Фантастическая архитектура кристалликов льда - снежинок - строго согласуется с законами физики.
Публикуемый материал, посвященный физическим процессам образования кристаллов льда в атмосфере, представляет собой реферат статьи «Кристаллы снега», опубликованной в прошлом году (1973) в ноябрьском номере журнала «Сайентифик Америкен»
Крутятся ли в бешеном ритме вьюги снежные иголочки, неприятно покалывая лицо, или мягко и бесшумно падают на землю снежные хлопья - физическая природа снежинок одна - это кристаллы замерзшей воды. Почему же вода, замерзшая в стакане или в озере, превращается в прозрачный лед, а с неба она падает в виде звездчатых снежинок? И откуда эти правильные симметричные формы? Эти строгие ажурные узоры, заставляющие вспомнить о тонком искусстве кружевниц?
Чтобы ответить на эти вопросы, нужно более подробно познакомиться со снежинками, с процессами их рождения и роста, с физической основой этих процессов.
Но прежде несколько конкретных данных о наших героинях.
Первичная форма снежинок в виде шестилучевой звездочки не универсальна. При тщательном рассмотрении под микроскопом можно увидеть, что снежные кристаллы имеют самую разнообразную форму - тут и шестигранные призмы, и иголки и различные пластинки (рис. 1). В лучших коллекциях микрофотографий насчитывается более 5 тысяч снимков снежинок, отличающихся друг от друга по форме.
Диаметр маленькой снежинки измеряется десятыми долями миллиметра, но бывают и снежные хлопья размерами до 10 сантиметров. В природе наблюдались хлопья весом почти в полкилограмма.
Форма и размер снежинки отражают всю историю ее жизни.
Проследим же за ней, начиная с самого рождения.
Сначала было облако. Облака - это не просто деталь пейзажа и даже не просто, деталь в прогнозах и сводках погоды. Облака регулируют тепловой и водный баланс на всей Земле. Поднявшись в космос, человек своими глазами убедился, что голубая наша планета наполовину покрыта белыми полями облаков.
То, что облако состоит из воды, люди узнали давно. Сразу же, как научились сопоставлять следствие, то есть выпавший дождь или снег, с очевидной причиной - облаками. Облака образуются так. Влажный воздух поднимается в верхние слои атмосферы, охлаждается и превращается в капельки воды. Это происходит подобно тому, как бутылка, вынутая из холодильника, сразу же покрывается туманом, мельчайшими капельками воды, которые сконденсировались из окружающего бутылку теплого воздуха.
В атмосфере процессы осложняются тем, что там нет стенок бутылки, на которых могла бы произойти конденсация паров. Мельчайшая капелька воды должна насчитывать, как минимум 500 молекул (диаметр такой капельки был бы меньше сотых долей микрона). По теории вероятности событие, когда в водяном паре сразу в одном месте встречаются три или четыре молекулы, - маловероятно. Самопроизвольное же образование капли из десяти молекул уже относится к разряду «чудес». И вот тут на сцену выступают мельчайшие частицы - пыль, сажа, споры растений. Они-то, и играют роль центров, или, как еще говорят, ядер конденсации.
Температура в тропосфере, где находятся облака, ниже нуля, и, попав туда, вода должна была бы перейти из жидкого состояния в твердое, попросту говоря, замерзнуть. Однако, как ни странно, облачная вода не замерзает. Во всяком случае, при минус пяти градусах Цельсия кристалликов льда практически нет, они появляются в облаках в заметных количествах лишь при минус 12 - 16 градусах (здесь и далее везде - градусы Цельсия), а интенсивное образование кристаллов льда происходит в облаках при минус 22 градусах. Еще при температуре минус 41 градус можно, кроме кристаллов льда, наблюдать отдельные капли воды. До сих пор не удается во всех деталях объяснить, почему вода в облаках может длительное время оставаться в переохлажденном состоянии, не превращаясь в лед.
