Що спільного у сніжинок різної форми. Що там падає з неба? Такі ось цікаві причини виникнення величезної кількості різновидів сніжинок

13.04.2021

Одного разу було сказано, що в кожній краплі дощу відбивається весь світ. У кожній снежинке постають перед нами краса і гармонія природи. Ось і ми вирішили ближче познайомити дітей з красивою і дивовижною природничо областю - кристаллографией, згадуючи ту пору, коли будучи самі дітьми, ми милувалися химерними різьбленими і мереживними кристалами на рукавицях.

Цієї зими в таборі Нанокемпми з дітьми будемо відловлювати, фотографувати, вивчати і самостійно вирощувати сніжинки та інші кристали!

Сподіваємося, що наші експерименти з вирощування сніжинок в лабораторії будуть настільки ж успішні і ми зможемо зробити відеоролики їх раста. Нижче наводяться ролики з стоп-кадру росту кристалу сніжинки протягом 70 хвилин, виконані професоромЛіббрехт.

Навіть неозброєним поглядом розглядаючи сніжинки, можна помітити, що жодна з них не повторює іншу. Передбачається, що в одному кубічному метрі снігу знаходиться 350 мільйонів сніжинок, кожна з яких унікальна. Не буває п'ятикутний чи семикутна сніжинок, всі вони мають строго шестикутну форму (хоча радянських художників змушували малювати на плакатах п'ятикутні сніжинки). Повні ідеальної гармонії конструкції снігових кристалів вже протягом багатьох років викликають інтерес людей.

Одним з перших, хто звернув увагу на сніжинку, був Йоганн Кеплер, Відомий астроном і відкривач законів руху планет.

У 1611 року дослідник випустив свій трактат «Новорічний дар. Про шестикутної снежинке », в якому, правда, пояснив форму кристалів волею Божою. Це дослідження можна вважати першим в історії працею по вивченню кристалів снігу. Кеплер задумався, чому кристали завжди мають форму правильного шестикутника. Він пояснив цей феномен щільним розташуванням сфер, що формують гексагональних структуру кристала.

Кеплер вперше зацікавився і природою симетрії сніжинок, але пояснити її не зміг. Минуло 300 років, перш ніж вчені змогли дати відповідь на поставлене Кеплером питання. Це стало можливим завдяки відкриттю рентгенокрісталлографіі.

Перехопив естафетну крижану паличку (хоча, в нашому випадку, це, швидше за все, була саме сніжинка) Рене Декарт,філософ і математик. Саме він перший докладно описав форму снігових кристалів - настільки добре, наскільки це можна було зробити без допомоги мікроскопа. У своїх працях він писав, що сніжинки схожі на трояндочки, лілії і коліщатка з шістьма зубцями. Його докладні записки, датовані 1635 роком, містили описи рідкісних форм сніжинок - 12-вугільних і столбікообразних. Особливо математика вразила знайдена ним у середині сніжинки «крихітна біла крапка, точно це був слід ніжки циркуля, яким користувалися, щоб окреслити її коло».

Основа для формування сніжинки, її крихітне ядро \u200b\u200b- це крижані або сторонні порошинки в хмарах. Молекули води, хаотично переміщаються у вигляді водяної пари, проходять через хмари, то разом з температурою вони втрачають і швидкість. Все більше і більше шестикутних молекул води приєднується до зростаючої снежинке в певних місцях, надаючи їй чітку форму. При цьому опуклі ділянки сніжинки ростуть швидше. Так, з спочатку шестигранною пластинки виростає шестилучевая зірочка.

У 1665 році Роберт Хуквипустив величезний том під назвою «Мікрографія». Робота включала зображення всього, що автор міг побачити завдяки найбільшому винаходу того часу - мікроскопу. В цьому альбомі були численні фото сніжинок, на яких чітко видно абсолютна симетрія і правильна форма снігових кристалів. Це відкриття змінило тогочасні уявлення про сніжинки.

наступним був Вілсон Бентлі (1865-1931) - американський фермер, який займався фотографуванням снігових кристалів. В його колекції 5000 знімків, з яких понад 2000 були опубліковані в 1931 році в його відомій монографії «Снігові кристали». Книга видається додатковими тиражами до цього дня.

