Физическое и математическое обоснование разнообразия форм

Какинская основная школа – филиал МБОУ Итмановской СШ
Исследовательская работа
«Физическое и математическое
обоснование разнообразия форм снежинок»
Выполнила ученица 8 класса
Антипова Вика
Руководитель: учитель физики и
математики Шумилова С.А.
2015 г.
0
Содержание
Введение
1.
2
Снег как погодное явление
4
1.1.
Виды снегопадов
5
1.2.
Типы снега
6
1.3.
Искусственный снег и его применение
7
2.
История исследования снега
3.
Образование снежинок
12
3.1.
Классификация снежинок
3.2.
Математическое обоснование разнообразия
форм снежинок
3.3.
4.
9
15
17
Факторы, влияющие на образование снежинок
Наблюдение за формированием снежинок
21
24
Заключение
25
Литература
26
Приложения
27
1
«Воздух, в котором они возникают,
наполнен творческим гением. Вряд ли я
восхитился бы больше, даже если бы
мне на пальто упали настоящие звезды»
Генри Дэвид Торо
Введение
Я очень люблю зиму. На ветках деревьев сияет от солнечных лучей
всеми красками иней. Падают белые снежинки, они ложатся на землю, на
крыши домов, на деревья, на людей. Всё вокруг покрывается белым
пушистым одеялом. Мне нравиться ловить снежинки и разглядывать их.
Они очень красивые, будто кружевные и все разные. Иногда они
сливаются вместе и большими хлопьями падают на землю. Иногда
холодный ветер ломает белые звездочки, превращая их в мелкую
снежную пыль, и тогда их разглядеть очень
трудно. Откуда же
появляются снежинки, почему они такие разные по форме и размерам? Мне
захотелось более подробно изучить это погодное явление.
Поэтому я
поставила перед собой цель:дать физическое и математическое обоснование
разнообразия форм снежинок.
При проведении исследования мне предстояло решить следующие
задачи:
1)
рассмотреть классификацию снежинок;
2)
определить факторы, влияющие на форму снежинок;
3)
изучить процесс образования и роста снежинок;
4)
провести наблюдения за формой снежинок в зависимости от погодных
условий;
5)
определить зависимость форм снежинок от внешних условий
(температура, влажность воздуха);
Гипотеза:
формы снежинок зависят от погодных условий:
атмосферного давления,температуры и влажности воздуха.
Объект исследования: снежинки при разных погодных условиях.
2
Предмет исследования:процесс формирования снежинок
Методы исследования:
1)
сбор информации, её систематизация и обобщение;
2)
наблюдение;
3)
измерение
атмосферного
давления,
температуры
и
влажности воздуха.
Актуальность
данной
темы
обусловлена
тем,
что
создание
искусственного снега в настоящее время имеет большое значение.
Искусственный снег, созданный при помощи снежных пушек, применяется
на горнолыжных курортах для подготовки склонов к катанию, при
подготовке горнолыжных трасс к олимпийским играм.
3
1.
Снег как погодное явление
Снег является одним из непременных атрибутов зимы. Несмотря на то,
что возможны низкие зимние температуры и при отсутствии снега, одно из
основных
условий
климатической
зимы
—
наличие
устойчивого
(постоянного) снежного покрова, который лежит в течение всей зимы
непрерывно или с небольшими перерывами.
Вместе с тем, в некоторых особо тёплых регионах планеты (например,
на Аравийском полуострове) такое погодное явление, как снег, отсутствует
или наблюдается только один раз в несколько десятилетий.
В России постоянный снежный покров устанавливается почти на всей
территории страны. Сроки его установки варьируют от года к году и от
сроков наступления климатической зимы. В северо-восточных районах
(Республика Коми, Красноярский край, Чукотка, Якутия), где климат
наиболее суров, снег ложится уже в начале октября и держится местами до
начала июня.
В Оймяконе осадки могут выпадать в виде снега и образование
временного снежного покрова возможно в любой месяц года, средняя дата
образования постоянного снежного покрова в Оймяконе — 24 сентября,
незадолго до дня осеннего равноденствия, но постоянный снежный покров в
Оймяконе может образоваться и на месяц ранее, 24 августа, тает снег в
Оймяконе в среднем с 17 мая по 31 мая, средняя продолжительность лежания
устойчивого снежного покрова в селе — 237 суток, но возможно и 282 суток.
