Почему идёт снег

Снег идёт, когда водяной пар в облаке при отрицательной температуре превращается сразу в твёрдый кристалл льда, минуя жидкую стадию, а не в каплю дождя, и такие кристаллы, слипаясь друг с другом по пути вниз, вырастают до размера привычной снежинки.

Как в облаке рождается кристалл

Облако - это не туман из воды, а взвесь мельчайших капель и частиц вокруг ещё более мелких ядер конденсации: пылинок, крупинок соли, спор и других твёрдых частиц, на которых воде удобнее собираться. Если облако достаточно холодное, часть этих ядер работает иначе, чем обычно: водяной пар откладывается на их поверхности сразу в твёрдой форме, минуя жидкую каплю, - этот процесс называется десублимацией, в бытовой речи чаще говорят просто “кристаллизация”. Так возникает крошечный ледяной зародыш размером в доли миллиметра. Дальше он растёт за счёт того же самого процесса: молекулы водяного пара из окружающего воздуха продолжают присоединяться прямо к поверхности льда, наращивая кристалл слой за слоем, а на его гранях по пути вниз оседают и мелкие переохлаждённые капли, которые при контакте с уже готовым льдом мгновенно замерзают. Когда кристалл становится достаточно тяжёлым, чтобы восходящие потоки воздуха внутри облака больше не могли удерживать его на весу, он начинает падать - и по пути вниз, если температура остаётся отрицательной на всём протяжении, долетает до земли уже полноценной снежинкой.

Почему у снежинки шесть лучей

Форма с шестью гранями или лучами - не случайность и не украшение, а прямое следствие геометрии самой молекулы воды. Молекула H2O не прямая линия, а уголок: два атома водорода присоединены к атому кислорода под углом чуть больше девяноста градусов. Когда такие молекулы выстраиваются в твёрдую кристаллическую решётку льда, самое энергетически выгодное расположение - то, при котором каждая молекула образует прочные водородные связи с соседями, а такая связь получается устойчивой только при определённых углах между молекулами. В результате базовая решётка обычного льда складывается в повторяющийся шестиугольный узор, и именно эта скрытая шестиугольная симметрия задаёт направления, в которых кристаллу проще и быстрее всего расти дальше: на шести углах исходной шестигранной пластинки скорость присоединения новых молекул воды из пара выше, чем на гранях между ними, поэтому кристалл вытягивает лучи именно в этих шести направлениях, а не в произвольную сторону.

Почему нет двух одинаковых снежинок

Утверждение про полное отсутствие повторов - не преувеличение, а следствие того, насколько чувствителен рост кристалла к условиям на пути его падения. Пока зародыш опускается сквозь облако, он непрерывно проходит через микроскопически разные участки воздуха с чуть отличающейся температурой и влажностью, и каждое такое изменение мгновенно меняет скорость и форму роста граней - где-то кристалл вытягивается в тонкую иглу, где-то начинает ветвиться в подобие ёлочки. Путь конкретной снежинки через облако - это уникальная последовательность из тысяч таких микроскопических условий, и вероятность того, что другой кристалл в другом месте облака пройдёт абсолютно идентичный путь, ничтожно мала, особенно учитывая, что даже готовая снежинка состоит из огромного числа молекул воды, которые могут присоединиться к решётке во множестве вариантов расположения. При этом шесть лучей одной снежинки часто выглядят на удивление похожими друг на друга - это не противоречие: все шесть лучей растут из одного и того же крошечного центрального зародыша одновременно и в течение падения оказываются в одном и том же кармане воздуха в каждый конкретный момент времени, поэтому реагируют на смену условий синхронно, зеркально повторяя друг друга, а вот с лучом снежинки, упавшей в другом месте и в другую минуту, совпадения уже не будет.

