Снежинки-2006 - Гимназия 140

ГИМНАЗИЧЕСКОЕ НАУЧНОЕ ОБЩЕСТВО УЧАЩИХСЯ
«ПОИСК»
КОНФЕРЕНЦИЯ «МИР МОИХ УВЛЕЧЕНИЙ»
Тема:
«ЦАРСТВО СНЕЖИНОК»
Выполнил:
ученик 43 класса
гимназии № 140
Абдулин Александр
Руководитель:
Коробейникова
Татьяна Вячеславовна
ОМСК - 2006
План:
1.
2.
3.
4.
5.
История исследования снежных кристаллов.
Что же такое на самом деле «снежинка»?
От чего зависит форма снежных кристаллов?
Как образуются узоры на окнах?
Мои исследования морозных узоров.
2
1. История исследования снежных кристаллов.
Каждую зиму на землю падают мириады снежных кристаллов.
Их холодное совершенство и абсолютная симметрия поражают.
Странно, что люди разглядели эти «драгоценности изо льда»
совсем недавно.
Сколько писателей и философов были очарованы этой
недолговечной красотой! Французский философ и математик Рене
Декарт в трактате «Метеоры» (1635 год) писал, что снежинки
настолько совершенны, что это «даже трудно себе представить».
Особенно его поразила найденная им в середине снежинки
«крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля,
которым пользовались, чтобы очертить её окружность».
Первый снимок снежного кристалла под микроскопом сделал
15 января 1885 года молодой Уилсон Бентли, сын фермера из штата
Вермонт. Он был так поражён результатом, что всю свою жизнь
посвятил снегу. За 47 лет он успел сфотографировать около 5600
снежных кристаллов. Сравнивая снимки, фотограф-самоучка
обнаружил, что среди них нет двух одинаковых! Вслед за Бентли в
съёмке снега преуспел Кеннет Либрехт – профессор физики из
Калифорнии (это его снимки использованы для иллюстрации
материала).
3
2. Что же такое на самом деле «снежинка»?
Снежинки и по сей день – большая загадка для учёных. Это
чудо пытаются анализировать гляциологи (от латинского glacies –
«лёд»), изучающие формы, состав и строение льдов. И всё равно
учёные не могут с уверенностью предсказать, как будут выглядеть
снежные кристаллы, которые прилетят с неба во время следующего
снегопада.
На самом деле снежинки прозрачные. Они только кажутся нам
белыми из-за преломления света на краях кристаллов.
Удивительно, но эти прозрачные «бриллианты» строгой формы
вырастают на частичках пыли, вулканического пепла, ионах газа и
соли, цветочной пыльце, которые витают в верхних холодных
слоях атмосферы.
Когда в перенасыщенном водяными парами облаке частичка
пыли сталкивается с молекулой воды, эта парочка «взрывается» почти как кукурузные зёрна на сковородке. Тут же начинают расти
крошечные призматические кристаллы размером около 10 микрон
(один микрон равен тысячной доле миллиметра).
Среди снежинок встречаются «пластинки», «пирамиды»,
«столбики», «иглы», «стрелы», «пули», простые или сложные
«звёздочки» с сильно разветвлёнными лучами – их ещё называют
«дендриты» (от греческого dendron – дерево). Каждая снежинка
единственная в своём роде – уникальна! Однако все они имеют и
общую черту – они обладают гексагональной симметрией, то есть
все они имеют шесть граней и одну ось симметрии. Поэтому у
«звёздочек» всегда вырастают три, шесть или двенадцать лучей.
Самая редкая двенадцатиконечная «звёздочка» рождается в
грозовых облаках.
Сегодня учёные установили, что форма снежного кристалла
повторяет молекулярную структуру льда – его кристаллическая
решётка как раз состоит из шестиугольников. При температуре
ниже 0ºС свободно движущиеся молекулы воды связываются в
трёхмерный гексагональный каркас, напоминающий пчелиные
соты. Кроме того молекула воды состоит из трёх частиц (Н20) –
двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому при
кристаллизации она может образовывать трёх- или шестиугольную
фигуру. Получается, что внутреннее строение снежного кристалла
4
определяет его внешний облик. С помощью электронного
микроскопа учёные получают объёмные изображения снежинок и
следят за их изменениями при разных условиях. У этой пластинки
видны шероховатые края – начало конденсации капель воды. А эта
звёздочка готова срастись с соседними кристаллами.
