Почему не бывает одинаковых снежинок. Теория снега: двух однаковых снежинок не бывает Бывают ли 2 одинаковые снежинки

Природа зимой прекрасна: стоит лишь на минуту замедлить шаг, разглядеть заснеженные деревья, пушистые сугробы и протянуть ладошку - как на нее упадет несколько снежинок. Нет ничего красивее и невесомее этих миниатюрных произведений природы.

Как жаль, что их прекрасным узором можно любоваться лишь недолгое время.

Возможно, вы слышали утверждение: двух одинаковых снежинок не существует. Давайте разберемся в этом «зимнем вопросе».

Процесс образования снежинок на первый взгляд очень сложный. Здесь задействованы физические законы взаимодействий элементарных частиц. В атмосфере, при минусовой температуре, молекулы воды притягиваются к молекулам пыли и застывают, образуя шестиконечные кристаллы. Между отдельными лучами кристалла, из-за особенностей структуры молекулы воды, возможны углы только в 60 или 120 градусов, а разнообразные формы и узоры снежинок образуются, благодаря новым кристаллам, присоединяющимся к вершинам шестиугольника.

Таким образом, мы выяснили, что:

• Снежинки образуются внутри ледяного облака из пара, минуя жидкую фазу.
• Рост снежинок зависит от внешних условий: от влажности и температуры воздуха.
• «Зародыши» снежинок имеют шестиугольную форму.
• Форма снежинки может изменяться по мере прохождения атмосферы.
• Скорость падения снежинки 15 м/в минуту.
• Образующий снежинку лед прозрачен.

Остановимся подробнее на последнем факте. Почему, если снежинка прозрачная, то снег белый? На этот вопрос отвечают законы физики: свет, отражаясь от граней снежинок, создает впечатление белой массы, которую мы называем снегом.

Итак, процесс формирования снежинок волновал множество умов.

Первопроходцами в теории «снега» стали фермер У.Э. Бентли и доктор Н. Найт.

Бентли за всю свою жизнь создал огромную коллекцию фотографий снежинок, которой интересовались как ученые, так и фотографы. Доктор Найт смогла воспроизвести процесс образования снежинок в лабораторных условиях.

Систематизировал их знания и научные работы профессор из Калифорнийского университета К. Либбрехт, который в процессе изучения этого вопроса выдвинул утверждение: «Если вы видите две одинаковые снежинки - они все равно различаются!».

Именно он научно обосновал свое высказывание, объяснив, что молекулы и атомы образующие кристаллическую решетку могут иметь огромное множество способов соединения.

Либбрехт заявил, что визуально снежинки могут выглядеть одинаково, однако, если рассмотреть их в микроскоп, узор будет совершенно разным!

Теперь вы знаете, если за окном падает снег, каждая из снежинок будет по-своему уникальной и неповторимо прекрасной!

Ученые выделяют два варианта образования снежных кристаллов. В первом случае водяной пар, занесенный ветром на очень большую высоту, где температура составляет около 40° С, может внезапно замерзнуть, образовав кристаллы льда. В нижнем слое облаков, где вода замерзает медленнее, кристалл создается вокруг маленькой пылинки или частицы грунта. Этот кристалл, которых в одной снежинке насчитывается от 2 до 200, имеет форму шестигранника, поэтому большинство снежинок представляют собой шестиконечную звезду.

«Страна Снегов» - такое поэтическое название придумали для Тибета его жители.

Форма снежинки зависит от многих факторов: температуры вокруг, влажности, давления. Тем не менее, выделяют 7 основных видов кристаллов: пластинки (если температура в облаке – от -3 до 0°С), звёздчатые кристаллы, столбцы (от -8 до -5°С), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. Примечательно, что если при падении снежинка вращается, то форма её будет идеально симметричной, а если будет падать боком или как-то иначе – то нет.

Кристаллы льда шестиугольные: они не могут соединиться углом – только гранью. Поэтому лучи от снежинки всегда растут в шесть сторон, а разветвление от луча может отходить только под уголом 60 или 120°.

С 2012 года в предпоследнее воскресенье января отмечается «Всемирный день снега». Инициаторами этого выступила Международная федерация лыжного спорта.

Снежинки кажутся белыми из-за заключенного в них воздуха: свет разных частот отображается на гранях между кристаллами и рассеивается. Размер обычной снежинки составляет около 5 мм в диаметре, а масса – 0, 004г.