От чего зависит итоговая форма кристалла

Снежинки выглядят по-разному не только из-за случайного пути через облако, но и из-за общих закономерностей, которые связывают форму кристалла с температурой воздуха, в котором он провёл больше всего времени. При температуре, близкой к нулю, чаще получаются простые тонкие шестигранные пластинки. При более сильном морозе, в районе нескольких градусов ниже нуля, вероятнее образование вытянутых игл и коротких столбиков-призм. В диапазоне заметно более сильных морозов, там, где воздух при этом ещё и достаточно влажный, вырастают самые сложные и красивые формы - разветвлённые звёздчатые дендриты с боковыми ответвлениями, тот самый образ снежинки, который рисуют на новогодних открытках. При ещё более низких температурах кристаллы снова становятся проще - тонкими пластинками или короткими столбиками, потому что при таком морозе воздух объективно способен удержать мало водяного пара, и кристаллу попросту не из чего наращивать сложные ветви. Влажность работает как второй, независимый рычаг: чем больше в воздухе лишнего пара сверх точки насыщения, тем быстрее и ветвистее растёт кристалл при прочих равных, а в сухом морозном воздухе даже при подходящей температуре снежинки получаются мелкими и простыми по форме.

Чем сухой снег отличается от мокрого

Разница между сухим скрипучим снегом и тяжёлым мокрым снегом определяется тем, что происходит с поверхностью кристалла в последние мгновения перед тем, как он ляжет на землю. Если воздух у самой поверхности заметно холоднее нуля, снежинка долетает вниз, ни разу не подтаяв: её грани остаются полностью твёрдыми, кристаллы не слипаются друг с другом и падают по отдельности, образуя лёгкий рыхлый слой с большим количеством воздуха между частицами, - такой снег хорошо скрипит под ногами, потому что при нажатии острые грани ледяных кристаллов ломаются и трутся друг о друга, что и даёт характерный звук. Если же температура воздуха у земли близка к нулю или чуть выше него, поверхность кристалла успевает слегка подтаять, покрываясь тончайшей плёнкой жидкой воды, а эта плёнка работает как естественный клей: снежинки слипаются друг с другом в хлопья и комья, снег становится тяжёлым, плотным, хорошо лепится в снежки, но и по весу заметно превосходит сухой - именно мокрый снег чаще всего ломает ветки деревьев и провода, потому что на единицу объёма в нём куда больше воды.

Есть и заметная на слух деталь: чем сильнее мороз, тем выше и резче звук скрипа сухого снега под ногами. При очень низкой температуре ледяные грани кристаллов становятся тверже и более хрупкими и при каждом шаге ломаются на более мелкие осколки, а чем мельче и резче излом, тем выше получается звук, - поэтому по одному только скрипу под подошвой можно довольно точно прикинуть, насколько сильный на улице мороз, ещё до того, как взглянешь на термометр.

Снег над морем и большими озёрами

Отдельный случай - снегопады, которые возникают, когда холодный воздух проходит над незамёрзшим морем или крупным озером. Вода в открытом водоёме остывает намного медленнее воздуха, и её температура зимой может ощутимо превышать температуру проходящего над ней холодного воздушного потока; в приморских районах это ещё заметнее, потому что морская вода из-за растворённых в ней солей замерзает при более низкой температуре, чем пресная, - подробно о том, откуда в море берётся соль, мы рассказывали в статье почему вода в море солёная. Тёплая по сравнению с воздухом поверхность воды испаряет много влаги, холодный воздух над ней быстро насыщается этим паром, и стоит такому влажному воздуху дойти до берега и слегка подняться или встретить более холодную сушу, как избыточная влага мгновенно превращается в интенсивный, часто очень плотный снегопад прямо над прибрежной полосой, в то время как в отдалении от воды в тот же день снега может почти не быть.

При какой температуре снега не бывает

У снега нет единой нижней температурной границы, ниже которой он в принципе невозможен: кристаллы льда прекрасно образуются и при очень сильных морозах. Здесь работает скорее обратная логика: чем холоднее воздух, тем меньше водяного пара он способен удержать в принципе, а значит, тем меньше сырья остаётся для формирования крупных снежинок и тем более скудным получается сам снегопад - именно поэтому в районах с экстремально низкими температурами, вроде внутренних областей Антарктиды, за год выпадает поразительно мало осадков, хотя там почти всегда отрицательная температура: воздух там слишком сухой, чтобы дать обильный снег. Та же логика объясняет разницу между снегопадами в разных холодных регионах: над скованным льдом океаном или над промёрзшей тундрой воздух беднее влагой, чем над относительно тёплым незамёрзшим морем или над лесом, где испарение продолжается активнее даже зимой, - поэтому суммарное количество снега за сезон в одинаково морозных, на первый взгляд, местах способно различаться в разы. Более практичный порог касается не нижней, а верхней границы: снег перестаёт долетать до земли в виде снега, когда на пути его падения оказывается достаточно толстый слой воздуха с положительной температурой - тогда кристалл успевает растаять ещё в воздухе, и до земли долетают уже капли дождя. Если же тёплая прослойка есть, но она тонкая, а сразу под ней у самой земли снова лежит мороз, получается не снег и не дождь, а неприятный переходный вариант: подтаявшая на лету капля вновь замерзает уже у самой поверхности, превращаясь в ледяную крупу или в гололедицу, когда переохлаждённая капля замерзает мгновенно при ударе о холодный предмет.

