Впервые снежинки как кристаллы строгой формы описал немецкий астроном Иоганн Кеплер в работе «О шестиугольных снежинках» (1611 г).
В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, написавший трактат «Опыт о метеорах». Декарт впервые нашел и описал достаточно редкую двенадцатиконечную снежинку. До сих пор неясно, при каких условиях она образуется.
В 1665 году Роберт Гук увидел с помощью микроскопа и опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы.
Вильсон Бентли (1865-1931) по прозвищу «Снежинка» был американским фермером и занимался фотографией снежных кристаллов. В 15 лет он получил в подарок микроскоп, через три года прикрепил к нему фотоаппарат и в 1885 году, после множества проб и ошибок получил первую удачную фотографию снежинки под микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, сделав более 5000 уникальных снимков. В 1898 году Бентли опубликовал свой полувековой труд о снежных кристаллах. Эта работа показала, что невозможно найти две абсолютно одинаковые снежинки - снежная мозаика может сложиться огромным числом способов. «Я обнаружил, что снежинки – это чудесное воплощение красоты, - писал Бентли, - и мне показалось стыдным, что эту красоту не увидят и не оценят другие. Каждый кристалл представлял великолепный узор, и ни один узор не повторялся дважды. Когда снежинка таяла, узор пропадал навсегда. Так, словно бесследно навсегда уходила красота».
В России у Вильсона Бентли был даже не последователь, а предшественник, Андрей Сигсон (1840-1907). Он заинтересовался фотографией в возрасте 14-15 лет и в дальнейшем работал фотографом в Уфе, а позже в Рыбинске, где жители считали занятия Сигсона микрофотографией пустяками, мешающими зарабатывать деньги на портретных фото.
Сигсон первым из российских фотографов стал снимать снежинки и сделал около двухсот таких снимков. Для получения снимка снежинка помещалась под микроскоп с увеличением от 15 до 24 раз. Чтобы не растопить объект, приходилось охлаждать руки и дышать через трубку, отводящую воздух в сторону (в конце концов фотограф заработал ревматизм пальцев рук). Снимки Сигсона получили признание на многих российских и международных выставках - от Политехнической выставки 1872 года в Москве (где за первые результаты в области микрофотографии автор получил серебряную медаль) до Парижской всемирной выставки 1900 года (золотая медаль). Сигсон получал заказы из университетов Германии, Франции, Англии, Италии и Испании, его фотографии снежинок имели Киевский, Санкт-Петербургский и Московский университеты, Главная физическая обсерватория. Снимки Сигсона попали в различные научные работы и «Энциклопедический словарь» Брокгауза и Ефрона.
Известно несколько классификаций снежных кристаллов. В 1951 г. Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологических наук предложена классификация, различающая семь основных форм кристаллов:
- - пластинки,
- - звездчатые кристаллы,
- - столбцы или колонны,
- - иглы,
- - пространственные дендриты,
- - столбцы с наконечниками
- - неправильные формы.
И еще три вида твердых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
Существует и более развернутая классификация, при которой каждый из этих типов разделяется на несколько видов и подвидов.
При падении снежных кристаллов с ними может случиться многое - частичное таяние, столкновения друг с другом и с каплями воды. Вот почему наиболее часто встречаются нерегулярные кристаллы, не имеющие легко идентифицируемой формы. Иногда кристаллы представляют собой комбинацию нескольких форм.
Профессор Укихиро Накайя из университета в Хоккайдо первым предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры и влажности воздуха, и подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы.
С понижением температуры обычно снежинки становятся более мелкими. Меняется и форма снежинок: от красивых правильных звездочек - к пластинкам и неправильным столбикам.
Молекулы воды в кристалле льда формируют шестиугольную решетку. На рисунке ниже красные шары – это атомы кислорода, между ними – атомы водорода. Шестикратная симметрия снежинок берет свое начало от кристаллической решетки льда - между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Каждая молекула Н20 окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее и размещенных в вершинах правильного тетраэдра.
С чем связана плоская форма снежинок? Основная форма кристаллического снега – шестиугольная призма, которая включает две шестиугольные "базовые" поверхности и шесть прямоугольных граней. На боковых ребрах состояние поверхности снежинки энергетически более неравновесно, чем на "базовых" плоских поверхностях кристалла. Благодаря этому, на углах больше вероятность образования новых связей молекул друг с другом. Поэтому снежинки "предпочитают" расти не в толщину, а вширь в одной плоскости (в отличие от снежинок, у градин нет такой правильной кристаллической решетки, так как градины образуются при замерзании дождевых капель, а не из водяного пара).
Со временем выпавший снег частично утрачивает свою первичную структуру под влиянием собственного веса, температуры и ветра. Чем дольше лежит снег, чем больше он утрамбовывается, тем меньше в нем остается от первоначальных кристаллов льда. Старый снег утрачивает первоначальную структуру и преобразовывается в более или менее крупные зерна. При этом меняется и плотность снега. Для сухого снега это 10–20 кг/м3, для влажного — 100–300 кг/м3. Плотность лежалого снега — 200–600 кг/м3.
Ломаясь, снежинка издает неслышимый нашему уху звук. Если же снежинок одновременно ломается много, то вы этот звук слышите — это ни что иное, как скрип снега у вас под ногами. На холоде снежинки становятся более твердыми и хрупкими, поэтому хруст снега можно услышать только при сильно минусовой температуре.
Вспомните об этом, когда пойдет снег.