Теория за снега: Няма две еднакви снежинки. Защо няма еднакви снежинки Как се образуват снежинките и защо формата им е различна

Природата е красива през зимата: просто трябва да забавите за минута, да погледнете покрити със сняг дървета, пухкави снежни преспи и да протегнете ръка - върху нея ще паднат няколко снежинки. Няма нищо по-красиво и безтегловно от тези миниатюрни произведения на природата.

Колко жалко, че красивият им модел може да се възхищава само за кратко.

Може би сте чували твърдението: няма две еднакви снежинки. Нека да разгледаме този "зимен проблем".

Процесът на образуване на снежинките на пръв поглед е много сложен. Тук са включени физическите закони на взаимодействията. елементарни частици. В атмосферата при минусови температури водните молекули се привличат от праховите молекули и се втвърдяват, образувайки шестоъгълни кристали. Между отделните лъчи на кристала, поради особеностите на структурата на водната молекула, са възможни ъгли от само 60 или 120 градуса, а различни форми и шарки на снежинки се образуват поради нови кристали, съединяващи върховете на шестоъгълника.

Така разбрахме, че:

• Снежинките се образуват в леден облак от пара, заобикаляйки течната фаза.
• Растежът на снежинките зависи от външните условия: влажност и температура на въздуха.
• „Зародишите“ на снежинките са с шестоъгълна форма.
• Формата на снежинката може да се промени, докато преминава през атмосферата.
• Скоростта на падане на снежинка е 15 м/мин.
• Ледът, който образува снежинката, е прозрачен.

Нека разгледаме по-отблизо последния факт. Защо снегът е бял, ако снежинката е прозрачна? Законите на физиката отговарят на този въпрос: светлината, отразена от ръбовете на снежинките, създава впечатление за бяла маса, която наричаме сняг.

И така, процесът на образуване на снежинки развълнува много умове.

Пионерите в теорията за "снега" са фермерът W.E. Бентли и д-р Н. Найт.

През целия си живот Бентли създава огромна колекция от снимки на снежинки, които интересуват както учени, така и фотографи. Д-р Найт успя да възпроизведе образуването на снежинки в лабораторни условия.

Техните знания и научна работа бяха систематизирани от професор от Калифорнийския университет К. Либрехт, който в процеса на изучаване на този въпрос изложи твърдението: „Ако видите две еднакви снежинки, те все още са различни!“.

Той беше този, който научно обоснова твърдението си, обяснявайки, че молекулите и атомите, образуващи кристална решетка, могат да имат огромно разнообразие от начини за свързване.

Либрехт заяви, че визуално снежинките може да изглеждат еднакви, но ако ги погледнете под микроскоп, моделът ще бъде напълно различен!

Сега знаете, ако падне сняг извън прозореца, всяка от снежинките ще бъде уникална и неподражаемо красива по свой начин!

Учените идентифицират два варианта за образуване на снежни кристали. В първия случай водната пара, носена от вятъра на много голяма надморска височина, където температурата е около 40 ° C, може внезапно да замръзне, образувайки ледени кристали. В долния слой на облаците, където водата замръзва по-бавно, се създава кристал около малка прашинка или пръст. Този кристал, който има от 2 до 200 в една снежинка, има формата на шестоъгълник, така че повечето снежинки са шестлъчева звезда.

"Земя на снеговете" - такова поетично име е измислено за Тибет от неговите жители.

Формата на снежинката зависи от много фактори: температура наоколо, влажност, налягане. Въпреки това се разграничават 7 основни вида кристали: плочи (ако температурата в облака е от -3 до 0 ° C), звездни кристали, колони (от -8 до -5 ° C), игли, пространствени дендрити, колони с съвет и неправилни форми. Трябва да се отбележи, че ако снежинката се върти при падане, тогава нейната форма ще бъде идеално симетрична, а ако падне настрани или по някакъв друг начин, тогава няма.

Ледените кристали са шестоъгълни: те не могат да се свързват под ъгъл - само на ръба. Следователно лъчите от снежинка винаги растат в шест посоки, а разклонението от лъча може да се отклони само под ъгъл от 60 или 120 °.

