Снежинки

Тамбовское областное государственное бюджетное общеобразовательное учреждение – кадетская школа-интернат

«Многопрофильный кадетский корпус»

Исследовательская работа

«Удивительное рядом:

СНЕЖИНКИ»

Автор: Лобанов Дмитрий,

кадет 12 группы

Руководитель: Пеливан Вера Семеновна,

учитель физики

Тамбов 2013

СОДЕРЖАНИЕ

1. Вступление …………………………………………………………………3
2. Основное содержание ……………………………………………………..4

1. Как образуются снежинки ………………………………………...4
2. От чего зависит форма снежинок …………………………………5
3. Классификация снежинок …………………………………………6
4. Интересные факты из жизни снежинок …………………………..9

3. Заключение ………………………………………………………………...10
4. Библиография ……………………………………………………………...11

1. ВСТУПЛЕНИЕ

Отличительными особенностями полярных территорий являются: низкие температуры и снежный покров. Снег образуется и на средних широтах, т.е. для нас это привычное явление. И, наверное, именно поэтому мы иногда не замечаем, как преобразуется Земля и насколько она становится красивой.

Зима обычно приходит тихо, незаметно… Белый пушистый снег кружится в воздухе и тихо падает на землю. И кажется, нет ничего невесомее крохотных снежинок, если она упадет на руку – даже не почувствуешь. Тонкая сетка снежинок словно висит в воздухе. Снежинки всё падают и падаю. И вот их уже миллионы и миллиарды… За несколько часов огромные пространства суши могут оказаться под снежным пушистым одеялом.

Известна очень красивая легенда о самом первом снеге: «Восставшие ангелы в момент падения теряли свои белоснежные крылья, которые покрыли землю белым блестящим ковром. Так появился снег, и наступила первая зима».

Мне стало интересно – что такое снег? Конечно, всем известно, что это – кристаллическое состояние воды? Но почему все снежинки имеют такую причудливую форму? Почему даже невооруженным глазом можно заметить, что ни одна снежинка не повторяет другую? Почему все они имеют шестиугольную форму, а не пяти- или семиугольную? И подобных вопросов становится все больше и больше.

Поэтому я решил подробно изучить, что же такое снежинки?

Цель моей работы: выяснить, что из себя представляют снежинки.

Задачи:

• Выяснить, как образуются снежинки и чем обусловлена их форма?
• Изучить классификацию снежинок
• Найти интересные факты о снеге

Начиная работать над данной темой, я выдвинул следующую гипотезу:

• Причиной образования снежинок является процесс кристаллизации капелек воды, содержащихся в атмосфере; а многообразие и индивидуальность снежинок обусловлены различием внешних условий и особенностью процесса их роста.

2. а.     КАК ОБРАЗУЮТСЯ СНЕЖИНКИ

Чтобы понять, почему снежинки выглядят так красиво, необходимо рассмотреть историю жизни одного снежного кристалла.

Ледяные снежинки в облаке образуются при -15 градусах вследствие перехода водяного пара в твердое состояние. Основой для формирования снежинок являются мелкие частицы пыли или микроскопические льдинки, которые служат ядром для конденсации на них молекулы воды. Ядро кристаллизации - это то, с чего начинается образование снежинок.

Все больше и больше молекул воды присоединяются к растущей снежинке в определенных местах, придавая ей отчетливую форму шестигранника. Разгадка структуры твердой воды кроется в строении ее молекулы, которую можно упрощенно представить себе в виде тетраэдра - пирамиды с треугольным основанием в которой возможны углы лишь в 60° и 120°. В центре находится кислород, в двух вершинах - по водороду. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, отчего их называют неподеленными. Простые тетраэдры могут объединяться между собой вершинами, ребрами или гранями, образуя разнообразные пространственные структуры.

Но из всего многообразия структур в природе базовой является гексагональная (шестигранная) структура, когда шесть молекул воды (тетраэдров) объединяются в кольцо. Именно такой тип структуры характерен для льда. В результате снежинки принимают форму правильных шестиугольных призм с ровными гранями. Такие призмы падают с неба при сравнительно небольшой влажности воздуха в самых разных температурных условиях.

