Оглавление

1. Снежинки
2. 1. Введение
3. 2. Рождение снежинок
4. 2. Начало роста
5. 3. Снежинки-катушки
6. 4. Снежинки-иглы
7. 5. Простые звёзды
8. 6. Интерференция света в снежинках
9. 7. 12-лучевые снежинки
10. 8. Снежинки с двумя, тремя и четырьмя лучами
11. 9. Треугольные и нетипичные формы снежинок
12. 10. Дендриты
13. 11. «Листы папоротника»
14. 12. «Пушистые» снежинки
15. 13. Трёхмерные дендриты
16. 14. Фотографирование снежинок
    1. 14.1. Оборудование
    2. 14.2. Освещение
    3. 14.3. Постобработка фотоснимков
    4. 14.4. Примеры освещения
17. 15. Заключение

Это были маленькие пластинки льда, плоские, очень гладкие и прозрачные, толщиной примерно с лист плотной бумаги… идеально сложенные в шестиугольники, стороны которых были столь прямыми, а углы столь равными… человеку невозможно создать что-либо подобное.

Рене Декарт, 1635

1. Введение

Природа бывает живая и неживая. В чём различие, объясняют младшим школьникам. Всё живое двигается, дышит, растёт, питается, размножается и, в конце концов, умирает. Неживое всего этого лишено, даже смерти. Конечно, и гора может разрушиться от времени или её сроют люди, но это лишь переход неживого в другой вид.

Однако в земной природе есть огромное количество минерала, который поэты не без оснований называют живым. Это вода. Вода бежит, струится, плещет и бьётся, падает с неба струями дождя. Гёте в стихотворении «Песнь духов над водами» даже сравнил её с тем, что античные философы считали самой сущностью жизни человека — его душой. Вода не имеет формы за исключением случая, когда это капли росы, за счёт поверхностного натяжения приобретающие форму шариков (рис. 1). Цепочки «планет» можно в таком случае наблюдать осенним утром на паутине (рис. 2).

При температуре ниже 0 °С вода переходит в твёрдое состояние и приобретает форму. Это могут быть гигантские ледники и крошечные снежинки. И те, и другие приобретают ещё две возможности живой природы: расти и умирать при таянии или сублимации (испарения прямо из твёрдого состояния). И вот здесь мы можем наблюдать бесконечное количество изумительных по красоте и разнообразию форм, мимо которых невозможно пройти равнодушно. Даже обычные сосульки могут удивить. Посмотрите, какую причудливую форму создали плеск воды и мороз в одном из ручьёв Южного Урала (рис. 3).

Поздней осенью, когда начинаются заморозки, уже не увидишь росы на паутине. Зато с рассветом всё вокруг покрывается инеем. На не успевших завянуть цветах, листьях, стеблях и травинках вырастают кристаллы, форму которых можно рассмотреть на снимках, сделанных при большом увеличении. Здесь уже хорошо заметна гексагональная (шестиугольная) структура ледяных кристаллов (рис. 4­, 5), которую мы позже увидим в различных формах снежинок.

За ночь на крыше автомобиля вырос густой «лес» из кристаллов инея, сверкающих в первых лучах солнца (рис. 6, 7).

Как только солнце приподнимется над горизонтом, жизнь кристаллов инея заканчивается, они превращаются в одинаковые капли (рис. 8). Волшебство исчезает.

Солнце с каждым днём опускается всё ниже, и наступает момент, когда температура остаётся отрицательной круглые сутки. На реке появляется шуга — каша из кристаллов льда и воды, а вдоль берегов уже настоящий молодой лёд, на котором вырастают «цветы» инея (рис. 9). Иней уже и днём висит на кистях рябины и на ограде набережной реки (рис. 10, 11).

Мороз крепчает, и на окнах деревенских домов и стёклах городских балконов вырастают поражающие своим разнообразием узоры, которые также состоят из кристаллов воды (рис. 12).

