Почему снежинки такие разные? [Veritasium]
Вот сайт с шаурмой Likes. А теперь я пущу 2000 вольт бога. Это первый шаг в создании снежинок в лаборатории. Просто невероятно, как кончик этих иголок в диаметре может сотню нанометров. Просто обалдеть!
Доктор Кин Ребрик, главный по снежинкам, я был консультантом по снежинкам для Холодного сердца. Можно взмахнуть пальцами и наколдовать снежинки, только пусть они будут настоящие, иначе никто не поверит. Почта США выпустило марки с моими фотографиями снежинок. Вряд ли кто-то начинает заниматься физикой, мечтая, что их работа окажется на почтовой марке.
— Вы ведь написали целую книгу про снежинки?
— Я выпустил подряд две успешные книги. Мы потом продолжали работать над новыми, пока они не перестали продаваться, и только тогда прекратили.
— То есть вы, можно сказать, художник по снежинкам?
— Я их называю дизайнерскими снежинками. Я прорабатываю форму на ходу.
Компьютера, который делал бы это за меня, нет — это ручная работа, и все они немного отличаются.
[Музыка]
Кен столько всего знает о снежинках, что может создавать их такими, какими захочет. Так вот, сейчас происходит следующее: она растет, как и должна, при минус 13 по Цельсию, но мне хочется добавить лучи. Для этого я понижу температуру до минус 15, а влажность наоборот немного повышу. Получится еще больше пересыщения, и вот мы видим, как раз тут лучи.
Из-за того, что вы поменяли условие, пластина больше не растёт и появляется...
— Я поменял условие так, чтобы у нее появлялись...
— Случайные структуры?
— Да, вот эта штучка, участок прямо по центру, только он соприкасается с сапфировой подложкой, все остальное нарастает выше. Это усиливает приток воздуха, и вот формируются капли.
И теперь я запускаю процесс по полной. А теперь давайте выкрутим влажность на 0; капли отступают, рост прекращается. Это, так сказать, огранка снежинки. Если мне захочется снова отрастить лучи, то здесь выкрутим по полной. Нужна высокая влажность, очень высокая, и смотрите, сейчас лучи начнут ветвиться.
Можно считать, что в чем-то действительно разбираешься, когда решил что-то сделать, и у тебя получается именно то, что надо. Это весело! Я умею предсказывать будущее. Мне хочется думать, что они лучше, так сказать, естественных, просто потому что у них четкие края, аккуратные острые, а снежинка, которая падает с неба, пока опустится на землю, пока ее поднимешь, донесешь до микроскопа, уже начинает испаряться.
А эти — они такие... такие четкие. Первый снимок обычной снежинки крупным планом сделал в 1885 году американский метеоролог Уилсон Эй Бентли. Он же первым высказал идею о том, что нет двух одинаковых снежинок. Он знал, о чем говорил. За свою жизнь он сделал более 5000 фотографий снежинок, избранные помещены в его книге "Снежные кристаллы", которая до сих пор есть в продаже.
Однако большинство снежинок совсем не такие, как те, что фотографировал Бентли. Он выбирал для своей коллекции только те, что отличались особой красотой и необычной симметрией. Ищем мы красивую снежинку, берем лист картона и смотрим, что нападала. Вот ведь ничего интересного, эти убираем, ждем другие. И тут нечего.
И каждый раз смахиваем по тысяче снежинок, искать долго — их одна на миллион. Это я буквально... Мы так привыкли к изображениям вроде этого, что не задумываемся, сколько загадок таят в себе снежинки. Например, почему у них 6 лучей и осевая симметрия? Откуда такие затейливые рисунки, и почему они так отличаются друг от друга? Почему одна сторона снежинки выглядит как зеркальное отражение противоположной, как будто каждый луч точно знает, что происходит со всеми остальными?
И почему снежинки плоские? Их диаметр обычно несколько миллиметров, а вот толщину измеряют в микрометрах. Края пластинок бывают острее бритвы, но на этом тайны не кончаются.
Наверное, все представляют себе снежинку примерно так, но они могут принимать самую разную форму, даже такую — полого столбика. А это точно снежинка! Есть еще иглы, розетки и пули. Это, наверное, моя любимая форма снежинки — увенчанный столбик. Они сначала растут столбиком, но если меняется температура, то на концах образуются пластинки.
[Музыка]
Невероятное разнообразие форм. Все они появляются спонтанно, у них нет никакой ДНК, никакого чертежа, согласно которому им расти. Обычный водяной пар замерзает, и вуаля, вся эта красота. Итак, по вашей классификации снежинок бывает 35 типов.
— Да, на самом деле тип снежинки можно определять по-разному. Когда делили первый раз, получилось вроде 41, потом набралось 60 или 70. Самую свежую классификацию предложили, кажется, японские физики, и там, насколько помню, было 108 разных видов.
— Я думаю, 108 — это многовато. Почему же обычный лед принимает такое множество разных форм?