Первые систематические исследования снежных кристаллов
предпринял в 1930-х годах японец Укихиро Накайя. Как и многие
японцы. Физик Накайя всегда восхищался красотой снега – в
японской культуре есть даже особое понятие «юкими», что значит
«любование снегом». Используя морозильную камеру, Накайя стал
наблюдать под микроскопом какие формы принимают снежные
кристаллы в различных условиях. В результате он выделил 41 тип
снежинок и составил первую классификацию, кроме того он
вырастил первую «искусственную» снежинку и выяснил, что
величина и форма образующихся кристаллов льда зависят от
температуры воздуха и влажности (давления паров воды).
5
3. От чего зависит форма снежных кристаллов?
Снежные кристаллы игольчатой или столбчатой формы
образуются в высоких слоях тропосферы при температуре воздуха
ниже -25ºС при низком насыщении влагой. При чуть более высоких
температурах (выше -20ºС) и при высоком перенасыщении
водяным паром образуются пластинки.
Во «влажных» облаках растут дендриты – это самые крупные
снежные кристаллы. Множество молекул воды наслаивается на все
шесть граней призмы, и та стремительно растёт. За 20 минут
кристалл увеличивается в 20 тысяч раз и под воздействием силы
тяжести падает на землю. Но и по пути к земле снежинка
продолжает расти и «ветвиться», пока не станет хрупким
дендритом, напоминающим тонкие кружева.
Идеальные кристаллы совершенной формы возникают в самой
вышине – там, где морозно и ясно. А до нас, жителей городов,
долетают весьма причудливые образования. Форма, размер и узор
снежного кристалла меняются, пока он добирается до земли через
слои воздуха с разной температурой и влажностью.
Ветер ломает лучи кристаллов, на их поверхности осаждаются
капли воды, некоторые слипаются друг с другом. Часто до земли
долетают крупные снежные хлопья неправильной формы –
несколько сросшихся пластинок. Скорость падения снежных
кристаллов от 0,1 м/с до 2 м/с. Самую большую снежинку увидели
28 января 1887 года в США в штате Монтана. В диаметре она была
38 см. В 1971 году в Братске (Иркутская область) приземлялись
снежные хлопья размером 20-30 см.
Обледеневшие кристаллы с изменёнными формами называют
«ледяным дождём». Летом мощные тучи нередко разражаются
градом. В насыщенных водяным паром облаках лёд слоями
намерзает на ядро кристаллизации. В градинах размером от
нескольких миллиметров до 20см чередуются прозрачные и мутные
слои льда, иногда в них «застревают» частицы пыли и даже
насекомые.
6
4. Как образуются узоры на окнах?
Снежный кристалл часто растёт как фрактал, образуя
сложную нерегулярную структуру, части которой подобны целому.
В природе фракталы можно увидеть повсюду – в очертаниях гор,
рек, морских берегов, деревьев, сосудистой системы…И в
морозных узорах на окнах!
Фракталы – множества
с крайне нерегулярной
разветвлённой и изрезанной структурой. Термин введён Б.
Мандельбортом в 1975 году, хотя подобные объекты изучались в
математике с конца XIX века. Основной характеристикой фрактала
является дробная размерность.
Для образования инея на окнах, как и на деревьях, траве,
нужны определённые условия. Иней образуется из мелких
кристалликов замёрзшей воды. Когда воздух охлаждается,
содержание влаги в нём уменьшается, избыток воды
конденсируется на оконном стекле. Когда температура воздуха
опускается ниже 0ºС, вода кристаллизуется.
Почему же в мороз появляются рисунки на оконном стекле? С
одной стороны, сами кристаллики имеют свою структуру, которая
определяет рисунок. Кроме того, царапины на поверхности стекла,
частички пыли, воздушные потоки помогают Деду Морозу
создавать красивые узоры на окнах.
5. Мои исследования морозных узоров.
Хотя у меня нет электронного микроскопа, я всё же попытался
сделать как можно больше снимков цифровым фотоаппаратом.
Увеличить снежинку, чтобы получился хороший кадр, я не смог.
Зато у меня получилось много снимков окон с красивыми узорами.
И, действительно, узоры никогда не бывают одинаковыми, даже на
одних и тех же окнах в разные дни.
Но, не смотря на то, что я теперь знаю как образуются
снежинки и узоры на окнах, я согласен с Укихиро Накайя, который
сказал: «Снег – это послание небес, написанное тайными
иероглифами».
7
Использованная литература:
1.
2.
3.
4.
Н. Мазно. Наука о льде. М. 1988
А. Ликум. Всё обо всём. т.1. М. 1993
ГЕО Непознанный мир: Земля. Дек. 2005
Российский энциклопедический словарь.
вариант.
8
Электронный