Н АШИ Н АБЛЮДЕ Н ИЯ
Секреты новогодней красавицы
С.САЛИХОВ, Д.ЛИВАНОВ
ПРОВЕДЕМ МАЛЕНЬКИЙ ЭКСПЕРИмент. Возьмем стакан кипятка и начнем сыпать туда сахар, помешивая ложкой. Что мы увидим? Сахара мы не увидим точно, он растворился в воде. Но если попробовать воду на вкус, она будет сладкой. Так что сахар по-прежнему присутствует в воде – в виде мельчайших частиц, молекул. Если сахар продолжать добавлять, что любят делать сладкоежки, то в какой-то момент он перестанет растворяться. Как бы мы ни мешали, растворить сахар не удастся. И еще одно важное наблюдение – в холодной воде количество растворенного сахара будет меньше. В одном литре воды комнатной температуры (20 градусов Цельсия) можно растворить два килограмма сахара, а в горячей воде (80 градусов) – уже три с половиной. Почему так происходит? Чем выше температура, тем больше объем жидкости, т.е. больше среднее расстояние между молекулами воды. А значит, между ними помещается и больше молекул сахара. Любопытно, что с раствором можно встретиться… в облаке. Ведь растворы бывают и жидкими, и газообразными (в этом случае они называются смесями), и даже твердыми. С облаком происходит следующее. Когда под действием солнечных лучей вода испаряется, молекулы водяного пара оказываются в воздухе. Чем выше температура воздуха, тем больше водяного пара воздух может содержать. Как и в случае с сахаром в чае, в воздухе при различной температуре также можно растворить разное количество водяного пара. Но что случится, если чай остынет, а воздух охладится? Если внимательно присмотреться к остывшему чаю, то на дне
DOI: https://doi.org/10.4213/kvant20221105
Кристалл сахара под микроскопом стакана можно обнаружить немного сахара. Откуда он взялся? Оказывается, при остывании «лишний» сахар выпал из раствора, и у нас получилось то, чем усердно занимаются академические институты, – вырастить кристаллы. Правда, выглядят эти кристаллы не очень впечатляюще. Но если постараться, то в выращивании кристаллов можно все-таки достичь определенных успехов. С водой в воздухе происходит то же самое. Охлажденный воздух не может держать в себе столько водяного пара, сколько горячий. И молекулам воды в таком негостеприимном воздухе не остается ничего другого, кроме как объединяться в небольшие капельки. Это происходит и при охлаждении облака, и при выходе горячего воздуха с паром из носика чайника, и рано утром, когда выпадает роса. Капельки росы, осевшие на холодной траве или на перилах лестницы, – не что иное, как результат негостеприимства. В таком случае говорят, что воздух перенасыщен водяным паром. (Кстати, то же самое говорят и о растворе сахара, и о других растворах.) Например, при 10 градусах Цельсия в одном кубическом метре воздуха может содержаться 9,5 грамма воды, а при 20 градусах – уже почти 17 граммов. К слову сказать, совершенно чистый воздух можно перенасытить водяными парами довольно существенно. Однако в атмосфере всегда содержится большое число различных пылинок, кристалликов соли и прочих веществ, которые служат центрами конденсации для капелек воды.
50
КВА НT 2022/№11-12
Если температура воздуха будет ниже нуля градусов, точки замерзания воды, то молекулы воды в облаке сразу будут образовывать мельчайшие кристаллики льда. Размер этих кристаллов – не больше одной десятой миллиметра. Правда, для этого опять нужен помощник – небольшая пылинка, которая сыграет роль затравки. Именно на маленькой пылинке и образуется первый кристаллик льда. Да-да, снежинки начинаются с пыли. Сначала вода испаряется с поверхности любого водоема. Потом происходит подъем водяного пара в воздух, конденсация пара на пылинках уже в облаке и движение вниз по облаку в воздушных потоках, которые ведут себя довольно странно. А в итоге – завораживающие своей красотой волшебные звездочки. Дальше начинается путешествие кристаллика по облаку и превращение его в снежинку. Если температура в облаке или какойлибо его части выше нуля градусов, то наш кристалл в итоге растает и в дальнейшем будет путешествовать в другом качестве – как капля воды. Выбраться из облака снежинке удастся лишь зимой, когда температура окружающего воздуха опустится ниже нуля. Только тогда снежинка сможет упасть на землю, порадовав нас чистым белым скрипучим снегом. Что же происходит со снежинкой во время ее перемещения от верхней границы облака до земли? Путешествие начинается, когда в холодном облаке, неспособном удержать большое количество водяного пара, микроскопические капли воды притягиваются к мельчайшим пылинкам, замерзают, а затем этот невзрачный кристаллик льда вырастает в красивую звездочку.