В Хатанге устойчивый плотный постоянный снежный покров отмечается не
менее 256 суток в году, с 23 сентября по 5 июня. В Норильске снежный
покров лежит в среднем 244 суток в году, но может лежать и 277 суток. На
мысе Челюскин снежный покров присутствует чуть более одиннадцати с
половиной месяцев в году. На некоторых арктических островах России он
может присутствовать весь год, где средняя температура самого тёплого
месяца в году в некоторых местах составляет −1,2 градуса. В июне на острове
Визе высота снежного покрова может составить 50 сантиметров. В средней
4
полосе России первый снег обычно выпадает в конце октября — начале
ноября, снежный покров устанавливается во второй половине ноября, а
сходит полностью в конце марта. В равнинной части южных областей
европейской части России (особенно в Причерноморье) долговременный
снежный покров (дольше 2-3 недель) устанавливается только в особо
суровые зимы, и не везде. Самая ранняя дата установления временного и
постоянного снежного покрова в Москве за 1946—2013 годы — 25 сентября
(1976 год) и 24 октября (1993 год) соответственно. В 1993 году в Москве
временный снежный покров образовался 29 сентября.
1.1.
Виды снегопадов
Снег характеризуется разнообразными параметрами: толщиной покрова,
количеством в нём воды, рассыпчатостью и т. д. Кроме типичных,
существуют особые снегопады, связанные с внетропическими циклонами,
озёрами и горной местностью.
Внетропические циклоны, свойственные в Северном полушарии для
Западной Европы, Канады и Гренландии, могут создать экстремальные
условия, когда идут проливной дождь и обильный снег при ветре,
превышающем 119 км/ч. Полоса осаждения, которая связана с их тёплым
фронтом, часто обширна и вызвана слабым восходящим движением воздуха
над фронтальной границей; влага конденсируется, когда остывает и создает
осадки, формируя полосу слоисто-дождевых облаков. В холодном секторе,
по направлению к полюсу и к западу от центра циклона, малые или средние
полосы выпадения снега обычно имеют ширину от 32 до 80 км. Эти полосы
связаны с областями фронтогенеза циклона, или зонами температурного
контраста.
Часто приходящий с циклонами холодный воздух может приводить к
эффектам полос выпадения снега над большими водоёмами: крупные озера
эффективно аккумулируют тепло, что приводит к значительной разнице
температур (более 13 °C) между поверхностью воды и воздухом выше,[8] изза этой разности температур, тепло и влага перемещаются вверх, уплотняясь
5
в вертикально ориентированных облаках, которые производят снег. Чем
сильнее понижение температуры с высотой, тем гуще образующиеся облака,
и чем интенсивней снегопады.
В горных районах сильные снегопады идут, когда воздух вынужден
подниматься в горы и, охлаждаясь, отдавать лишнюю атмосферную влагу,
выпадающую в холодных условиях высокогорий на их наветренных склонах
в виде снега. Из-за особенностей горного ландшафта прогнозирование
сильных снегопадов остается здесь серьёзной проблемой.
1.2.
Типы снега
Типы снега можно обозначить через форму хлопьев, скорость
накопления и способы скопления его на земле. Виды снежных осадков,
которые, из-за циклов таяния и замораживания, падают в виде шариков, а не
хлопьев, известны как крупа. После того как снег оказывается на земле, он
может быть классифицирован как порошкообразный, когда он ещё
пушистый,
гранулированный,
когда
он
прошёл
цикл
плавления
и
замораживания, и, в конце концов, — как превращённый в плотный лёд
после уплотнения и дрейфа вниз в многократных циклах таяния и
замораживания. Лыжники и сноубордисты разделяют выпавший снег на
целяк, круд, наст, снежную кашу и лёд. Когда снег порошкообразный, то он
под воздействием ветра может создавать снежные заносы вдали от места,
первоначального выпадения, формируя высокие сугробы или снежные ямы
глубиной в несколько метров. Снегозащитные заграждения созданы, чтобы
управлять снегом, дрейфующим около дорог, повышая безопасность
дорожного
движения.
Снег,
выпавший
на
горных
склонах,
может
превратиться в снежную плиту, которая может скатиться по крутому склону
ввиде лавины. Замороженный эквивалент росы, известный как иней, образует
формы снежного покрова на охлаждённых предметах, когда ветры слабые.
Интенсивность снегопада определяется по видимости. Когда видимость
составляет более 1 км, снег считается лёгким. Как умеренный снег
описывается снегопад, ограничивающий видимость 0,5-1 км. Сильным
6
снегопад называют, когда видимость составляет менее 0,5 км. Устойчивый
снег значительной интенсивности часто называют «метелью» (снежный
шторм). Когда снег различной интенсивности и малой продолжительности,
он описывается как «ливневой снег».
1.3.
Искусственный снег и его применение
Создание искусственного снега в настоящее время имеет важное
значение в условиях малоснежной зимы.
В том случае если нужно продлить горнолыжный сезон или
натурального снега недостаточно для катания на лыжах, то можно
использовать искусственный снег, изготовленный при помощи снежных
пушек.