И вот, наконец, приходит тот день, когда с неба начинают падать кристаллы, ради которых и написана эта книга — снежинки. Вряд ли есть в странах, где это чудо случается, человек, который хотя бы в детстве не пытался рассмотреть сверкающую снежинку на рукавице или на шарфике. С возрастом большинство людей уже теряет естественное любопытство и для них это просто снег. Но остаются поэты и фотографы…

Свою первую снежинку я сфотографировал 1 января 2009 года. Утро первого дня нового года особенное: даже в Москве улицы и дворы пусты, все отсыпаются после ночных празднеств. Но у меня была собака, а у неё режим строгий. Падали крупные красивые снежинки. Закончив гулять с собакой, я взял фотоаппарат с макрообъективом и фотовспышкой и вышел на улицу. Сейчас в интернете можно найти дневник погоды на любую дату текущего столетия по крайней мере в некоторых районах России, в Москве-то уж точно. В этот день было –4 °С. В дальнейшем я в подписи к снимкам снежинок буду указывать температуру. Зачем это нужно, объясню позже.

Несколько сделанных в тот день снимков сохранились, но я не стану их показывать в этой книге. Для меня они имели тот смысл, что стало понятно: просто так, без длительной и грамотной подготовки стоящего снимка снежинки не сделаешь. Зато появился азарт. Я по основной профессии — инженер по оптико-электронным приборам, поэтому решение задачи стало ещё и вопросом профессиональной чести. Насколько это удалось, судить читателю, но я о затраченных трудах и времени ничуть не жалею. Оказалось, что мои представления о снежинках, как и практически у всех людей, были очень далеки от действительности. Этот волшебный мир гораздо разнообразнее и красивее, чем это можно увидеть невооружённым глазом или даже с помощью простейших увеличительных приборов вроде лупы. Что касается техники съёмки, то этому посвящена последняя глава книги. Она адресована в основном фотографам, а всем остальным будут гораздо интереснее сами снежинки. Правда, сейчас фотоаппаратов едва ли не больше, чем людей — камеры встроены в каждый смартфон, но за всё время существования фотографии вряд ли наберётся десяток людей, которые сумели сделать фотосъёмку снежинок занятием, результаты которого интересны не только им самим.

В сознании большинства закрепился некий обобщённый образ снежинки, широко используемый как символ:

В реальности такие или очень похожие снежинки существуют. Например, показанные на рис. 13 и рис. 14. Это кристаллы т. н. дендритного типа, от греческого слова δένδρον — дерево. Лучи снежинок ветвятся, подобно деревьям. Конечно, в символьном изображении снежинки это дерево предельно упрощено, на каждой ветви лишь по два ответвления. Когда настоящие снежинки растут, каждая ветвь продолжает делиться и в итоге, порой, образуются невероятно сложные структуры вроде тех, что показаны на обложке книги или на рис. 15.

Пока что всё находится в рамках привычных представлений. Но что скажет читатель, посмотрев на рис. 16? Это коллаж из фото реальных снежинок, приведённых к одному масштабу. Согласитесь, увиденное меняет представление о том, какие бывают снежинки. Обратите внимание на размер этих кристаллов. Большинство из изображённых⅓ на рисунке менее одного миллиметра или же лишь немного превышают эту величину. Невооружённым глазом все они воспринимаются как точки. Вряд ли кому-то придёт в голову искать там что-то оригинальное — это просто мусор. Как тут не вспомнить слова Анны Ахматовой, правда, сказанные по другому поводу: «Когда б вы знали, из какого сора…».

Фотографирование снежинок оказалось занятием, которое с полным правом можно назвать ещё одним видом охоты. Любая охота, будь то ружейная или грибная, которую Солоухин назвал «третьей» — это сплав умения и везения. Это роднит их с тем, на что так падки люди — с азартными играми. И как бы кто ни отмазывался, что идёт в поле за зайцем, на речку за рыбой, а в лес за грибами, я ему не поверю. Он просто возвращается туда, откуда и пришёл человек — в природу, хотя бы на время оторвавшись от так называемой цивилизации. И даже если ему не повезёт, он подышит свежим воздухом и получит капельку адреналина. Моя деревенская бабушка говорила в таких случаях проще: «Охотку стешил».

Ежели вас, дорогие читатели, зацепил коллаж на рис. 16, не спешите закрывать эту книгу на «ознакомительном фрагменте». Далее вы увидите лучшие результаты моей десятилетней охоты на снежинок и некие небесспорные мои мысли по поводу, которые, конечно же, не стоят быть вынесенными на публику, но какой же охотник или рыбак удержится от рассказов? Ну а в конце — советы тем, кто решит сам уронить себя в эту бездну. Бездну, потому что учёные подсчитали, что ежегодно на землю падает такое астрономическое количество снежинок, что никакая фантазия не могла бы сопоставить это число с чем-либо осязаемым: это единица и 24 нуля — септильон, триллион триллионов. И при этом половина населения Земли вообще никогда не видела снега, так что все эти нули достаются второй половине. Но даже при таком обилии того, что в буквальном смысле падает на головы, подлинную красоту видят лишь единицы: слишком малы объекты.

