Снег и его тайны

Я пишу эти строки в прекрасное, солнечное раннее первоапрельское утро, наблюдая в окно, как на глазах тают сугробы, превращаясь в лужи. Снег, который кружил нам головы на протяжении долгих месяцев, уходит. Но я не радуюсь этому, так как знаю, что со снегом уходит что - то неизмеримо более важное. Тайна снега на глазах превращается в веселые ручейки, но она настолько важна для человечества, что об этом должны знать все.

Широко известно, что основы "снежинковедения" заложил американский фермер Вилсон Бентли (1865-1931). Двадцатилетний парень, приобретя фотокамеру, обратил свой пыл на фотографирование снежинок и успел сделать 5000 портретов этих красавиц. Многообразие их форм привело к рождению известной гипотезы "ни одна снежинка не походит на другую". Журналисты и восторженные дилетанты часто принимают ее за аксиому. (С любовью оформленный сайт, посвященный мистеру Бентли, находится по адресу: http://www.snowflakebentley.com/)

Трудно сказать, почему Бентли занялся проблемой снежинковедения. Но вполне возможно, что перед этим он приобрел или просто перелистал книгу "Облачные кристаллы", которая вышла в Америке в середине 19 века. Там были приведены многочисленные рисунки снежинок. Конечно, свою роль в том, что лидером и пионером новой науки был признан Бентли, сыграли его настойчивость (45 лет занимался одним и тем же) и техническая оснащенность (фотокамера и микроскоп).

Надо отдать должное тихому подвигу Вилсона Бентли - он привлек внимание людей к проблеме, которая ежегодно сыпется нам на головы, но именно в связи со своей привычностью, большинству была абсолютно незаметна. Но ленивое большинство, совершив очередной интеллектуальный прорыв, то есть узнав и уверовав в гипотезу, высказанную фермером - самородком, в очередной раз успокоилось. При упоминании о красоте снежинок появилась возможность дать стандартный ответ - а ведь ни одна из них не похожа на другую! Наиболее продвинутые сообщают при этом, что за год на Землю выпадает 10 в 24 степени снежинок.

Конечно, кое-кто знает, что до Бентли проблемами формы снежинок занимались и другие люди, но делали они это в такой скучной и сложной форме, что это способно вызвать оторопь. Еще в 17 веке этим занимался некий Джонатан Кеплер. Он определил, что все снежинки шестиугольны, но несмотря на многочисленные усилия так и не смог понять, почему.

Ответ на этот, а также многие иные вопросы пришел только в 20 веке. Нам придется привести обширную выдержку из замечательной книги Чарльза Банна "Кристаллы Их роль в природе и науке" (Издательство Мир, Москва 1970)

"Видно, что все чудесные формы снежинок-это вариации на тему гексагональной симметрии. Но почему ледяные кристаллы предпочли ветвистые формы полиэдрической? Ключ к решению дают опыты с другими веществами, показывающие, что, по крайней мере для некоторых из них, в условиях сильно пересыщенных растворов или паров ветвистые формы получаются даже легче полиэдрических. Кристаллические вещества ведут себя весьма неодинаково. Некоторые из них привержены к сплошным полиэдрическим формам в широких пределах изменяющихся условий, другие предпочитают ветвистые формы, и заставить их давать полиэдрические кристаллы можно лишь при очень медленной кристаллизации и из минимально пересыщенных растворов; но для тех, которые склонны к многообразию, сильное пе-ресыщение способствует ветвистому росту (кристаллографы часто называют его "дендритным" ростом), а слабое пересыщение - полиэдрическому. У. Мезон (из Лондонского университета) показал, что сказанное относится как к кристаллам льда, получающимся из паров, так и к солям, кристаллизующимся из растворов. Он изучал рост ледяных кристаллов при разных температурах и различных плотностях пара и нашел, что высокие пересыщения пара способствуют образованию красивых ветвистых форм, подобных природным снежинкам; при умеренных же пересыщениях образуются сплошные полиэдрические формы-либо гексагональные пластинки, либо гексагональные призмы. Переход от одного типа к другому можно проследить, изменяя концентрацию паров. Если в процессе роста гексагональной пластинки повысить пересыщение в достаточной степени, то видно, как из вершин в радиальных направлениях начнут выпячиваться отростки; через некоторое время они разветвятся, и повторные разветвления через определенные промежутки времени приводят к образованию декоративных форм, похожих на те, что мы видели среди естественных снежинок.