Любителями горных лыж считается, что искусственный снег уступает по
своим характеристикам естественному. Это происходит потому, что
естественный снег состоит из снежинок, а искусственный — из не всегда
полностью замёрзших капель воды, в результате чего и плотность и
влажность создаваемого таким образом снежного покрова значительно выше.
Искусственный снег лежит дольше естественного, тем самым оказывая
влияние
на почву, растительность и гидрологический
режим поверхности.
Последствия использования химических веществ или микроорганизмов при
его производстве, с целью более эффективного замерзания капель,
допускаемое в ряде стран, включая Россию, на сегодня изучены слабо.
Принцип
производства
искусственного
снега
можно
описать
в
нескольких фазах:
1-й этап - включает в себя образование водяных капелек в соплах
снежного ружья размером от 100 микрон,
2-й этап - охлаждение в результате распространения смеси (вода-воздух)
в свободном пространстве приводит к образованию зародышей кристаллов,
что ведет к росту размера капли на 350 - 400 микрон,
3-й этап - происходит достижение окончательной величины капли 600 700 микрон под влиянием наслаивания других капелек воды, это является
7
оптимальной величиной капли для замерзания с минимумом выпаривания и
устранением относа ветром,
4-й этап - предполагает замерзание летящих частиц воды,
5-й этап - включает в себя укладывание снежных частиц на поверхность
трассы съезда, продолжается кристаллизация и созревание снега.
Размер выходящих капелек оказывает
значительное влияние на
образование снега, он определяется конструкцией сопла и давлением воды в
снежном ружье. На снегообразование в значительной степени оказывает
влияние и влажность воздуха, которая имеет влияние на передачу свободной
энергии от водяных частиц в атмосферу. Величину, рассматривающую
зависимость температуры воздуха и относительной влажности, обозначаем
как мокрая температура. Она определяет, какой предельно возможно низкой
температуры может достичь капелька воды в атмосфере в жидком состоянии.
8
2.
История исследования снега
Полные идеальной гармонии конструкции снежных кристаллов уже на
протяжении многих лет вызывают интерес людей.
Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году издал научный трактат «О
шестиугольных
снежинках»,
в
котором
подверг
чудеса
природы
рассмотрению со стороны жёсткой геометрии.
Миниатюра «О шестиугольных снежинках» — это раритет науки,
документ теоретической кристаллографии и гордость её истории. «Изобилие
глубочайших идей, широта подхода при рассмотрении причин образования
снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие
высказанных гипотез поражают и сейчас» — вот авторитетное мнение
историка кристаллографии И. И. Шафрановского.
В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ,
математик
и
естествоиспытатель
Рене
Декарт,
написавший
этюд,
включённый им впоследствии в «Опыт о метеорах» или просто «Метеоры».
В 1665 году английский естествоиспытатель Роберт Гук издал большой
труд под заглавием «Micrographia», который содержал эскизы практически
всех форм кристаллов, которые он смог увидеть с помощью только что
изобретенного микроскопа. Работы Гука впервые показали сложность, и
запутанность симметрии кристаллов снега.
В историю исследования снежинок внесли свою лепту и японцы.
Феодальный правитель Страны восходящего солнца Тосицура Онаками Дои
с присущим японцам чувством точности и хрупкости красоты составил 97
рисунков «снежных цветков». Сделанные в 1839 году, они с полным правом
считаются самыми точными изображениями снежинок до открытия
микрофотографии.
Но особенно формами снежинок учёные заинтересовались благодаря
Уилсону Бентли – фермеру по прозвищу «Снежинка» из американского
штата Вермонт. Он родился в 1865 году и в пятнадцатилетнем возрасте
получил в подарок от матери микроскоп. На улице мальчик рассматривал
9
снежинки, которые поразили его разнообразием и красотой форм. На
протяжении трех зим он пытался зарисовать снежные кристаллики, но они
были слишком сложны и быстро таяли. Фотоаппарат, прикрепленный к
микроскопу, разрешил эту трудность, и в 1885 году, после множества проб и
ошибок,
он
получил
первую
удачную
фотографию
снежинки
под
микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, сделав более 5000
уникальных снимков. На основе его работ было доказано, что не существует
двух абсолютно одинаковых снежинок (что впоследствии существенно
дополнило теорию кристалла).
Впоследствии К. Либбрехт и У. Накайя развили теорию о прямой
зависимости уникальной формы снежинок от окружающих ее внешних
факторов среды – показателей влажности и температуры воздуха. Они
подтвердили это в своих экспериментах, поставленных в лабораторных
условиях. Для этого они выращивали в своей лаборатории кристаллы льда, и
изучали подробно весь процесс «рождения» и «роста» снежинок. Эти работы
Кеннета Либбрехта можно увидеть на сайте SnowCrystals.com.
