Сніг — це неймовірна краса, яка асоціюється із зимовими святами. Однак водночас це дуже цікаве фізичне явище, тверда вода, але при цьому не схожа на звичайну кригу. Проте справді цікаві історії про «білих мух, що летять із неба», можуть розповісти астрономи. Адже на інших планетах теж буває сніг.
Що таке сніг?
Зазвичай Різдво та Новий рік асоціюються у нас не тільки з ялинкою та подарунками, а й зі снігом, який і падає з неба, і лежить у вигляді кучугурів під вікнами. Звичайно, є такі країни, де навіть зимові свята зустрічають на пляжі під пальмами. Проте все ж ці свята переважно відзначають у помірній зоні Північної півкулі нашої планети. А там зима — достатньо сумна, темна й холодна пора року, і сніг — одне з найкращих видовищ, які вона дарує.
Але чи замислювалися ви над тим, що таке сніг? Здогадатися, що це тверда форма води, неважко — достатньо побачити, як він тане. Це люди зрозуміли ще надзвичайно давно. Втім, крига також є твердою формою води, але на сніг вона зовсім не схожа. Тож у чому ж між ними різниця?
Основна форма існування снігу — сніжинка. Та сама біла зірочка, що падає з неба. Інколи вони падають, зчепившись між собою, і снігові кучугури теж складаються з них. Тож запитання, що таке сніг — це насправді запитання про те, що таке сніжинка. Вперше про це замислився у 135 році н. е. китайський філософ Хан Юн. Він здійснив щодо них одне з найважливіших спостережень — усі вони мають шестибічну симетрію, тобто схожі на шість однакових шматочків, які з’єднані разом у центрі.
Загадка сніжинки
Питання, чому сніжинка має саме таку форму, непокоїло науковців упродовж дуже тривалого часу. Уже в XVII столітті ним займалися різні вчені. Спочатку сніжинки розглядав під мікроскопом Роберт Гук. Згодом вони зацікавили астрономів — спершу Тихо Браге, а потім Йогана Кеплера, того самого, який відкрив закони обертання планет навколо Сонця.
Останній навіть написав у 1611 році працю «Про шестикутні сніжинки», у якій розглянув низку питань про те, чому в різних природних об’єктах, зокрема в бджолиних стільниках, так часто трапляється шестикутна форма. У цьому контексті він висловив математичне припущення, що згодом дістало назву «гіпотеза Кеплера».
Почав він саме з того, що якщо спробувати замостити площину однаковими багатокутниками без зазору, то найбільша площа однієї такої фігури буде саме у шестикутника. З цього випливає, що якщо спробувати оточити одне коло кількома подібними до нього, то найщільніше це можна зробити, якщо їх саме шість і їхні центри утворюють правильний шестикутник. Звідти Кеплер перейшов до формулювання тривимірного варіанту задачі. Якщо спробувати заповнити якусь посудину однаковими кульками, то найщільніше вийде, якщо вони розташовані в порядку, який зветься кубічною сингонією. При ній навколо кожної кулі розташовується ще 14, центри яких утворюють шестикутники в трьох різних площинах.
Гіпотеза Кеплера легко перевіряється експериментом, який показує, що якщо просто насипати кульки в склянку, то їхній сумарний об’єм складатиме 64 % від його об’єму, але якщо ретельно будувати кубічну сингонію, то ця величина сягне 74 % — того значення, яке передбачає теорія.
Однак математично довести правильність цього твердження не могли 400 років. Тільки 2008 року Томас Гейлс опублікував доведення, яке 2009-го визнали правильним.
Чому ж кристали криги в сніжинках зростають саме у вигляді шестикутників, Кеплер так і не зміг пояснити. Водночас кубічна сингонія трапляється в дуже багатьох кристалах. У підсумку ця праця дала початок новій галузі знань — кристалографії, яка поєднала уявлення про молекулярну будову речовин, геометрію та закономірності росту кристалів.
У межах кристалографії й було знайдене пояснення шестикутній формі сніжинок. Річ у тім, що її кристалізація завжди відбувається у верхніх шарах атмосфери. А там завжди присутні часточки пилу. Саме навколо них розпочинається кристалізація води. А форма молекули води така, що кристали можуть утворюватися тільки під кутами 60° та 120°. Коло — це 360°. Тож не дивно, що кристал льоду, що утворюється навколо сніжинки, завжди має форму пластинки-шестикутника.
Саме вона стає серцем майбутньої сніжинки. Коли шестикутний кристал виростає, гідростатичні сили більше не утримують його в повітрі, й він починає падати. На своєму шляху до Землі він проходить зони з різною температурою та вологістю, і цей шлях унікальний для кожної окремої сніжинки. Водночас усі шість граней кристала однаково підходять для приєднання нових молекул води й зазнають тих самих змін умов. Тож сніжинка росте цілком унікально, зберігаючи симетрію у всіх шести напрямках. Досягнувши Землі, вона дійсно неповторна, проте при цьому має характерну шестикутну форму.
Хоча основний матеріал сніжинки, який ми бачимо, — це крига, більшу частину її об’єму складає звичайне повітря, затиснуте між кристалами. Саме воно надає їй білого кольору і зумовлює дуже низьку середню густину.
Цікаво, що іноді сніжинки досягають просто неймовірно великих розмірів. Так у Книзі рекордів Гіннеса зафіксовано, що у 1887 році у штаті Монтана випали сніжинки, діаметр яких становив 38 см.
Сніг на інших планетах
Сніг не є чимось унікальним для нашої планети. Хоча зустрічається він не на всіх небесних тілах. Для його утворення потрібна атмосфера, яка містить тверді частинки, і якась речовина, яка перебуває у газоподібному стані, але за температури та тиску, які близькі до значень, за яких можлива його кристалізація.
Саме тому на таких позбавлених атмосфери тілах як Місяць та Меркурій снігу бути не може. А от на Венері, попри високу температуру сніг, як вважається, все ж випадає. Принаймні чимало вершин гір на цій планеті вкриті чимось білим. Науковці вважають, що це мінерали типу гематиту, піриту, перовськіту чи якісь інші.
Під дією високої температури вони випаровуються, підіймаються до шару хмар, де температура нижча. Там теж є частинки пилу, які й стають центрами кристалізації. А далі все відбувається, як і на Землі, тільки у низинних районах «кам’яні» сніжинки, досягнувши поверхні швидко тануть, а ось на височині шар снігу може триматися багато років.
На Марсі існує два види снігу. Перший — той самий, що і на Землі. Другий — на основі вуглекислоти, також відомої нам як «сухий лід». При цьому перший тане за значно вищих температур, ніж другий.
Також сніг випадає на супутнику Сатурна Титані. Там він утворюється на основі метану — речовини, яка на Землі переважно зустрічається у вигляді природного газу, а там може бути рідиною і формувати цілі моря. У верхніх же шарах атмосфери супутника цілком можливе формування сніжинок, які потім випадають на поверхню.
Найнеймовірніший же сніг падає на Урані. Там на певній глибині метан перебуває під величезним тиском. Науковці стверджують, що в таких умовах може відбуватися розпад вуглеводнів на окремі атоми, а потім із вуглецю формуються кристали алмазів, які починають тонути у його атмосфері.
Щодо планет за межами Сонячної системи, то умов на них ми й досі не знаємо точно. Проте, якщо оцінки температури та хімічного складу їхніх атмосфер правильні, на деяких із цих планет може йти неймовірний сніг — із заліза, каменю і навіть сапфірів.