При озвучивании фильма «Александр Невский» скрип снега получали путем сжимания смешанного сахара и соли.

Считается, что двух одинаковых снежинок не бывает. Впервые это было доказано в 1885 году, когда американский фермер Уилсон Бентли сделал первый удачный снимок снежинки под микроскопом. Он посвятил этому 46 лет и сделал более 5000 фотографий, на основе которых и была подтверждена теория.

Одинаковые снежинки в природе встречаются. В исключительных случаях. Впервые это было зафиксировано специалистами Национального центра атмосферных исследований США в 1988 году.

Фото: pixabay.com

Исследователь Нэнси Найт в своей работе «No Two Alike?» доказала, что в природе могут встречаться идентичные снежинки.

К такому заключению Найт пришла после того, как опытным путем получила одинаковые снежинки в лабораторных условиях. Свою теорию она доказала математическим путем, через теорию вероятности. Она вывела 100 отличительных признаков снежинок, по которым можно судить о том, что существует 10 в 158 степени различных вариантов снежинок. И, хотя полученное число бесконечно велико, это не исключает возможности совпадения снежинок, утверждает Найт.

В то же время, по утверждению профессора физики Калифорнийского университета Кэннета Либбрехта , внешне одинаковые снежинки обладают различиями во внутреннем строении, а именно — в кристаллической решетке. Поэтому нельзя сказать, что в принципе возможно найти полностью одинаковые снежинки по форме и по атомной структуре.

Как формируются снежинки и почему их форма разная?

Процесс образования снежинок включает в себя сублимацию кристаллов из газовой фазы, минуя жидкое состояние. При формировании снежинки молекулы воды хаотично нарастают с момента формирования начального кристалла. Таким образом, рост снежинки идет неупорядоченным образом.

Рост снежинок зависит от внешних условий, таких, как температура и влажность воздуха. В зависимости от этих и других условий новые слои молекул накладываются друг на друга, образуя каждый раз новую форму снежинки.

Все снежинки имеют шесть граней, поскольку при замерзании молекулы воды выстраиваются особым порядком, в результате чего образуется шестигранная геометрическая фигура.

Рост снежинки обусловлен температурой воздуха, при которой происходило ее формирование. Чем ниже была температура, тем меньше будет и размер снежинки.

Направления роста снежинки обусловлены тем, что кристаллы льда шестиугольные. Два кристаллика не могут соединиться углом, они всегда присоединяются друг к другу гранью. Поэтому лучи всегда растут в шесть сторон, а от луча может отходить «ветка» только под углом 60 или 120 градусов.

Первопроходцем изучения «теории снега» стал юный фермер Уилсон Элисон Бентли по прозвищу «Снежинка». С детских лет его привлекала необычная форма падающих с неба кристаллов. В его родном городе Джерико на севере США снегопады были регулярным явлением, и юный Уилсон проводил много времени на улице, изучая снежинки.

Уислон "Снежинки" Бентли

К подаренному матерью на 15-летие микроскопу Бентли приспособил фотоаппарат и попытался запечатлеть снежинки. Но на совершенствование технологии ушло без мало пять лет – лишь 15 января 1885 года был получен первый отчетливый снимок.

За всю свою жизнь Уилсон запечатлен на фотографиях 5000 разнообразных снежинок. Он не переставал восхищаться красотой этих миниатюрных произведений природы. Для получения своих шедевров, Бентли работал при минусовой температуре, помещая каждую целую из найденных снежинок на черный фон.

Работы Уилсон высоко оценили и ученые, и художники. Его часто приглашали выступить на научных конференциях или выставить фотоснимки в художественных галереях. К сожалению, Бентли умер на 65-ом году жизни от пневмонии, так и не доказав, что одинаковых снежинок не бывает.

Эстафету «теории снега» подхватила сто лет спустя исследователь Национального центра Атмосферных исследований Нэнси Найт. В работе, опубликованной в 1988 году, она доказала обратное утверждение – одинаковые снежинки могут и должны существовать!

Доктор Найт попробовала воспроизвести процесс построения снежинок в лабораторных условиях. Для этого она выращивала несколько кристаллов воды, подвергая их одинаковых процессам переохлаждения и перенасыщения. В результате опытов ей удалось получить снежинки абсолютно идентичные друг другу.

