Наука замерзать: что мы знаем о снеге и снежинках

Тот факт, что половина населения Земли никогда вживую не видела снега, широко известен — и стоит ли удивляться, что очень долгое время не находилось желающих изучать этот тип осадков. Античные и арабские учёные и мыслители, благодаря которым развивалась научная мысль в древние времена, вряд ли часто сталкивались с этим явлением, так что первые (очень скромные) подвижки в изучении снега были сделаны лишь в Средневековье.

Первый известный нам научный трактат, посвящённый снегу, написал Иоганн Кеплер в 1611 году, назвав его просто: «О шестиугольных снежинках». Знаменитый математик и астроном посвятил его своему покровителю, Иоганну Матвею Вакеру фон Вакенфельсу, советнику императора Рудольфа II. Это был своеобразный новогодний подарок, и в шутливом вступлении Кеплер объяснял, как пришёл к такому решению:

Учёный отмёл много вариантов подарков: среди них песчинка земли, искра огня, дым и ветер, капля воды. В конце концов пошёл снег, и Кеплера озарило: вот оно!

Далее Кеплер рассуждал, почему снежинки принимают именно такую форму, и исследовал вопрос через анализ схожих шестиугольных структур: пчелиных сот или горошин в стручке. Он пришёл к выводу, что именно шестиугольная форма позволяет заполнить площадь максимально плотно, без зазоров, а образуются снежинки оттого, что некий пар — «творящая теплота», творческая сила, присущая Земле, — разбивает поток холодного воздуха на мельчайшие частички.

Однако почему в снежинке лучи находятся в одной плоскости, а не заполняют без остатка сферу? Что побуждает столь различные вещества принимать такую необычную форму? Почему вообще природа склонна подчиняться законам геометрии и математики: откуда ей знать про золотое сечение и числа Фибоначчи? Эти и другие вопросы повисли в воздухе — и всё же, несмотря на отсутствие окончательных ответов и небольшой объём работы, считается, что именно она дала толчок к зарождению новой науки — кристаллографии.

После этого системное и структурное изучение снега и снежинок застопорилось. Некоторые исследователи и авторы в разных странах описывали свойства снега или каталогизировали формы снежинок, но не пытались предложить каких-либо стройных объяснений наблюдениям.

В XIX веке в каталогизации снежинок случился прорыв. Тогда исследователи уже могли пользоваться более надёжными и объективными инструментами, например микроскопом и фотоаппаратом. С этого и началась карьера одного из первых и самых известных фотографов снежинок — Вильсона Бентли по прозвищу (да-да!) Снежинка.

Бентли был простым американским мальчишкой и рос на ферме. Все в его окружении страшились зимы, а вот самого Вилли снежинки очаровывали с детства. Он начал наблюдать за ними, зарисовывать их — но век снежинки на земле чрезвычайно короток, и рисунки получались, мягко говоря, неточными, незавершёнными. Когда мальчику было 15 лет, мать подарила ему старый микроскоп, и его наблюдения стали точнее. А ещё через пять лет, 15 января 1885 года, путём долгих экспериментов юноша сумел создать с помощью составного микроскопа и камеры первую фотографию снежинки.

За свою жизнь Бентли сделал больше 5000 таких снимков — и, кстати, именно он предположил, что двух одинаковых снежинок быть не может (эту идею мы обсудим чуть позже). Он публиковал свои статьи и фотографии в самых престижных научных журналах: National Geographic, Nature, Scientific American.

А в начале XIX века в Российской империи уже физическими свойствами снега заинтересовался академик Василий Владимирович Петров. Именно ему принадлежит открытие возгонки, или сублимации, снега: Петров обнаружил, что при некоторых условиях снежинки испаряются — минуя жидкую форму, сразу переходят в газообразную. Впрочем, после этого открытия исследования снега вновь затормозились: следующий прорыв случился уже в конце XIX века, когда в России усилиями климатолога Александра Воейкова на всех метеостанциях в стране начали регулярно проводить снегомерные наблюдения.

Говоря об изучении снега, нельзя не упомянуть ещё одну дату и одно имя. Очень долго учёные могли наблюдать снег и снежинки только в естественных условиях. Воспроизвести процесс кристаллизации не удавалось никому, пока в 1935 году профессор университета Хоккайдо Укихиро Накайя не сконструировал в своей лаборатории холодильную камеру, которая позволяла в широких диапазонах менять температуру и влажность воздуха внутри. Накайя предположил, что именно эти факторы влияют на образование и форму снежинок, — и экспериментально подтвердил свою гипотезу, успешно вырастив в камере первую искусственную снежинку 12 марта 1936 года. Позже специалисты научились искусственно воспроизводить и метели, а в 1983 году снежинку смогли вырастить даже в космосе: этим достижением отметились американские астронавты, отправившиеся на орбиту в шаттле «Челленджер» (миссия STS-8).

