Вода может существовать в трех фазах: жидкой, газообразной и твердой — вода, пар и лед. Из каждого состояния она может переходить в любое другое. Когда вода превращается в пар, мы говорим об испарении, когда в лед — о замерзании. Пар может конденсироваться в воду или превращаться в лед. Лед может возгоняться в пар, тая, он превращается в воду. Часто считают, что если воду остудить до температуры ниже нуля, то она превратится в лед. Это не всегда так. Вода может существовать и в сильно переохлажденном состоянии; соблюдая известные условия, можно переохладить воду до нескольких десятков градусов ниже нуля. Но достаточно малейшего импульса, иногда даже толчка, чтобы вода почти мгновенно превратилась в лед. Чем меньше капля воды, тем легче ее переохладить. Капля диаметром 0,000001 мм при температуре —50°.не замерзает. В Антарктиде наблюдали капельно-жидкие туманы при температуре —40°.
Для того чтобы вода или пар превратились в лед, необходимы ядра конденсации. Для пара такими ядрами конденсации могут служить пылинки, ионы и молекулы определенных газов.
При переохлаждении водяного пара, например, в облаке начинается превращение водяного пара в кристаллы льда. При этом образуются твердые осадки — град, крупа, снег. Не имея возможности рассказывать обо всех видах твердых осадков, мы остановимся на самом распространенном типе — снежинке.
Снежинки очень разнообразны по форме. Среди них различают десятки различных видов. Они могут иметь форму звездочек, пластинок, игл, ежей, столбиков, запонок и многих других. Известны коллекции снежинок, собранные рядом ученых. Сохранить снежинку невозможно, поэтому ее фотографируют под микроскопом на черном фоне. Коллекции таких фотографий насчитывают несколько тысяч снимков, причем среди них нет и двух совершенно похожих.
Размеры снежинок колеблются в довольно широких пределах. Например, звездочки имеют диаметр от 0,5 до 7 мм. Толщина такой звездочки колеблется от 0,005 до 0,06 мм. Вес ее 0,0001—0,0005 грамма. Иногда снежинки сцепляются между собой, образуя хлопья снега. Хлопья могут достигать размеров от нескольких миллиметров до нескольких десятков сантиметров. В таких гигантских хлопьях бывает 2000–3000 снежинок, и вес их иногда достигает 1,5 грамма.
Форма снежинок зависит от условий, в которых они образовались, от насыщенности пара, от температуры воздуха в облаке. Единственно, что общего имеют все снежинки, — это исходную форму кристалла — правильного тетраэдра, или четырехгранника, каждая грань которого равносторонний треугольник. Пожалуй, лучшая иллюстрация кристалла льда — упаковка молока в вощеные пакетики, которые тоже имеют форму четырехгранника. Любая снежинка — это комбинация таких четырехгранников, а поэтому все снежинки имеют шестилучевое строение, и лучи, грани, ребра всегда образуют углы между собой, кратные 60°. Иногда на рисунках художников можно увидеть восьмилучевые снежинки. При всем разнообразии снежинок в них не может образоваться восемь лучей. Конечно, художники не знают кристаллографии, но пусть они будут внимательнее, разглядывая снежинки. Ведь не изобразят же они человека на трех ногах.