Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают. Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм в диаметре, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы. Из-за структуры молекул воды между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них — новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок.
При высокой термике кристаллы неоднократно вертикально передвигаются в атмосфере, частично тая и кристаллизуясь заново. Из-за этого нарушается регулярность кристаллов и образуются смешанные формы. Кристаллизация всех шести лучей происходит в одно и то же время, в практически идентичных условиях, и поэтому особенности формы лучей снежинки получаются столь же идентичны.
Белый цвет происходит от заключённого в снежинке воздуха. Свет всех возможных частот отражается на граничных поверхностях между кристаллами и воздухом и рассеивается. Снежинки состоят на 95 % из воздуха, что обуславливает низкую плотность и сравнительно медленную скорость падения (0,9 км/ч).
Самая крупная снежинка была засвидетельствована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США; она имела диаметр в 15 дюймов (около 38 см), опубликовано в Monthly Weather Review, 1915, 73. [1]. Обычно же снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г.
Разнообразие снежинок
Существует такое многообразие снежинок, что обычно считается, что не бывает двух одинаковых снежинок. Например, Кеннет Либрехт — автор самой большой и разнообразной коллекции снежинок — говорит: «Все снежинки разные, и их группировка (классификация) — это во многом вопрос личных предпочтений». Простые снежинки, например, призмы, образующиеся при низкой влажности, могут выглядеть одинаково, хотя на молекулярном уровне они отличаются. Сложные звёздчатые снежинки обладают уникальной, отличимой на глаз геометрической формой. И вариантов таких форм, по мнению физика Джона Нельсона из не указано название статьи в Киото, больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной[2].
Снег как погодное явление
Снег является одним из непременных атрибутов зимы. Несмотря на то, что возможны низкие зимние температуры и при отсутствии снега, одно из основных условий климатической зимы — наличие устойчивого (постонного) снежного покрова. Вместе с тем, в некоторых особо тёплых регионах планеты (например, на Аравийском полуострове) такое погодное явление, как снег, отсутствует или наблюдается только один раз в несколько десятилетий.
В России снежный покров устанавливается на большей части страны. В северо-восточных районах (Красноярский край, Чукотка, Якутия), где климат наиболее суров, снег ложится уже в конце сентября и держится до начала июня. В средней полосе России первый снег обычно выпадает в конце октября-начале ноября, снежный покров устанавливается во второй половине ноября, а сходит полностью в начале апреля. В равнинной части южных областей европейской части России (особенно в Причерноморье) долговременный снежный покров (дольше 2-3 недель) отсутствует вовсе, если устанавливается.
История
Исследования
Кристаллы льда диаметром около 10 мкм на торцах шестиугольной снежинки
Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году издал научный трактат «О шестиугольных снежинках», в котором подверг чудеса природы рассмотрению со стороны жёсткой геометрии.
Миниатюра «О шестиугольных снежинках» — это раритет науки, документ теоретической кристаллографии и гордость её истории. «Изобилие глубочайших идей, широта подхода при рассмотрении причин образования снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие высказанных гипотез поражают и сейчас» — вот авторитетное мнение историка кристаллографии И. И. Шафрановского.
В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, написавший этюд, включённый им впоследствии в «Опыт о метеорах» или просто «Метеоры».
В 1885 году, после множества проб и ошибок, американский фермер Уилсон Бентли (Wilson A. Bentley) по прозвищу «Снежинка» получил первую удачную фотографию снежинки под микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, сделав более 5000 уникальных снимков. На основе его работ было доказано, что не существует двух абсолютно одинаковых снежинок (что впоследствии существенно дополнило теорию кристалла).
Утромъ 28 февраля, совершая свою обычную прогулку въ Юсуповомъ саду въ С.-Петербурге, я быль пораженъ необыкновеннымъ наружнымъ видомъ снежинокъ, падавшихъ на мое пальто.
Они состояли по большей части изъ небольшихъ столбиковъ, въ два миллиметра длины, фиг. 2, на обоихъ концахъ которыхъ и въ плоскости перпендикулярной къ ихъ оси прикреплены были диски, диаметромъ около 1 миллиметра.
Снежинка необычной формы
Такой оригинальной формы снежинокъ мне ранее не доводилось видеть, а потому, вооружившись лупою, я сталъ ближе разсматривать все подробности ихъ строения, которое и старался выразить на фиг. 1. Столбикъ а изъ белаго непрозрачнаго льда казался мне цилиндрическимъ безъ внутренней пустоты. Все столбики были одинаковыхъ размеровъ, около 2 миллиметровъ длины и около 1/4 миллиметра ширины. Быть можетъ и даже вероятно, что столбики эти были шестигранныя призмы; но на рисунке я не решился этого сделать, такъ какъ, при внимательномъ наблюдении въ лупу несколькихъ десятковъ снежинокъ, столбики казались мне цилиндрическими.
То же самое скажу и о двухъ прозрачныхъ ледяныхъ дискахъ, прикрепленныхъ къ обоимъ концамъ столбика. Они также для глаза и въ лупу казались совершенно правильными кружками б б, хотя основаниемъ ихъ формы, вероятно, былъ шестигранникъ, на что указываетъ число спицъ, расположенныхъ радиально внутри кружковъ и колебавшееся почти всегда между числами 6 или 12. Только въ одномъ случае насчиталъ я такихъ спицъ 24. Внутри кружка виднелось круглое основание столбика, образъ котораго представлялъ небольшую непрозрачную точку, окруженную весьма тонкой радиальной шрафировкой, упиравшейся какъ будто въ край столбика. Число этихъ миниатюрныхъ лучей невозможно было сосчитать, но, по-видимому, оно соответствовало числу спицъ кружка. Эти последние мне казались трехгранными, удлиненными пирамидами (фиг. 3) изъ совершенно прозрачнаго льду, упиравшимися основаниемъ на край обреза столбика, а вершиной въ край диска. Пространство между этими пирамидами было выполнено весьма нежными перистыми образованиями формы, изображенной на фиг. 4.