Дальнейшие полевые наблюдения и обработка погрешностей опытов позволили Нэнси Найт утверждать, что возникновение одинаковых снежинок возможно и определяется только теорией вероятности. Составив сравнительный каталог небесных кристаллов, Найт сделала вывод, что у снежинок наблюдается 100 признаков различия. Так образом, общее количество вариантов внешнего вида составляет 100! т.е. почти 10 в 158-й степени.

Полученное число вдвое больше, чем количество атомов во Вселенной! Но это не значит, что совпадения совсем невозможны – делает в своей работе заключение доктор Найт.

И вот – новые исследования по «теории снега». На днях профессор физики Калифорнийского университета Кэннет Либбрехт обнародовал результаты многолетних исследований своей научной группы. «Если вы видите две одинаковые снежинки – они все равно различаются!» - утверждает профессор.

Либбрехт доказал, что в составе молекул снега примерно на каждые пятьсот атомов кислорода с массой 16 г/моль приходится один атом с массой 18 г/моль. Устройство связей молекулы с таким атомом таково, что предполагает бесчисленное количество вариантов соединений внутри кристаллической решетки. Другими словами – если две снежинки действительно выглядят одинаково, то их идентичность еще нужно проверить на микроскопическом уровне.

Изучение свойств снега (и, в частности, снежинок) - не детская забава. Знания о природе снега и снежных облаков очень важны при исследовании климатических изменений. А некоторые из необычных и неизученных свойств льда могут найти и практическое применение.

Оглавление.

Введение.

Глава 1.

1.1.Происхождение снежинок.

1.2.Бывают ли снежинки одинаковые?

Глава 2. Мои эксперименты.

Глава 3.Интересные факты о снежинках.

4.Заключение.

5. Используемые источники.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:

изучить снежинки, как удивительное явление природы.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ :

наблюдение за снежинками в природе;

изучение образования снежинок;

выявление разнообразия форм снежинок;

опытным путём понаблюдать образование снежинок;

выявить знания учащихся о снежинках.

ГИПОТЕЗА.

Если при таянии снежинок образуется вода, то снежинки появляются из воды.

Если снежинок так много, значит в природе должно быть большое количество одинаковых снежинок.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

снежинки

снег

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Каждый маленький ребёнок очень любознателен и всем интересно что, откуда, как…?

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ :

1. Изучение литературы о снежинках.

2. Фотографирование снежинок.

3. Проведение экспериментов.

4. Анализ проделанной работы.

Время проведения исследования: январь-февраль 2017 года.

Введение.

Начну с трогательного, нежного и завораживающего стихотворения о снежинке.

Снежинка.

Светло-пушистая, снежинка белая,

Какая чистая, какая смелая!

Дорогой бурною легко проносится,

Не в высь лазурную - на землю просится.

В лучах блистающих скользит умелая

Средь хлопьев тающих сохранно-белая.

Но вот кончается дорога дальняя,

Земли касается звезда хрустальная.

Лежит пушистая снежинка смелая

Какая чистая, какая белая!

(Константин Бальмонт)

Глава 1.

1.1.Происхождение снежинок.

Снег лежит. Летят снежинки. Что здесь необычного? Просто наступила зима. И тем не менее, это ещё одно чудо природы, которое подарил нам этот удивительный мир! Невероятная красота, неправда ли? Вот уж действительно, - удивительное вокруг нас. Так что, когда лежит снег или летят снежинки, мы с вами наблюдаем не просто явление зимы на землю, а настоящее чудо природы, достойное изучения.

Снежинка - сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда. Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают. Появляющиеся при этом кристаллы льда, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы. И снежинка отправляется на землю уже шестиконечной звёздочкой. Но до земли они долетают в виде снега, только если температура ниже нуля. Если же температура выше, снежинки испаряются и превращаются в водяной пар, который снова поднимается вверх. Или же эти кристаллы тают и падают на землю в виде дождя или крупы. А иногда бывает так, что на крыше высотного здания идет снег, а на улице - уже дождь.

Вид снежинок зависит от содержания воды в том облаке, где она зародилась, температуры воздуха, высоты над уровнем моря. Даже если и «родились» две одинаковые снежинки, им предстоит путь до земли со скоростью приблизительно 1 км. в час. Они попадают в разные температурные условия и до земли долетают с совершенно разным узором, но обязательно шестиугольной формы. Ученые сумели выделить несколько основных форм снежинок. Им даже дали названия:

звезда,

пластинка,

столбик,

игла,

пушинка,

ёж,

запонка.