Японский ученый НакаяУкитиро называл снег "письмом с небес,
написанным тайными иероглифами". Он первым создал классификацию
снежинок, в которой он подразделил падающий снег на 41 индивидуальный
морфологический тип. Именем Накая назван единственный в мире музей
снежинок, расположенный на острове Хоккайдо, в котором хранятся первые
снимки и машина для получения снежинок. Классификация снежинок Накая
приведена в Приложении 1.
1889-м году в Санкт-Петербурге действительным членом Русского
Географического Общества бароном Николаем Васильевичем Каульбарсом
впервые были обнаружены снежинки довольно необычной формы. Её
описание можно узнать из заметки д. чл. барона Н. В. Каульбарса
Приложении 2.
10
в
В 1951 году Международная комиссия по снегу и льду приняла
довольно простую и получившую широкое распространение классификацию
твёрдых осадков, которую я рассмотрю более подробно в п. 3.
Самую сложную и полную классификацию произвели метеорологи С.
Магано и Сю Ли в 1966 году – в ней описано 80 типов кристаллов.
В 2001 году свои исследования в области снега начал профессор физики,
астроном
Кеннет
Либбрехт
(KennethLibbrecht)
из
Калифорнийского
технологического института. В своей работе Кеннет Либбрехт использует
полный справочник «охотника за снежными кристаллами» (Приложение 3).
В
лаборатории
профессора
Либбрехта
искусственно.
11
снежинки
выращиваются
3. Образование снежинок
Снежинка - это замороженный кристалл воды, имеющий форму
шестилучевого многогранника. При температуре окружающего воздуха в
тридцать градусов мороза, легкие замороженные кристаллы воды выпадают в
виде осадков на землю, образуя на ней снежный покров. Кристаллы
образуются в замороженных облаках при их переходе из парообразного
состояния
в
замороженную,
кристаллическую,
твёрдую
фазу.
На
возникновение и рост водных кристаллов — снежинок, напрямую оказывает
свое непосредственное влияние, температура и влажность окружающего
воздуха.
Процесс «рождения» и формирования снежинки начинается в облаках,
при температуре воздуха, опускающейся ниже пятнадцати градусов под
нулевой отметкой: образуются кристаллы заледеневшей воды. Каркасом, или
ядром этих кристаллов, являются микроскопические льдинки. Когда к ядру
присоединяются молекулы воды, они придают снежинке шестигранную
форму. Эта форма снежинки зависит от молекулярного строения воды и ее
необыкновенных свойств. Являясь пирамидой, содержащей в своем центре
кислород, а на ее вершинах располагается водород. Снежинка — это
стремительно выросший в неравновесных условиях кристаллик льда.
Шестигранники имеют свойство расти вдоль своей оси, а так же запросто
могут расти и перпендикулярно этой оси. В результате этого процесса и
становится возможным формирование различных по своей форме и размерам
снежинок. Это очень различающиеся между собой кристаллические
образования, принимающие форму шестиугольных звёздочек, столбиков или
иголочек.
В снежинке, в одно и то же время, уживаются вместе и порядок, и хаос.
Имея гексагональную решетку, атомы кислорода в снежинке имеют
упорядоченность, а атомы водорода - находятся в полном хаосе. Снежинка
имеет свою уникальную форму и ровные грани, благодаря особенной
ориентации молекул в решётке и расположению свободных водородных
12
связей. Когда молекулы пара заполняют собой пустоту вокруг, снежинки
приобретают форму с ровными краями. Они летят с неба при относительно
небольшой влажности, и это не зависит, теперь уже, от температуры
окружающего воздуха.
Во время полета снежинки, на ее гранях появляются характерные
неровности. Каждая из неровностей притягивает к себе молекулы воды и
снежинка постепенно увеличивается. До того, как упасть на землю, снежинка
долго летит. В это время она чаще своими выпуклыми бугорками, чем
гранями, соприкасается со все новыми, и новыми молекулами воды. В
результате, на этой основе, из каждой грани очень быстро вырастают
толстенькие лучики. При этом, на бугорках лучика образуются мелкие,
множественные ответвления. В полете абсолютно все грани одной снежинки,
находятся в идентичных условиях, способствующих их равномерному росту
и формированию лучиков на абсолютно всех гранях снежинки. В идеальных
условиях специализированных лабораторий, происходит симметричный рост
всех шести лучиков снежинки и ответвления лучиков снежинки так же
растут симметрично. В естественной атмосфере земли, при полете, рост
снежинки подчиняется натуральным условиям, существующим по законам
природы. Снежинки - это, так называемые, нерегулярные кристаллы, а
потому только часть из шести направляющих лучиков имеет склонность к
симметрии.