Надо учесть, что «водность» облаков невелика. Вот, например, смешанное облако, то есть такое, где есть и капли воды и кристаллы льда. Если бы сконденсировать один кубический метр такого облака, то удалось бы собрать лишь один грамм воды. Средняя толщина облачного слоя 1 километр. Если полностью «выжать» облако, то на один квадратный метр земной поверхности выпадет 1 килограмм осадков, то есть землю покроет слой воды в один миллиметр. Это очень мало, ведь даже умеренным снегопад дает осадков в 10 - 20 раз больше.
Итак, снег возникает в облаках, но не из облаков. Из чего же?
Жители умеренных широт знают, как, тихо кружась, падают снежинки в почти неподвижном воздухе. Но мог бы быть снегопад, если бы вся толща воздуха была в покое? Нет. Главное условие для снегопада - это восходящие потоки воздуха, которые питают облако влагой.
Существует множество возможностей для того, чтобы создался восходящий воздушный поток. Например, в дневное время воздух согревается солнечной радиацией, делается легче, устремляется вверх; восходящий поток создается также в том случае, если на пути горизонтально перемещающихся масс воздуха встанет горная гряда. Тогда воздух вынужден подняться по склону горы.
Поднимаясь с восходящим потоком, водяной пар сначала попадает в нижние слои облака, где преобладают капли переохлажденной воды. Рождение снежинки начинается тогда, когда капля воды, увлеченная потоком, сталкивается с кристалликом льда.
Вокруг капли находится слой насыщенного водяного пара, то есть в этом слое количество молекул воды, которое может испариться с поверхности капли при данной температуре, достигает максимального значения. Насыщенный пар окружает и кристаллы льда. Но оказывается, что в обоих этих случаях насыщенный пар, который состоит из одних и тех же молекул воды, обладает различными свойствами. При одной и той же температуре насыщенный ледяной пар оказывается менее плотным, чем насыщенный водяной пар.
Лед - это структура, образующая шестигранные кристаллы, где каждая молекула воды окружена четырьмя соседями. Как говорят кристаллографы, он образует гексогональную (шестиугольную) решетку с координационным числом 4. Такая структура сравнительно плохо «упакована», имеет много пустот. Поэтому плотность льда меньше, чем плотность воды. (Вспомните, как отдельные льдины плавают на поверхности водоема.)
Молекулы ледяного насыщенного пара тоже чувствуют себя «свободнее», чем молекулы насыщенного водяного пара (рис. 2). Если капля воды достаточно близко подходит к кристаллику льда, молекулы из окружающего ее насыщенного водяного пара устремляются к поверхности льда, оседают на нем, кристалл увеличивается в размерах. (Представьте себе, что в туго набитом вагоне поезда метро вдруг открылась торцевая дверь в соседний более пустой вагон.) Капля начинает испаряться, так, как молекулы воды на ее поверхности испытывают меньшее давление окружающей среды, ведь часть молекул, ранее окружавших каплю, ушла к кристаллу льда. Процесс заканчивается полным испарением капли и значительным увеличением кристаллика льда.
Кроме описанного выше процесса, к росту ледяного кристалла приводит еще и сублимация. Молекулы воды из пара, окружающего ледяной кристаллик, непосредственно переходят в твердую фазу, минуя стадию капли и сразу же начинают достраивать кристаллическую решетку кристаллика, увеличивая его размеры. При достаточно низких температурах, где-то в районе минус 41 градус и ниже, кристаллики льда могут образоваться непосредственно из водяного пара, если есть достаточное количество инородных центров кристаллизации. В снежинках, если рассматривать их под электронным микроскопом, можно иногда увидеть такое ядро кристаллизации в виде пылинки.
Проходя сквозь облако, ледяной кристаллик вырастает до таких размеров, что его сила тяжести может уже преодолеть подъемную силу восходящего' потока. И тогда начинается падение, возвращение на землю. Выпадающие из облака ледяные кристаллики - это и есть снежинки.
По мере «падения» снежинка делается все больше. Когда же она достигает того слоя облака, где преобладают переохлажденные капли, рост ее происходит особенно интенсивно (рис. 3).