Почему же все-таки сильное пересыщение заставляет кристалл выпускать стрелы из своих вершин и почему эта стрела из вершины далее сама ветвится? Одна из возможных причин первичного отклонения от формы гексагональной пластины или призмы в том, что вершины кристаллов соприкасаются с более пересыщенным паром, чем середины граней. Это всегда характерно для кристалла, растущего из пара или раствора: вокруг него образуется слой обедненного раствора или пара (часть материала перешла на кристалл), выступающие же вершины глубже проникают в свежий раствор, чем остальные части кристалла. Другая причина-конвергентная диффузия в направлении вершин, обеспечивающая более интенсивный поднос к ним материала по сравнению с серединами граней. Принимая во внимание обе причины, можно ожидать больших скоростей роста возле вершин, причем выпадение материала на вершинах из раствора должно идти интенсивнее при больших концентрациях; удивительно, что большинство кристаллов все-таки сохраняет плоские грани.

Труднее объяснить последующее разветвление, а часто и вторичную ветвистость вершинных отростков. Конечно, гексагональная симметрия расположения молекул воды в кристалле льда означает, что имеется шесть эквивалентных направлений, по которым кристалл должен расти, по возможности, с одинаковой скоростью-если условия роста вокруг кристалла одинаковы, то шесть стрел из вершин должны вести себя одинаково, но что заставляет эти отростки ветвиться,

создавая чудесные узоры снежинок,-этого мы не знаем. Эти явления природы должны занять свое место среди многих других, обязанных на первый взгляд быть однообразными, однако в действительности отличающихся "альтернативностью", периодичностью. Здесь и приостановка процесса, и доведение каких-то условий до критического значения, и возобновление роста - очень трудно раскрыть роль всех контролирующих факторов.

Работа Мезона, показавшая, что сильные пересыщения способствуют папоротникообразному ветвистому росту, вскрыла также некоторые замечательные факты, касающиеся полиэдрического роста при более слабых пересыщениях. Полиэдрические кристаллы льда представляют собой либо плоские гексагональные пластинки, либо призмы, однако в образовании этих форм загадочную роль играет температура. В интервале от точки замерзания до -3°С получаются пластинки, от -3°C до -8°С - вытянутые гексагональные призмы или иногда полые призмы, но от -8°C до -12°С снова пластинки! Ниже -12°С при достаточном пересыщении образуются папоротниковидные отростки, но при -16°С снова пластинки, а ниже -25°С опять призмы. Снова вариации и снова "альтернативность" - явления столь же удивительные, как повторная ветвистость! Мы не знаем причин этих резких изменений скоростей роста по разным направлениям, однако знакомство с подобными фактами должно помочь нам понять происхождение снежинок, потому что выращивание кристаллов в таких последовательно изменяющихся температурных условиях позволило получить формы, похожие на настоящие снежинки. Более того, мы теперь получаем возможность, изучая формы снежинок, делать заключения о неодинаковых температурах тех слоев воздуха, через которые они пролетели, падая на землю. Интересный пример научного открытия с привлечением прекрасных (во многих отношениях) фактов-доказательств."

Обратите внимание, какую потрясающую мысль высказал Чарльз Банн - изучая снежинки можно исследовать слои атмосферы, через которые они пролетели.