От 2012 г. Световният ден на снега се отбелязва в предпоследната неделя на януари. Това беше по инициатива на Международната федерация по ски.

Снежинките изглеждат бели поради въздуха, който съдържат: светлина с различни честоти се отразява по ръбовете между кристалите и се разпръсква. Размерът на обикновена снежинка е около 5 mm в диаметър, а масата е 0,004 g.

При озвучаването на филма "Александър Невски" скърцането на снега се получава чрез пресоване на смес от захар и сол.

Смята се, че няма две еднакви снежинки. Това е доказано за първи път през 1885 г., когато американски фермерУилсън Бентли прави първата успешна снимка на снежинка под микроскоп. Той посвещава на това 46 години и прави повече от 5000 снимки, въз основа на които теорията се потвърждава.

Съдържание.

Въведение.

Глава 1.

1.1 Произход на снежинките.

1.2 Еднакви ли са снежинките?

Глава 2. Моите експерименти.

Глава 3

4. Заключение.

5. Използвани източници.

ЦЕЛ НА ИЗСЛЕДВАНЕТО:

научете как да снежинка невероятно явлениеприрода.

ЦЕЛИ НА ИЗСЛЕДВАНЕТО :

наблюдение на снежинки в природата;

изследване на образуването на снежинки;

идентифициране на различни форми на снежинки;

емпирично наблюдават образуването на снежинки;

разкриват знанията на учениците за снежинките.

ХИПОТЕЗА.

Ако водата се образува, когато снежинките се топят, тогава снежинките идват от водата.

Щом има толкова много снежинки, значи в природата трябва да има голям брой еднакви снежинки.

ПРЕДМЕТ НА ИЗУЧАВАНЕ.

снежинки

сняг

АКТУАЛНОСТ НА ТЕМАТА. Всеки Малко детемного любознателен и всеки се интересува какво, къде, как ...?

ИЗСЛЕДОВАТЕЛСКИ МЕТОДИ:

1. Изучаване на литература за снежинките.

2. Снимане на снежинки.

3. Провеждане на експерименти.

4. Анализ на свършената работа.

Време на изследването:януари февруари2017 г.

Въведение.

Ще започна с едно трогателно, нежно и омайващо стихотворение за една снежинка.

Снежинка.

Лека пухкава, бяла снежинка,

Колко чисто, колко смело!

На бурен път лесно се помита,

Не към лазурните висини – пита земята.

В лъчите на сиянието се плъзга умело

Сред топящите се люспи се запазва бял.

Но дългият път свършва

Кристална звезда докосва земята.

Лежи пухкава снежинка смела

Колко чисто, колко бяло!

(Константин Балмонт)

Глава 1.

1.1 Произход на снежинките.

Сняг лежи. Хвърчат снежинки. Какво е необичайното тук? Просто е зима. И все пак, това е поредното чудо на природата, което ни даде това прекрасен свят! Невероятна красота, нали? Наистина, невероятното е навсякъде около нас. И така, когато лежи сняг или летят снежинки, ние не просто наблюдаваме феномена зима на земята, а истинско чудо на природата, достойно за изучаване.

Снежинката е сложна симетрична структура, състояща се от ледени кристали. Снегът се образува, когато микроскопични капчици вода в облаците се привличат от прахови частици и замръзват. Появяващите се при това ледени кристали падат и растат в резултат на кондензация на влагата от въздуха върху тях. В този случай се образуват шестоъгълни кристални форми. И снежинката се изпраща на земята като шестолъчна звезда. Но те достигат до земята под формата на сняг само ако температурата е под нулата. Ако температурата е по-висока, снежинките се изпаряват и се превръщат във водна пара, която отново се издига. Или тези кристали се стопяват и падат на земята под формата на дъжд или зърна. И понякога се случва да вали сняг на покрива на многоетажна сграда, а навън вече вали.

Видът на снежинките зависи от съдържанието на вода в облака, където е възникнал, температурата на въздуха и надморската височина. Дори да се „родят“ две еднакви снежинки, те ще трябва да пътуват до земята със скорост от около 1 км. в един часа. Те попадат в различни температурни условияи достигат до земята с напълно различен модел, но винаги с шестоъгълна форма. Учените са успели да идентифицират няколко основни форми на снежинките. Дори им бяха дадени имена:

звезда,

чиния,

колона,

игла,

пух,

таралеж,

шпилка

Формата на снежинките зависи от времето.

