Исследовательская работа по физике "Снежинка"

Введение.

Однажды зимним вечером мама прочитала моему младшему брату сказку Наталии Абрамовой «Снежинка»…

«…Было удивительно тихо и спокойно.

На ясном небе светила большая круглая луна.
     Перемигивались друг с другом звёзды. Медленно падал снег.
     Прекрасные снежинки были похожи на сказочных балерин, одетых в тончайший ажур...
     Они не падали с неба, нет! Они летели, грациозно кружась в волшебном танце.
     Казалось, что сам воздух, зачарованный чудесным танцем, поддерживал их на лету.
     Снежинки упивались своим изяществом и неземной красотой.
     Они были уверены, что никто, кроме них, не способен с такой грацией так долго кружиться в воздухе, переливаясь всеми оттенками лунного серебра.
     Но рано или поздно, все снежинки опускались с небес на землю...»

А утром на улице, правда пошел снег и мы с братом принялись разглядывать падающие снежинки. И так это нас захватило, что  мне стало интересно узнать больше о феномене снежинок и захотелось понять, как наука объясняет их красоту.

Так  родился этот проект его я и предлагаю его вашему вниманию.

Исследовательский проект

«Чудо природы - снежинка».

Цели:

1. проследить эволюцию взглядов на природу снежинок;
2. изучить строение снежинок.

Задачи:

1. познакомиться с представлениями ученых о форме и структуре снежинок;
2. проследить пути формирования снежинок;
3. рассмотреть классификацию снежинок;
4. определить, где можно наблюдать самые красивые снежинки;
5. найти интересные факты из жизни снежинок.

Немного истории.

В японских садах можно встретить необычный каменный фонарь, увенчанный широкой крышей с загнутыми вверх краями. Это „Юкими-Торо“, фонарь для любования снегом. Праздник „Юкими“ призван дарить людям наслаждение красотой повседневной жизни. На каменной крыше фонаря располагаются миллионы крохотных снежинок, каждая из которых неповторима и достойна самого пристального внимания. Поражаясь чрезвычайно сложной форме, идеальной симметрии и бесконечному разнообразию снежинок, люди издревле связывали их очертания с действием сверхъестественных сил или божественным промыслом.

Полные идеальной гармонии конструкции снежных кристаллов уже на протяжении многих лет вызывают интерес людей. Тайну снежных кристаллов мечтали разгадать многие великие учёные. В далёком 1611 году трактат о шестилучевой симметрии снежинок опубликовал знаменитый немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер. Великий астроном  в своем трактате "Новогодний дар. О шестиугольных снежинках" объяснил форму кристаллов волей Божьей.

Первую систематизированную классификацию геометрических форм снежинок в 1635 году создал не кто иной, как знаменитый математик, физик, физиолог и философ Рене Декарт. Французский философ и математик писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Особенно математика поразила найденная им в середине снежинки «крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля, которым пользовались, чтобы очертить ее окружность». Ему удалось невооружённым глазом обнаружить даже такие редкие снежные кристаллы, как столбики с наконечниками и двенадцатилучевые снежинки.

Наиболее полное исследование строения снежинок и их разновидностей японский физик-ядерщик Укитиро Накая опубликовал лишь в середине прошлого века.

Чтобы разгадать тайны образования снежных кристаллов, были необходимы современные представления о молекулярной структуре льда и сложные исследовательские технологии — к примеру, рентгеновская кристаллография.

Невзирая на достижения современной науки, люди и сейчас продолжают задавать вопросы, которыми интересовались тысячи лет назад: почему снежинки симметричны, почему снег белый, правда ли, что среди всех снежинок на свете не найдётся двух одинаковых?

Эти вопросы интересовали и нас с братом, а ответил на них профессор физики Калифорнийского технологического института Кеннет Либбрехт. Значительную часть своей жизни он посвятил исследованию снежных кристаллов, при этом научившись выращивать снежинки в лабораторных условиях и даже управлять их формой. Кроме того, профессор Либбрехт известен как автор самой большой и разнообразной коллекции фотографий снежинок. «Я пытаюсь выяснить динамику формирования кристаллов на молекулярном уровне, — комментирует профессор. — Это непростая задача, и ледяные кристаллы скрывают множество секретов».