Эстафету в девяностых годах подхватил Калтеховский физик Кен Либбрехт. Он принялся выращивать искусственные снежинки. "Мы зачарованно глядим на небо и наблюдаем за тем, как с небес на землю падает чудо. Однажды я задал себе вопрос: можно ли воссоздать эту красоту в лабораторных условиях?" Либбрехт попытался понять физическую природу снежных кристаллов, условия, при которых образуются те, или иные их формы. Эксперименты длились довольно долго, однако принесли свои плоды - была построена теория, на экспериментальных установках ученые научились выращивать снежинки "на заказ". Возникший бум привлек внимание журналистов, который в свое время много писали о данном вопросе. Вот стандартный пример подобного сообщения, взятый нами из интернета:

"Такие разные снежинки"

Дата: 14:39, 18.12.2000 Все началось с того, что четыре года назад профессор физики Калифорнийского технологического университета Кен Либбрехт (Ken Libbrecht) узрел падающий снег. В данном случае снег оказался эквивалентом яблока, упавшего на голову одного небезызвестного англичанина, и Либбрехт обнаружил, что об "этой белой штуке, валящейся с неба" он ничегошеньки не знает. Более того, никто не знает. В рамках начатого исследовательского проекта искусственно формировались снежинки и делались выводы о влиянии на их строение различных условий. Было получено подтверждение того, что снежинки так же различны между собой как отпечатки пальцев. Как оказалось, большинство кристаллов сначала обладает простейшей формой шестиугольной призмы из молекул воды, сгруппировавшихся вокруг пылинки. Однако в дальнейшем их развитие происходит по-разному. Исследования показывают решающую роль температуры в процессе образования кристаллов, быстро увеличивающихся при низких и затормаживающих свой рост при относительно высоких температурах. По дороге вниз микроскопические кристаллы попадают в теплый воздух, становятся "липкими" и объединяются в снежинки.

Уникальность условий формирования первоначальных кристаллов и различные пути их объединения делают, по словам Либрехта, вероятность появления одинаковых снежинок практически нулевой. И это при том, что общее количество кристалликов, формирующихся за год в атмосфере Земли, составляет примерно 10 в 24 степени.

Оказывается, что первоначально каждая снежинка представляет собой кристалл в форме простейшей шестиугольной призмы, сформированной из молекул воды, сгруппировавшихся вокруг какой-нибудь пылинки. Однако далее, при попадании снежинки в теплый воздух кристаллики становятся "липкими" и начинают объединяться между собой, принимая традиционную форму снежинки. Это объединение происходит в хаотичном порядке и потому каждая снежинка имеет свою уникальную форму. Вот и получается, что вероятность существования одинаковых по форме снежинок практически равна нулю."

Там, где журналист увидел всего лишь очередное подтверждение знакомой с детства истины о непохожести снежинок (какие все -таки чудаки, эти ученые…), зарождалась мощная наука с большим количеством практических приложений - гляциометеорология.

Ученые считали, что смогут, изучая выпавший снег, точно понимать, как распределены температурные фронты, влажность и загрязненность воздуха на разных высотах. Более того, учитывая, что облака за время образования в них снежинок, проходят большой путь, появилась возможность на зимнее время резко сокращать количество метероологических станций в отдаленных и труднодоступных районах мира. Снег становился в буквальном смысле чистым листом, на котором сохраняется информация о состоянии атмосферы на всем пути движения тучи.

Однако в действительности все оказалась значительно более сложно. Потребовались мощнейшие компьютеры, которые должны были проводить анализ и сопоставление приходящего материала. Зачастую итоги вычислений приходилось ждать месяцами. (Попутно выяснилось, что в разных районах Земли выпадают совершенно особенные, присущие только данному месту, формы снежинок.)

Оснащение вычислительных центров суперкомпьютерами позволило снизить время анализа до приемлемого уровня. Но самая большая неприятность была впереди.

