Классификация снежинок

РЕФЕРАТ

 

по теме: Тайны снега

 

Выполнила:

ученица 9 класса

Афанасьева Ольга

Руководитель:

Лесковец И. П.

учитель физики

 

2009г.

Оглавление

 

Введение			3
1.	Как рождается снег		4
2.	Из мира науки		6
3.	Классификация снежинок		10
4.	Снежинка Коха и ковёр Серпинского		12
	4.1	Кривая Коха	12
	4.2	Снежинка Коха	12
	4.3	Ковёр Серпинского	12
5.	От снежинок к кристаллам		14
	5.1	Кристаллы льда и снега	14
	5.2	Почему снежинки такие лёгкие?	14
	5.3	Виды ледников	15
	5.4	Работа льда	16
	5.5	Лавины	17
	5.6	Град	17
6.	Интересные факты		18
7.	Снег – чуткий показатель загрязнённости		20
8.	Скрип снега		22
9.	Музей снега и льда		23
Заключение			24
Список литературы			25
Приложение 1. Виды снежинок			26
Приложение 2. Классификация снежинок			27
Приложение 3. Построение снежинки Коха			28
Приложение 4. Музей снега и льда			29

“Я всегда любил смотреть на тихое падение снега. Чтобы вполне насладиться

этой картиной, я вышел в поле, и чудное зрелище представилось глазам моим: все безграничное пространство вокруг меня представляло снежный поток, будто небеса разверзлись, рассыпались снежным пухом и наполнили весь воздух движением и поразительной тишиной...”

                                                                                                          (Аксаков)

Введение

  Вы случайно не задумывались, что за «белые мухи» летят с небес. Откуда они взялись? И вообще что это такое? Именно эти вопросы задавала я себе, находясь на улице в снегопад. Ведь живя в России, тем более в Сибири, воспринимаешь снег, как нечто обыденное.

  В тот день снег падал хлопьями. Снежинки чередовались одна другой красивее. Снег густо припорошил дороги. Идёшь и с удовольствием вслушиваешься в лёгкое поскрипывание под ногами. Благодаря морозной и безветренной погоде снег лежал пушистым ковром везде: на домах, на земле и даже вся моя одежда была в лёгких хлопьях снега. Я вытянула руку и посмотрела на рукавичку, на ней лежали свежие снежинки. Это была такая необыкновенная красота, такая волшебная тайна, которую мне захотелось разгадать. Я стояла и всматривалась в них, изумляясь такому разнообразию форм. И мне очень захотелось узнать побольше об этом удивительном чуде природы – снеге, и связанных с ним явлениях.

  Цель моего реферата раскрыть особенности снега, какие методы исследования проводились по его изучению, строение снежинки, интересные факты, и узнать всё об этой удивительной красоте.

Задачи, которые я перед собой ставила:

1. Сбор материала по теме реферата и его обработка;

2. Выстраивание содержания основной части;

3. Выводы о проделанной работе;

4. Оформление обобщённого материала;

5. Подготовка презентации;

6. Презентация реферата на нучно-практической конференции.

Моя работа состоит из 9 глав. Мною были изучены и обработаны следующие материалы: литературные источники, среди которых учебная, научная, справочная литература, периодические издания и Интернет сайты. Оформлены приложения, в которых содержатся: классификация снежинок, построение снежинки Коха, музей снега и льда, фигуры изо льда.

Как рождается снег

   Снежинка — сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов «сборки» множество — до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. [4]

   Причудливые формы снежинок издавна привлекали внимание человека. Оказалось, что их форма, размер и характер зависят от вида и высоты облаков, в которых они образовались, от температуры тех слоев атмосферы, которые снежинкам пришлось пересечь при падении на землю. По виду (приложение 1) снежинок метеорологи судят о погоде в верхних слоях атмосферы в дни, когда снегопад не позволяет вести наблюдения.