В безветрен мразовит ден снежинките падат бавно. Те са големи, лъскави, като звезди. Снежинките падат една по една, така че лесно се виждат.

При лека слана снежинките приличат на снежни топки - „снежни крупи“. И със силен вятър идва „снежен прах“, тъй като вятърът отчупва лъчите и краищата на снежинките.

Когато няма скреж, падайки на земята, снежинките се залепват една за друга и образуват "снежни люспи". Те са големи и приличат на парчета памук.

Всяка снежинка е уникална като пръстов отпечатък или човешка ДНК. Няма еднакви снежинки, както няма еднакви листа по дърветата, еднакви дъждовни капки, еднакви хора.

Но ако снежинката е кристал, тогава защо е бяла, трябва да е прозрачна? Това се дължи на въздуха (95%), затворен в него! Светлината се отразява върху повърхностите между кристалите и във въздуха и се разпръсква. Благодарение на въздуха снежинките са много леки. Дори по време на много силно снежни преспихората или животните могат да дишат дълго време под снега.

1.2. Има ли еднакви снежинки?

Има ли две еднакви снежинки? Не! Това доказва в работата си фермерът Уилсън Бентли през 1885 г. и именно той успява да направи първата снимка на снежинка под микроскоп. И са му необходими 46 години, за да направи това!
От детството си той изучава формата на кристали, падащи от небето, за което получава прякора "Снежинка". Уилсън посвети целия си живот на изучаването на снежинките, като направи общо 5000 снимки и нито една от тях нямаше повтарящи се снежинки.

Един от първите учени, които се замислиха за структурата на снега, беше немският математик и астроном Йоханес Кеплер (1571–1630). През 1611 г. той публикува кратък трактат „Новогодишният подарък или за шестоъгълните снежинки“, който може да се нарече първия научна работапосветен на снежинките.

Глава 2. Изследвания.

Винаги съм мислил, че ако водата се образува след топенето на снега, тогава след замръзване водните капки ще се превърнат в снежинки.

Експеримент 1

Замразих водни капки, но снежинките не се получиха.А това означава , сняг не се появява от водни капки. Водните капки могат да станат градушка, буци лед, но не и снежинки..

Експеримент 2

В снега излязох навън, сложих ръкавицата си под снега. Върху нея паднаха няколко снежинки. Гледах ги с лупа.

СЪС мацките могат да се видят добре само когато попаднат в дланта ви. Под въздействието на някаква дори малка сила те се счупват, което означава, че снежинките са много крехки.

Интервюирах 40 ученици от началното училище.

Според резултатите от интервюто

35 от 40 момчета казват, че снежинката е направена от вода;

30 от 40 момчета казват, че има еднакви снежинки;

Тъй като много харесвам снежинките, се научих да ги изрязвам от хартия, да ги декорирам и рисувам.

На Нова годинаИмах костюм на снежинка:

Освен това с родителите ми си спомнихме как построихме къща от детайлите на дизайнера. Взех малки части и сградата се оказа голяма. Природата също знае как да гради. Но тя не строи къщи, а снежинки от необичаен леден конструктор - от малки ледени късове!

Глава 3

По време на снеговалеж през 1987 г. във Форт Коу- (Монтана, САЩ) е открита снежинка - световен рекордьор с диаметър 38 см.

Повече от половината от населението Глобусътникога не е виждал сняг, освен на снимки.

В Далечния север снегът е толкова твърд, че брадвата, когато се удари, звънти като ударена в желязо.

В Япония учените наричат ​​снежинките букви от небето, които са написани с тайни йероглифи.

Заключение.

Работейки по темата, постигнах целта си и научих много за снежинките. В процеса на обучение и проучване реших поставените ми задачи. За съжаление хипотезите ми не се потвърдиха. Докато работех по проекта, научих, че няма две еднакви снежинки. Научих също, че се появяват от диамантен прах, винаги имат център, симетрични са и шестоъгълни.