2. Рождение снежинок

Материя не образуется из ничего, ещё древние придумали пословицу: Ex nihilo nihil fit — из ничего ничего не возникает. Снежинки образуются из насыщенного водяного пара в атмосфере. Понятно, что они не рождаются такими, какими падают на землю — ни по размерам, ни по форме. Изначально это бесформенные структуры. Пока это крошечные пылинки, они свободно парят в воздухе. Когда они дойдут до земли, пройдёт время и кристаллы подрастут. Одни упадут раньше, другие — позже, соответственно этому меняются и размеры. В процессе роста кристаллы приобретают правильную форму. Это обусловлено тем, что молекулам воды легче закрепляться на неровной поверхности, где сила связи с кристаллом сильнее. Таким образом кристалл сам себя строит. Этот процесс описан в книге[1] Кеннета Либбрехта (Kenneth G. Libbrecht) — физика, профессора Калифорнийского технологического института, автора нескольких книг о снежинках.

Естественная форма кристалла льда, обусловленная строением молекулы — это правильная шестигранная призма. Если её высота мала, то это пластина, если же она растёт в высоту, то превращается в стержень (колонну, иглу, палочку — назвать можно по-разному). Крошечные стержни (иглы) можно увидеть на рис. 16. Часто они бывают полыми на торцах.

Одиночные шестиугольные пластины — весьма распространенная форма зародышевых кристаллов. Самые маленькие из них, но уже имеющие правильную форму, имеют размер около 0,1 мм. Невооружённым глазом такие крошечные объекты вообще не видны, а несколько большие воспринимаются лишь как точки, потому что разрешающая способность глаза тоже ограничена. Фото пластин такого размера в увеличенном масштабе показано на рис. 17.

Большая пластина, хорошо видимая уже невооружённым глазом, показана на рис. 18. Её размер около 1 мм, однако на ней лежит маленькая размером уже лишь около ⅓ мм — такой размер имеет точка в данном тексте. При этом обе имеют правильную форму, хотя внутренняя структура большой, разумеется, сложнее, как и её судьба — она больше времени провела в атмосфере и попадала в разные условия. Даже такие простейшие снежинки бесконечно разнообразны, хотя и не так красивы, как ещё более крупные.

Посмотрим также на рис. 19. На нём мы видим снежинку в уже знакомой нам форме пластины, а также ещё один тип зародышевых кристаллов. К. Либбрехт назвал их «пульками». Они, действительно, имеют форму револьверных пуль, только размером значительно меньше — около 0,3 мм. Две пульки одиночные, причём на торцах у них начинается рост пластин — они напоминают гвоздики. А вот три пульки, отходящие от единого центра под углом 120° между ними — это единый кристалл, розетка из пулек. Примечательно, что все эти разные по форме снежинки упали на землю одновременно, то есть родились в одном и том же облаке.

Лучи розеток не обязательно лежат в одной плоскости. Из одной точки в пространстве под углом 60° можно провести 18 лучей, и природа следует этой математической закономерности, хотя обычно количество лучей меньше. В этом случае снежинки напоминают ёжиков, однако они по-прежнему столь малы, что рассмотреть их можно лишь при значительном увеличении (рис. 21, 22). Этот пример развеивает одно из распространённых заблуждений, что все снежинки плоские. Это далеко не так, а заблуждение основано на том, что наиболее крупные снежинки, форма которых распознаётся невооружённым глазом, в большинстве случаев действительно плоские или же кажутся нам такими, потому что мелких деталей мы всё же не видим. Да и фотографы тоже стремятся показать наиболее сложные снежинки дендритной формы, как самые красивые.

На рис. 22 видно, что внутренность «пулек» может быть полой.

Часто пластины растут не монолитными, а расщеплёнными на отдельные лучи, как можно увидеть на рис. 24 и рис. 25.

[1] Снежинки: тайная красота зимней природы. Занимательное снежинковедение / Кеннет Либбрехт. Пер. с англ. — М.: ООО «Издательство «Добрая книга», 2017. — 112 с.