Снежинка рождается, когда мельчайшие капли воды в облаках соединяются с такими же мелкими пылевыми частичками, а затем замерзают. После этого 0,1 миллиметровые кристаллики льда падают вниз и постепенно вырастут вследствие конденсации на них влаги из воздуха. В результате образуются всем нам известные шестиконечные снежинки.
В снежинках из-за особой структуры молекул воды возможны углы лишь в 60° и 120°. Эти кристаллы в процессе формирования неоднократно вертикально перемещаются в атмосфере, частично тают и кристаллизуются заново. Из-за этого нарушается регулярность правильных кристаллов, и образуются смешанные формы. При этом возникает такое геометрическое разнообразие, что практически невозможно встретить две идентичные снежинки. [2]

  Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии. Так снежинки становятся разными. Хотя теоретически в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Но путь до земли у каждой свой, довольно долгий — в среднем снежинка падает со скоростью 0,9 км/час. А значит, у каждой — своя история и своя окончательная форма. Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы — мы называем ее снегом. [9]

  Основа для формирования снежинки, её крошечное ядро - это ледяные или инородные пылинки в тучах. Молекулы воды, хаотично перемещающиеся в виде водяного пара, проходят через облака, вместе с температурой они теряют и скорость. Все больше и больше шестиугольных молекул воды присоединяется к растущей снежинке в определенных местах, придавая ей отчетливую форму. При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Так, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка. По мнению специалистов в этой области, главная особенность, определяющая форму кристалла, - это крепкая связь между молекулами воды, подобная соединению звеньев в цепи. Кроме того, из-за различного соотношения тепла и влаги кристаллы, которые в принципе должны быть одинаковыми, приобретают различную форму. Сталкиваясь на своем пути с переохлажденными мелкими капельками, снежинка упрощается по форме, сохраняя при этом симметрию. Порхающую в воздухе снежинку подстерегают две опасности. Во-первых, она может растаять, оказавшись в более теплых воздушных слоях. Во-вторых, во время полета происходит постепенно испарение снежинки, усиливающееся в ветреную погоду и при уменьшении относительной влажности воздуха. [1]

Ученые из Франции и США установили, что снежинки образуются благодаря бактериям. Ученые под руководством Брента Кристнера из государственного университета Луизианы изучали образцы снега из Франции, Антарктики, Монтаны и Юкона. Их целью был поиск ядер или центров кристаллизации снежинок. Ядро кристаллизации - это то, с чего начинается образование снежинок. Раньше считалось, что в этой роли выступают частицы пыли, на которые намерзает пересыщенный водяной пар.

Исследователи обнаружили, что от 69 до 100 процентов ядер кристаллизации в изученных образцах были органического происхождения. Существенную часть

биологических ядер кристаллизации составляли бактерии.

Больше всего снежинок образуется с участием бактерий во Франции, следом идут Монтана и Юкон. В арктических образцах снега было обнаружено меньше всего бактериальных центров кристаллизации.
Чаще всего "затравкой" будущей снежинки служили бактерии Pseudomonas syringae. Эти палочковидные бактерии способны заражать большое количество видов растений, в том числе, многие важные сельскохозяйственные культуры.
Патогенные бактерии оказались удивительно эффективными триггерами образования снежинок. Лучше всего Pseudomonas syringae "стимулируют" рост кристаллических ледяных структур при температурах от минус семи градусов по Цельсию до нуля.
Для предотвращения заражения сельскохозяйственных растений разработано множество средств, истребляющих Pseudomonas syringae. Новые результаты поднимают вопрос о том, не приведет ли уничтожение вредных бактерий к изменениям климата. [14]

 

Из мира науки

 

Снежинки не раз становились предметом серьезных научных исследований.  Как известно, найти пару совершенно одинаковых снежинок практически невозможно, хотя они могут быть очень похожими между собой. Это одна из тех давних столетних тайн, раскрыть которую поможет процесс компьютерного моделирования. А вот прославленный астроном и математик, один из тех, кто сформулировал законы движения планет, Иоганн Кеплер, живший четыре столетия назад, посвятил снежинке свой знаменитый шутливый трактат "Новогодний подарок, или о шестиугольном снеге". Относясь к работе с достаточной долей юмора, он в то же время скрупулезно, как истинный ученый исследовал многие интересные особенности снежинок. В том числе и вопрос, почему, собственно, снежинки "шестиугольны, пушисты, как перышки с шестью лучами". А спустя три столетия были изданы альбомы, в которых представлены коллекции увеличенных фотографий тысяч снежинок, причем ни одна из них не повторяет другую, тем самым заложив основы кристаллографии.

В 1635 году французский философ и математик Рене Декарт занялся описанием видов снежинок, разглядывая их невооруженным глазом. Он писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Его особенно поразила найденная им в середине снежинки "крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля, которым пользовались, чтобы очертить ее окружность". Декарт также впервые нашел и описал достаточно редкую двенадцатиконечную снежинку. До сих пор двенадцатиконечная снежинка считается большой редкостью, так до конца и неясно, где и при каких условиях она образуется. Считается, что снежинок с 4, 5 и 8 гранями не бывает, а вот с тремя увидеть можно.