Трейлер до 60 хвилинному фільму У. Бентлі "Сніжинки в русі".

Укічіро Накайя називав сніг "листом з небес, написаним таємними ієрогліфами". Він став першим вченим, який зумів створити систематичне вчення про снігові кристалах. Воно стало величезним проривом у розумінні природи снігу.

Накайя, за фахом фізик-ядерник, в 1932 році був призначений на посаду професора на Хоккайдо - північному острові Японії. Проводити ядерні дослідження на новому місці можливості не було, зате увагу вченого привернули сніжинки - благо, в «піддослідному матеріалі» на холодному Хоккайдо не бракувало.

На відміну від Бентлі, японець фотографував і вивчав все-ліпші кристали, включаючи не дуже красиві і несиметричні. Завдяки наполегливій праці та науковому підходу до роботи Накайя зумів скласти детальний каталог типів сніжинок.

Справжнім науковим тріумфом Накайя стало вирощування штучних сніжинок в заданих умовах. Це дозволило визначити закономірності між формою снігових кристалів і середовищем їх формування.

Підсумком декількох років роботи вченого стала робота «Снігові кристали: природні і штучні». Вперше видана в 1954 році, книга виходить і в наші дні. У ній розкрито захоплююче наукове дослідження, Яке почалося практично з нічого, а закінчилося уважним вивченням і детальною класифікацією сніжинок - вражаючого природного феномену.

Кристалографія в даний час активно розвивається в зв'язку з потребами електроніки і фізики твердого тіла - зокрема, властивості напівпровідників, що використовуються в наших повсякденних електронних приладах, в значній мірі залежать від характеристик використовуваних в них кристалів.

Черговий крок у вивченні властивостей найбільш відомих природних кристалів - сніжинок - зроблений професором фізики Кеннетом Ліббрехт (Kenneth Libbrecht) з Каліфорнійського технологічного інституту. У лабораторії професора Ліббрехт сніжинки вирощуються штучно. «Я намагаюся з'ясувати динаміку формування кристалів на молекулярному рівні, - коментує професор. - Це непросте завдання, і крижані кристали приховують безліч секретів ».

Сніжинка - складна симетрична структура, що складається з кристалів льоду, зібраних разом. Варіантів «збирання» безліч - до сих пір не вдалося знайти серед сніжинок двох однакових. Дослідження, проведені в лабораторії Ліббрехт, підтверджують цей факт - кристалічні структури можна виростити штучно або спостерігати в природі. Існує навіть класифікація сніжинок, але, незважаючи на загальні закони побудови, сніжинки все одно будуть трохи відрізнятися один від одного навіть в разі відносно простих структур.

Для вивчення характеристик сніжинок професор Ліббрехт з 2001 року почав робити фотографії утворилися природним чином сніжинок і проводити їх порівняльну класифікацію. Структура і зовнішній вигляд сніжинок, як з'ясувалося, залежать від того, де саме їх спостерігали. На думку Ліббрехт, найкрасивіші і складні по структурі сніжинки випадають там, де клімат суворіший - наприклад, на Алясці, а ось в Нью-Йорку, де клімат м'якше, структури снігових кристалів набагато простіше.

Мабуть, вчений ніколи не бував в Росії, тоді б він зі стовідсотковою впевненістю заявив, що прекрасніше російських сніжинок бути не може.

Класифікація сніжинок за схожим типом:

призми - бувають, як 6-вугільні пластинки, так і тонкі стовпчики з 6-вугільним перетином. У призм крихітні розміри, їх майже не видно неозброєним оком. Грані призми, дуже часто прикрашають різні складні візерунки.

голки - тонкі й довгі снігові кристали, вони утворюються при температурі приблизно -5 градусів.
При розгляді вони схожі на маленькі світлі волоски.

дендрити - або деревоподібні, мають яскраво виражені розгалужуються тонкі промені. Найчастіше це великі кристали, їх можна побачити неозброєним оком. Максимальний розмір дендрита може досягати 30 см в діаметрі.

12-променеві сніжинки - іноді стовпчики з наконечниками формуються з поворотом пластинок відносно один одного на 30 градусів. Коли з кожної пластинки виростають промені, виходить кристал з 12 променями.

