Правда ли, что двух одинаковых снежинок не существует?

Считается, что каждая снежинка уникальна и узоры разных снежинок никогда не повторяются. Мы решили проверить, так ли это.

Информацию об уникальности снежинок можно найти на развлекательных и познавательных сайтах. Об этом рассказывают в СМИ (например, «Московский комсомолец» и «Первый канал»). Пользователи сервисов вопросов и ответов интересуются, почему все снежинки разные. Этот факт упоминается и на порталах для детей.

Снежинка начинает формироваться, когда очень холодная капля воды замерзает на частице пыльцы или пыли в небе. Так создаётся кристалл льда. Когда он падает на землю, на нём замерзает водяной пар — так за счёт «разрастания» кристалла и получаются снежинки. В зависимости от температуры воздуха, влажности, формы исходного кристалла и других факторов снежинка либо увеличивается в толщине, либо «даёт» лучи. Эти процессы могут чередоваться, а могут идти параллельно. При этом, даже если две снежинки зародились в один и тот же момент времени в одном и том же облаке, они всё равно находятся в немного разных атмосферных условиях, а значит, формируются по-разному — на этот процесс влияют даже малейшие изменения. Именно поэтому снежинки так сильно отличаются друг от друга.

Но все ли они уникальны? Тут необходимо определиться, что мы понимаем под уникальностью. Так, невооружённым взглядом или даже с небольшим увеличением может показаться, что снежинки одинаковы. Но при этом, если рассмотреть их строение на молекулярном уровне, они будут совершенно разными по составу молекул и их расположению.

Если речь только о внешнем виде, то одинаковые кристаллы снега уже были обнаружены. В Книге рекордов Гиннесса есть запись от 1988 года о том, что Нэнси Найт, учёная из Национального центра исследования атмосферы в Боулдере (США), обнаружила две «если и не идентичные, то очень похожие друг на друга» снежинки, изучая с помощью микроскопа кристаллы снега во время шторма в Висконсине. Однако в данном случае речь идёт не о сложных снежинках с шестью узорчатыми лучами, а о гораздо более простых по своему строению кристаллах в виде полых столбиков очень маленького размера (всего четверть миллиметра). При этом многие снежинки — именно такие.

Джон Нельсон, научный сотрудник Университета Рицумейкан (Япония), установил, что по какой-то причине снежинки активнее всего растут, если в момент их зарождения температура окружающего воздуха составляет около –15,4 °C. В этом случае, долетая до земли, они успевают приобрести сложную разветвлённую структуру. Те же снежинки, которые формируются при –11 °C или –19 °C (именно этот температурный промежуток был взят для изучения, так что мы не знаем, как влияют на формирование снежинок более высокие или, наоборот, низкие температуры), «развиваются» значительно хуже и падают на землю в виде достаточно простых форм. Найти одинаковые (или хотя бы очень похожие) кристаллы среди вторых гораздо более реально, чем среди первых.

Со сложными кристаллическими структурами — теми самыми узорчатыми шестиконечными звёздами, которые мы и привыкли называть снежинками, — всё несколько сложнее. Однако, если убрать фактор изменчивости и случайности внешних условий: температуры, влажности, ветра и т. д. — из одинаковых кристаллов-заготовок могут получиться одинаковые снежинки. Это доказал Кеннет Либбрехт, профессор физики Калифорнийского технологического института (США), много лет занимающийся изучением ледяных кристаллов и узоров во льду. В лабораторных условиях он создавал в морозильной камере шестиугольные кристаллы льда, а затем клал их на сапфировую подложку и обдувал влажным воздухом при определённой температуре. Так как внешние условия для снежинок были совершенно одинаковыми, они вырастали «однояйцевыми близнецами», как выражается сам Либбрехт. Учёный снял этот процесс на видео, а затем ускорил его для наглядности, как как на создание снежинок уходило от 15 минут до нескольких часов.

Однако с молекулярной точки зрения даже искусственно созданные Либбрехтом в лаборатории снежные кристаллы будут разными. Типичная снежинка состоит из примерно 10¹⁸ (квинтиллиона) молекул воды. Молекулы воды состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При этом у атомов водорода есть два существующих в естественной среде стабильных, то есть не радиоактивных, изотопа (разновидности — в зависимости от количества нейтронов в атоме). Это собственно водород (наиболее распространённый — 99,98% от всех атомов этого элемента) и дейтерий (0,015%). У кислорода есть три стабильных изотопа: ¹⁶О (99,76%), ¹⁷О (0,04%) и ¹⁸О (0,2%). Одна из 7500 молекул воды содержит дейтерий вместо водорода, а одна из 500 — кислород ¹⁸О вместо ¹⁶О. Молекулы с таким необычным строением могут быть хаотично разбросаны по снежинке, и комбинаций их расположения почти бесконечное множество. Доктор Либбрехт утверждает: вероятность того, что два кристалла снега будут состоять из одинакового набора молекул, которые при этом будут полностью идентично расположены относительно друг друга, «неотличима от нуля», даже притом, что в год на планете в среднем выпадает около 10²⁴ (септиллиона) снежинок. Поэтому, если говорить о молекулярном уровне — да, скорее всего, все сложные по структуре снежинки действительно уникальны. Но Либбрехт уточняет, что, когда речь заходит об очень маленьких снежинках, состоящих всего из десяти молекул, то существует «разумная вероятность» существования двух абсолютно одинаковых кристаллов.

Таким образом, если считать одинаковыми очень похожие внешне снежинки, то такие действительно существуют — правда, они либо очень простые по структуре (например, в виде игл или полых призм, а вовсе не шестиконечных разветвлённых звёзд), либо созданы в лабораторных условиях. При этом с точки зрения молекулярного строения они всё равно будут разными: молекулы воды могут отличаться друг от друга по составу, и существует невероятно большое множество вариантов их взаимного расположения. Тем не менее, если говорить об очень маленьких и примитивных снежинках, состоящих всего из десяти молекул (для сравнения, в среднем в них около квинтиллиона молекул), совпадения возможны. 

Полуправда

Что означают наши вердикты?

Почитать по теме:

1. SnowCrystals.com — сайт Кеннета Либбрехта, посвященный снежинкам (англ.)
2. Правда ли, что можно утонуть в зыбучих песках?
3. Правда ли, что мох в лесу растёт только на северной стороне деревьев?
4. Правда ли, что молния не ударяет в одно и то же место дважды?