Скорость падения снежинок на землю очень мала — она составляет не
более 0,9 км/ч. Это происходит от того, что при относительно большом
размере хлопьев снега, снежинка почти ничего не весит, ее вес составляет
около одного-двух миллиграммов. И лишь немногие из снежинок способны
долететь до земной поверхности, а многие из них исчезают - тают, еще в
воздухе. Абсолютно каждая снежинка имеет собственную уникальность и
существует абсолютно в единственном числе; каждая из снежинок не может
повторить ни одной из своих «соплеменниц» ни по форме, ни по размерам.
У. А. Бентли, который увлекался изучением погодных условий и их
13
особенностей, на протяжении почти полувека фотографировал различные
снежинки, для того, чтобы проверить, на самом ли деле это так. И ему ни
разу не удалось обнаружить одинаковых снежинок в течение всех этих лет!..
Обычная снежинка весит около миллиграмма (очень редко 2-3
миллиграмма, хотя бывают и исключения - самые крупные снежинки выпали
30 апреля 1944 года в Москве. Пойманные на ладонь, они закрывали её почти
всю целиком и напоминали страусиные перья).
Миллиарды "невесомых" снежинок способны повлиять даже на скорость
вращения Земли. Только в августе, в период наименьшей заснеженности
Земли, когда снегом бывает покрыто 8,7% всей поверхности планеты,
снежный покров весит 7400 миллиардов тонн. А к концу зимы в северном
полушарии масса сезонного снега достигает 13.500 миллиардов тонн. Но снег
оказывает влияние на Землю не только своим весом. Снежный покров
отражает в космос почти 90% лучистой энергии Солнца. Свободная от снега
суша отражает только 10, максимум 20%.
Слой в один сантиметр слежавшегося за зиму снега дает 25-35
кубометров воды на 1 га.
14
3.1.
Классификация снежинок
Даже
невооруженным
взглядом
рассматривая
снежинки,
можно
заметить, что ни одна из них не повторяет другую. Предполагается, что в
одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, каждая
из которых уникальна. Не бывает пятиугольный или семиугольных
снежинок, все они имеют строго шестиугольную форму (хотя советских
художников заставляли рисовать на плакатах пятиконечные снежинки).
В 1951 году Международная Комиссия по Снегу и Льду приняла
классификацию твёрдых осадков. Согласно ей все снежные кристаллы можно
разделить на следующие группы: звёздчатые дендриты, пластинки, столбцы,
иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные
формы. К ним добавились еще три вида обледеневших осадков: мелкая
снежная крупка, ледяная крупка и град.
Звёздчатые дендриты - кристалл или другое образование, имеющее
древовидную, ветвящуюся структуру. Они имеют шесть симметричных
основных веток и множество расположенных в произвольном порядке
ответвлений. Их размер - 5 мм и более в диаметре, как правило, они плоские
и тонкие - всего 0.1 мм.
Пластинки - множество ледяных ребер как будто делят лопасти
снежинок на сектора. Как и звёздчатые дендриты, они плоские и тонкие.
Столбики. Хотя плоские, пластинчатые снежинки больше притягивают
взгляд, тем не менее самой распространенной формой снежных кристаллов
является столбик или колонна. Такие полые столбики могут быть
шестигранными, в виде карандаша, заостренные на концах в виде конуса.
Иглы - столбчатые кристаллы, выросшие длинными и тонкими. Иногда
внутри них сохраняются полости, а иногда концы расщепляются на
несколько веточек.
Пространственные дендриты. Очень интересные конфигурации
получаются, когда плоские или столбчатые кристаллики срастаются или
15
спрессовываются, образуя объемные структуры, где каждая веточка
расположена в своей плоскости.
Столбики с наконечниками. Изначально такие кристаллы имеют
столбчатую
форму,
но
в
результате
некоторых
процессов
меняют
направление роста, превращаясь в пластинки. Такое может произойти, если,
кристалл заносит ветром в зону с другой температурой.
Кристаллы неправильной формы. На долю снежинки может выпасть
немало приключений, она может попасть в зону турбулентности и потерять в
ней некоторые из своих веточек или разломаться совсем. Обычно таких
"покалеченных" снежинок много в сыром снеге, т.е. при относительно
высокой температуре, особенно при сильном ветре.
На рисунке символы: F1-пластинки; F2 - звездочки; F3-столбики; F4 иголки; F5 -пространственные звездочки; F6 - столбики с пластинками; F7 кристаллы неопределенной формы; F8 - снежная крупа; F9 - ледяные зерна;
F0 - град. Первый столбик - графические символы.