подвійні пластинки - у даного типу, стовпчики з наконечниками мають коротку вертикальну частину. Пластинки ростуть дуже швидко, від водяної пари одна з низ затуляє другу і в результаті виростає більшою за розміром.

порожні стовпчики - всередині стовпчиків з шестикутним перетином, буває утворюються порожнини. Цікаво, що форма порожнин симетрична щодо центру кристала. Необхідно велике збільшення, щоб розглянути полочті в маленьких сніжинки.

папоротеподібні дендрити - цей тип один з найбільших. Гілки зірчастих дендритів виростають тонкими і дуже частими, в результаті сніжинка починає бути схожою на папороть.

просторові кристали - буває так, що з мікроскопічної краплі починає рости кілька сніжних кристалів у різних напрямах. І після вони можуть придбати складну форму. Такі клеєні кристали можуть розпадатися на декілька простих сніжинок.

трикутні кристали - такі сніжинки формуються при температурі близько -2 градусів. Насправді - це шестикутні призми, частина сторін яких значно коротше інших. А ось на гранях таких можуть вирости промені.

Стовпчики з наконечниками - такі сніжинки рідко можна побачити. Кристали починають рости у вигляді стовпчиків, але після вітер переносить їх у зону з іншими погодними умовами, і тоді на їх кінцях починають рости пластинки.

звездоподобние сніжинки - такі сніжинки широко поширені. Це тонкі пластинчасті кристали, у вигляді зірок з шістьма променями. Найчастіше вони прикрашені симетричними різними візерунками. Такі сніжинки з'являються при -2 ° С або при -15 ° С.

Пластина з секторами - це зіркоподібна пластинчатая сніжинка, але з особливо помітними ребрами, які вказують на кути між суміжними гранями призми.

Сніжинка є одним з найдивовижніших природних творінь. Якби людина захотіла створити щось подібне, йому довелося б дуже постаратися. Під час снігопаду мільярди маленьких кристаликів встеляють землю, і варто зазначити, що серед них немає однакових, вони всі різні.

Від чого залежить форма сніжинки?

Форма сніжинки залежить від температури, яка сприяла її утворення. Всім відомо, що хмари, які знаходяться високо, будуть холодніше тих, що знизу. Отже, як впливає температура на форму сніжинки:

-3 ... 0 ° С - шестикутник плоский;
-5 ...- 3 ° С - кристал голчастий;
-8 ...- 5 ° С - стовпчик-призма;
-12 ...- 6 ° С - знову плоский шестикутник;
-16 ...- 12 ° С - зірчасті сніжинки.

У міру свого зростання сніжинка стає важкою, що змушує її падати на землю. У процесі падіння її форма змінюється. Якщо, опускаючись, сніжинка обертається, то землі вона досягне ідеально симетричною. А якщо кристалик падає боком, то в підсумку він втратить свою форму. На льоту сніжинки можуть злипатися між собою і утворювати цілі пластівці зі снігу. У кожному з них може міститися до двохсот кристалів. Можна зробити висновок, що форма сніжинки повністю залежить від траєкторії її польоту і температурного режиму на різній висоті.

Класифікація сніжинок

Міжнародною комісією з вивчення снігу та льоду в 1951 році була прийнята класифікація твердих опадів. Всі кристали, згідно з нею, можна поділити на групи:

пластинки;
зірчасті дендрити;
голки;
стовпчики;
стовпчики з наконечником;
просторові дендрити;
утворення неправильної форми.

град;
крижана крупка;
сніжна дрібна крупка.

Опис основних видів сніжинок

Зірчасті дендрити - це кристали, які відрізняються ветвящейся, деревовидної структурою. У них 6 основних гілок, розташованих симетрично, і багато відгалужень, розміщених хаотично. Розмір таких утворень, як правило, в діаметрі становить 5 мм, а їх товщина - 0,1 мм. Це говорить про те, що такі сніжинки тонкі і плоскі.
Стовпчики - це найбільш поширена форма сніжинок, яка ще називається колоною. Такі порожнисті трубочки можуть мати форму шестикутника, як олівець, загострений на кінці.
Пластинки складаються з безлічі крижаних ребер, які ділять сніжинку на сектора. Такі освіти теж дуже тонкі і плоскі.
Голки є стовпчасті кристали, які виростають тонкими і довгими. Іноді всередині вони бувають порожніми, а іноді можуть розщеплюватися на кілька гілок.