Използвани източници:

Снежинките еднакви ли са или какво се крие в замръзналата вода? - Режим на достъп:http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/

Стихове за сняг и снежинки. - Режим на достъп:http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html

Чували ли сте някога фразата „тази снежинка е специална“, казват те, защото обикновено са много и всички са красиви, уникални и завладяващи, ако се вгледате внимателно. Стара мъдрост гласи, че няма две еднакви снежинки, но наистина ли е така? Как можете дори да декларирате това, без да гледате всички падащи и паднали снежинки? Изведнъж снежинка някъде в Москва не се различава от снежинка някъде в Алпите.

За да разгледаме този въпрос от научна гледна точка, трябва да знаем как се ражда една снежинка и каква е вероятността (или невероятността) да се родят две еднакви.

Снежинка, заснета с конвенционален оптичен микроскоп

Снежинката в основата си е просто водни молекули, които се свързват заедно в специфична твърда конфигурация. Повечето от тези конфигурации имат някакъв вид шестоъгълна симетрия; това е свързано с това как водните молекули, с техните специфични ъгли на свързване - които се определят от физиката на кислороден атом, два водородни атома и електромагнитната сила - могат да се свържат заедно. Най-простият микроскопичен снежен кристал, който може да се види под микроскоп, е с размер една милионна от метъра (1 микрон) и може да има много проста форма, като например шестоъгълна кристална плоча. Той е широк около 10 000 атома и има много подобни.

Според Книгата на рекордите на Гинес Нанси Найт от Национален центърАтмосферните изследвания за щастие откриха две еднакви снежинки, докато изследваха снежни кристали по време на виелица в Уисконсин, докато носеха микроскоп. Но когато представители удостоверят две снежинки като идентични, те могат да означават само, че снежинките са идентични за точността на микроскопа; когато физиката изисква две неща да са идентични, те трябва да са идентични до субатомната частица. Което означава:

• имате нужда от същите частици
• в същите конфигурации
• със същите връзки
• в две напълно различни макроскопични системи.

Нека да видим как може да се уреди това.

Една водна молекула е един кислороден атом и два водородни атома, свързани заедно. Когато замръзналите водни молекули се свържат, всяка молекула получава четири други прикрепени молекули наблизо: по една във всеки от тетраедричните върхове над всяка отделна молекула. Това кара водните молекули да се сгъват във форма на решетка: шестоъгълна (или шестоъгълна) кристална решетка. Но големи "кубчета" лед, както в кварцовите находища, са изключително редки. Когато погледнете в най-малките мащаби и конфигурации, ще откриете, че горната и долната равнина на тази мрежа са опаковани и свързани много плътно: имате „плоски ръбове“ от двете страни. Молекулите от останалите страни са по-отворени и допълнителни водни молекули се свързват с тях по-произволно. По-специално, шестоъгълните ъгли имат най-слабите връзки, поради което наблюдаваме шесткратна симетрия в растежа на кристалите.

и растеж на снежинка, конкретна конфигурация на леден кристал

След това новите структури растат в същите симетрични модели, изграждайки шестоъгълни асиметрии след достигане на определен размер. В големи, сложни снежни кристали има стотици лесно различими характеристики, когато се гледат под микроскоп. Стотици характеристики сред приблизително 1019 водни молекули, които изграждат типична снежинка, според Чарлз Найт от Националния център за атмосферни изследвания. За всяка от тези функции има милиони възможни места, където могат да се образуват нови клонове. Колко такива нови черти може да образува една снежинка и пак да не стане още една от многото?

Всяка година по света приблизително 10 15 (квадрилиона) кубични метра сняг падат върху земята и всеки кубичен метър съдържа от порядъка на няколко милиарда (10 9) отделни снежинки. Откакто Земята съществува от около 4,5 милиарда години, през цялата история на планетата са паднали 10 34 снежинки. И знаете ли колко, статистически казано, отделни, уникални, симетрични характеристики на разклоняване може да има снежинка и да очаква близнак в определен момент от историята на Земята? Само пет. Докато истинските, големи, естествени снежинки обикновено имат стотици от тях.