16
3.2.
Математическое обоснование разнообразия форм снежинок
Чтобы понять почему снежинка имеет такую форму, обратимся к
молекуле воды она представляет собой треугольник:
Кристаллы льда имеют форму шестигранника, который состоит из
вышеупомянутых треугольников:
Этот самый первый кристаллик — будущая снежинка. Дальнейший
его/её рост будет происходить за счет присоединения новых молекул
водяного пара к кристаллику.
Хотя порядок присоединения новых молекул хаотичный, в конечном
итоге они выстраиваются в шестигранники, такие же, как и наш первый
кристаллик.
17
Далее у снежинки начнут расти ответвления. Как именно они буду
выглядеть зависит от температуры, влажности, давления и кучи других
факторов.
Кристаллики присоединяются друг к другу всегда гранью и никогда
углом,
поэтому
луч
снежинки
всегда
будет
шестиугольным.
От луча могут отходить ветки, но они всегда будут расти под углом 60°
или
120°.
Это была идеальная снежинка. В реальности, огромное скопление
«веток», которые прирастают в хаотичном порядке, делает каждую снежинку
уникальной.
Поэтому
снежинки
могут
выглядеть
так:
18
Или так:
Или так:
И даже так (когда «сцепляются» две снежинки, получается 12-лучевая
снежинка):
19
Встречаются и треугольные снежинки, но на самом деле, это те же
шестиугольные снежинки, у которых часть сторон короче других.
20
4.
В
Факторы, влияющие на образование снежинок
начале
XXв.
связь
между
формой
ледяных
кристаллов
и
температурно-влажностными характеристиками облаков различных форм
привлекала внимание ученых. Например, в 1930-х годах Б. П. Вейнберг
высказал мнение, что снежинки являются “иероглифами”, несущими на себе
записи условий тех слоев, где они возникли и через которые проходили до
падения на землю. Последующие теоретические и экспериментальные
исследования подтвердили это высказывание: было установлено, что
основными факторами, определяющими форму образующихся частиц и
характер их последующего роста являются температура воздуха и
пересыщение водяного пара.
Лабораторные опыты по выращиванию снежинок показали, что форма
снежинок напрямую зависит от температуры и влажности воздуха.
Эта зависимость показана на графике:
21
Пластины образуются при температуре –2° C, колонки – при –5° C,
около –15° C снова появляются пластины, и комбинации пластин и колонок –
при –30° C. Кроме того, кристаллы снега имеют тенденцию формировать
более простые формы при низкой влажности и более сложные при высокой.
Самые причудливые формы – длинные иглы образуются при –5° C, и
большие тонкие пластины формируются при –15° C и относительно высокой
влажности.
Но почему все-таки их форма зависит именно от температуры и
влажности, до сих пор точно не известно.
Основная форма снежинки зависит от температуры, при которой она
образуется.
Чем выше облако, тем оно холоднее.
Кристаллы различной формы образуются при разной температуре.
Если температура в облаке в пределах
отминус 3 до 0 градусов, то образуются плоские шестиугольники;
от -5 до -3°С формируются игольчатые кристаллы;
от -8 до -5°С образуются столбики-призмы;
от -12 до -8°С вновь появляются плоские шестиугольники;
от -16 до -12°С возникают первые звездчатые снежинки;
при температурах ниже минус 35°С в высоких перистых облаках
образуются кристаллики-призмы, которые выглядят, как блестящие подвески
люстр, сверкающие в лучах солнца.
При дальнейшем снижении температуры образуются снежинки всех
типов.
Кристаллы-столбики, образующиеся в холодных облаках высоко над
землёй при очень низких температурах, падают на грунт сквозь более теплые
облака, при этом на концах могут вырасти звёздочки.
По мере того, как снежинка растёт, она становится тяжелее и падает на
землю, при этом форма её изменяется. Если снежинка при падении
22
вращается, как волчок, то её форма идеально симметрична, если же она
падает боком или иначе, то форма будет несимметричной.
Падающие кристаллы слипаются, формируясь в снежные хлопья. В
каждой такой крупной снежинке содержится от 2 до 200 снежных
кристаллов.
Таким образом, форма снежинки – это естественная запись её маршрута
по разным облакам с различной температурой.
Знатоки говорят, что в тех местах, где традиционно много снега, нет
красивых снежинок. Видимо, потому, что там обычно слишком тепло.
Рядом с большими озерами интересных снежинок тоже нет из-за
слишком высокой влажности.
На полюсах их искать не стоит – там слишком холодно и сухо, а
снежинки мелковаты.
