На выставка «Масштабный фактор» на примере воды показан структура льда до образования снежинки. Молекулы формируют тетраэдр через связи О=Н–О, в которых участвуют два типа связей. Образуется тетраэдр. Но немного скошенный. На концах тетраэдра в молекулах воды протоны могут занимать разные позиции. Но и тетраэдр может быть ориентирован 6-ю способами.
Установлено 19 разновидностей льда. Они все формируются обычно при низких температурах и высоком давлении. Но на Земле встречаются только два типа один (основной) Лед IН и Лед IС. Кубический лед образуется редко в верхних слоях нашей атмосферы при температурах ниже 130°С.
Если увеличить масштаб в два десятка раз, то лед гексагональный можно представить в виде шестиугольной призмы. Кристалл льда растущий из водяного пара обычно образует так называемый скелетный кристалл связанный с формой этой призмы. На призме есть пять особых точек — направлений, в которых может прирастать твердое вещество льда — вершины, ребра (двух типов) и грани. Скелетные формы бывают вершинные, реберные и гранные.
Прекрасные снежинки, которые можно рассматривать бесконечно, являются монокристаллами льда, имеющими вариативную шестиугольную форму. Кристаллы эти образуются быстро, в неравновесных условиях, поэтому каждый из них уникален. Как образуется снежинка. Вначале из водяного пара в воздухе образуется зародыш снежинки. Обычно она формируется на частичках пыли, каплях воды, имеющих размеры в сотни раз превышающих тетраэдр и его форма максимально округлая. Для зарождения капель воды и появления зародыша снежинки используется иодид серебра. Эти кристаллы обладающие отличной смачиваемостью водой. Это вещество распыляют над облаками и стимулируют выпадение осадков в нужном месте.
Пять особых направлений ярко проявляются при разрастании зародыша льда. Если кристалл растет по направлению оси призмы, то образуются иголки. Они наблюдаются в сильные морозы при солнечной погоде. При росте в других направлениях растут снежинки разного вида. Из этих пяти направлений наиболее вероятны ребра между гранями призмы и нормали к грани призмы.
Расщепление иголок и преобразование в реберные формы и даже в гранные формы происходит случайно и может быть связано с ничтожно малыми изменениями температуры, давления, концентрации водяного пара. Поскольку эти локальные скачки трех переменных не предсказуемы и случайны, то и форма кристалла всегда уникальна.
Есть еще два фактора, влияющих на уникальную форму снежинок — независимость роста каждой из шести иголок и область питания отдельной иголки. Независимость роста позволяет различать отдельные иголки между собой, а область питания не дает возможности часто срастаться соседним веткам снежинки.
Скорость роста снежинки в воздухе составляет долей миллиметра до десятков мм в минуту.
Рост льда в жидкой воде (из расплава) происходит, как правило без образования скелетных кристаллов. За то скорость роста может составить метры в секунду. Именно так растет искусственный снег на лыжных трассах. Отдельные кристаллы льда — компактные гранулы, позволяющие устанавливать рекорды скорости лыжников. Но при низких температурах это сильный абразив как речной песок. Если ветру дать возможность сломать все иголки у снежинок, то снежное покрытие будет приближаться к искусственному снегу. Так в Антарктиде возникает проблема передвижения на резиновых шинах. Они быстро истираются.
