У снежинок бывают пластинки, иглы, столбики и сложные ветвящиеся формы, но в основе их геометрии снова и снова появляется число шесть. Такая симметрия возникает не случайно: её задаёт строение обычного водяного льда, а окончательный рисунок формируют условия внутри облака.
Шесть направлений задаёт кристаллическая решётка льда
Снежный кристалл начинает расти, когда водяной пар в холодном облаке превращается в лёд вокруг микроскопической частицы. Молекулы воды в обычном атмосферном льду выстраиваются в упорядоченную структуру, которая на крупном масштабе проявляется как шестигранная геометрия.
NOAA объясняет шестилучевую симметрию именно внутренним порядком молекул воды в кристалле. Поэтому базовая форма снежного кристалла имеет шесть сторон или шесть основных направлений роста. Это свойство самого льда, а не результат вращения снежинки в воздухе.
При этом знакомая звёздочка с длинными ажурными лучами — только один из вариантов. Кристаллы могут выглядеть как тонкие пластинки, короткие призмы, иглы или столбики. Все эти формы возникают из одной и той же кристаллической основы.
Температура и влажность меняют рисунок
После появления маленького кристалла его дальнейшая форма зависит от окружающей среды. NOAA указывает, что температура определяет базовый тип роста, а количество водяного пара влияет на то, насколько активно развиваются грани и ответвления.
Снежинка движется внутри облака и попадает в слои с разной температурой и влажностью. Условия могут меняться несколько раз, поэтому один участок кристалла сначала растёт как пластинка, а затем начинает образовывать ветви. Именно эта последовательность оставляет сложный рисунок.
Ветвление усиливается на выступающих участках. Водяной пар легче присоединяется к уже немного выдающейся части поверхности, она растёт быстрее и ещё сильнее выступает наружу. Так небольшая неоднородность способна постепенно превратиться в длинный луч с боковыми ответвлениями.
Лучи похожи друг на друга, но снежинки различаются
Шесть основных лучей одного кристалла находятся очень близко друг к другу и почти одновременно проходят через одинаковые слои облака. Поэтому изменения температуры и влажности действуют на них сходным образом. Отсюда и впечатляющая симметрия одной снежинки.
Но две разные снежинки проходят через облако по разным траекториям. Они неодинаково долго находятся в отдельных слоях и сталкиваются с небольшими различиями температуры и содержания водяного пара. NOAA отмечает, что именно история роста делает точное повторение сложных кристаллов крайне маловероятным.
Фраза о том, что «двух одинаковых снежинок не бывает», поэтому относится прежде всего к сложным естественным рисункам. Простые маленькие кристаллы могут быть очень похожи, а доказать абсолютную уникальность каждого кристалла в природе практически невозможно.
Симметрия — запись условий внутри облака
По форме снежного кристалла можно увидеть результат физических процессов, происходивших во время его роста. Шестиугольная основа рассказывает о структуре льда, а пластинки, столбики и ветви отражают изменения окружающих условий.
Именно поэтому снежинка одновременно выглядит упорядоченной и неповторимой. Общие правила кристаллизации задают шесть направлений, но конкретная температура, влажность и путь через облако превращают эту основу в индивидуальный рисунок.
Даже самый сложный узор не требует отдельного «чертежа». Он появляется постепенно, по мере присоединения молекул воды к растущему кристаллу, а знакомая шестилучевая форма оказывается видимым следствием молекулярного устройства льда.