Для того, чтобы понять, откуда появляются у снежинок причудливые узоры, нужно научиться изучать снежинки в их первозданном виде. Детали снежного кристалла из-за их малых размеров приходится рассматривать под микроскопом. Так, как снег испаряется даже при минусовых температурах, наблюдения надо проводить очень быстро. Один из способов изучения снежных кристаллов - снятие оттисков, которые называют репликами. Снежинка падает в тонкий слой раствора пластмассы, растворитель быстро улетучивается, а застывшая пластмасса навечно сохраняет форму снежинки. Такие слепки хорошо получаются с простых плоских кристаллов и мало удачны в случае сложных, объемных.
Существует еще такой способ снежинку окунают в охлажденную жидкость, которая не растворяет лед - например, в гексан или керосин. Особенно удобно то, что показатель преломления жидкости близок к показателю преломления льда. Это позволяет четче увидеть детали строения сложных снежинок. Именно таким способом были сделаны снимки снежинок в Американском национальном центре исследования атмосферы, которые приведены на рисунках 5, и 6.
Для того, чтобы правильно оценить, насколько часто встречается та или иная разновидность снежинок (набрать достаточную статистику при небольших размерах «полигона»), можно рассматривать снег, который выпадает в течение 10 - 20 секунд на кусок картона, покрытый черным бархатом. Среди кристаллов распространены, как простые формы - шестиугольные пластинки, шестигранные столбики, призмы, иглы, так и сложные звезды с тремя или шестью лучами. Иногда попадаются комплексы столбиков, которые получили название «ежи»
Форма и размер снежинок зависят от физических условий их образования и роста и прежде всего от температуры.
Метеорологи проделали такой эксперимент в камере, где по направлению от пола к потолку температура меняется от нуля до минус тридцати градусов Цельсия. Если в камеру впускать водяной пар, то на нити, натянутой между полом и потолком, образуются кристаллы самой различной формы. Там, где нить находится в интервале температур ноль - минус 3 градуса, кристаллы имеют форму шестигранной пластинки, в интервале температур минус 3 - минус 8 градусов образуются призмы и иглы, минус 8 - минус 12 градусов - пластины и дендриты; минус 12 - минус 16 градусов - пластины; минус 16 - минус 25 - опять призмы. Дендритами в минералогии называют кристаллы, не завершенные в своем развитии, так, как по форме они несколько напоминают ветвистые деревья, папоротники или хвою.
Очевидно, что в процессе образования снежинки, при ее прохождении сквозь облако, меняются не только температурные условия, меняется также и влажность окружающего ее воздуха, то есть концентрация молекул воды в газообразном состоянии. А это сильно влияет на скорость роста кристаллов (рис. 5).
Чем медленнее растет кристалл, тем меньшие изменения в окружающую среду вносит его образование. Если кристаллы растут в условиях, близких к равновесным, они «стремятся» приобрести такую конфигурацию, которая обеспечивала бы готовому изделию минимальную поверхностную энергию. Для кристаллов льда это форма правильного шестигранника.
Быстро растущие кристаллы, как правило, приобретают неустойчивую форму дендритов. Создается впечатление, что при быстром росте кристалл стремится, как можно скорее занять побольше «жизненного пространства»
Естественно, что вершины гексагональных пластинок растут намного быстрее, чем стороны, так, как они активнее захватывают молекулы воды и постепенно развиваются в отростки, которые затем вновь разветвляются, образуя хорошо знакомые снежные дендриты. Так, как распределение молекул вокруг растущего кристалла не строго симметрично, то, и строгая симметрия лучей снежинки наблюдается крайне редко. Надо еще учесть, что процесс роста происходит в падении, так, что «строительный материал» поступает неравномерно.
То, что дендриты в основном образуются при прохождении слоев с температурой минус 8 - минус 12 градусов, легко поддается объяснению. Именно в этом интервале температур существует наибольшая разница между плотностью насыщенного пара воды и плотностью насыщенного ледяного пара. При этой температуре концентрация молекул воды в водяном паре на 12% больше, чем концентрация молекул воды в насыщенном водяном паре. А чем больше воздух насыщен водяными парами, тем больше «строительного материала», тем больше скорость образования кристаллов. «Спешка», и приводит к образованию звезд, в которых по сравнению с гексагональными пластинками много пустоты.
