Знакомое каждое школьнику утверждение, что не бывает двух одинаковых снежинок, неоднократно подвергалось сомнениям. Но уникальные исследования Калифорнийского технологического университета смогли поставить последнюю точку в этом поистине новогоднем вопросе.
Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают.
Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм в диаметре, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы.
Из-за структуры молекул воды между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них - новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок.
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.
Давайте посмотрим, как это можно устроить.
Одна молекула воды - это один атом кислорода и два атома водорода, связанные между собой. Когда замороженные молекулы воды связываются между собой, каждая молекула получает поблизости четыре других привязанных молекулы: по одной на каждой из тетраэдрических вершин над каждой отдельной молекуле. Это приводит к тому, что молекулы воды складываются в форму решетки: шестиугольную (или гексагональную) кристаллическую решетку. Но большие «кубики» льда, как в отложения кварца, чрезвычайно редкие. Когда вы заглядываете в мельчайшие масштабы и конфигурации, вы находите, что верхние и нижние плоскости этой решетки упакованы и связаны очень плотно: вы имеете «плоские грани» на двух сторонах. Молекулы на оставшихся сторонах более открыты, и дополнительные молекулы воды связываются с ними более произвольно. В частности, шестигранные углы имеют самые слабые связи, поэтому мы наблюдаем шестикратную симметрию в росте кристаллов.
и рост снежинки, частной конфигурации кристалла льда
Новые структуры затем растут по таким же симметричным схемам, наращивая гексагональные асимметрии по достижении определенного размера. В больших сложных кристаллах снега сотни легко различимых особенностей, если смотреть под микроскопом. Сотни особенностей среди примерно 10 19 молекул воды, из которых состоит обычная снежинка, если верить Чарльзу Найту из Национального центра атмосферных исследований. На каждую из таких функций есть миллионы возможных мест, где могут образоваться новые веточки. Сколько же может образовать таких новых особенностей снежинка и при этом не стать очередной из многих?
Каждый год во всем мире падает примерно 10 15 (квадриллион) кубометров снега на землю, и в каждом кубометре содержится порядка нескольких миллиардов (10 9) отдельных снежинок. Поскольку Земля существует около 4,5 миллиардов лет, за всю историю на планету упало 10 34 снежинок. И знаете, сколько с точки зрения статистики отдельных, уникальных, симметричных ветвящихся особенностей могла иметь снежинка и ожидать двойника в определенный момент истории Земли? Всего пять. Тогда как у настоящих, больших, природных снежинок их обычно сотни.
Даже на уровне одного миллиметра в снежинке можно рассмотреть несовершенства, которые сложно продублировать
И только на самом приземленном уровне можно ошибочно разглядеть две одинаковых снежинки. И если вы готовы спуститься на молекулярный уровень, ситуация станет гораздо хуже. Обычно в кислороде 8 протонов и 8 нейтронов, а в атоме водорода 1 протон и 0 нейтронов. Но 1 из 500 атомов кислорода имеет 10 нейтронов, в 1 из 5000 атомов водорода имеет 1 нейтрон, а не 0. Даже если вы образуете идеальные шестиугольные кристаллы снега, и за всю историю планеты Земля насчитали 10 34 кристаллов снега, достаточно будет опуститься до размеров нескольких тысяч молекул (меньше длины видимого света), чтобы найти уникальную структуру, которую планета никогда не видела прежде.
Но если проигнорировать атомные и молекулярные различия и отказаться от «природного», у вас будет шанс. Исследователь снежинок Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института разработал методику для создания искусственных «идентичных близнецов» снежинок и фотографирует их с помощью специального микроскопа под названием SnowMaster 9000.
Выращивая их бок о бок в лабораторных условиях, он показал, что можно создать две снежинки, которые будут неразличимы.
Две практически идентичных снежинки, выращенные в лаборатории Калтеха
Ну, почти. Они будут неразличимы человеку, которые смотрит своими глазами через микроскоп, но они не будут идентичны по правде. Как и идентичные близнецы, они будут иметь много различий: у них будут разные места связки молекул, разные свойства ветвления, и чем они больше, тем сильнее эти различия. Вот почему эти снежинки очень маленькие, а микроскоп мощный: они более похожи, когда менее сложны.
Две почти идентичных снежинки, выращенные в лаборатории в Калтехе
Тем не менее многие снежинки похожи одна на другую. Но если вы ищете действительно идентичные снежинки на структурном, молекулярном или атомном уровне, природа никогда вам этого не преподнесет. Такое число возможностей велико не только для истории Земли, но и для истории Вселенной. Если вы хотите знать, сколько вам нужно планет, чтобы заполучить две идентичные снежинки за 13,8 миллиардов лет истории Вселенной, ответ будет порядка 10 100000000000000000000000 . Учитывая, что в наблюдаемой Вселенной всего 10 80 атомов, это крайне маловероятно. Так что да, снежинки действительно уникальны. И это мягко говоря.
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.
Проектная работа БЫВАЮТ ЛИ СНЕЖИНКИ ОДИНАКОВЫЕ Выполнил: Макар Жихарев, 3- класс, лицей №179, г. Санкт-Петербург. Руководитель: Агафонова С.В.
Во время снегопада мы редко задумываемся, что обыкновенные снежинки могут продемонстрировать удивительную сложность строения, правильность и многообразие форм. Это хорошо заметно даже невооруженным глазом, однако если рассматривать снежинки в микроскоп, нам откроются новые и весьма удивительные детали.
ПЛАН ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: изучить снежинки, как удивительное явление природы. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: наблюдение за снежинками в природе; изучение образования снежинок; выявление разнообразия форм снежинок, причины скрипа снега; опытным путём понаблюдать образование снежинок; выявить знания учащихся о снежинках;
ГИППОТЕЗА 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
Что такое СНЕЖИНКА 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. ;
ИЗУЧЕНИЕ СНЕЖИНКИ Уилсон А. Бентли Профессор Либбрехт
ИЗУЧЕНИЕ СНЕЖИНКИ
ЭКСПЕРИМЕНТ 1 Я заморозил 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 вышел на улицу, подставил рукавичку под снег. На неё упало несколько снежинок. Я стал 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.
Что же такое снежинки
ИНтервью Я проводил интервью среди 25 учеников 3-А класса школы № 619, в которой учится моя подруга. По результатам интервью - 20 из 25 ребят утверждают что снежинка состоит из воды; - 24 из 25 ребят утверждают что одинаковые снежинки бывают;
МИФ об ОДИНАКОВЫХ СНЕЖИНКАХ
ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О снежинках
ВЫВОДЫ Работая над темой я достиг своей цели и узнал очень много о снежинках. В процессе изучения и исследования решил поставленные мной задачи. К большому сожалению мои гипотезы не подтвердились. За то мы теперь точно знаем, как образуются снежинки и какими они бывают.
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!