Особенно поразило меня въ этихъ снежинкахъ оригинальное образование на наружномъ крае дисковъ, украшенныхъ рядомъ иглъ, вертикально стоявшихъ на самомъ наружномъ крае диска. Число этихъ иглъ, которыя казались мне также трехгранными пирамидами, всегда строго соответствовало числу спицъ диска и притомъ на каждую спицу приходилось по 4 иглы с.
У разныхъ авторовъ я нашелъ рисунокъ этого весьма редкаго вида снежинокъ, но везде только въ самыхъ общихъ чертахъ, безъ подробностей. Ни на одномъ, напримеръ, не показаны спицы внутри дисковъ и иглы, расположенныя на ихъ наружномъ крае.
Вместе съ описываемыми снежинками падали и снежинки обыкновенной шестигранной формы, но въ весьма ограниченномъ числе.
Погода была пасмурная, при слабомъ S. W. и −5° Реомюра.
В 1951 годуМеждународная комиссия по снегу и льду приняла довольно простую и получившую широкое распространение классификацию твёрдых осадков. Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки, звёздчатые кристаллы, столбцы (или колонны), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились ещё три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
«В области, лежащей ещё дальше к северу от земли скифов, — говорит Геродот, — как передают, нельзя ничего видеть, и туда невозможно проникнуть из-за летающих перьев. И действительно, земля и воздух там полны перьев, а это-то и мешает зрению».
В южнославянском фольклоре широко известна легенда о снеге, который белизной и рыхлостью напоминал смолотое зерно, в нём видели падающую с неба муку (Афанасьев 1994/1: 290). Этот мотив отразился в легендах «Когда Господь ходил по земле» и «Грешная женщина», а также в поверье, записанном в области Велеса в Македонии «Почему не падает с неба мука». В них рассказывается о том, что мука перестала падать с неба как снег, потому что одна женщина вытерла нечистоты ребёнка куском теста (Георгиева 1990: 34, 116).
Снег относительно высокой плотности используется в строительстве Иглу
Снег, особенно свежевыпавший – неплохой теплоизолятор - К тп. = 0,1 -0,15 Вт/м*град (на уровне хороших утеплителей).[источник не указан 4838 дней] Хотя по мере слеживания Ктп вырастает до 0,6-0,7 Вт/м*гр.[источник не указан 4838 дней]
Скрип (хруст) снега
При сдавливании снег издаёт звук, напоминающий скрип (хруст). Этот звук возникает при ходьбе по снегу, надавливании на свежий снег полозьями саней, лыжами, при лепке снежков, и т. п.
Скрип снега слышен при температуре ниже −2 °[3] (по другим данным, ниже −5 °[4]). Выше этой температуры скрип не слышен.
Считается, что есть две основных причины возникновения звуков:
ломанье кристалликов снега;
скольжение (смещение и трение) кристалликов снега друг о друга под давлением.
Основной причиной скрипа (хруста) снега считается именно первая (ломанье кристалликов).
В акустическом спектре скрипа снега есть два максимума: в диапазоне 250—400 Гц и 1000—1600 Гц. Характер издаваемых звуков зависит от температуры снега[5]. В начале XX века метеорологи даже предлагали оценивать температуру снега по характеру скрипа. Ломка ледяных сосулек и взламывание льда ледоколом дают похожее распределение частот (125—200 Гц и 1250—2000 Гц), однако в случае льда максимумы более чётко выражены и отделены друг от друга[6].
Усиление морозов делает кристаллики более твёрдыми, но более хрупкими. В результате этого возрастает высокочастотная составляющая (1000—1600 Гц) — скрип сухого, морозного снега. Если же мороз ослабевает, и температура становится выше −6 °C, то высокочастотный максимум сглаживается, а затем и почти полностью исчезает[7].
Подтаивание снега влияет и на характер трения снежинок друг о друга: смоченные (смазанные водой) кристаллики издают звук, отличный от звука трения сухих снежинок, а при температуре выше некоторой снег вообще перестаёт скрипеть. Это связано с тем, что при определённой температуре снежинки при сдавливании не столько ломаются, сколько начинают подтаивать, энергия сдавливания расходуется не на слом кристалликов, а на таяние снежинок, выделяющаяся вода смачивает снежинки и вместо сухого трения возникает «скольжение снежинок по смоченной поверхности».
На характер звука влияет также и форма снежинок.
Скрип, похожий на скрип снега, можно получить, если сжимать, например, смешанные соль и сахар. Это использовалось, в частности, при озвучивании фильма «Александр Невский»[8].
Таяние и возгонка
Таяние снегового покрова
В нормальных условиях снег тает при температурахвоздуха выше 0 °C. Однако в природе значительные объёмы снега испаряются и при отрицательных температурах, минуя жидкую фазу. Этот процесс легко наблюдать самостоятельно. Такой переход от твёрдого состояния к газообразному называется сублимацией или возгонкой. Особенно интенсивно происходит сублимация снега под воздействием солнечного света, однако существуют исследования, демонстрирующие интенсивное испарение снежных частиц в результате их взаимодействия при метелевом переносе снега[9].
Снег на других планетах
На Марсе выпадает как привычный нам снег, так и снег из твёрдой углекислоты (помимо постоянных полярных шапок из обычного льда, на Марсе регулярно образуются сезонные шапки из углекислотного, более известного как "сухой" лёд).
На Тритоне метан, выпадающий в виде дождя, в холодных областях планеты выпадает в виде снега (подобно тому как это на Земле происходит с водой).