Иногда основой для образования снежинки служит капля, замерзшая при температуре ниже 20 градусов мороза. Такая капля, замерзая, образует два или более кристаллов льда. Последующий рост таких кристаллов в парах воды при достаточно низких температурах приводит к образованию скоплений из кристаллов «пулевидной» формы (рис. 6). Иногда такие скопления рассыпаются на отдельные «пульки»
Если в слои воздуха с температурой минус 12 - минус 15 градусов попадают кристаллы в виде иголочек, то на каждом конце такого кристалла нарастает либо дендрит, либо пластинка. Такие кристаллы иногда называют «запонками». По предложению японских ученых в том случае, если на концах игольчатого столбика выросли плоские пластинки, его называют «цузуми» (рис. 7), так, как похожую форму имеет традиционный японский барабан - цузуми. Случается, одна из концевых пластинок вырастает много больше другой.
Можно предположить, что большая часть обычных плоских снежных кристаллов - это кристаллы формы «цузуми», только вырожденные - у них длина столбика очень мала. Если расстояние между концевыми пластинками мало, усиливается конкуренция между ними за захват молекул воды из окружающего воздуха. Это может привести к тому, что на одной из них вместо обычных шести лучей образуется меньшее их количество. Если при падении на черный бархат такие сложные кристаллы распадаются, можно увидеть дендриты, у которых недостает отростков.
Размеры образующейся снежинки и скорость ее падения во многом зависят от толщины облака и силы восходящего потока. Могут создаться условия, когда достаточно большие кристаллы проносятся сквозь слои, насыщенные переохлажденными каплями воды с такой большой скоростью, что при столкновении с кристаллом. капля не успевает испариться. Такие столкновения ведут к тому, что снежинка индевеет - покрывается инеем. Процесс заиндевения идет лавинообразно. Чем больше, тяжелее кристалл, тем скорее он падает, тем больше вероятность того, что он заиндевеет. Иней же, оседая на снежинке, заметно увеличивает ее вес, не снижает, а, наоборот, увеличивает скорость падения.
Иногда иней создает новые направления роста кристаллической решетки исходного кристалла. Образующиеся в результате пространственные дендриты очень живописны.
Если толщина облака достаточно большая, то первоначальные кристаллы настолько «зарастают» инеем, что превращаются чуть ли не в шарики. Это так называемая крупа, почти град. Но снежная крупинка намного мельче, главное, легче, чем градина. Если облака расположены высоко, а под ними находятся достаточно толстые слои теплого воздуха, то крупа при падении тает и проливается на землю дождем. Естественно, что частицы крупы должны быть достаточно крупными, чтобы не испариться по дороге.
Часто для того, чтобы вызвать дождь искусственным путем, облако «засевают» центрами кристаллизации. Наиболее эффективны кристаллы йодистого серебра, так, как по структуре они близки к кристаллам льда. Эти внесенные центры кристаллизации превращают переохлажденные капли воды в кристаллики льда, которые, в свою очередь, при падении сквозь облако превращаются в некоторое подобие крупы. Мелкая крупа тает прежде, чем выпадет на землю - получается дождь. Но все это, конечно, лишь первые шаги на пути к осуществлению проекта, о котором мечтали, по-видимому, еще древние земледельцы - на пути к управлению климатом.
Научиться управлять явлениями, происходящими в природе, это значит прежде всего до конца понять все тонкости этих явлений. Но изучение «всех тонкостей» даже очень простых явлений приводит к довольно сложным проблемам. Так, например, пытаясь раскрыть простой, казалось бы, механизм появления снега, исследователи не могут понять, откуда в облаках появляется столько кристалликов льда. Посторонних центров кристаллизации - пылинок, спор и т. д. - для этого явно не хватает. Недавно проведенные измерения показали, что их по крайней мере в тысячу раз меньше, чем должно было бы быть, чтобы обеспечить реально существующее количество кристаллов льда. И это не единственный вопрос, который пока остается без ответа.
