В водяном льду молекулы ориентируются относительно полярности молекулы; частичный заряд атомов водорода и кислорода приводит к правилам Бернала-Фаулера (всегда есть один атом водорода между двумя атомами кислорода и, следовательно, две сильные и две слабые связи OH для каждого атома кислорода). Из-за близкого сходства между углом молекулы воды и тетраэдрическим углом водяной лед имеет кристаллическую структуру, которая фактически является тетраэдрической. В кристаллической структуре есть неоднозначность, как показано на схеме ниже : слева структура шестиугольного льда, а справа структура кубического льда (шарики - атомы кислорода, палочки - водород). атомы).
Однако в природе стабилен только шестиугольный лед (по крайней мере, в обычных условиях), в результате чего получается фундаментальный кристалл следующей формы
Форма этой протоснежинки является фундаментальной причиной шестикратной симметрии обычных снежинок. Теперь, когда мы поняли основную единицу снежинки, давайте посмотрим, как она растет! Теперь важным соотношением в росте снежинок является соотношение Герца-Кнудсена, которое гласит:
vn=α*vkin*σsurf
где vn — скорость роста кристалла перпендикулярно рассматриваемой поверхности, α — коэффициент прилипания, σsurf — пересыщение водяного пара, vkin — кинетическая скорость. Важной величиной здесь является α, которое представляет собой число от 0 до 1 и может быть интерпретировано как вероятность прилипания молекулы водяного пара к кристаллу как к части поверхности. Это дает очень простой способ объяснить, когда образуются плоские снежинки по сравнению со снежинками в виде столбиков (как показано на диаграммах в предыдущем разделе).
- При αbasal≫αprisme водяной пар скапливается на вершинах протокристалла, образуя столбики.
- При αbasal≪aprisme водяной пар прилипает к сторонам, образуя плоские пластинчатые кристаллы. Это привело к развитию теории нуклеации. У нас есть упрощенная модель, в которой говорится
где σ0 — безразмерная константа. Точная динамика αbasal и αprism выходит за рамки этого ответа (есть много нетривиальных эффектов, которые презирают наши попытки создать красивую, красивую модель); Однако, в целом, определенные условия давления/температуры приводят к различным значениям αbasal и αprisme, что является корнем формирования столбчатых или плоских снежинок.