффузного отражения полного спектра света, вызванного многократным рассеянием света мельчайшими гранями снежинок^[4].

Форма снежинки определяется в первую очередь температурой и влажностью окружающей среды, где она формируется. Согласно обобщающей теории, представленной физиком Кеннетом Либбрехтом в 2019 году, эта зависимость объясняется конкуренцией между ростом граней и краёв кристалла. Пластинчатые и звёздчатые (дендритные) формы образуются, когда края растут быстрее (при температурах около −2 °C и −15 °C), а столбчатые и игольчатые — когда быстрее растут грани (около −5 °C)^[25]. Изредка, примерно при −2 °C, возможны снежинки с тройной симметрией — так называемые треугольные снежинки^[26]. Большинство снежных частиц имеют нерегулярную форму, несмотря на частое представление их как симметричных. Найти две идентичные снежинки крайне маловероятно: типичная снежинка состоит примерно из 10¹⁹ молекул воды^[27], каждая из которых растёт с разной скоростью и разным образом вследствие изменения температуры и влажности на пути снежинки к земле^[28]. В лабораторных условиях удавалось вырастить молекулярно отличающиеся, но c одинаковым внешним видом снежинки^[29].

Хотя снежинки никогда не бывают идеально симметричными, рост неагрегированной снежинки обычно близок к шестиугольной радиальной симметрии, наследуемой от гексагональной структуры льда^[30]. На ранних этапах снежинка — это крошечный гексагон. Затем от каждого из шести углов этого шестиугольника независимо растут «лучи» (дендриты).

Микроокружение снежинки постоянно меняется по мере её падения, незначительные изменения температуры и влажности сказываются на том, как молекулы воды присоединяются к растущей структуре. Поскольку условия вокруг снежинки в каждый момент почти идентичны, каждый луч обычно растёт весьма похожим образом, однако идентичность роста не гарантируется, так как на него влияет и сам механизм кристаллизации^[31].

Эмпирические исследования показывают, что менее 0,1 % снежинок имеют идеальную шестиугольную симметрию^[32]. Очень редко встречаются снежинки с 12 ветвями, при этом общая шестиугольная симметрия сохраняется^[33]. В 2025 году учёные из Уральского федерального университета (УрФУ) представили универсальную математическую модель, опубликованную в научном журнале Acta Materialia, которая впервые описывает формирование и рост кристаллов различной симметрии с помощью единого уравнения^[34][35]. Эта геометрико-морфологическая теория позволяет предсказывать сложную геометрию дендритов, изменяя один или два параметра, которые зависят от конкретного материала и степени его переохлаждения^[34].

Снежинки формируются в огромном многообразии причудливых форм, что ведёт к устойчивому мнению, будто «двух одинаковых снежинок не существует». Хотя в лабораторных условиях удавалось создать почти идентичные снежные кристаллы (так, физик Кеннет Либбрехт смог вырастить кристаллы-«близнецы» в контролируемой среде^[37]), их идентичность является лишь макроскопической, но не абсолютной на атомном уровне из-за случайного распределения изотопов и дефектов кристаллической решётки^[38]. Встреча в природе двух сложных, ветвистых снежинок считается практически невозможной^[39]. Тем не менее, в 1988 году учёная Нэнси Найт задокументировала обнаружение двух визуально идентичных кристаллов, однако это были очень простые формы — полые шестиугольные призмы^[38][40]. Первые попытки найти одинаковые снежинки предпринимал Уилсон Бентли в 1885 году, фотографируя тысячи снежинок с помощью микроскопа — эти работы открыли большое разнообразие форм.

Укичиро Накая разработал диаграмму морфологии кристаллов, связывающую их форму с условиями температуры и влажности при формировании, ключевые сведения которой отражены в таблице^[41]:

Форма снежинки главным образом зависит от температуры и влажности среды, где она формируется. При охлаждении воздуха до −3 °C формируются плоские кристаллы, при дальнейших понижениях до −8 °C преобладают полые колонки, призмы и иглы. При температуре ниже −22 °C снова преобладают пластинчатые кристаллы — часто с ветвлением (дендритами). Степень насыщенности также влияет на форму: недонасыщенная среда стимулирует компактные кристаллы, а пересыщенная — ажурные, изящные. Встречаются и более сложные структуры: розетки, скрещения, боковые плоскости и др., формирование которых зависит от погодных условий и начального ядра^[42][43][44]. Если кристалл начинает формироваться в температурном диапазоне образования колонн (около −5 °C), а затем попадает в зону пластин, на концах колонны появляются разветвления или пластины («колонна с крышками»).

Магоно и Ли в 1966 году предложили классификацию снежных кристаллов, насчитывающую 80 форм.

Основные группы^[45]:

• Кристаллическая игла (N): простые и сложные.
• Кристаллическая колонна (C): одиночные и комплексные.
• Плоский кристалл (P): регулярный, с отростками, с неправильным числом ветвей, с 12 ветвями, деформированный, радиальный пучок плоских ветвей.
• Комбинированный (CP): колонна с пластинками на концах, «пуля» с пластинками, пластина с боковыми ветвями.
• Колонна с расширенными боковыми плоскостями (S): простые, масштабные, смешанные, пули и колонны.
• Кристалл с обводкой (R): обведённый, плотный, граупелевый, граупель.
• Нерегулярный кристалл (I): ледяные частицы, обведённые частицы, фрагменты кристаллов и проч.
• Начальный кристалл (G): миниатюрная колонна, скелетная форма, микропластинка, миниатюрная звезда, ансамбль микропластинок, нерегулярные мотки.

Каждый из этих типов был описан с помощью микрофотографий^[46].

Классификация Магоно и Ли, основанная преимущественно на наблюдениях в средних широтах, долгое время оставалась наиболее полной. Самым современным и комплексным обновлением стала «Глобальная классификация снежных кристаллов, оледеневших снежинок и крупы» (англ. The Global Classification of Snow Crystals, Rimed Snowflakes, and Graupel), представленная Кацухиро Кикучи и его коллегами в 2013 году^[47]. Эта система расширила число категорий до 121, добавив 28 новых типов, характерных для полярных регионов Арктики и Антарктиды. Классификация имеет трёхуровневую иерархическую структуру: общий (8 категорий), промежуточный (39 категорий) и элементарный (121 категория) уровни, что делает её универсальным инструментом для исследователей по всему миру^[47].

Международная классификация сезонного снега на земле включает типологию кристаллов по форме и размеру зерна после осаждения. Этот же подход учитывает метаморфозу и слияние снежного покрова.