2. Начало роста

Как читатель уже убедился, далеко не все снежинки до падения на землю успевают достичь размеров, видимых невооружённым глазом. Значительная, если не большая часть снега выпадает в зародышевых формах или же в «детском» возрасте. Люди не интересуются этой ледяной пылью, падающей с неба. И совершенно напрасно: именно в этой пыли можно увидеть самые оригинальные экземпляры. Впрочем, дело не только в том, что, по выражению А. С. Пушкина, «мы ленивы и нелюбопытны». Вряд ли кто-то выходит на зимнюю прогулку с микроскопом, а увеличения лупы для рассматривания таких крошечных объектов недостаточно. Об этом ещё будет разговор в последней главе книги, а пока что посмотрим, как выглядит эта самая пыль при достаточном увеличении. Если рис. 16 — это коллаж, то на рис. 26 показаны снежинки, снятые одномоментно на тёмном фоне. Размер кадра по длинной стороне — 7 мм, температура воздуха –8 °С.

Если взять за основу размер изображения в книге формата А5, то увеличение на рис. 26 составит примерно 15х. Обычно распространённые лупы такого увеличения не обеспечивают, но даже и его для изучения таких объектов недостаточно. Поэтому посмотрим при ещё большем увеличении. Правда, часть объектов нам уже известны — это те самые пульки, гвоздики, призмочки и пластины. Разве что шляпки у «гвоздиков» приобретают правильную шестигранную форму и превращаются в пластины, а из ножек этих «гвоздиков» и «пулек» формируются призмы. Пластины увеличиваются в размерах.

Ещё один коллаж на рис. 29.

Обратите внимание: за исключением пластин все остальные формы снежинок не плоские. Никаких объективных причин для роста кристаллов в одной плоскости не существует, поскольку среда изотропна. У любопытного читателя это уже должно разрушить привычные представления о снежинках. Но дальше будет ещё интереснее.

Уже на рис. 28 видно, как от кристалла начинают отпочковываться новые крошечные пластины. Они растут, а на них тоже вырастают в разных направлениях новые. Углы между ними составляют всё те же 60 (120) градусов. Такие ветвящиеся структуры из пластин Либбрехт назвал радиально-пластинчатыми дендритами. Порой они достигают размера нескольких миллиметров, однако в силу небольших образующих пластин рассмотреть структуру также можно лишь при значительном увеличении. Что касается пластин, то они редко вырастают более 1,5 мм. Дальнейший рост продолжается уже с углов и снежинка превращается в звезду. Это касается и тех пластин, которые вырастают на торцах призм и «пулек». Призмы и пластины могут расти одновременно, как единый кристалл, образуя сложные пространственные структуры. И вся эта сложность по-прежнему выглядит как простая соринка, для наблюдения требуется микроскоп.

На предыдущих снимках читатель уже мог заметить, что призма рано или поздно прекращает свой рост, и в последующем растут уже пластины на торцах, превращаясь в звёзды и даже дендриты. Снежинка в целом в этом случае напоминает катушку для ниток или для кабеля. Это, пожалуй, самое оригинальное из всего, что можно увидеть — полный, как говорят, разрыв шаблона. Глаза отказываются поверить увиденному, настолько это отличается от устоявшегося представления о том, какие бывают снежинки. Виной всему — малый размер объектов. Микромир для невооружённого глаза недоступен, а людей, изучавших снежинки и сделавших результаты доступными для всех, за всю историю фотографии было лишь единицы. К тому же фотографии, оставшиеся нам в наследство от пионеров этого дела, изображают также лишь главным образом плоские снежинки — такова была техника 100 лет назад. Подробнее об этом будет сказано в последней главе книги.

Хорошо оформившуюся катушку можно видеть на рис. 47. Рядом с ней упал «гвоздик», из которого растёт звезда, пластинчатый дендрит и две пластины, покрытые изморосью. Пластины тоже начали превращаться в звёзды.

Что касается пластинчатых дендритов, то тут уже приходится иметь дело с бесконечным разнообразием образовавшихся конструкций. У каждой снежинки своя судьба, и только Создатель ведает её капризами. Трехмерные дендриты не так интересны и внимания обычно не привлекают, поскольку формы их ни симметрией, ни какой-либо особенной эстетической выразительностью не отличаются. Некоторые образцы читатель уже видел на фото выше. Иногда эти дендриты растут в одной плоскости, не образуя при этом симметричных структур, так привлекательных в снежинках. Вот если покопаться в них, то можно обнаружить в этой случайности что-либо привлекающее внимание. Так можно, к примеру, перебирать камушки на берегу: обязательно найдутся такие, что их захочется взять с собой как сувенир. К сожалению, от снежинок остаются лишь фотографии, и то крайне редко. Ниже на рисунках — несколько таких образцов.