Все снежинки образуются более или менее одинаково. Вода испаряется, отдельные молекулы свободно перемещаются в атмосфере. Пар поднимается, становится пересыщенным. Это значит, что в воздухе скапливается больше молекул воды, чем должно быть при равновесии при соответствующей температуре.
На частичка Х2О вода конденсируется, образуются крошечные капли. Даже если температура ниже точки замерзания воды, они какое-то время остаются жидкими, но в какой-то момент одна молекула внутри начинает замирать на месте и образуется гексагональная кристаллическая структура. Такая структура получается благодаря свойствам самих молекул воды: атомы кислорода притягивают больше электронов, чем водород.
А поскольку молекула полярная, получается, что со стороны кислорода образуется слабый отрицательный заряд, а со стороны водорода — слабый положительный. Противоположные заряды притягиваются, и водород одной молекулы оказывается рядом с кислородом другой и образует так называемую водородную связь. Таким образом, выстраивается гексагональная молекулярная решетка.
Но как эта микроскопическая структура превращается в гексагональные кристаллы, которые мы с вами видим? Начнем с кусочка льда. Вот тут каждый шарик — это молекула воды. Итак, что происходит? Вот эти участки, эти грани на молекулярном уровне, они очень ровные и гладкие, и когда молекула воды сталкивается с такой гранью, она, как правило, просто отскакивает.
А вот тут есть неровности, много вакантных молекулярных связей, за которые можно зацепиться. Попав туда, молекулы скорее всего останутся. Конечно, все сводится к статистике: вероятность того, что молекулы соединятся здесь, выше, чем на ровной грани. Какую бы форму мы ни взяли, если понаблюдать, как она растет, мы заметим, что у неровностей заполняются, а на плоских участках мало что нарастает, и в итоге у нас получается характерная форма.
И вот так мы переходим от квантовой механики, которая правит миром молекул воды, к ледяной гексагональной призме: у нее восемь граней, два основания и шесть боковых. Обратите на это внимание: если быстрее растут основания, получается столбик; если боковые грани, то привычная плоская снежинка. Как только появляется кристалл-затравка, ближайшие капли воды испаряются, и молекулы оседают на растущий снежинки.
Уголки гексагональной призмы выставляются чуть дальше и растут быстрее, уходя в более влажный воздух, из-за чего растут стремительнее. Получается петля положительной обратной связи, таким образом и получается шесть лучей и осевая симметрия.
А в уголках этих лучей по той же самой причине начинают расти ответвления. На одну-единственную снежинку уходит около сотни тысяч капель, а весь процесс занимает примерно 30-40 минут. Японский физик У Кефера Накая в 1930-х годах всерьез занялся изучением снежинок в университете Хоккайдо. Он выяснил, что разные типы снежинок образуются в разных условиях. Их форма зависит от двух факторов: температуры и уровня пересыщения, что и определяет тип снежинки.
Это открытие выражено в диаграмме Накая. Однако факторы эти взаимодействуют сложным образом. При минус двух градусов Цельсия получаются пластинки, при -5 — столбики и иглы, при -15 — снова пластинки. Если температура ниже -20, формируются и пластинки, и столбики. По этой диаграмме в общих чертах можно понять, в каких условиях образовывалась снежинка. Получается, что форма каждой снежинки в каком-то смысле рассказывает ее биографию.
— Да, конечно, до определённой степени. Увидев снежинку, можно относительно точно сказать, в таких условиях она росла. Например, в типичных ситуациях, когда, скажем, идет холодный фронт, получается масса увенчанных столбиков, потому что когда облако поднимается, температура падает, и при минус 6 и минус 10 начинает замерзать, и тогда формируются столбики.
Потом становится холоднее, у снежинок отрастают лучше, получаются пластинки, появляются венчики с обеих сторон. Этим же объясняются причудливые формы снежинок. Температура и влажность в каждый момент формирования снежинки определяют, как она будет расти. Симметрия, которую мы наблюдаем, появляется не от того, что одна сторона как-то угадывает, что происходит с другой. Просто элементы снежинки растут одновременно в одинаковых условиях.
Когда кристалл перемещается, меняется температура окружающей среды, это изменение отразится на всех шести лучах, и все они отреагируют на это одинаково. С другой стороны, разные снежинки добираются до земли разными путями, а значит, и успевают испытать влияние уникального сочетания условий. Поэтому вы не увидите двух одинаковых снежинок. Однако в лаборатории условия можно жестко контролировать, а значит, должна появиться возможность создавать одинаковые снежинки.
Собственно, Кен это и сделал.
— А здесь?
— Что, посветите фонариком и увидите.
— Ага, я так полагаю, это кристаллы затравки, небольшие кристаллики льда?
— Да, ясно, тут еще одна камера поменьше с охлаждением. На ней находится небольшой сапфировый диск. Протолкнем его в основную камеру, там на него нападают кристаллики и, надеюсь, останутся.
