Снег — это невероятная красота, которая ассоциируется с зимними праздниками. Однако в то же время это очень интересное физическое явление, твердая вода, но при этом не похожая на обычный лед. Но действительно интересные истории о «белых мухах, летящих с неба», могут рассказать астрономы. Ведь на других планетах тоже бывает снег.
Что такое снег?
Обычно Рождество и Новый год ассоциируются у нас с не только елкой и подарками, но и со снегом, который и падает с неба, и лежит в виде сугробов под окнами. Конечно, есть такие страны, где даже зимние праздники встречают на пляже под пальмами. Однако все же эти праздники преимущественно отмечают в умеренной зоне Северного полушария нашей планеты. А там зима — достаточно грустное, темное и холодное время года, и снег — одно из лучших зрелищ, которые она дарит.
Но задумывались ли вы над тем, что такое снег? Догадаться, что это твердая форма воды, нетрудно — достаточно увидеть, как он тает. Это люди поняли еще очень давно. Впрочем, лед также является твердой формой воды, но на снег он совсем не похож. Так в чем же между ними разница?
Основная форма существования снега — снежинка. Та самая белая звездочка, которая падает с неба. Иногда они падают, сцепляясь между собой, и снежные сугробы тоже состоят из них. Поэтому вопрос, что такое снег — это на самом деле вопрос о том, что такое снежинка. Впервые об этом задумался в 135 году н. э. китайский философ Хан Юн. Он сделал одно из важнейших наблюдений — все они имеют шестиугольную симметрию, то есть похожи на шесть одинаковых кусочков, соединенных вместе в центре.
Загадка снежинки
Вопрос, почему снежинка имеет именно такую форму, беспокоил ученых в течение очень долгого времени. Уже в XVII веке им занимались различные ученые. Сначала снежинки рассматривал под микроскопом Роберт Гук. Впоследствии они заинтересовали астрономов — сначала Тихо Браге, а затем Иоганна Кеплера, того самого, который открыл законы вращения планет вокруг Солнца.
Последний даже написал в 1611 году работу «О шестиугольных снежинках», в которой рассмотрел ряд вопросов о том, почему в различных природных объектах, в частности в пчелиных сотах, так часто встречается шестиугольная форма. В этом контексте он высказал математическое предположение, которое впоследствии получило название «гипотеза Кеплера».
Он начал с того, что если попытаться застелить плоскость одинаковыми многоугольниками без зазора, то наибольшая площадь одной такой фигуры будет именно у шестиугольника. Из этого следует, что если попытаться окружить один круг несколькими подобными ему, то наиболее плотно это можно сделать, если их именно шесть и их центры образуют правильный шестиугольник. Оттуда Кеплер перешел к формулировке трехмерного варианта задачи. Если попытаться заполнить какой-то сосуд одинаковыми шариками, то наиболее плотно получится, если они расположены в пространстве, которое называется кубической сингонией. При ней вокруг каждого шара располагается еще 14, центры которых образуют шестиугольники в трех разных плоскостях.
Гипотеза Кеплера легко проверяется экспериментом, показывающим, что если просто насыпать шарики в стакан, то их суммарный объем будет составлять 64 % от его объема, но если тщательно строить кубическую сингонию, то эта величина достигнет 74 % того значения, которое предполагает теория.
Однако математически доказать правильность этого утверждения не могли 400 лет. Только в 2008 году Томас Гейлс опубликовал доказательство, которое в 2009-м сочли правильным.
Почему же кристаллы льда в снежинках растут именно в виде шестиугольников, Кеплер так и не смог объяснить. В то же время кубическая сингония встречается в очень многих кристаллах. В итоге эта работа дала начало новой области знаний — кристаллографии, которая объединила представления о молекулярном строении веществ, геометрии и закономерностях роста кристаллов.
И именно в рамках кристаллографии было найдено объяснение шестиугольной форме снежинок. Все дело в том, что ее кристаллизация всегда происходит в верхних слоях атмосферы. А там всегда присутствуют дольки пыли. И именно вокруг них начинается кристаллизация воды. Форма же молекулы воды такова, что кристаллы могут образовываться только под углами 60° и 120°. Круг — это 360°. Неудивительно, что кристалл льда. Образующаяся вокруг снежинки всегда имеет форму пластинки-шестиугольника.
Именно она становится сердцем будущей снежинки. Когда шестиугольный кристалл вырастает, гидростатические силы больше не удерживают его в воздухе, и он начинает падать. На своем пути к Земле он проходит зоны с различной температурой и влажностью, и этот путь уникален для каждой отдельной снежинки. В то же время все шесть граней кристалла одинаково подходят для присоединения новых молекул воды и подвергаются одинаковым изменениям условий. Поэтому снежинка растет совершенно уникально, сохраняя симметрию во всех шести направлениях. Достигнув Земли, она действительно неповторима, но при этом имеет характерную шестиугольную форму.
Хотя основной материал снежинки, который мы видим — это лед, большую часть объема снежинки составляет обычный воздух, зажатый между кристаллами. Именно оно придает ей белый цвет и обуславливает очень низкую среднюю плотность.
Интересно, что иногда снежинки достигают просто невероятно больших размеров. Так, в Книге рекордов Гиннеса зафиксировано, что в 1887 году в штате Монтана выпали снежинки, диаметр которых составлял 38 см.
Снег на других планетах
Снег не является чем-то уникальным для нашей планеты. Хотя встречается он не на всех небесных телах. Для его образования нужна атмосфера, содержащая твердые частицы, и какое-то вещество, находящееся в газообразном состоянии, но при температуре и давлении, близких к значениям, при которых возможна его кристаллизация.
Именно поэтому на таких лишенных атмосферы телах, как Луна и Меркурий, снега быть не может. А вот на Венере, несмотря на высокую температуру, снег, как считается, все же выпадает. По крайней мере, многие вершины гор на этой планете покрыты чем-то белым. Ученые считают, что это минералы типа гематита, пирита, перовскита или какие-то другие.
Под действием высокой температуры они испаряются, поднимаются к слою облаков, где температура ниже. Там тоже есть частицы пыли, которые и становятся центрами кристаллизации. А дальше все происходит, как и на Земле, только в низменных районах «каменные» снежинки, достигнув поверхности, быстро тают, а вот на возвышенностях слой снега может держаться много лет.
На Марсе существует два вида снега. Первый — тот же, что и на Земле. Второй — на основе углекислоты, также известной нам как «сухой лед». При этом первый тает при значительно более высоких температурах, чем второй.
Также снег выпадает на спутнике Сатурна Титане. Там он образуется на основе метана — вещества, которое на Земле преимущественно встречается в виде природного газа, а там может быть жидкостью и формировать целые моря. В верхних же слоях атмосферы спутника вполне возможно образование снежинок, которые затем выпадают на поверхность.
Самый невероятный снег выпадает на Уране. Там на определенной глубине метан находится под огромным давлением. Ученые утверждают, что в таких условиях может происходить распад углеводородов на отдельные атомы, а затем из углерода формируются кристаллы алмазов, которые начинают тонуть в его атмосфере.
Что касается планет за пределами Солнечной системы, то условия на них мы до сих пор не знаем точно. Однако, если оценки температуры и химического состава их атмосфер верны, на некоторых из этих планет может идти невероятный снег — из железа, камня и даже сапфиров.