Триединство воды

Многие ошибочно полагают, что снежинки — это замёрзшие по пути к земле капельки дождя. Разумеется, такое атмосферное явление тоже случается и называется „снег с дождём“, но красивых геометрически правильных снежинок в этом коктейле нет. Настоящие снежинки вырастают, когда водяные пары конденсируются на поверхности ледяного кристалла, минуя жидкую фазу.

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

Вода — это единственное вещество, которое в повседневной жизни можно наблюдать в тройной точке фазовой диаграммы: его твёрдая, газообразная и жидкая стадии могут сосуществовать при температуре приблизительно 0,01 градуса Цельсия. Самый первый кристаллик льда, который служит фундаментом будущей снежинки, может образоваться и из микроскопической капельки жидкой воды, однако всё дальнейшее строительство происходит за счёт присоединения молекул водяного пара.

Разгадка загадочной симметрии снежинок кроется в кристаллической решетке льда. Лёд — это уникальное вещество, способное образовывать более десяти различных кристаллических структур. Практически весь лёд на планете кристаллизуется в гексагональной сингонии — его молекулы образуют правильные призмы с шестиугольным основанием. Именно шестиугольная форма решетки, в конечном счете, обусловливает шестилучевую симметрию снежинок. 

Однако связь между структурой кристаллической решётки и формой снежинки, которая больше молекулы воды в десять миллионов раз, неочевидна: если бы молекулы воды присоединялись к кристаллу в случайном порядке, форма снежинки получилась бы неправильной.

Как формируется снежинка. Рост снежного кристалла начинается, когда молекулы собираются вокруг крошечных примесей. Изменения во внешней среде, могут изменять форму и размеры кристалла. Кроме того, снежинки пока растут, летают внутри облака, а это значит, что они подвергаются разным воздействиям в разное время, в результате чего их форма меняется.

Молекулы водяного пара с большей вероятностью заполняют пустоты, нежели пристают к ровным граням, потому что пустоты содержат больше свободных водородных связей. 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 её грани находятся в одинаковых условиях, что служит предпосылкой для роста одинаковых лучей на всех шести гранях.

Звёздная семейка.

Наблюдать за явлением интересно лишь тогда, когда ощущаешь его многообразие.

Очень трудно  классифицировать явление, которое не имеет повторений в природе. „Все снежинки разные, и их группировка — это во многом вопрос личных предпочтений“, — считает Кеннет Либбрехт. Международная классификация твёрдых осадков выделяет семь основных типов снежинок. Таблица, созданная Укитиро Накая, содержит 41 морфологический тип. Метеорологи Магоно и Ли расширили таблицу Накая до 81 типа.

Я предлагаю вам ознакомиться с несколькими характерными видами снежных кристаллов.

1. Шестигранная призма: это элементарный снежный кристалл. Такие кристаллы, как правило, настолько малы, что их невозможно разглядеть невооруженным глазом. 
2. Простая призма: это похоже на предыдущий тип, хотя ее уже украшают различные отростки и хребты.

1. Звезда: это тонкие, пластинчатые кристаллы в форме звезды с шестью углами. Они часто украшены удивительно четкими и симметричными узорами. Пластинчатые снежинки формируются при температуре между -2 и -15°C. Это самые обычные снежинки.

3. Пластинка с секторами: это снежинка звезда, но с хребтами, которые растут из углов. 

4. Звездная ветвящаяся снежинка: это довольно крупные кристаллы, как правило 2-4 мм в диаметре, которые легко увидеть невооруженным взглядом.

5. Эта снежинка имеет папоротникообразные отростки: эти крупнейшие из снежных кристаллов часто достигают в диаметре 5 мм и больше. Они очень тонкие и легкие, поэтому делают очень низкой плотность снежного покрова.

6. 12-сторонняя снежинка: фактически это две снежинки в одной, где одна повернута на 30 градусов. Это довольно редкая снежинка.

7. Треугольный хрусталик: они образуются, когда звездочки растут в виде усеченного треугольника при температуре около -2°C. Эти кристаллы тоже очень редки. 