Дори на нивото на един милиметър в снежинката можете да видите несъвършенства, които трудно се дублират.

И само на най-обикновено ниво можете погрешно да видите две еднакви снежинки. И ако сте готови да се хванете молекулярно нивоситуацията ще стане много по-лоша. Кислородът обикновено има 8 протона и 8 неутрона, докато водородът има 1 протон и 0 неутрона. Но 1 от 500 кислородни атома има 10 неутрона, 1 от 5000 водородни атома има 1 неутрон, а не 0. Дори ако образувате перфектни шестоъгълни снежни кристали и сте преброили 10 34 снежни кристала в цялата история на планетата Земя, това ще са достатъчни, за да намалят размера до няколко хиляди молекули (по-малко от дължината на видимата светлина), за да намерят уникална структура, която планетата не е виждала досега.

Но ако пренебрегнете атомните и молекулярните различия и се откажете от „естественото“, имате шанс. Изследователят на снежинките Кенет Либрехт от Калифорния Технологичен институтразработи техника за създаване на изкуствени „еднояйчни близнаци“ от снежинки и ги снима с помощта на специален микроскоп, наречен SnowMaster 9000.

Отглеждайки ги една до друга в лабораторията, той показа, че е възможно да се създадат две неразличими снежинки.

Две почти еднакви снежинки, отгледани в лаборатория на Калтех

почти. Те ще бъдат неразличими за човек, който гледа със собствените си очи през микроскоп, но няма да бъдат идентични в действителност. Подобно на еднояйчните близнаци, те ще имат много разлики: ще имат различни места на молекулярно свързване, различни свойства на разклоняване и колкото по-големи са, толкова по-големи са тези разлики. Ето защо тези снежинки са много малки и защо микроскопът е мощен: те са по-сходни, когато са по-малко сложни.

Две почти еднакви снежинки, отгледани в лаборатория на Калтех

Въпреки това много снежинки са подобни една на друга. Но ако търсите наистина идентични снежинки на структурно, молекулярно или атомно ниво, природата никога няма да ви даде това. Такъв брой възможности е голям не само за историята на Земята, но и за историята на Вселената. Ако искате да знаете колко планети са ви необходими, за да получите две еднакви снежинки за 13,8 милиарда години от историята на Вселената, отговорът е от порядъка на 10 1000000000000000000000000. Като се има предвид, че има само 1080 атома в наблюдаваната вселена, това е много малко вероятно. Така че да, снежинките са наистина уникални. И това е меко казано.

Познато на всеки ученик твърдение, че няма две еднакви снежинки, многократно е поставяно под въпрос. Но уникалните изследвания на калифорнийския технологичен университетуспяха да сложат край на този наистина новогодишен проблем.

Снегът се образува, когато микроскопични капчици вода в облаците се привличат от прахови частици и замръзват.

Появяващите се при това ледени кристали, които първоначално не надвишават 0,1 мм в диаметър, падат надолу и нарастват в резултат на кондензация на влага от въздуха върху тях. В този случай се образуват шестоъгълни кристални форми.

Поради структурата на водните молекули между лъчите на кристала са възможни ъгли само от 60° и 120°. Основният воден кристал има форма в равнината правилен шестоъгълник. След това върху върховете на такъв шестоъгълник се отлагат нови кристали, върху тях се отлагат нови и така се получават различни форми на звезди снежинки.

Професорът по физика в Калифорнийския университет Кенет Либрехт публикува резултатите от дългогодишни изследвания на неговата научна група. „Ако видите две еднакви снежинки, те пак са различни!“ казва професорът.

Либрехт доказва, че на всеки петстотин кислородни атома с маса 16 g/mol има един атом с маса 18 g/mol в състава на снежните молекули.

Структурата на връзките на една молекула с такъв атом е такава, че предполага безброй възможности за връзки вътре кристална решетка.

С други думи, ако две снежинки наистина изглеждат еднакви, тогава тяхната идентичност все още трябва да бъде проверена на микроскопично ниво.

Научаването на свойствата на снега (и в частност на снежинките) не е детска игра. Знанието за природата на снега и снежните облаци е много важно при изучаването на изменението на климата.