Частью науки снеговедение стало уже во второй половине XX века: оно считается разделом гляциологии. Эта наука изучает все виды природных льдов на Земле, их структуру, динамику развития, поведение в условиях различных факторов. Гляциология в целом позволяет отвечать как на прикладные вопросы, связанные, например, с сезонным таянием льдов и сходом лавин, так и на глобальные вопросы климата и экологии.

Советский исследователь снега Аркадий Константинович Дюнин в своей книге «В царстве снега» отмечает, что снеговедение не сразу включили в состав гляциологии. Этому предшествовали долгие споры, однако в конце концов учёные признали, что изучение даже чисто ледников невозможно без изучения снежного покрова. Сам ледник образуется из снежника — скопления снега, принесённого ветром или выпавшего из атмосферы, которое продержалось достаточно долго, чтобы снег уплотнился до состояния льда. А чтобы снежник рос, масса снежного покрова должна увеличиваться. Таким образом, снегообразование сыграло огромную роль в наступлении ледниковых периодов в прошлом — и, возможно, ещё сыграет её в будущем.

Впрочем, у снеговедения достаточно вопросов для изучения и как у самостоятельной дисциплины: образование кристаллов снежинок при разных погодных условиях, формирование и поведение метелей и буранов, физические свойства свежевыпавшего, лежалого и тающего снегов, зарождение лавин и многое, многое другое. Кроме того, объектом изучения снег служит и в других дисциплинах: в метеорологии, сельском хозяйстве, гидрологии, геологии.

Многим снег кажется обычной вещью, а ближе к весне и вовсе ненавистной. Но он таит в себе массу загадок и чудес. Давайте попробуем раскрыть хотя бы часть из них.

Снежинка, как и дождь, зарождается в атмосфере, в облаках на высоте около двух километров над землёй. Охлаждённый водяной пар кристаллизуется, образуя в зависимости от температуры и влажности разнообразные формы. Самые распространённые — это шестилучевые «звёзды» и «столбики», однако международная классификация насчитывает более 40 конфигураций. Среди них иглы, полые «столбики», призмы, пластинки, даже «гантельки». В XVII веке философ и математик Рене Декарт описал очень редкую 12-конечную снежинку.

Снежинки некоторых самых редких форм вы можете не увидеть никогда в жизни, поскольку в воздухе они часто слепляются, образуя более сложные, хоть и менее красивые и симметричные структуры. Однако все снежинки в основе своей гексагональны — просто потому, что таково строение молекулы воды. Когда водяной пар замерзает, образуется шестигранная кристаллическая решётка, в которой каждый атом кислорода окружён четырьмя атомами водорода. Привычная нам плоская «звезда» формируется, когда другие молекулы воды быстрее прирастают к кристаллу по краям — таким образом мы видим расходящиеся в стороны «лучи». А «столбики» и «колонны» появляются, если из-за внешних условий (температуры и влажности) кристалл быстрее растёт в другой плоскости — в высоту.

Комиссия снега и льда, которая входит в Международную ассоциацию гидрологических наук, предложила рассматривать семь основных видов снежинок:

С учётом такой ёмкой классификации и жёстких рамок, в которых выстраивается кристаллическая решётка льда, можно предположить, что одинаковые снежинки всё-таки бывают — пусть на самой ранней стадии формирования, ещё в облаке. Однако вживую, конечно, такого пока никто не фиксировал — и вряд ли зафиксирует.

Уже давно учёные установили факт, что если кристаллизация начинается с готового ядра, то процесс идёт быстрее и охотнее. Наверняка многие вспомнят школьные эксперименты по химии с выращиванием кристаллов соли или медного купороса: там в раствор обязательно опускали нитку. Упомянутый профессор Накайя, проводя свои эксперименты по выращиванию кристаллов снега, использовал волоски кролика. В природных облаках кристалл снежинки вырастает вокруг микроскопического кусочка льда, но ядром становятся и более «интересные» частицы: глина, обычные, вулканические или метеоритные пылинки, даже органика. В книге Дюнина упоминается случай, когда внутри снежинки обнаружили мелкое насекомое — прямо как ископаемое, застывшее в янтаре.