Я просто как-то подумал, что если вырастить две снежинки рядом, они получатся одинаковыми. Я их называю снежинками-близнецами, потому что они, во многом, как идентичные близнецы. Не совсем одинаковые, но все же похожие больше, чем можно было ожидать.
[Музыка]
Правда ли, что не существует двух одинаковых снежинок?
— Знаете, это довольно глупый вопрос, потому что, например, не бывает двух одинаковых деревьев или двух одинаковых песчинок. Нет каких-нибудь двух абсолютно одинаковых вещей. Как только появляется хоть какая-нибудь сложность, ничего одинакового не получится, потому что сложные структуры можно создать большим количеством разных способов. Если расположить такие снежинки слишком близко, между ними окажется слишком мало влаги, и это помешает расти обеим.
Диаграмма многое объясняет. Формирование снежинок ОКЕН с помощью своих экспериментов создал собственный вариант. Однако из нее тоже никак не следует, почему ледяные кристаллы вообще образуются именно таким образом, то есть почему сначала формируется именно пластинки, потом столбики, потом опять пластинки, а потом снова столбики. Никто не мог этого объяснить.
Собственно, с 1930 года, когда Накая представил свою диаграмму, Нокин считает, что нашел ответ. Во время роста кристалла образуются плоские гладкие грани как раз потому, что на них сложно нарасти чему-то еще. Существуют так называемые барьеры для зарождения, чтобы их преодолеть, необходимо достаточное количество молекул, которые могли бы стабильно закрепиться на поверхности и запустить тем самым рост еще одного слоя кристалла.
Формирование снежинки всегда начинается с гексагональной призмы с двумя основаниями и шестью боковыми гранями. Барьеры для зарождения у оснований и боковых граней отличаются. Если он ниже для боковых граней, тогда они растут быстрее, и у нас получаются плоские снежинки. Если ниже окажется барьер зарождения у оснований, то снежинка быстрее растет в этих направлениях, и получаются столбики.
Барьеры для зарождения для льда зависят от температуры. Этим объясняется, почему при температуре около двух градусов быстрее растут стороны призмы и получается пластинки. Там для них барьеры не по тому же. При минус 20 или около того получаются столбики. При этих условиях барьер оказывается не живу оснований. Только вот совсем непонятно, откуда берутся столбики на -5 по Цельсию и пластинки примерно при -15. Как же это получается?
Кен предполагает, что известные нам барьеры для зарождения работают только для довольно крупных плоских граней, но если грань очень тонкая, то параметры будут другие. Так вот, Кен считает, что для узкого основания призмы барьер зарождения резко снижается при температуре около минус 4 по Цельсию, а для узкой боковой грани то же самое наблюдается при -15.
Согласно гипотезе Кена, график должен выглядеть так. В этом случае он будет соответствовать тем формам снежинок, которые наблюдаются при разных температурах. Но откуда взялись эти резкие падения? Представьте кристаллы узкой боковой гранью. Из такого получается обычная плоская снежинка.
Молекулам, попадающим в основании, сложно на них удержаться из-за барьеров для зарождения, поэтому они растут медленно, а вот цепляться за неровные края боковых граней молекулам гораздо удобнее. Поверхность минимальной энергией будет иметь форму полукруга. А так как подвижными остаются лишь несколько слоев молекул, часть из них, как бы переползает, непосредственно на боковую грань, достигая критической плотности для преодоления энергетического барьера зарождения, из-за чего боковая грань кристалла начинает расти.
Получается, благодаря тонкому краю барьеры зарождения для боковой грани ниже, чем для грани с толстым краем. Нечто похожее происходит и с основанием призмы, но при другой температуре. Кен провел эксперименты, чтобы выяснить, проявится ли нечто подобное в лаборатории.
На своем аппарате я провел серию экспериментов, и что получилось? Да, получилось отлично, когда строишь модель и ожидаешь от нее какого-то результата, именно его и получаешь. Закрадывается подозрение, что ты можешь быть прав. Пока результаты вполне подтверждают гипотезу.
Прошло 85 лет, и возможно, мы наконец достаточно разобрались в молекулярной физике льда, чтобы объяснить, почему в мире существует такое огромное разнообразие ледяных столбиков и пластинок.
Я довольно долго занимался астрономией и астрофизикой. Никто никогда не спрашивает, зачем это надо. Никогда, никто ни разу не спросил меня, но и для чего нам эти черные дыры? Ни разу. А кольца Сатурна? На что тебе сдались эти кольца? Зачем изучать кольца Сатурна? Не задают таких вопросов, но когда сейчас рассказываю о своей работе, обязательно:
— Чем ты занимаешься?
— Да зачем это нужно?
Но вот в чем причина. Причина по которой я за это взялся: смотришь на снежинки и думаешь: вообще-то, мы понятий не имеем, как они получаются. Но это же никуда не годится! Мы, черт возьми, обязаны узнать, как устроены снежинки. Я хочу стать тем человеком, который это сделает. Такая у меня мотивация. Ученым же всегда хочется в чем-нибудь разобраться.
Переведено и озвучено студией Вирт. Дай дар.