Стовпці з наконечником відрізняються столбчатой \u200b\u200bформою, але під впливом різних факторів можуть перетворюватися в тонкі пластинки, особливо якщо їх занесе в зону, де переважає інша температура.
Просторові дендрити - це спресовані або зрощені стовпчасті кристали, які утворили об'ємну структуру. При цьому кожне відгалуження розташовується в окремій площині.
Сніжинки неправильної форми - це кристали, які за час польоту пережили чимало "пригод". Наприклад, їх могло занести в турбулентну зону, де вони могли втратити частину гілок або зовсім разломаться. Такі сніжинки можна побачити при сильному вітрі в мокрому снігу.

У ніч на 31 грудня Центральну Росію чудесним чином припорошило. Легкий пухнастий сніг надав новорічного настрою і вкрив землю м'яким білим килимом, який пом'якшить вплив сильних морозів.

Сніжинки, унікальні і неповторні, в усі часи цікавили вчених, і деякі з них присвятили дослідженню крижаних кристалів все своє життя.

Одним з перших учених, замислених про структуру снігу, був німецький математик і астроном Йоганн Кеплер(1571-1630). У 1611 році він опублікував короткий трактат «Новорічний подарунок, або Про шестикутні сніжинки», який можна назвати першою науковою працею, присвяченій сніжинкам.

Оскільки всякий раз, коли починає йти сніг, перші сніжинки мають форму шестикутної зірки, то на то повинна бути певна причина. Бо якщо це випадковість, то чому не буває п'ятикутних або семикутна сніжинок, чому завжди падають шестикутні, якщо тільки вони від зіткнень втрачають форму, не злипаються в безлічі, а падають рідко і порізно?

- Йоганн Кеплер, Новорічний подарунок, або Про шестикутні сніжинки, 1611 (переклад Ю. А. Данилова)

Рене Декарт(1596-1650), французький філософ і математик, став першим, хто докладно описав форму сніжинок. Цікаво, що в записах Декарта згадані навіть дуже рідкісні форми крижаних кристалів, наприклад, увінчані стовпчики.

Це були маленькі пластинки льоду, плоскі, дуже гладкі і прозорі, товщиною приблизно з аркуш цупкого паперу ... ідеально складені в шестикутники, сторони яких були настільки прямими, а кути настільки рівними ... людині неможливо створити що-небудь подібне.

- Рене Декарт, 1 635

Винахід мікроскопа дозволило англійському фізику Роберту Гуку (1635-1703) опублікувати в 1665 році роботу під назвою «Мікрографія», в якій вчений описав все, що міг досліджувати за допомогою нового інструменту. До видання увійшло безліч малюнків сніжинок, вперше показали всю складність і хитромудрість снігових кристалів.

Малюнок з «мікрографії» Роберта Гука

Цитата

Вивчаючи сніжинки за допомогою мікроскопа, я виявив ... чим сильніше збільшення, тим більше несиметричними вони здаються. Але цю несиметричність можна приписати танення або пошкодження під час падіння, але ніяк не дефекту Природи.

- Роберт Гук, Мікрографія, 1 665

Одним з перших відомих фотографів сніжинок став Андрій Андрійович Сігсон (1840-1907), російський фотохудожник з Рибінська. Всього йому вдалося зробити фотографії близько 200 різних форм крижаних кристалів. Для цього фотограф використовував спеціальну технологію: сніжинки ловилися на сітку з шелковинок, потім за допомогою мікроскопа збільшувалися в 15-24 рази. Щоб тендітні кристали не розтанули під час фотографування, Сігсон охолоджував руки і дихав через спеціальну трубку.

сніжинки Сігсона

Американським же піонером фотографії сніжинок став Вілсон Бентлі (1865-1931). За все життя він зробив близько 5000 знімків сніжинок. 2500 з них були опубліковані в 1931 році в книзі «Снігові кристали».

Сніжинки Бентлі, 1902 рік

Укіхіро Накайя (1900-1962), японський фізик - перший вчений, який систематизував знання про крижаних кристалах. Накайя не тільки фотографував сніжинки, а й навчився вирощувати їх в лабораторії. Результатом досліджень вченого стала книга «Снігові кристали: природні і штучні», випущена в 1954 році.