Итак, давайте представим, что одна снежинка родилась: красивая, звёздчатая — такая, какой её принято изображать. Она родилась, выкристаллизовалась и начала свой путь к земле. Снежинки весят около 2–3 граммов, а потому падают долго, очень долго. Жизнь снежинки в атмосфере может продлиться несколько десятков минут. Если предположить, что сформировалась она на высоте двух километров и падает со скоростью примерно 1 м/с, у неё будет в запасе целых 33 минуты. Однако за это время её внешний вид может полностью измениться. Она может просто испариться в воздухе (это и есть сублимация), может растаять и выпасть на землю дождинкой, может растаять, потом опять замёрзнуть, или же начать таять и обрасти коркой застывшего льда (такие осадки называют снежной крупой). Ещё снежинка может соединиться с другими и образовать пушистые хлопья.

На земле судьба снежинки тоже пестрит вариантами. Некоторые пополняют собой сугробы, но из-за ветра и сухости воздуха быстро испаряются с поверхности, другие тают — особенно часто это происходит в начале зимы. Снежинки, за счёт которых сугробы растут, со временем ломаются, перекристаллизуются, соединяясь друг с другом, прессуются, уплотняются, иногда даже доходят до состояния льда (мы же помним, как образуются ледники?).

Самые нижние слои сугробов обычно наиболее плотные: во-первых, они самые старые, а значит, снежинки там успели образовать наиболее крупные структуры, а во-вторых, они испытывают на себе давление верхних слоёв снега. А весить они могут немало. Плотность свежевыпавшего снега — около 100 кг/м³, лежалого — уже от 270 до 360 кг/м³, а фирна — «зернистого», ледяного снега (это и есть переходная форма между снегом и льдом) — от 360 до 800 кг/м³. Таким образом, на протяжении зимы сугробы хоть и увеличиваются в объёме, но оседают и визуально могут не расти.

Возможно, замечали, что сугробы выпавшего без ветра снега повторяют все изгибы местности. Садовый куст, укрытый плёнкой, а поверх и слоем свежего снега, будет выделяться горкой ещё несколько часов, однако потом снег осядет, ландшафт сравняется, и сказать без раскопок, где прячется этот куст, станет нереально. Так и с ровным белым полотном равнины: оно таит под собой ямы и пригорки, но узнать, где они, а где твёрдая дорога, можно только экспериментально.

Если снегопад приходится на период сильного ветра, то наступает метель, или буран, — довольно сложное для изучения явление. На открытых пространствах, например на равнинах Западной Сибири, ветра могут уносить снег на расстояние до 30–50 километров, а вот в горных районах снежинки едва ли одолевают полкилометра.

Поведение воздушного потока с примесью снега совершенно не похоже на поведение обычного ветра, ведь снежинки влияют и на его скорость, и на направление, а потому изучают метели с точки зрения гидродинамики. Существует много разнообразных классификаций метелей в зависимости от рельефа местности, наличия осадков, силы ветра, его насыщенности снегом. Например, по наличию осадков различают низовые, верховые и общие метели. В низовых участвует только снежный покров: ветер подхватывает верхние слои и разносит вокруг, в верховых участвует атмосферный снег — только-только выпадающие снежинки. Общая метель объединяет в себе низовую и верховую.

Давайте предположим, что та красивая снежинка, которую мы представили чуть раньше, опустилась вам на укрытую перчаткой руку. Вы разглядываете её и можете поклясться, что она белого цвета. Да и наметённые сугробы, пышные и праздничные, тоже сверкают белизной. Но откуда берётся белый цвет, если мы знаем, что вода — прозрачная?

На самом деле прозрачна и каждая снежинка, но они кажутся белыми, потому что ведут себя как маленькие призмы. Они преломляют солнечный свет во множестве направлений и рассеивают его, так что в итоге получается огромное количество волн разной длины, которые, отражаясь, складываются и в совокупности дают белый цвет. В закатных же лучах снег приобретает оттенки красного — просто потому, что они отражают тот же свет, что на него падает. А лёд мы видим прозрачным, потому что в нём свет преломляется не так много раз и позволяет большинству волн пройти насквозь.

Красивая снежинка на вашей перчатке кажется не только белой, но ещё и невесомой. Если вы сожмёте её между пальцев и сломаете, то ничего не почувствуете и не услышите. Однако на нечищенных тротуарах снежинок миллиарды, и каждая из них — миниатюрная хрупкая, но всё же твёрдая льдинка. Если на улице достаточно холодно (–2°С или ниже), то, наступив на снег, вы уже услышите отчётливый хруст, с которым эти льдинки ломаются и сминаются.

