Вирізати або намалювати сніжинку може хто завгодно. Головне правило: це повинна бути шестилучева зірка, а в усьому іншому можна імпровізувати. Однак вчені досі точно не розуміють, чому снігові кристали в більшості випадків набувають саме цієї форми, а не, наприклад, форми шестигранних призм, як диктує молекулярна структура льоду. Розповідаємо, що фізика знає про сніжинки, і показуємо, яких монстрів, зовсім не схожих на звичні «зірки», можуть породжувати незвичайні атмосферні умови.
Біля водяного льоду відомо 17 різних кристалічних модифікацій, але в природних умовах зустрічається переважно тільки одна - лід Ih. Літера h тут позначає hexagonal, тобто гексагональний або шестикутний. У цій формі молекули води шикуються у вигляді шестикутних сот, що утворюють паралельні шари - у кристалографії таке розташування називається гексагональною сингонією. Структура такого льоду нагадує графіт - в ньому ту ж структуру утворюють атоми вуглецю.
У вуглецю відома і друга кристалічна форма - алмаз. Її аналог для льоду - модифікація Ic, де c означає cubic, тобто кубічний. Так її називають тому, що форму куба має мінімальний повторюваний елемент, проте самі молекули води розташовуються у вершинах тетраедра - у кристалографії таке розташування називають гранецентрованою кубічною сингонією. Лід Ic, однак, на відміну від алмазу нестійкий при температурі вище 73 градусів Цельсія нижче нуля, і тому зустрічається тільки на великих висотах. Практично всі кристали льоду, які сипляться на нас з неба кожну зиму, відносяться до модифікації Ih, тобто молекули води в ньому утворюють шестикутники.
Зародки сніжинок летять до землі крізь холодне вологе повітря і поступово обростають новими молекулами води. Оскільки найбільша кількість зв'язків нова молекула утворює там, де межа кристала ще не добудована, саме там ймовірність приєднати нову молекулу вище всього, і саме тому вирослий кристал повинен повторювати форму його кристалічної решітки. Однак це означає, що сніжинки повинні мати форму шестикутної призми, а не шестилучевої зірки, до якої ми всі звикли.
І такі «правильні» сніжинки дійсно зустрічаються, хоча і не так часто як звичайні. Вони мають форму або тонкої шестикутної пластини, або шестигранного «олівця».
Щоб пояснити, чому велика частина сніжинок все-таки обзаводиться променями, потрібно згадати, що кути шестикутника виступають трохи далі в навколишнє вологе повітря, і тому стикаються з великою кількістю молекул води. Для відносно невеликих сніжинок цей ефект незначний, однак зі збільшенням їх розміру він стає все більш помітним і врешті-решт призводить до утворення променів.
Однак це не пояснює, чому сніжинки плоскі: адже немає ніяких причин вважати, що зростання кристала вширу чимось краще зростання кристала в довжину.
Найбільш опрацьована гіпотеза, що пояснює цю асиметрію, належить професору Каліфорнійського технологічного університету Кеннету Ліббрехту (Kenneth Libbrecht), який протягом багатьох років як хобі фотографував сніжинки, а потім навіть організував невелику лабораторію, де проводив експерименти з їх контрольованого зростання.
У 2019 році Ліббрехт сформулював гіпотезу молекулярної дифузії, яка полягає в тому, що молекули води спочатку в основному «чіпляються» за виступаючі кути сніжинки, і тільки потім переміщаються - вірніше дифундують - уздовж її поверхні. В якому напрямку відбуватиметься дифузія, визначається зовнішніми умовами, в основному, температурою. Складна поведінка молекул води в такій системі пов'язана з явищем, яке Ліббрехт назвав «предтаянием». Справа в тому, що утворення сніжинок йде в основному при температурі, що не сильно відрізняється від температури плавлення льоду, і тому зовнішній шар молекул на поверхні сніжинок насправді знаходиться в якомусь проміжному стані між кристалічним і рідким, і не є повною мірою впорядкованим. Явище предтаяния протікає по-різному на різних гранях кристала, оскільки ці грані мають різну структуру. Однак - і це головний недолік гіпотези - як передтарання пов'язане з цією структурою, невідомо. Провести відповідні численні розрахунки Ліббрехту поки не вдалося в силу їх високої ресурсозатратності.
Тим не менш, підібравши емпірично параметри, вчений показав, що відмінність властивостей напіврозтанулого льоду на різних гранях призводить до відмінності їх енергії поверхневого натягнення і до того, що енергетично молекулам води вигідніше дифундирувати на одну з граней, а не на іншу. У більшості випадків більш вигідною є дифузія на бічні грані шестигранної призми. В результаті сніжинка росте вширу, утворюючи тонкі платівки.
Однак у вузькому діапазоні температур - близько 6 градусів Цельсія нижче нуля - ситуація протилежна: кристал росте в довжину, утворюючи довгі тонкі голки. На своєму довгому шляху в атмосфері сніжинка може пройти через кілька різних областей з різною температурою, і тоді утворюються більш химерні форми кристалів у вигляді, наприклад, товстого стовпчика або стовпчика з капелюшками.
Експерименти, які проводив Ліббрехт, у своїй лабораторії, зокрема, показали, що можна виростити дві практично ідентичні сніжинки - однак для цього треба, щоб умови їх зростання в точності збігалися. Однак «» справжні «» сніжинки ростуть на різних висотах, при різних температурах, зростання їх може порушуватися або йти не так. В результаті можуть формуватися «» монстри «», зовсім не схожі на звичні шестикутні зірки.