В ходе ток-шоу ученые, которые представляют различные отрасли знаний, «разбирают на атомы» общую тему. На этот раз математик и метеоролог посмотрели с необычных точек зрения на снег.
Профессор Валентина Горбатенко, заведующая кафедрой метеорологии и климатологии Томского государственного университета, рассказала о том, почему бывает разноцветный снег, от чего зависит форма снежинок и почему в пустыне Сахара все чаще идет снегопад.
А Михаил Семёнов, доцент Отделения экспериментальной физики Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета, рассказал о математических определениях, которые позволяют описывать форму снежинок, о том, что такое снежинка Коха и как эта природная форма вдохновляет компьютерщиков.
Где снег выпадает чаще всего и откуда он в Сахаре
Для нас, как жителей одной из самых заснеженных стран, снег является вполне обычным явлением, которое мы наблюдаем каждый год. Но на самом деле половина всего населения Земли никогда не видели снега вживую. Впрочем, из-за процессов глобального потепления снегопады все чаще случаются в совсем неожиданных местах, например, в пустыне Сахара за последние 40 лет это случалось уже трижды. 7 января 2018 года там выпал 40 сантиметровый слой снега, который пролежал довольно долго и растаял только к вечеру.
Метеорологи связывают это с процессом, называемым меридиональной циркуляцией: из-за происходящих в последние десятилетия изменений климата теплые воздушные массы выносит все дальше и глубже в Арктику, а холодные массы оттуда ― все дальше на юг.
При этом чаще всего снег выпадает не в северных регионах земли и не в Арктике, а в городе Аомори на севере Японии. В Японии же находится и единственный в мире музей снежинок, названный в честь основателя Накайя Укисиро ― специалиста по физике атмосферного льда, получившего известность благодаря исследованию природных ледяных кристаллов.
Кому-то может показаться удивительным, но к самым холодным странам мира относятся Казахстан и Монголия ― там средняя температура равняется нулю градусов Цельсия. Но, конечно, наибольшее количество снега лежит в Антарктиде: снежное покрытие там может достигать 3 километров в высоту.
Разноцветный снег и 180 его обозначений
Одним из самых удивительных явлений на планете можно назвать выпадение цветного снега ― впрочем, это случается чаще, чем вы думаете. Например, желтый снег могли наблюдать жители Омской области в 2007 году, а розовый ― жители Приморского края в 2006-м. В 2002 году разноцветный снег выпал на Камчатке, а в 2006 году жители Колорадо столкнулись с удивительным «арбузным снегом», который не только обладал характерным ярким цветом, но имел запах и даже вкус арбуза.
Снег бывает также зеленым и даже фиолетовым. Виной этому ― особые водоросли под названием хламидомонада снежная, которые живут только в холодных условиях и погибают при -4 градусах.
Во многих культурах белый цвет считается символом смерти и зла — и это может понять любой, кто оказался на Крайнем Севере во время полярной ночи. У норвежцев есть пословица: «Северный ветер создал викингов» — суровых, мужественных, аскетичных, но в то же время крайне отзывчивых и сильных людей. Особый скандинавский менталитет, который многие описывают как флегматичный, специалисты считают прямым следствием условий их жизни.
Раньше считалось, что больше всего слов, связанных с обозначением различных видов снега и льда, у эскимосов. Но их победили саамы, живущие на севере Скандинавии, — в их лексиконе насчитывается как минимум 180 таких слов. Например, свои обозначения есть у первого и последнего снегопада в году, а также вчерашнего и завтрашнего; у снега, подходящего и не подходящего для строительства, у медленно или быстро идущего снегопада. Отдельным словом называется снег, заметающий всю деревню.
Как образуется снег и от чего зависит его форма
То, что снег ― это просто замерзшие капли дождя, большое заблуждение. На самом деле влага из воздуха из газообразного состояния сразу превращается в твердые кристаллики льда, минуя стадию жидкости. Такой процесс «перескакивания» через агрегатное состояние называется сублимацией.
В среднем снежинки имеют диаметр 5 мм и вес около 0,004 гр. Но бывают и исключения, например, 30 апреля 1944 года на территории Москвы видели снежинки размером с человеческую ладонь. Особую шестиконечную форму снежинок впервые описал шведский пастор Олаус Магнус в 1555 году. Он же был первым, кто заметил, что каким бы замысловатым ни был узор, мотив шестиугольника всегда повторяется.
Впрочем, снежинки далеко не всегда имеют красивую форму дендритов ― именно так называется классическая в нашем представлении звездчатая форма. Снежинки бывают в виде пластин, стобиков, полых столбиков, колонн, игл и так далее. Это прямым образом зависит от условий окружающей среды: сочетаний показателей температуры и влажности воздуха в различных комбинациях.
Например, звезды получаются при -2 и -15, а вот при -5 или -10 формируются колонны и стройные иглы. А еще на форму снежинок влияет ветер: чем он слабее, тем больше их размер, а вот сильный ветер ломает их и превращает в «осколки». Подробную схему зависимости температурных условий и влажности на форму снежинок описал тот самый Накайя Укисиро, который основал музей в Японии.
Как снежинки вдохновляют математиков и компьютерщиков
Шестикратная симметрия возникает из-за расположения молекул воды в решетке кристаллического льда. При вращении модели H2O можно отчетливо увидеть шестиугольники. Простая формула, по которой строятся снежинки, описывается в теории нечетких автоматов и активно используется в компьютерном моделировании. А сама схема снежинки служит вдохновением для проектирования хранилищ и баз данных.
Снежинка Коха ― одна из самых известных фрактальных кривых. Она строится из равностороннего простого треугольника: каждая сторона делится на три равные части и вмещает в центральной части такой же равносторонний треугольник. Если убрать основания треугольников, как раз получается шестиконечный дендрит ― снежинка. Далее процесс итеративно повторяется.
Вы можете сами попробовать построить фрактальные снежинки, используя онлайн-сервисы, например, по ссылке. Это простейшая демонстрация фрактальной графики, которая используется, например, в создании компьютерных игр для генерации карт и ландшафтов.
Полную версию лекции можно посмотреть на канале сети ИЦАЭ в YouTube.