Но допустим, упав с неба, снежинка не растаяла, не испарилась, не попала на чью-то перчатку, чтобы в порядке эксперимента оказаться сломанной, а тихо-мирно легла в сугроб. На протяжении зимы она соединялась с другими снежинками, уплотнялась, опускалась всё ниже, возможно, даже дошла до состояния льда — и вот наконец дождалась весны.

Если установилась тёплая погода — как минимум выше нуля,— сугробы начинают интенсивно таять. Талая вода стекает вниз, образуя вертикальные ходы, и снег становится ноздреватым. 80% снежных запасов исчезают очень быстро. В северных странах (Швеции, Финляндии и на территориях России той же широты) сугробы, копившиеся полгода, сходят примерно за 20 дней, однако в средней полосе на это требуется уже лишь 8–10 дней. Остальные 20% снега — самые старые, очень плотные и твёрдые слои — сопротивляются теплу долго. В городах такие снежные «очаги» часто раздрабливают, разбивают лопатой или ломом: чем меньше куски льда, тем быстрее они тают. Но со временем исчезают и они — и так наша снежинка находит свой конец.

Законы физики и химии одинаковы почти во всех уголках Вселенной, а потому лёд и снег не могут быть прерогативой лишь земного шара. Во-первых, сейчас учёные обнаруживают воду в разных состояниях и на других небесных телах. Например, запасы водяного льда есть на Луне, Меркурии, Марсе и даже Плутоне. Во-вторых, образовывать ледяные кристаллы способны и другие вещества.

Однако, поскольку мы с вами говорим скорее об осадках, чем о ледяных телах, давайте сосредоточимся на тех объектах, где снег рождается в атмосфере.

И в самом начале стоит упомянуть, конечно, Марс. В 2008 году аппарат Phoenix, запущенный NASA, первым зафиксировал формирование облаков и снегопад на Красной планете, а позже, в 2012 году, эти наблюдения подтвердил орбитальный аппарат Mars Reconnaissance Orbiter. Там снежинки образуются из водяного льда и диоксида углерода.

А вот на поверхности Меркурия, где в кратерах учёные обнаружили отложения водяного льда, снегопадов не бывает. У него уж слишком тонкая атмосфера: давление там в 5 × 1011¹¹ раз меньше, чем на Земле, так что на планете просто не образуются облака. А на Луне атмосферы нет и вовсе.

В 2017 году аппарат Juno зафиксировал снегопад и на газовом гиганте — Юпитере. Там на поверхность опускались ледяные кристаллы, состоящие из аммиака, его соединений, а также из простой воды. Хотя вряд ли происходящее в очень турбулентной юпитерианской атмосфере можно назвать просто «снегопадом»: скорее это буран или даже снежный шторм.

На некоторых небесных телах снег образуется совершенно уникальным образом. На Ио, спутнике Юпитера, и Энцеладе, спутнике Сатурна, была замечена вулканическая активность: подповерхностное вещество выбрасывается далеко в атмосферу, где кристаллизуется и очень-очень медленно оседает на поверхность. Только на Ио материалом служит сера и её соединения, а на Энцеладе — настоящий водяной пар.

Самый же любопытный пример снегопада демонстрирует очень далёкая и необычная экзопланета. Кеплер-13Ab — «горячий юпитер», который находится на расстоянии 1730 световых лет от Земли. Эта планета расположена настолько близко к материнской звезде, что оказалась в приливном захвате: она всегда повёрнута к ней одним и тем же боком. В итоге одна её сторона всё время раскалена, а на другой царит вечный холод.

Обычно высокие слои атмосферы на таких планетах гораздо теплее нижних: оксид титана в газообразной форме поглощает свет и излучает его обратно в виде тепла, нагревая воздух. В случае же с Кеплер-13Ab ситуация оказалась обратной. Учёные предположили, что мощные потоки ветра уносят оксид титана с дневной стороны на ночную, где он тут же конденсируется в облака, кристаллизуется и выпадает на поверхность снегом.

Все эти примеры, конечно, уводят нас слишком далеко от привычной нам зимы, метелей и неудобных шапок. Зато они позволяют оценить занятную двойственность. С одной стороны, снегопады — явление настолько распространённое во Вселенной, что его можно наблюдать и на планете за тысячу световых лет от нас. С другой — на каждом небесном теле царят свои условия, так что даже если кому-то на Земле удастся найти две одинаковые снежинки, повторить такой подвиг в межпланетном масштабе уже вряд ли получится.