Снігові кристали - це листи, надіслані нам з небес.

- Укіхіро Накайя, документальний фільм «Снігові кристали», 1939

Так як же формуються сніжинки?

Сніжинки зароджуються в хмарах, де на найдрібніших частинках пилу при мінусовій температурі утворюються кристалики льоду. Потім на цих кристалах наростають нові, і так далі. Структура молекули води обумовлює шестикутну форму кристала, між його променями можливі кути лише 60 ° і 120 °.

Оскільки в кожен момент часу умови, в яких росте сніжинка, хоч мінімально, але розрізняються, то кожен кристал має унікальну форму. При цьому всі промені однієї сніжинки дуже схожі, так як кристалізуються одночасно в дуже схожих умовах.

Скільки буває типів сніжинок?

Незважаючи на унікальність кристалів, вони все ж піддаються класифікації. Однак, на думку американського вченого Кеннета Ліббрехт з Каліфорнійського технологічного інституту, це непросте заняття, оскільки в якійсь мірі це справа смаку кожного дослідника. Сам Ліббрехт видляет 35 типів сніжинок; Укіхіро Накайя - 41 а сама складна класифікація запропонована метеорологами Магонія і Лі в 1966 році - 80 різних видів снігових кристалів.

Класифікація Укіхіро Накайя. © U. Nakaya | Snow Crystals: Natural and Artificial (Harvard University Press, 1954)

Втім, є і більш проста класифікація, розроблена в 1951 році Комісією снігу і льоду Міжнародної асоціації наукової гідрології - всього 7 форм сніжних кристалів і 3 види заморожених опадів.

Класи сніжинок за Міжнародною класифікацією снігу. © А. К. Дюнін, В царстві снігу, Видавництво «Наука», Новосибірськ, 1983

1. Пластинки

Найпростіші з сніжинок - плоскі шестикутні призми.

© Kichigin | Shutterstock.com

2. Зірки

Як і пластинки, зірки зазвичай плоскі і тонкі, з шістьма променями.

3. Стовпчики

Порожнисті усередині, можуть мати форму олівця.

4. Голки

Довгі і тонкі кристали, іноді складаються з декількох гілочок.

© Kenneth G. Libbrecht, Caltech | SnowCrystals.com

5. Просторові дендрити

Об'ємні сніжинки, утворюються при зрощенні декількох кристалів.

© Kenneth G. Libbrecht, Caltech | SnowCrystals.com

6. Увінчані стовпчики

Утворюються в разі, якщо стовпчики потрапляють в інші умови, і кристали змінюють напрямок росту.

7. Неправильні кристали

Найпоширеніший тип. Утворюється при пошкодженні сніжинки.

Високо-високо в небі, де температура повітря -30 і менше, в хмарах водяної пари утворюються сніжинки. З'являються вони не самі по собі. Як і перлин, їм потрібно ядро, точка відліку, з якого виростуть промінчики сніжної зірочки. Це може бути що завгодно - замерзла крапелька, частинка диму, пил. Спочатку навколо ядра утворюється шестикутний панцир, з кутів якого потім можуть вирости промені.

Форма сніжинки залежить від температури, вологості, від вітру і від того, як сніжинка падала - плазом або ребром.

Видів сніжинок сила-силенна, але є кілька основних типів:
призми - шестикутні пластинки або тонкі стовпчики.

Іноді всередині стовпчика може утворитися порожнина, тоді він називається порожнистий стовпчик.

голки - довгі, тонкі кристали.

дендрити - сніжинки, якими їх найчастіше малюють і вирізають з паперу.

Назва цих сніжинок означає «древообразная». Їх промінчики насправді нагадують гілочки дерев. окремо виділяють папоротеві дендрити - вони нагадують плоскі кущі папороті.

Стовпчики з наконечниками - шестикутний стовпчик, на кінцях якого виросли симетричні пластинки.

Якщо стовпчик короткий, а пластинки різного розміру, то така сніжинка називається подвійний платівкою.

Дванадцяти променеві сніжинки - іноді пластинки стовпчиків з наконечниками утворюються з поворотом відносно один одного і виросли з них промінчики створюють дванадцяти променеву зірку.