Только в книжках про Деда Мороза все снежинки – красивые шестиконечные звездочки. На самом деле снежинки бывают разными. Иногда это простые пластины, в некоторых случаях – призмы и даже иголки. Форма снежинки определяется двумя главными условиями: температурой и степенью насыщенности воздуха водяным паром. При разных условиях получаются снежинки разных форм. Красивые снежинки любят высокую влажность и не любят сильный мороз. Говорят, что не существует двух одинаковых снежинок. Но есть то, что все-таки их объединяет. Присмотревшись к разным снежинкам, можно заметить, что в основе их формы всегда лежит шестиугольник. И опять же лучшей иллюстрацией является… сахар. Если иметь достаточно терпения, то можно вырастить и вполне крупные кристаллы сахара или соли. Все кристаллы соли имеют форму маленьких кирпичиков: прямоугольных параллелепипедов. Если удастся вырастить большой кристалл соли, то и его форма будет прямоугольным параллелепипедом, а при некоторых условиях роста – кубом. Разбив этот большой куб, например молотком, легко убедиться, что все осколки также будут иметь форму параллелепипедов. Человечество давно интересовалось необычными камнями, которые имеют правильную форму, огранку. Древние греки, кстати, считали кристаллы горного хрусталя (кварца) замерзшей навсегда водой. Количество кристаллов, известных человеку, постоянно увеличивалось. Кристаллам стали приписывать различные магические свойства. Богатые люди желали обладать редкими и необычными кристаллами. Из-за некоторых уникальных экземпляров бушевали шекспировские страсти и даже вспыхивали войны. Причи-
Различные формы снежинок: дендриты, плоские звездочки, столбики
51
Н АШИ
Н АБЛЮДЕ Н ИЯ
ной этому была не только красота кристаллов, но и то, что уж слишком непонятными были свойства кристаллов: правильная огранка и сохранение формы при разрушении. Интересно, что изучение снежинок еще в XVII веке привело ученых к гениальной идее о том, что кристаллы состоят из мельчайших и одинаковых частичек, обладающих определенной формой. Так что не будет большим преувеличением сказать, что снежинки положили начало развитию большого раздела физики – кристаллографии. В основе кристалла льда лежит правильный шестиугольник, образованный молекулами воды. Оказывается, что в молекуле воды угол между связью кислород – водород равен 104 градусам, а вот в твердом состоянии атомы кислорода образуют правильный шестиугольник. Точнее, два правильных треугольника, немного смещенных друг относительно друга вдоль оси, проходящей через их центры. И именно этой геометрической конфигурацией определяется шестиугольная форма снежинки. Можно поэксперимен-
Друза кварца
Алмаз – самый твердый минерал на земле
Кристаллы рубина – вторые по твердости после алмаза тировать – вырезать из бумаги много шестиугольников и прикладывать их друг к другу. В результате всегда будут получаться фигуры, имеющие в своей основе шестиугольник или, как принято говорить, симметрию шестого порядка. Характерно, что молекулы воды могут присоединиться к кристаллу льда только в определенных местах, обусловленных геометрией химических связей. Похожая ситуация наблюдается при росте и других кристаллов. Например, сахара или соли. Но тогда, казалось бы, снежинки всегда должны иметь форму правильного шестиугольника, как у кристаллов льда. Что же заставляет снежинку «отращивать» лучики? Кристаллы растут равномерно, увеличивая свои грани только при благоприятных условиях роста: когда для любого места на грани хватает питательного вещества. Если времени для роста слишком мало, а именно так происходит в пересыщенных средах, то основным местом, где происходит рост кристалла, являются его выступающие части. Кристалл как бы тянется за питательным веществом. В результате от вершин шести-