Ученые столкнулись с тем, что только небольшая часть снежных кристалликов доходит до земли без повреждений. Сталкиваясь по дороге друг с другом, подвергаясь ветровым нагрузкам, снежинки теряют наиболее важную и ценную для анализа часть внешнего покрова, а зачастую и просто ломаются. Поиск средств для вылавливания в общем хаосе действительно целых снежинок превратился в самостоятельную сложнейшую техническую задачу. Ее решение не принесло облегчения. Оказалось, что облака поставляют очень мало неискаженной информации. Пожалуй, только в тихие вечера, когда на снежинки не оказывают влияния ни ветер, ни солнце, удавалось реально получать корректную и полную информацию о том, что творится в атмосфере.

Удалось решить и эту проблему. Мощная вычислительная техника, учитывающая сотни и тысячи факторов показала, что существуют определенные зависимости, связанные не с одной снежинкой, а с их группами. Выяснилось, что наборы снежинок, взятые по определенной процедуре, обладают неким общим для данной климатической ситуации свойством. Разные каждая сама по себе, снежинки несли некую общую информацию о ситуации, в которой они были созданы! Все было прекрасно, но метод работал только во время снегопадов. А это, увы, происходит не всегда.

Конечно, такие результаты не могли удовлетворить практические потребности и гляциометеорология постепенно стала наукой академической. В лабораториях создавались все новые и новые установки, на которых генерировались снежинки. Наибольших успехов в этой области удалось добиться Токийскому университету. Скрупулезные японцы на установке "Haar"создавали тонны совершенно одинаковых снежинок - снежинок "клонов". И здесь был совершен очередной научный прорыв.

Выяснилось, что и в хромированных камерах "Haar" снежинки получаются не всегда идеально похожими друг на друга. Что - то заставляло их изменяться. Поиском источника таких изменений совместно занялись группы ученых из Toshiba Research Ltd. и Cavendish Laboratory (Англия). Результаты их исследований приводятся в свежем номере Phys.Rev.Lett. (см № 2005, 94, 067401).

Оказывается, различия внешних форм являются следствием колебаний некоего внешнего поля, пронизывающего установку. Осторожные физики не указали природу этого поля, хотя в околонаучных кругах с быстротой молнии распространилась версия о том, что этим полем с высокой степенью вероятности является ноосфера - поле разума.

Выясняются и еще более удивительные вещи - оказывается каждая снежинка является плоской линзой, преобразующей свет и меняющейся под действием света, приходящего от других снежинок. Падающий снег накапливает и как-то преобразует поступающую в него из окружающего мира информацию. Мертвые и безжизненные заснеженные пространства хранят в себе огромное количество информации, являются гигантским резервуаром, в котором собираются знания. А весной планета как бы забывает о прошлогодних знаниях. (Ценность прошлогоднего снега, кстати, возрастает неизмеримо). Получают новые доводы в свою пользу и сторонники талой воды…

Все эти явления еще требуют осознания, как научного, так и философского, но в любом случае открывающиеся перспективы просто ошеломляют.

Косвенным подтверждением того, что это не прошло мимо внимания компетентных организаций является тот факт, что работы Toshiba Research Ltd в новом финансовом году (наступил в марте) будут проводиться в самостоятельном формате, а руководитель Cavendish Laboratory выступил с сообщением о получении его лабораторией большого государственного заказа на исследования в интересах оборонного комплекса страны.

Конечно, в условиях ставшего уже привычным отставания нашей науки по всем возможным направлениям, ничего удивительного нет и в том, что исследования в новых направлениях гляциометеорологии проводятся у нас лишь группами энтузиастов. Однако наша страна, как никакая другая обладает гигантскими запасами, залежами снега, который, кстати, в отличие от нефти, является ресурсом возобновляемым. Рачительно распорядится им - задача руководства страны и всего нашего общества.

Воображение рисует картины ближайшего будущего, когда подобно древним прорицателям ученые станут выходить на зимнюю улицу и подставлять свои ладони небу в поисках падающих с неба ответов на извечные вопросы.