В погоне за снегом

Чтобы хорошенько рассмотреть настоящие снежинки, нужно как минимум выйти из дома. А за особенно крупными и красивыми экземплярами придётся охотиться по всей стране. Для начала стоит взглянуть на карту осадков и выбрать те места, где часто идёт снег. Точно так же за снегом гоняются горнолыжники, но нам с ними не по пути: на обустроенных горных курортах, как правило, сравнительно тепло, от 0 до –5 градусов. В такую погоду снежинки, подлетая к земле, подтаивают, покрываются инеем, форма их сглаживается или вовсе теряется. Для хорошего снега необходим хороший мороз — приблизительно пара десятков градусов ниже нуля. Он позволяет снежинкам расти уверенно, до самой земли сохраняя остроту лучей и граней. Однако и здесь важно знать меру: как правило, весь снег выпадает при тех же –20°C, и при дальнейшем понижении температуры воздух остаётся сухим, осадки не образуются. Конечно, в приполярных районах, где температура редко поднимается выше –40°C, а воздух очень сухой, всё равно идёт снег. При этом снежинки представляют собой крохотные шестиугольные призмы с идеально ровными гранями, без малейшего сглаживания углов. Зато в средней полосе России, особенно в Центральной Сибири, иногда выпадают огромные звёзды диаметром до 30 см. Вероятность увидеть крупные снежинки существенно возрастает вблизи водоёмов: испарения с озёр и водохранилищ — это отличный строительный материал. И конечно же, крайне желательно отсутствие сильного ветра, иначе большие снежинки будут сталкиваться друг с другом и ломаться. Поэтому лесной ландшафт предпочтительнее степей и тундр.

Даже Кеннет Либбрехт, путешествуя по всему миру в поисках редких снежных кристаллов, до сих пор не смог найти точный способ предсказать, где и когда снег будет самым лучшим, — в этой формуле слишком много случайных величин, а результат может быть самым неожиданным. К примеру, Укичиро Накая обнаружил и сфотографировал почти все кристаллы, которые легли в основу его классификации, у себя на родине, на острове Хоккайдо в Японии.

У нас в Армавире мы тоже наблюдали разные по форме снежинки. А еще мы заметили, что  большие хлопья снега – это не одна снежинка, а очень и очень много маленьких пушистых звездочек!

Интересные факты из жизни снежинок.

1. То, что одна снежинка практически невесома, любой из нас прекрасно знает: достаточно подставить ладошку под падающий снежок. 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).
2. 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%.
3. Кстати, сам снег бывает не только белым. В арктических и горных регионах розовый или даже красный снег – обычное явление. Дело в том, что живущие между его кристаллов водоросли окрашивают целые участки снега. Но известны случаи, когда снег падал с неба уже окрашенный – в голубой, зеленый, серый и черный цвета. Так, на Рождество 1969 года в Швеции выпал черный снег. Скорее всего, это произошло из-за того, что снег при падении впитал из атмосферы копоть и промышленные загрязнения. В 1955 году около Даны, штат Калифорния, выпал фосфоресцирующий зеленый снег. Жители, рискнувшие попробовать на язык его хлопья, вскоре скончались, а у людей, бравших снег в руки, появились сыпь и сильный зуд. Возникло предположение, что подобные ядовитые осадки явились результатом атомных испытаний в штате Невада. Однако комиссия по расследованию этого происшествия данное предположение отвергла. По сей день происхождение зеленых хлопьев остается тайной.
4. Скрип снега – это всего лишь шум от раздавливаемых кристалликов. Разумеется, человеческое ухо не может воспринять звук одной "сломанной" снежинки. Но мириады раздавленных кристалликов создают вполне явственный скрип. Скрипит снег лишь в мороз, а тональность скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха – чем крепче мороз, тем выше тон скрипа.
5. 26 400 000 $ американские ученые потратили на выяснение того факта, что снежинки образуются непосредственно из пара, минуя стадию дождя.
6. 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.

Выводы.

1. Снежинка — сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе.
2. Полные идеальной гармонии конструкции снежных кристаллов уже на протяжении многих лет вызывают интерес людей.
3. Отношение человека к форме  снежинок менялось на протяжении веков – от воли Божьей до объяснения на основе рентгеновской кристаллографии.
4. . 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.
5. Фотографировать снежинки надо очень быстро — когда снежинка спустилась с неба, ее кристаллики перестают расти и почти сразу же начинают терять четкость граней.

Ресурсы.

1. При подготовке проекта использовались ресурсы Интернет.
2. Журнал «Популярная механика»  январь, 2008.
3. И. Стюарт  «Какой формы снежинки. Магические цифры в природе»