Как се раждат снежинките?

За малките

Красивите снежинки също падат от облаците, подобно на дъжда, но се образуват по друг начин.

Преди време, хората са смятали, че снегът са просто замразени капчици вода. Мислели са, че пада от същите облаци, от които пада и дъжда.

Всъщност, снежинките не могат да се родят от водни капки. От водни капки може да се образува градушка, бучки лед, които понякога падат през лятото заедно с дъжда или по време на гръмотевична буря. Но една водна капчица никога няма да се превърне в снежинка. Всичко е съвсем различно. 

Водните пари се издига високо над земята, където е много студено. Там изведнъж, мигновено водните пари образуват мънички ледени кристалчета. Това все още не са снежинките, които падат около нас, защото още са много малки. Но падайки надолу, шестоъгълното кристалче расте и най-накрая се оформя в красива малка ледена звездичка. Снежинките бавно, бавно се спускат, събират се и се слепват в снежни парцали и падат на земята. 

За по-големите: Как растат снежинките?

Вероятно Кеплер е първият учен, който е решил, че проблемът за образуването на снежинките си заслужава да се разгледа в книга. През 1611г. излиза "За шестогълната снежинка".

Днес знаем, че формирането на снежинките започва, когато водната пара се кондензира в частица прах или сажди, бактерии. Без тези дребни "мръсни" частици, без кондензационни ядра, дори при минус 40 градуса, водната пара не би променила агрегатното си състояние до ледени кристали.

Когато се стане това, водната пара отделя малко топлина, която се придвижва извън ледения кристал и растежа на снежинката се управлява от потока на тази топлина вън от леда.

Дифузията на водната пара и топлината в нарастващия кристал, предпоставят, че снежинките ще растат по процес, подобен на DLA(Diffusion-Limited Aggregation), "дифузия, ограничена от агрегация"

Точните детайли на този механизъм остават все още не напълно изяснени.

Каква е връзката на строежа на молекулата на водата и кристалната решетка на леда

кристална решетка на снежинка

Снежинките имат хексагонална (шестоъгълна) структура на кристалната решетка, така че най-срещаната форма на снежен кристал е шестоъгълната призма, показан вдясно.

Свободната молекула вода може да се изобрази като тетраедър, в центъра на който се намира атом кислород, а на двата върха – по един водороден атом.

Водородните атоми, свързани с кислородния атом, сключват ъгъл 104,45 ° (104 ° 27 '). Кислородът е доста по-електроотрицателен от водорода и притегля електронна плътност към себе си. Поради тази причина, при кислорода се създава лек отрицателен заряд, а при водорода - лек положителен. Така се създава електромагнитно привличане между кислорода на една водна молекула и водорода на друга. Всяка водна молекула образуява до четири водородни връзки като две от тях образува атомът на кислорода и две - атомите на водорода

Илюстрации: сп. “В.Ю.Скосарь“

Тези връзки, макар и по-слаби от вътрешномолекулните ковалентни връзки, са достатъчни, за да се образува кристал. Шестоъгълната симетрия на снежинките произхожда от кристалната решетка на леда, която отразява вътрешното подреждане на атомите, но също като при солта и флуорита, далеч не повтаря формата на елементарната клетка.

Формата на снежинките

Снежинките имат многообразни по-прости и по-сложни форми. Причината за това е разнообразието от възможни условия (температура и влажност) при образуването им, съчетанието между тях и динамиката на промените им.

Дебелината на разклоненията и разстоянията между тях са много чувствителни от малки изменения в температурата, влажността и налягането. И тъй като тези условия са почти константни за отделната снежинка, шестте разклонения растат по почти еднакъв начин.

Диаграма: caltech.edu Например, тънки плочки и звездобразни растат около -2 C , а пръчици и тънки игли се появяват близо до -5 C . Плочки и звезди се образуват отново близо -15 C. Комбинация от плочки и пръчици се появяват около -30 C. Друго, което се вижда от диаграмата е, че снежните кристали са склонни да образуват по-прости форми, когато влажността (насищането) е ниска, а по-сложни форми - при по-висока влажност. Дългите игли се образуват около -5 ° С , а големи, тънки плочици - около -15 ° С, когато влажността е особено висока.

Тази диаграма, изработена в Калифорнийския технологичен институт, показва как формата на ледените кристали зависи от влажността и температурата. Температурата е най-важният фактор: плочиците са склонни да се образуват от 0 ° С до -3 ° С и от -10 ° С до -22 ° С - червените области, а пръчици са склонни да се образуват от -3 ° С до -10 ° С и под -22 ° С (в зелено). Ниската влажност предизвиква образуването на прости кристални форми, а по-висока влажност - по-сложни кристали. Засега не е ясно защо ледените кристали образуват различни форми при различни температури.

Още по темата

28/11/2014

Защо

Защо ледът е прозрачен, а снегът е бял?