Этапы формирования снежинки
52
КВА НT 2022/№11-12
угольного кристалла льда отрастают лучи, которые в процессе роста продолжают ветвиться, образуя неповторимые шестиугольные звездочки. Таким образом, различные условия роста кристалла как в облаке, так и в ходе путешествия снежинки из облака на землю (когда холодая снежинка, пролетая через более теплые слои атмосферного воздуха, насыщенного водяными парами, продолжает свой рост) формируют совершенно разные формы. Но одно всегда будет общим во всех снежинках – они будут иметь форму шестилучевой звездочки или шестиугольника. Иными словами, форму, которая определяется внутренним строением кристалла. Удивительное превращение, которое происходит со снежинками, волей-неволей заставляет задуматься о той роли, которую играют законы симметрии – а именно они филигранно оттачивают лучи снежинок – в природе. Ведь свое путешествие каждая снежинка начинает с процессов, казалось бы, не имеющих вообще никакой симметрии и порядка: испарение из лужи, пылинка в роли затравки и так далее. Но природа словно говорит нам о главенстве симметрии, о том, что законы, по которым атомы выстраиваются в кристаллах снежинок, побеждают все случайности. К сожалению, далеко не все знают о правилах симметрии, о том, как правильно устроена снежинка. Поэтому в новогодних книгах и журналах, в новогоднем украшении наших городов полным-полно снежинок, которые имеют четыре, пять или даже восемь лучей, а ведь в природе таких снежинок не существует. Но мы-то с вами теперь легко отличим настоящие снежинки от под-
Сращивание снежинок в снежные хлопья
дельных! Мы рассмотрели симметрию снежинок, симметрию расположения атомов в кристалле льда, обусловленную внутренними факторами. Но есть еще и масса факторов внешних. Разглядывая снежинки под лупой или под микроскопом, можно увидеть, что углы между лучами всегда равны 60 градусам, но при этом лучи снежинок развиты неодинаково: одни длиннее, другие короче. Часто можно наблюдать, как несколько снежинок срастаются в одну, образуя снежные хлопья. И там, и там реальная форма большинства снежинок отличается от идеальной симметричной правильной шестиконечной звездочки. Это происходит потому, что внешние факторы всегда привносят изменения в идеальную картину. Что же это за коварные внешние причины, которые рушат завораживающую симметрию? Все отклонения снежинок от нормы связаны с процессом их роста. Например, если снежинка падала свободно, равномерно вращаясь вокруг своей оси, то ее форма будет близка к правильной. А вот если по каким-то причинам равномерного вращения не получилось и снежинка, скажем, большую часть пути пролетела одним боком, то такое падение будет отражено в ее несимметричной форме. С падающей снежинкой могут происходить и другие приключения, препятствующие развитию правильной шестиугольной звездочки. Например, к ней может примерзнуть мельчайшая капелька воды – и снежинка уже не будет симметричная. А бывает и так, что в хорошую безветренную погоду слипаются вместе до двухсот снежинок, образуя красивые снежные хлопья. Получается, что не только атомные законы, по которым молекулы воды выстраиваются в кристаллической решетке в правильные шестиугольники, играют роль при формировании реальной формы снежинки. Симметрия внешней среды, в которой снежинка родилась, выросла и прошла путь из облака до земли, также определяет ее облик. Надо только научиться «читать» судьбу снежинки по ее форме.
Статья представляет собой главу из книги Д.В.Ливанова и С.В.Салихова «Физика всего на свете без формул», которая планируется к выходу в издательстве «Бомбора».