Известно, что в Японии, на острове Хоккайдо, были сфотографированы
идеальные кристаллы. Красивые снежинки были замечены в Северной
Дакоте, на Аляске, в Скандинавии, Сибири.
23
5.
Наблюдение за формированием снежинок
Для подтверждения гипотезы о том, что форма снежинок зависит от
погодных условий, я провела измерения температуры и влажности воздуха,
атмосферного давления, в дни, когда выпадали осадки. Полученные
результаты я занесла в таблицу в Приложении 4.
Так же в нём я отмечала вид осадков в соответствии с таблицей (рис.3).
Исходя из полученных результатов, можно сделать следующие выводы:
 Форма снежинок действительно зависит от погодных условий.
 Больше всего на формирование снежинок влияет температура
воздуха.
 При изменении влажности воздуха при одной и той же
температуре изменяется форма снежинок.
 Влияние атмосферного давления на форму снежинок мне увидеть
не удалось.
24
Заключение
Снег является одним из непременных атрибутов зимы, а разнообразные
снежинки - одним из красивейших природных явлений.
Проводя
исследование
по
физическому
и
математическому
обоснованию разнообразия форм снежинок, я узнала много о снегопаде как
погодном явлении; познакомилась с историей исследования снега и
снежинок; изучила процесс образования и роста снежинок с физической и
математической точек зрения.
В ходе наблюдения погодных условий я подтвердила гипотезу о том,
что форма снежинки зависит от различных погодных факторов. Мне удалось
наблюдать снежинки различной формы: пластинки, иголки, столбики,
звёздочки, ледяные зёрна, снежную крупу. К сожалению, я не смогла
запечатлеть все эти формы на фотоаппарат. Но в процессе поиска
информации мне удалось найти много фотографий снежинок, которые я
разместила в Приложении 5.
25
Литература
1.
Бровкин В. В. Атмосферные явления — классификация и
описание
2.
Белая магия .Физика . «Всякая всячина» — Библиотечка разных
статей
3.
Каульбарс Н. В. Снег необычной формы. — Известия
Императорского русского Географического общества. Том XXV. — СПб.,
1889. — С. 108—109.
4.
Основные физические свойства воды, водяного пара, льда, снега.
5.
http://www.watermap.ru/articles/snezhinka
6.
http://www.o8ode.ru/article/krie/klaccifikacia_cneginok.htm
26
Приложение 1
27
Приложение 2
28
«Утром 28 февраля, совершая свою обычную прогулку в Юсуповом саду
в С.-Петербурге, я был поражен необыкновенным наружным видом
снежинок, падавших на мое пальто. Они состояли по большей части из
небольших столбиков, в два миллиметрадлины, фиг. 2, на обоих концах
которых и в плоскости, перпендикулярной к их оси, прикреплены были
диски, диаметром около 1 миллиметра. Такой оригинальной формы
снежинок мне ранее не доводилось видеть, а потому, вооружившись лупою, я
стал ближе рассматривать все подробности их строения, которое и старался
выразить на фиг. 1. Столбик а из белого непрозрачного льда казался мне
цилиндрическим без внутренней пустоты. Все столбики были одинаковых
размеров, около 2 миллиметров длины и около 1⁄4 миллиметра ширины. Быть
может и даже вероятно, что столбики эти были шестигранные призмы; но на
рисунке я не решился этого сделать, так как, при внимательном наблюдении
в
лупу
нескольких
десятков
снежинок,
столбики
казались
мне
цилиндрическими.
То же самое скажу и о двух прозрачных ледяных дисках, прикрепленных
к обоим концам столбика. Они также для глаза и в лупу казались совершенно
правильными кружками, хотя основанием их формы, вероятно, был
шестигранник, на что указывает число спиц, расположенных радиально
внутри кружков и колебавшееся почти всегда между числами 6 или 12.
Только в одном случае насчитал я таких спиц 24. Внутри кружка виднелось
круглое основание столбика, образ которого представлял небольшую
непрозрачную точку, окруженную весьма тонкой радиальной шрафировкой,
упиравшейся как будто в край столбика. Число этих миниатюрных лучей
невозможно было сосчитать, но, по-видимому, оно соответствовало числу
спиц кружка. Эти последние мне казались трехгранными, удлиненными
пирамидами (фиг. 3) из совершенно прозрачного льду, упиравшимися
основанием на край обреза столбика, а вершиной в край диска. Пространство
между этими пирамидами было выполнено весьма нежными перистыми
образованиями формы, изображенной на фиг. 4.