В 1665 году Роберт Гук рассматривал снежинки уже под микроскопом, оставив нам свои зарисовки. Первые фотографии снежного кристалла под микроскопом были сделаны в 1885 году американским фермером Уилсоном Бентли. Сфотографировав за свою жизнь свыше пяти тысяч снежных кристаллов, он пришел к выводу, что среди них нет ни одного одинакового. В 1931 году вышла его знаменитая книга "Снежные кристаллы".

Американские исследователи - профессор математики Янко Гравнер из Калифорнийского университета в Девисе и Дэвид Гриффит из Университета Висконсина-Мэдисона - с помощью компьютера научились достоверно моделировать образование реальных трехмерных снежинок - то есть они решили, наконец, задачу, которая до сих пор не поддавалась всем усилиям ученых. Такие моделированные снежинки получили наименование "снежных фальшивок", псевдоснежинок – snowfakes (очевидная игра слов, ведь снежинки по-английски именуются 'snowflakes'). Модель, построенная Гравнером и Гриффитом, учитывает множество коэффициентов и параметров - атмосферное давление, температуру, концентрацию паров и прочее. Варьируя эти коэффициенты (то есть меняя начальные условия образования снежинок), исследователи сумели воспроизвести достаточно обширный ряд естественных форм снежинок. Вместо того, чтобы моделировать поведение каждой молекулы воды, программа просто делит пространство на клетки поперечником в один микрометр. Моделирование одной снежинки занимает на обычном настольном компьютере приблизительно сутки.

Как и в реальном мире, компьютерные снежинки с наибольшей вероятностью отращивали иглы. А классическая шестиконечная "древовидная" или перистая снежинка рождалась относительно редко (также, как в природных условиях). Вообще, в рисунках снежинок встречаются пластинки, пирамиды, столбики, иглы, стрелы, простые и сложные звездочки... Гравнер и Гриффин сумели также получить некоторые необычные новые формы снежинок, вроде "butterflake" - то есть похожие на трех склеенных между собой бабочек. В природе подобные формы не появляются из-за своей исключительной хрупкости и неустойчивости. Некоторой неожиданностью стал тот факт, что компьютерные снежинки сумели обрести и ярко выраженное третье измерение - появились структуры, растущие между двумя пластинами. Эту особенность среди реальных снежинок наблюдать достаточно сложно, однако при особо дотошных исследованиях с участием электронных микроскопов она также была уже отмечена.

Гравнер и Гриффин - это, конечно, не единственные ученые, интересующиеся в наше время снежинками. Очередной шаг в изучении свойств наиболее известных природных кристаллов - снежинок - сделан профессором физики Кеннетом Либбрехтом из Калифорнийского технологического института. В лаборатории профессора Либбрехта снежинки выращиваются искусственно.

"Я пытаюсь выяснить динамику формирования кристаллов на молекулярном уровне, - комментирует профессор. - Это непростая задача, и ледяные кристаллы скрывают множество секретов".

Снежинка - сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов "сборки" множество - до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. Исследования, проведенные в лаборатории Либбрехта, подтверждают этот факт - кристаллические структуры можно вырастить искусственно или наблюдать в природе.     Существует даже классификация снежинок, но, несмотря на общие законы построения, снежинки все равно будут чуть-чуть отличаться друг от друга даже в случае относительно простых структур.

Для изучения характеристик снежинок профессор Либбрехт с 2001 год начал делать фотографии образовавшихся естественным образом снежинок и проводить их сравнительную классификацию. Структура и внешний вид снежинок, как выяснилось, зависят от того, где именно их наблюдали. По мнению Либбрехта, самые красивые и сложные по структуре снежинки выпадают там, где климат суровее - к примеру, на Аляске, а вот в Нью-Йорке, где климат мягче, структуры снежных кристалликов гораздо проще.

Для того, чтобы структура снежинки была хорошо видна на фотографии (а это очень важно для изучения ее кристаллического строения), образец подсвечивают специальным образом, и сама снежинка работает как сложная линза. Либбрехт разработал специальную камеру с встроенным микроскопом для полевых исследований. Фотографировать снежинки надо очень быстро - когда снежинка спустилась с неба, ее кристаллики перестают расти и почти сразу же начинают терять четкость граней.

Фотографии позволили ученому выявить нестабильности роста кристаллов у снежинок, что раньше еще никому не удавалось. "Эти нестабильности очень важны для понимания процесса роста кристаллов, но объяснить их с научной точки зрения пока еще сложно", - комментирует ученый.

