Книга: Планета бурь

Снежные фракталы

Снежные фракталы

По виду снежинок метеорологи судят о погоде в верхних слоях атмосферы в дни, когда снегопад не позволяет вести наблюдения. Оказывается, их размер и характер зависят от вида и высоты облаков, в которых они образовались, от температуры тех слоев атмосферы, которые снежинкам пришлось пересечь при падении на землю.

Присмотритесь к ледяным узорам на окнах, подсвеченных солнечными лучами, – редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных разводов ученые-кристаллофизики выделяют два больших класса ледяных кристаллов: древовидные дендриты и волокнистые, нитевидные трихиты.

От чего же зависит образование удивительных оконных узоров? Физики давно выяснили, что характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. Так, при нескольких градусах мороза на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного рыхлого льда. А вот если мороз приходит на смену влажной оттепели, то на стекле, да и на другой ровной поверхности, сначала отлагается пленка воды, которая и превращается в дендритные картины.

Веточки трихиты образуются у острых краев царапин, при этом вначале возникают узкие параллельные полоски инея, превращающиеся при дальнейшем охлаждении в пучки изогнутых ледяных волокон, исходящие от основного стебля

Чаще всего дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где натекает больше воды, поэтому там размеры плоских кристаллов и их рисунок несколько иные. Чем выше вы будете переводить взгляд, тем разительнее будет меняться вид и размеры дендритов, истончаясь и закругляясь. Если же мороз продолжает увеличиваться, то между дендритами, красиво их декорируя, появляются тонкие прослойки пушистого льда. Иногда антициклон стремительно сменяет влажный циклон, так что похолодание происходит резко и на значительную величину, – в этом случая окна покрываются сеткой мелких кристалликов дендритов. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации и дендриты растут островками, а сами кристаллики малы и расплывчаты.

Как же именно распределяются узоры на стекле, складываясь во фрактальные картины? Надо вспомнить, что любой процесс кристаллизации и расплавленного металла в форме, и солевого раствора – рапы на берегу лимана, начинается там, где расположены какие-либо посторонние включения – затравки кристаллизации. Вот и при начальном образовании тонкого слоя льда в качестве затравок кристаллизации выступают самые разные неоднородности оконной поверхности – прилипшие частички, царапины, сколы. Именно от их взаимного расположения и зависит вид морозной картины оконных узоров.

Иногда при недостатке влаги на окнах отлагается редкий иней, состоящий из прекрасных снежинок, напоминающих те, что падают на ладони в снегопад. Форма и вид отдельных снежинок интересовала многих естествоиспытателей еще в незапамятные времена. Так, выдающийся немецкий астроном Иоганн Кеплер выяснил, что почти все снежинки представляют собой шестиконечные кристаллики, а его французский коллега великий мыслитель Рене Декарт опубликовал первые реалистичные зарисовки снежинок. На его эскизах можно увидеть даже двенадцати– и восемнадцатиконечные кристаллики, которые в природе встречаются довольно редко.

Процесс рождения снежинок в облаках весьма любопытен. Они происходят из мельчайшей взвеси водяного пара. Сначала крохотные капельки остывают до температуры ниже нуля, но при этом еще не замерзают. Лишь витающие в воздухе пылинки способствуют их превращению в снег. Как только капельки сталкиваются с затравочными центрами кристаллизации, они тут же превращаются в шестиконечные кристаллики.

Снежинка – ледяной кристалл, который может иметь удивительную совершенную форму. Трудами многих поколений исследователей создана гигантская многотысячная коллекция зарисовок и фотографий снежных кристаллов. Причем ответить на вопрос, сколько же форм может иметь снежинка, пока еще никто не берется. Твердо установлено лишь одно: капелька воды может превращаться в две основные формы – шестиугольные пластинку и звезду. А вот в пределах этих форм природа способна на практически бесконечные вариации своей фантазии.

Кристаллофизики давно установили, что на вид снежинок большое влияние оказывает влажность морозного воздуха. Так, в сухую морозную погоду снежные кристаллики, долетев до земли, как бы усыхают, съеживаются, а во влажном воздухе, при нескольких градусах ниже нуля, они растут в падении и становятся похожими на крупные мохнатые хлопья. Не существует и двух совершенно одинаковых снежинок, что вызывает вопрос: почему так многообразны по форме эти кристаллики льда и в силу каких причин одна и та же капелька воды, замерзая, принимает то одну, то другую форму?

Может быть, все дело в том, что по пути к земле снежинки притягивают к себе все новые капли воды, постепенно увеличиваясь в размерах. Встречая поток очень холодного воздуха, кристаллик начинает расти в высоту, вытягивается в небольшой столбик, а в более теплых слоях воздуха формируются сложные пластинчатые формы. Если же температура воздуха оказывается выше точки замерзания, снежинка тает, вновь превращаясь в дождевую каплю.

В действительности судьба снежинок, конечно же, сложнее, ведь их обдувают потоки воздуха и они минуют множество температурных слоев. Именно постоянное изменение температурных условий и влажности превращает кристаллики снега в уникальное творение. Кристаллофизики, обследовав под микроскопом десятки тысяч снежных кристалликов, выявили у них самые разнообразные индивидуальные черты, нарушавшие симметрию. Тут и там виднелись точечные и нитевидные наросты, придававшие каждой снежинке уникальность!

Да и сам снег отличается по месту своего выпадения: особенной твердостью обладает снег в Антарктиде. За 3–4 дня он становится таким монолитным, что его с трудом берет нож бульдозера. Здесь наблюдается интересное явление, названное «голосом снега». Звуки, чем-то напоминающие приглушенные вскрики, возникают при ходьбе по снегу и представляют собой обыкновенный снежный скрип, приобретающий в разряженном вымороженном воздухе антарктического щита совершенно необычную тональность.