Откуда вообще берётся сам снегопад - роль фронтов и циклонов

Чтобы кристаллы начали расти в достаточном количестве и выпали на землю заметным снегопадом, облаку сначала нужно оказаться холодным и одновременно насыщенным влагой, а это обычно происходит там, где встречаются две воздушные массы с разной температурой. Чаще всего снегопад запускает движение циклона: тёплый влажный воздух, наталкиваясь на более плотную массу холодного воздуха, не смешивается с ней, а поднимается по клину холодного воздуха вверх, как по склону, а при подъёме любой воздух неизбежно охлаждается - в нём начинается конденсация, а при достаточно низкой температуре конденсация сразу переходит в кристаллизацию, минуя капельную стадию. Похожий эффект даёт горная местность: воздушная масса, вынужденная подниматься по склону, чтобы перевалить через хребет, охлаждается по той же причине и часто отдаёт основную часть своей влаги в виде снега именно на наветренной стороне гор, оставляя противоположный склон значительно суше. Поэтому интенсивность снегопада в конкретном месте зависит не только от температуры воздуха у земли, но и от того, насколько активно и высоко поднимается влажный воздух где-то в стороне от точки наблюдения.

Чем снег из снежной пушки отличается от настоящего

Снег, который делают снежные пушки на горнолыжных склонах, физически устроен иначе, чем природный, и это заметно даже на ощупь. Настоящая снежинка формируется медленно, пока крошечный кристалл несколько минут или дольше опускается сквозь облако, послойно достраивая свои узорчатые грани из водяного пара. Снежная пушка работает по другому принципу: она распыляет в морозный воздух мельчайшие капли воды под давлением, и у этих капель есть от силы несколько секунд полёта, чтобы замёрзнуть на лету, - за такое короткое время кристаллическая решётка просто не успевает выстроиться в изящную структуру с лучами, и капля застывает почти целиком, превращаясь в мелкую плотную ледяную гранулу, больше похожую на очень мелкий град, чем на снежинку. Слой из таких гранул получается заметно плотнее и тяжелее природного снега того же на вид объёма, зато он гораздо устойчивее к подтаиванию и дольше не проседает под лыжами, поэтому искусственный снег и используют там, где нужно надёжное покрытие в течение всего сезона, а не только в морозные дни с естественными осадками.

Почему снег иногда идёт при температуре чуть выше нуля

Термометр у земли способен показывать пару градусов тепла в тот самый момент, когда с неба падают вполне узнаваемые снежинки, и происходит это не по ошибке прибора. Во-первых, метеорологи измеряют температуру воздуха обычно на высоте около двух метров над землёй, а слой воздуха непосредственно у самой поверхности, особенно в затенённых местах или при плотной облачности, часто оказывается на градус-два холоднее измеренного значения - этого достаточно, чтобы кристалл долетел до земли, не растаяв полностью. Во-вторых, у самого процесса таяния снежинки есть побочный эффект, который она сама себе создаёт: превращение льда в воду требует значительных затрат тепла, и это тепло снежинка забирает из окружающего её тончайшего слоя воздуха, слегка охлаждая его при подлёте к земле. Когда снегопад достаточно интенсивный и снежинок много, суммарный охлаждающий эффект от массового таяния способен снизить температуру приземного слоя воздуха на пару градусов за считанные минуты - именно поэтому снегопад, начавшийся при небольшом плюсе, нередко сам себе “выключает” плюсовую температуру и переходит в устойчивый снег, который уже не тает и ложится на землю.