29
Особенно поразило меня в этих снежинках оригинальное образование на
наружном крае дисков, украшенных рядом игл, вертикально стоявших на
самом наружном крае диска. Число этих игл, которые казались мне также
трехгранными пирамидами, всегда строго соответствовало числу спиц диска,
и притом на каждую спицу приходилось по 4 иглы с. У разных авторов я
нашел рисунок этого весьма редкого вида снежинок, но везде только в самых
общих чертах, без подробностей. Ни на одном, например, не показаны спицы
внутри дисков и иглы, расположенные на их наружном крае. Вместе с
описываемыми снежинками падали и снежинки обыкновенной шестигранной
формы, но в весьма ограниченном числе.
Погода была пасмурная, при слабом S. W. и −5° Реомюра».
30
Приложение 3
Полный справочник «охотника за снежными кристаллами»
31
Приложение 4
дата
27.11
28.11
30.11
1.12
2.12
3.12
4.12
5.12
7.12
9.12
10.12
12.12
16.12
18.12
20.12
21.12
22.12
23.12
24.12
25.12
26.12
27.12
28.12
29.12
31.12
1.01
2.01
3.01
4.01
5.01
время температура давление влажность Вид осадков
15.00
-8
755
93
Звёздочки
21.00
-10
759
90
Пластинки
15.00
-9
752
95
Звёздочки
18.00
-8
746
92
Звёздочки
8.00
-17
751
85
Пластинки
15.00
-8
745
86
Столбики
21.00
-5
742
69
Столбики
15.00
-5
738
93
Столбики
8.00
-2
742
92
Ледяные зёрна
15.00
-4
751
85
иголки
15.00
-6
751
87
иголки
15.00
-2
752
94
Ледяные зёрна
15.00
-2
740
92
звёздочки
21.00
0
740
94
Снежная крупа
15.00
0
747
92
Снежная крупа
15.00
0
739
92
Снежная крупа
15.00
+2
730
91
дождь
21.00
0
730
92
Снежная крупа
18.00
0
733
84
Снежная крупа
21.00
0
733
85
Снежная крупа
15.00
-2
730
76
Пластинки
15.00
-2
723
90
Пластинки
21.00
-1
720
91
Пластинки
15.00
-5
720
84
Иголки
18.00
-5
722
81
Иголки
21.00
-6
725
77
Столбики
15.00
-9
725
77
Пластинки
21.00
-10
722
82
Пластинки
15.00
-13
739
80
Звёздочки
15.00
-12
747
85
Звёздочки
15.00
-10
741
85
Пластинки
18.00
-12
738
85
звёздочки
9.00
-19
745
80
звёздочки
12.00
-7
736
88
Ледяные зёрна
12.00
-3
732
89
Иголки
15.00
-1
730
86
Пластинки
9.00
0
721
94
Пластинки
18.00
-1
721
82
Пластинки
15.00
-3
725
84
Пластинки
18.00
-6
727
85
Столбики
32
9.01
10.01
11.01
12.01
13.01
14.01
15.01
18.01
20.01
28.01
31.01
1.02
2.02
3.02
4.02
5.02
8.02
9.02
10.02
11.02
13.02
15.00
21.00
15.00
21.00
12.00
18.00
15.00
15.00
21.00
15.00
21.00
12.00
15.00
15.00
15.00
18.00
21.00
15.00
18.00
21.00
15.00
18.00
21.00
15.00
18.00
21.00
15.00
21.00
18.00
9.00
15.00
21.00
15.00
18.00
21.00
9.00
12.00
15.00
8.00
18.00
9.00
-11
-12
-4
-3
-2
-2
-1
-4
-2
+1
-1
-3
-1
-8
-8
-9
-9
-4
-4
-4
-4
-4
-4
0
1
0
0
-2
-3
-4
-4
-6
-7
-6
-5
-3
-3
-3
-11
-6
-3
734
730
727
729
724
722
726
730
728
735
740
742
742
751
743
743
742
740
740
740
737
737
736
724
727
731
732
733
735
737
741
743
726
725
724
726
727
728
740
743
744
80
70
85
82
92
88
82
82
90
87
88
93
93
61
80
86
86
85
81
83
89
90
91
92
87
92
90
90
91
86
81
89
85
81
85
78
63
57
85
80
89
33
Пластинки
Пластинки
Иголки
Иголки
Пластинки
Пластинки
Пластинки
Иголки
Пластинки
Дождь
Пластинки
Пластинки
Пластинки
Столбики
Пластинки
Пластинки
Пластинки
Иголки
Иголки
Иголки
Иголки
Иголки
Иголки
Дождь со снегом
Дождь со снегом
Дождь со снегом
Дождь со снегом
Пластинки
Пластинки
Иголки
Иголки
Столбики
Столбики
Столбики
Столбики
Пластинки
Пластинки
Пластинки
Пластинки
Столбики
Столбики
Приложение 5
34
35
36
37
38