просторові кристали виходять, коли з ядра виростає не одна, а кілька сніжинок. Згодом вони можуть розколотися на окремі зірочки.

Кристали неправильної форми з'являються, коли багато дрібних сніжинок зрослися один з одним.

Насправді шестикутні, просто три з шести променів коротше інших.

- одні з найпоширеніших. Їх промені не розгалужуються, розростаючись вшир.

Якщо на променях проступають ребра, то сніжинка називається пластиною з секторами.

Сніжинки - прозорі. Але, коли вони злипаються в пластівці, світло заплутується в їх гранях і тому сніг виглядає білим.

Звідки беруться сніжинки? Які вони бувають?

поява сніжинки

Дуже високо, в небі, де температура -30, є скупчення крапельок води - хмари. У теплу пору року краплі води випадають у вигляді дощу, а коли настає зима, холод заморожує мікроскопічні краплі води і перетворює їх в крижані кристали - сніжинки. Сніжинок так багато і всі вони різні - немає жодної однакової.
Найбільша коли-небудь засвідчена сніжинка мала діаметр в 12 см. Зазвичай же сніжинки мають близько 5 мм в діаметрі при масі 0,004 р

Є навіть класифікація сніжинок за схожим типом:

Штучний сніг - за допомогою спеціальних снігових гармат, в повітрі розпорошують дрібні краплі води, які в польоті замерзають. В результаті такі штучні сніжинки схожі на замерзлі краплі води.

Кристали неправильної форми - снігові кристали часто бувають маленькими, несиметричними і зрослися один з одним. Щоб вийшли красиві симетричні кристали, потрібно щоб було вдалий збіг багатьох погодних обставин.

кристал мряці - хмари складаються з безлічі водних крапельок, і іноді ці крапельки стикаються c кристалами снігу і прилипають до них. Заморожені крапельки називають мрякою. На останній фотографії сніжинка повністю покрита мрякою.

пулеобразной розетки - іноді при утворенні кристалів вони можуть зростатися і збільшуватися в випадкових напрямках. Такі освіти легко розламується на окремі кристали, схожі на кулі. Звідси і така незвичайна назва.

Спліт пластини-зірки - такі форми сніжинок є подвійні пластини, при цьому частина однієї великої пластини зростає разом з частиною іншої. У таких сніжинок дві різні частини поєднуються. Зверніть увагу, що в кожному випадку кристали з'єднуються в центрі з короткими осями.

Форма сніжинок залежить від температури:

Вчені встановили, що форма сніжинок залежить від температури і вологості повітря.
Наприклад, тонкі пластини і зірки ростуть близько -2 ° C, а в колонки і голки з'являються при температурі близько -5 ° C. Пластини і зірки знову з'являються при температурі близько -15 ° С, а поєднання плит і колонок проводиться близько -30 ° C.
Крім того, снігові кристали мають тенденцію до утворення простих форм, коли вологість повітря низька, а більш складні форми утворюються при більш високій вологості.

Скрип снігу або звук снігу

Скрип снігу - це шум від розчавлює кристаликів. Людина не може почути звук однієї ламаються сніжинки. Але мільярди розчавлених кристаликів людина чує і це скрип. Скрипить сніг лише в мороз, а гучність скрипу змінюється в залежності від температури повітря - чим міцніше мороз, тим голосніше скрип. Посилення морозів робить крижані кристалики більш твердими й тендітними. При кожному кроці крижані голки ламаються і ми чуємо скрип дуже голосно.

На Крайній Півночі сніг буває настільки твердим, що сокира при ударі по ньому дзвенить, немов вдарили по залізу.

Коли сніжинка падає в воду, то вона створює дуже високий звук, нечутливий для людини. А ось рибам цей звук вкрай неприємний.

колір снігу

Білий колір виходить від ув'язненого в снежинке повітря. Світло відбивається від граней кристаликів і повітря і після розсіюється.
Сам сніг буває не тільки білим. В арктичних і гірських регіонах рожевий або навіть червоний сніг - це нормальне явище. Це відбувається тому що між кристалами живуть водорості і вони забарвлюють цілі ділянки снігу.

Всю красу і форму крижаних кристалів ми можемо подивитися на фотографіях, зроблені за допомогою спеціального фотоапарата з мікроскопом.