Иногда кристалл приобретает форму, которую невозможно выразить словами. Посмотрите на рис. 52.

3. Снежинки-катушки

Выше уже шла речь о снежинках в форме катушки и читатель видел фото таких экземпляров. Некоторые авторы классификаций называют их также «увенчанными столбиками». Здесь уместно сделать некоторое отступление. Наверняка у читателя возникнет вопрос, почему же мы не видим таких снежинок крупных размеров, чтобы их можно было хотя бы опознать невооружённым глазом? Ответ лежит в области физики, но я бы связал его также с процессом, который принято называть естественным отбором. Хотя этот термин относится к биологии, отличие лишь в том, что согласно теории Дарвина естественный отбор является причиной эволюции, а снежинки не эволюционируют. Критерием отбора в данном случае является способность к полёту. Чтобы вырасти до больших размеров, требуется время, в течение которого снежинка будет парить в воздухе. Всем понятно, что способность к пусть и пассивному, но всё же полёту, скажем, у жёлудя и листа дуба абсолютно разная. Оторвавшийся лист будет долго порхать в воздухе, прежде чем упадёт на землю, а жёлудь может даже и по голове больно ударить. Лёгкие, но большие плоские дендриты будут долго висеть в воздухе, а плотные пластины или призмы долго не продержатся, поэтому упадут на землю в «детском» возрасте. Снежинки, которые вы видели на предыдущих снимках, выпадают на землю подобно каплям дождя в процессе т. н. ливневого снегопада. Напротив, пушистые лёгкие дендриты порхают в лучах фонарей, зачастую даже поднимаясь вверх в потоках воздуха. Но в зародышевых формах развитых дендритов вы не увидите — в каждой тучке свои формы снежинок. Какова погода — таков и снег.

Простые призмы имеют максимальную удельную плотность и поэтому большими они не бывают, поскольку упадут на землю одними из первых. Но если природа снабдит их «крыльями» на торцах, превратив в катушку, то это уже не кусок льда, а настоящий аэроплан, хотя и более тяжёлый, чем плоский дендрит. В способности к полёту он не уступает пластинам и простым звёздам. В этой связи у меня даже однажды случился забавный эпизод. Некоторые фотобанки при загрузке изображения анализируют его и подсказывают фотографу ключевые слова. Когда я загрузил фото снежинки-катушки, программа подсказала: «аэроплан, самолёт, биплан».

Первую снежинку в форме катушки я увидел на дисплее фотоаппарата 22 февраля 2010 года, спустя год после начала своего увлечения. Трудно передать словами охватившее меня изумление — ранее я даже не подозревал о таком. Думаю, как и большинство читателей, о том же говорят и посетители выставок с фотографиями снежинок. Это фото сохранилось, оно на рис. 54.

Как видите, размер этого чуда лишь чуть более половины миллиметра, то есть примерно соответствует размеру запятой в этом тексте. Опознать в этом объекте катушку или иную форму невооружённым глазом невозможно. Учитывая, что встречаются они довольно редко, даже лупа тут не поможет — не будете же вы рассматривать через лупу тысячи экземпляров. Люди обычно обращают внимание на самые крупные снежинки, а очень крупной считается уже снежинка размером 4 мм. Как правило, это дендрит, отсюда и обобщённый образ снежинки с шестью лучами.

Катушка на рис. 54 имеет очень длинную относительно своих размеров ножку, что придаёт ей изящность. Эти пропорции могут быть различные, иногда пластины на торцах почти соприкасаются. Например, снежинка на рис. 55 имеет ножку длиной 0,3 мм, а диаметр верхней звезды около 1,3 мм.

Правая снежинка на рис. 59 имеет очень сложную форму и видно, что она образовалась из розетки. Довольно часто неровности на самой оси служат центром роста новых кристаллов, обычно это пластины, но бывают и более сложные в виде пластинчатых дендритов и призм. Катушки, выросшие из розеток, также бывают многоярусными, а оси могут располагаться под углом, повторяя направление начального кристалла в розетке. Уже выросшие катушки могут далее покрываться изморосью. которая, в свою очередь, служит центром образования новых кристаллов различных форм. Этот мир удивительно красив и многообразен, хотя и не доступен обычному наблюдателю.