Уникальные декоративные свойства базы данных профессора Либбрехта уже оценены по достоинству. В октябре 2006 года почтовая служба США выпустила 4 памятных марки с изображением снежинок. При помощи специальных экспериментальных подходов были получены изображения мельчайших частиц льда, образующихся на гидрофобных металлических поверхностях, а теоретическое моделирование позволило рассчитать их структуру. [10]

Изображения ледяных кластеров были получены при температуре 5 градусов Кельвина (- 268 °С). Самые маленькие из них – гексамеры – состоят из шести молекул воды. Это самые элементарные снежинки. Также были визуализированы кластеры из семи, восьми и девяти молекул.
При наблюдении таких объектов возникают вполне понятные трудности – кластеры очень хрупки и легко разрушаются электронами. Поэтому необходимо использовать как можно более слабые токи.
Теоретическое рассмотрение преподнесло ряд неожиданностей. Расчеты показали, что связи между молекулами воды в кластерах могут быть неравноценны – некоторые короче, а некоторые длиннее. Это проясняет тот факт, что молекулы воды образуют водородные связи между собой и при этом могут связываться с поверхностью, которая инициирует зародышеобразование. [18]

 Результаты работы позволяют объяснить механизмы образования льда на поверхностях различных материалов, таких как переходные металлы и соли. Также существует возможность обобщения и разработки теории формирования кластеров на любых твердых поверхностях, например, на частицах аэрозолей или пыли, находящихся в атмосфере.

Несмотря на докучливость ученых, снежинка до сих пор не открыла до конца всех своих тайн. Ее история необычайно удивительна и может поведать нам много интересного. К примеру, не многие знают, что древние считали снег благородным минералом. Собственно, и происхождение слова "кристалл" (звучит оно почти одинаково на всех европейских языках) связанно с самой обыкновенной снежинкой. Много веков назад среди вечных снегов в Альпах, на территории современной Швейцарии, нашли очень красивые, совершенно бесцветные кристаллы, очень напоминающие чистый лед. Древние натуралисты так их и назвали - "krystallos ", по-гречески – лед. Слово происходит от греческого "криос", что значит холод или мороз. Дело в том, что за лед принимали тогда горный хрусталь, затвердевший от холода до такой степени, что он уже не плавится. Полагали, что лед, находясь, длительное время в горах, на сильном морозе, окаменевает и теряет способность таять.   Один из самых авторитетных античных философов Аристотель писал, что "кристаллос" рождается из воды, когда она полностью утрачивает теплоту". Аналогичный вывод сделали в древности в Китае и Японии - лед и горный хрусталь обозначали там одним и тем же словом. [15]

 

 

Классификация снежинок

 

Термин "снежинка" вполне научный - этот кристалл в форме простейшей шестиугольной призмы сформирован из молекул воды, сгруппировавшихся вокруг ядра. Принимает он самые разнообразные формы. Причем единства по этому вопросу среди ученых нет. Одни утверждают, что уникальна каждая снежинка. "Рождение" в атмосфере каждого нового ледяного кристалла неповторимо - молекулы воды налипают на ядро и лучи случайным образом. Это миллиарды, если не больше, самых удивительных форм... Другие склоняются к тому, что всего в природе не больше 130 видов снежинок - именно столько конфигураций в различных осях симметрии может образовывать шестиугольная снежинка. А вот международная система классификации признает только 10 видов.

В 1951 году Международная Комиссия по Снегу и Льду приняла классификацию (приложение 2) 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 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.

Этой же классификации подчиняется и рост инея, изморози и узоров на стеклах. Эти явления, как и снежинки, образуются при конденсации, молекула за молекулой — на земле, траве, деревьях. Узоры на окне появляются в мороз, когда на поверхности стекла конденсируется влага теплого комнатного воздуха. А вот градины получаются при застывании капель воды или когда в насыщенных водяным паром облаках лед плотными слоями намерзает на зародыши снежинок. На градины могут намерзать другие, уже сформировавшиеся снежинки, сплавляясь с ними, благодаря чему градины принимают самые причудливые формы. [11]

 Лабораторные опыты по выращиванию снежинок показали, что форма снежинок напрямую зависит от температуры и влажности воздуха.
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. [16]

А вдруг самая красивая снежинка упадет в вашем саду? Или пролетит за вашим окном. Ведь до сих пор 12-конечная снежинка считается большой редкостью, и так и неизвестно, где и при каких условиях она падает на землю.