Рано или поздно на гранях появляются неровности. Каждый бугорок притягивает к себе дополнительные молекулы и начинает расти. Снежинка долго путешествует по воздуху, при этом шансы встретиться с новыми молекулами воды у выступающего бугорка несколько выше, чем у граней. Так на снежинке очень быстро вырастают лучи. Из каждой грани вырастает один толстый луч, так как молекулы не терпят пустоты. Из бугорков, образующихся на этом луче, вырастают ответвления. Во время путешествия крохотной снежинки все ее грани находятся в одинаковых условиях, что служит предпосылкой для роста одинаковых лучей на всех шести гранях.

2. b.     ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ФОРМА СНЕЖИНОК

От маршрута, по которому снежинка путешествует с неба на землю, прямо зависит ее облик. В районах с разной влажностью, температурой и давлением грани и лучи растут по-разному. В холодных зонах кристаллы растут в длину (тогда образуются снежинки вытянутой формы – снежинки-столбики, снежинки-иглы), а в теплых – вширь (и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек). Снежинка, которую ветер пронес над широким ареалом, имеет все шансы приобрести самую причудливую форму. Чем дольше снежинка спускается на землю, тем большие размеры она может приобрести.

Структура и внешний вид снежинок, как выяснилось, зависят и от того, где именно их наблюдали. По мнению профессора физики из калифорнийского института,  Кеннета Либбрехта, самые красивые и сложные по структуре снежинки выпадают там, где климат суровее – к примеру на Аляске, а там, где климат мягче – структуры снежных кристаллов гораздо проще.

При определенных условиях, при отсутствие ветра, падающие снежинки могут сцепляются друг с другом, образуя огромные снежные хлопья. Весной 1944 года в Москве выпали хлопья размером до 10 сантиметров в поперечнике, похожие на кружащиеся блюдца. А в Сибири наблюдались снежные хлопья диаметром до 30 сантиметров. Самая большая снежинка была зафиксирована в 1887 году в американской Монтане. Ее диаметр составил 38 см, а толщина – 20 см. Для этого феномена необходимо полнейшее безветрие, ведь чем дольше снежинки путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются друг с другом. Поэтому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков - «алмазной пыли». Вероятность увидеть крупные снежинки существенно возрастает вблизи водоемов: испарения с озер и водохранилищ – это отличный строительный материал.

2. c.     КЛАССИФИКАЦИЯ СНЕЖИНОК

Итак, снежинка – сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов «сборки» множество - до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых.

Именно поэтому полные идеальной гармонии конструкции снежных кристаллов уже на протяжении многих лет вызывают интерес людей. Еще в 1635 году французский философ и математик Рене Декарт, писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Великий астроном Иоганн Кеплер в своем трактате "Новогодний дар. О шестиугольных снежинках" объяснил форму кристаллов волей Божьей. Японский ученый Накая Укитиро называл снег "письмом с небес, написанным тайными иероглифами". Он первым создал классификацию снежинок. Именем Накая назван единственный в мире музей снежинок, расположенный на острове Хоккайдо.

В наши дни изучение снежинок превратилось в науку. Еще в 1555 году швейцарским исследователем Мангусом были сделаны зарисовки форм снежинок. В 1955 году русский ученый А. Заморский разделил снежинки на 9 классов и 48 видов. Это — пластинки, иглы, звезды, ежи, столбики, пушинки, запонки, призмы, групповые. Международная комиссия по снегу и льду приняла в 1951 году довольно простую классификацию кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. И еще три вида обледенелых 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 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.

Покрытые инеем кристаллы

Кристаллы растут в толще облаков, состоящих из мельчайших водяных капель.
Примерзая к снежным кристаллам, эти капельки образуют на них слой инея, иногда весьма тол стый, так что образуются мелкие градины или ледяная крупа.

Мелкая снежная крупка

          Ледяная крупка

Град

Существуют и другие формы снежинок, образование которых считается аномалией. Можете считать, что вам несказанно повезло, если вам встретилась одна из этих редчайших форм:

        Двенадцатипалая снежинка                         Треугольная                   "Пуля"

              "Наконечник стрелы"                     Двойная призма                           Пирамида

Говорят, что шансы обнаружить одну из них такие же, как встретить снежного человека.

Почему они разные?

В основном, форма зависит от температуры воздуха. При -2 градусах Цельсия образуются пластинки, при -5 C - столбцы, при -15 C - снова пластинки, а различные комбинации пластинок и столбцов характерны для более низких температур, около -30 C. При низкой влажности более распространены простые формы, с ростом влажности они усложняются. Самые необычные формы - длинные иглы при -5 С и тонкие длинные пластины при -15 С образуются при достаточно высокой влажности.

