Загадки снежных хлопьев

Что такое снег? Не смешной ли вопрос? Однако снежинки ставили в тупик таких выдающихся ученых, как астроном Иоганнес Кеплер, философ и математик Рене Декарт. Им было известно, что снежные хлопья образуются в два этапа: формируется кристалл и затем он растет.

Но превращение кристаллика льда в снежинку настолько сложный процесс, что современная математика только начала решать эту головоломку. Водяные капельки выделяют теплоту при замерзании. Чтобы рассеивать теплоту, считает физик Джеймс Лэнгер из Института теоретической физики в американском городе Санта-Барбара, зарождающийся кристалл увеличивает крошечные выпуклости на своей поверхности, образуя ветвеобразные стрелки — «елочки». Затем кристалл растет со скоростью и в направлениях, определяемых окружающей температурой и влажностью. Когда он встречает изменение в воздухе, падающий кристалл растет уже с иной скоростью и с новыми формами. Лэнгер рассчитал формы, которые образуют замысловатый узор снежинок. Когда он пропустил свои уравнения через компьютер, на экране появились очертания снежинок.

Его теория может объяснить народную мудрость: не бывает двух одинаковых снежинок. Поскольку каждая из шести ветвей, сформированных на начальных стадиях роста, встречает фактически те же самые состояния воздуха (так как снежинка мала), она может быть удивительно симметричной. Но поскольку вряд ли две снежинки проследуют одним и тем же путем до земли, каждая, действительно, должна быть уникальной.

Эти представления имеют причастность к области, казалось бы, совершенно неродственной — металлургии. Когда сплав охлаждается и переходит из жидкого состояния в твердое, то он выбрасывает стрелки. Их форма и темп роста влияют на прочность сплава. Таким образом, модель снежинки Лэнгера может также помочь в предсказании прочности отливок.