32
ЛАБОРАТОРИЯ «КВАНТА»
СНЕЖНЫЕ
КРИСТАЛЛЫ
А. С. Варпаховский, А. Н. Виленкин
Фотографии и рисунки сежинок можно найти во многих учебниках физики в главах, в которых рассказывается о симметрии. Но этим и ограничивался до недавнего времени интерес ученых к сежным кристаллам. Серьезное изучение зарождания, роста и структуры сежных кристаллов началось не так давно. Интерес к сежным кристаллам был связан в основном с изучением образования джедя и явлений, проискодиях в области. Оказалось, что большая часть джедевых капель начинает свою жизнь как сежные кристаллы, талоше прежде чем они упадут на землю. Однако только холодные, находящиеся на большой высоте перистые облака состоит из кристаллов льда. В основном же облака представляют собой скопления маленьких водяных капелек, удерживающихся в воздухе так же, как частички дыма. Долгие годы оставалось загадкой, как эти капельки вырастают до размеров, достичьных для того, чтобы они упали на землю. Оставалось загадкой и то, что часто эти капельки «отказывались» замерзать, хотя температура облака была намного ниже нормальной температуры замерзания воды, то есть ниже 0°С.
Сейчас мы знаем, что переохлаженное облако сстается стабильным до тех пор, пока в нем не появится хотя бы небольшие количество маленьких кристалков льда, зарождающихся на частичках земной пыли. Молекулы воды, попавшие на кристалик льда, образуют с ним прочную связь, разорвать которой довольно трудно. Молекулы же воды, которые конденсируются на капле, оторвать сравнительно легко — теплота испарения меньше энергии, необходимой для отрыва молекулы воды от кристалика льда. Поэтому облако состоит из капелек воды и кристалок льда, то кристаллы льда растут гораздо быстрее, чем капли. Более того, благодаря росту кристалков льда уменьшается влажность окружающей воздуха. Это приводит к тому, что водяные капли постепенно испарются и исчезают. В то же время кристалки льда вырастают до размеров, достичьных для их падения на землю. Падая, несколько кристалков могут обединиться, образуя сежинку.
Хотя сежные кристаллы многообразны, их можно классифицировать по тем основным формам; шестиугольные признаниеские столбцы
34
колебляется от — 5° С до 0° С, можно встретить кристаллы в виде шестиугольных пластин, коротких призм и поражающих своей красотой звезд, имеющих диаметр порядка несколько миллиметров. Эти звезды являются основой снежинок. При температуре в несколько градусов ниже нуля кристаллики сппаются, образуя снежинки.
Все это говорит о том, что форма кристаллов определяется в основном температурой, при котором они вырастиют. Это подтвердили и эксперименты по выращиванию кристаллов льда в laboratorии. кристаллы льда выращивают в специальной камере, в которой строго контролировалась температура и количество водяных паров. В качестве затравки использовалась тонкая нить. Temperatura в камере в различных участках вдоль нити была разной. На рисунке 3 показана фотография участка нити, обросшей кристаллими. Размер этого участка около 6 см. Справа на рисунке указана температура в камере. В верхней части нити вырастили в основном мелчайшие шестиугольные пластинки. Ниже — шестиугольные пластины, разветвленные звезды и опять шестиугольные пластины. При температуре ниже — 25° С вовь образовываются шестиугольные признамы.
Обыты показали, что именно температура определяет форму кристалла. Колчество же водяных паров влияет на скорость роста. Однако до сих пор остается невыясенной точная природа роста снежных кристаллов.
Очень интересно изучение роста снежных кристаллов на земле. Часто зимой при резком потенлении ветки деревьев и стены домов покрываются инеем. Облака, в которых зарождаются снежинки, трудно достигны. Иней же легко достиген и за ним можно наблюдать во время его образования. Иней появляется обычно на предметах, имеющих большую теплоемкость и малую теплопроводность. При рез-