2. d.     ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ ИЗ ЖИЗНИ СНЕЖИНОК

Снежинки образуют – снежный покров, который отражает в космос до 90% солнечного света.
             В одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, а по всей Земле – 1024.

Вес самой снежинки всего около миллиграмма, редко – 2…3мг. Тем не менее к концу зимы масса снежного покрова северного полушария планеты достигает 13 500 млрд тонн.

Снежинки состоят на 95 % из воздуха, что обуславливает низкую плотность и сравнительно медленную скорость падения (0,9 км/ч).

Снег можно есть. Правда, энергозатраты на поедание снега во много раз больше его калорийности.

Снег бывает не только белым или голубым. В арктических и горных регионах розовый или даже красный снег — обычное явление. Виной тому водоросли, живущие между кристаллов.

Устойчивые к холоду водоросли это крошечные фотосинтетические организмы, растущие на снегу и льду северного полюса и альпийских регионов. Разные виды водорослей могут окрасить снег в желтый, красный, оранжевый, коричневый, зеленый оттенок. Конечно, снег приобретает какой-то цвет после падения на землю. Если в воздухе находится большое количество пыли, примесей или песка, то можно увидеть, как падает розовый, коричневый, оранжевый или красный снег. Оранжевый снег выпал в Сибири в 2007 г, а Краснодар красовался розовым снегом в 2010 г. 

Более половины населения земного шара никогда невидело снега, разве только на фотографиях.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, работая над данной темой, я выяснил, что снежинки образуются на центрах кристаллизации, на которых возникают зародышевые ледяные кристаллы. Перемещаясь вверх-вниз, они попадают в слой воздуха с переохлажденными капельками воды: здесь будущая снежинка начинает расти за счет перехода водяного пара в твердое состояние. И постепенно из шестигранной пластинки формируется шестилучевая звездочка.

В воздухе снежинки непрерывно изменяются. Форма их зависит от внешних условий: температуры, влажности воздуха, давления, наличия ветра. Поэтому в зависимости от климата, в разных местах выпадает разный снег – от мохнатых хлопьев до тоненьких ледяных иголок. Но все они почти идеально симметричны и удивительно красивы.

Существует классификация снежинок. В настоящее время различают семь видов кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы. Но встречаются и другие снежинки, которые выходят за рамки классических представлений. Причины их образования пока не выяснены.

Такое многообразие форм объясняется различиями во внешних условиях: температуры, влажности, давления, наличием ветра и т.д.

Таким образом, моя гипотеза полностью подтвердилась.

Изучая материалы по данной теме я пришел к ещё одному, важному на мой взгляд, выводу: в природе все состоит удивительно просто и необыкновенно красиво. И ничего не создается и не происходит просто так. Вот и снежный покров нашей планеты имеет очень важное значение: отражая большую часть солнечного излучения, он предотвращает повышение температуры на Земле; таяние снега весной не позволяет температуре изменяться резко, что делает климат более мягким и благоприятным для человека; он позволяет различным видам растений и животных выживать на нашей планете. И человечеству необходимо учиться у природы подобному сочетанию простоты, универсальности и красоты. А для этого ее необходимо изучать и беречь…

Выводы:

1. Снежинки образуются на центрах кристаллизации за счет перехода водяного пара в твердое состояние и представляют собой сложную симметричную структуру, состоящую из кристалликов льда.
2. Шестиугольная форма снежинок обусловлена особенностью строения молекул воды.
3. Современная классификация различает семь видов кристаллов льда: пластинки, звездчатые кристаллы, столбцы или колонны, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечниками и неправильные формы.
4. Многообразие форм объясняется различиями во внешних условиях: температуры, влажности, давления, наличием ветра.

4.  БИБЛИОГРАФИЯ

1. http://www.z-recept.ru/showthread.php?t=1000
2. http://www.o8ode.ru/article/krie/ice_crystal.htm
3. http://elementy.ru/lib/430557
4. http://www.o8ode.ru/article/krie/foto_cneginok_krictallov_vody.htm
5. http://earth-chronicles.ru/news/2011-08-27-6366
6. http://www.aquaexpert.ru/enc/articles/snowflake/
7. «Удивительное рядом» № 12 (12). Издатель ООО «Издательство «7 Удач»: «Чудо-снежинки» - 2008, с. 4