Форма снежинок зависит от погоды.

В безветреный морозный день снежинки падают медленно. Они крупные, блестящие, похожие на звездочки. Снежинки падают по одной, поэтому их легко рассмотреть.

При слабом морозе снежинки похожи на снежные шарики – «снежная крупа». А при сильном ветре идет «снежная пыль», так как ветер обламывает у снежинок лучи и грани.

Когда нет мороза, падая на землю, снежинки прилепляются друг к другу и образуют «снежные хлопья». Они крупные и напоминают кусочки ваты».

Каждая снежинка неповторима так же, как отпечаток пальца или ДНК человека. Снежинок одинаковых не бывает, как не бывает одинаковых листьев на деревьях, одинаковых капель дождя, одинаковых людей.

Но если снежинка - кристалл, то почему она белая, она же должна быть прозрачной? Это благодаря воздуху (95%), заключённому в ней! Свет отражается на поверхностях между кристаллами и в воздухом и рассеивается. Благодаря воздуху снежинки очень легкие. Даже во время очень сильных снежных заносов люди или животные могут дышать под снегом в течение длительного времени.

1.2. Бывают ли одинаковые снежинки.

Существуют ли две одинаковые снежинки? Нет! Это доказал в своих работах фермер Уилсон Бентли в 1885 году, ему-то и удалось сделать первую фотографию снежинки под микроскопом. А понадобилось ему для этого 46 лет!
С детства он исследовал форму падающих с неба кристаллов, за что и получил прозвище «Снежинка». Всю жизнь Уилсон посвятил исследованию снежинок, всего он сделал 5000 снимков, и ни на одном из них не было повторяющихся снежинок.

Одним из первых ученых, задумавшихся о структуре снега, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630). В 1611 году он опубликовал короткий трактат «Новогодний подарок, или о шестиугольных снежинках», который можно назвать первой научной работой, посвященной снежинкам.

Глава 2. Исследование.

Я всегда думала, если после таяния снега образуется вода, то после замерзания капельки воды превратятся в снежинки.

Эксперимент 1.

Я заморозила капельки воды, но снежинки не получились. А это значит , снег не появляется из капелек воды. Капельки воды могут стать градинками, комочками льда, но не снежинками .

Эксперимент 2.

В снегопад я вышла на улицу, подставила рукавичку под снег. На неё упало несколько снежинок. Я стала рассматривать их в увеличительное стекло.

С нежинки хорошо можно рассмотреть только тогда, когда они падают на ладонь. Под действием какой-то даже небольшой силы они ломаются, а значит снежинки очень хрупкие.

Я проводила интервью среди 40 учеников начальной школы.

По результатам интервью

35 из 40 ребят утверждают, что снежинка состоит из воды;

30 из 40 ребят утверждают что одинаковые снежинки бывают;

Так как мне очень нравятся снежинки, я научилась вырезать их из бумаги, разукрашивать и рисовать.

На Новый год у меня был костюм снежинки:

А еще, я с родителями вспоминала, как строила из деталек конструктора - дом. Детальки я брала маленькие, а постройка получалась большая. Природа тоже умеет строить. Но строит она не дома, а снежинки из необычного ледяного конструктора – из крохотных льдинок!

Глава 3. Интересное о снежинках.

Во время снегопада в 1987 году в Форт-Кое-(Монтана, США) была найдена снежинка-мировая рекордсменка диаметром 38 см.

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

На Крайнем Севере снег бывает настолько твердым, что топор при ударе по нему звенит, словно ударили по железу.

В Японии ученые называют снежинки письмами с небес, которые написаны тайными иероглифами.

Заключение.

Работая над темой я достигла своей цели и узнала очень много о снежинках. В процессе изучения и исследования решила поставленные мной задачи. К большому сожалению мои гипотезы не подтвердились. В процессе работы над проектом я узнала, что снежинок одинаковых не бывает. Еще узнала, что они появляются из алмазной пыли, они всегда имеют центр, симметричны и шестиугольны.

Использованные источники:

Одинаковые ли снежинки, или Что сокрыто в замерзшей воде? - Режим доступа: http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/

Стихи про снег и снежинки. - Режим доступа: http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html