Почему снежинки имеют разную форму для детей. Виды снежинок. В чём разница между снежинками и кристаллами льда
Сейчас стоит жаркое лето (надеемся, поскольку в момент написания статьи на улице снег и мороз). И самое время вспомнить о чём-то прохладном, зимнем. О снежинках: причины и разновидности снежинок будут затронуты в этой статье. Плюс ряд красивых фотографий прямиком из-под электронного микроскопа. Так что раздел «Вода » и подраздел « » пополняются новой статьёй.
О снежинках: причины и разновидности мы рассмотрим настолько подробно, насколько это получится. Будем по-возможности иллюстрировать материал картинками 🙂
Может возникнуть вопрос: «А с чего бы это вообще говорить о причинах возникновения снежинок и их разновидностях?» Всё очень просто: это достаточно интересная тема, расширяющая кругозор и совершенствующая целостную картину мира 🙂 Ну а если не углубляться в дебри педагогики, то это просто .
Снежинка - снежный или ледяной кристалл, чаще всего в форме шестилучевых звёздочек или шестиугольных пластинок.
Во время очень сильных морозов (при температуре ниже −30 °C) ледяные кристаллики выпадают в виде «алмазной пыли» - в этом случае на поверхности земли образуется слой очень пушистого снега, состоящего из тоненьких ледяных иголочек.
Обычно же в процессе своего движения внутри ледяного облака ледяные кристаллики растут за счет непосредственного перехода водяного пара в твердую фазу. Как именно происходит этот рост, зависит от внешних условий, в частности от температуры и влажности воздуха.
В одних условиях ледяные шестигранники усиленно растут вдоль своей оси, и тогда образуются снежинки вытянутой формы - снежинки-столбики, снежинки-иглы. В других условиях шестигранники растут преимущественно в направлениях, перпендикулярных к их оси, и тогда образуются снежинки в виде шестиугольных пластинок или шестиугольных звездочек. К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды - в результате образуются снежинки неправильной формы.
В чём причины такого разнообразия разновидностей снежинок? Сейчас попробуем разобраться.
В чём разница между снежинками и кристаллами льда?
И снежинки, и снежные кристаллы образуются изо льда. Кристалл снега, как подразумевается из его названия, единый ледяной кристалл. Снежинка — более общий термин; он может подразумевать как индивидуальный кристалл снега, так и несколько снежных кристаллов, которые держатся вместе, или же большие скопления снежных кристаллов, формирующие снег, который падает из облаков.
Структура кристаллов льда.
Молекулы воды в кристалле льда формируют шестиугольную решётку (см. рисунок). Красные шары – атомы кислорода. Серые палочки – атомы водорода. По два водорода на один кислород – Н2О. Шестикратная симметрия снежинок берёт своё начало от кристаллической решётки льда.
Снежинки растут из испарений воды.
Снежинки – это не замёрзшие дождевые капли. Иногда капли дождя замерзают, пока падают, но это называется «град». Градины не имеют ни одного тщательно разработанного и симметричного образца, которые обнаруживаются в кристаллах снега. Снежные кристаллы образуются, когда испарения воды конденсируются непосредственно в лёд, что случается в облаках. Снежинки возникают вследствие роста кристаллов.
Самая основная форма кристаллического снега – шестиугольная призма, показанная выше. Эта структура возникает, потому что определенные поверхности кристалла, поверхности граней, накапливают материал очень медленно. Это связано с тем, что поверхность, где образуются углы, более энергетически неравновесная, чем та, которая образует плоскость, так как на углах больше вероятность образовать связь молекул друг с другом. Это легко продемонстрировать на четырёхугольном кристалле – самой простой форме.
С шестиугольными призмами та же история. На фотографии можно увидеть шестиугольные снежинки, собранные на Южном Полюсе Уолтером Тайпом (Walter Tape). Эти снежинки выросли достаточно крупными, так как их замерзание происходило на протяжении очень длительного времени, что позволило правилу образования кристаллов льда полностью проявить себя.
Шестиугольная призма включает две шестиугольные «базовые» поверхности и шесть прямоугольных «призматических» поверхностей, как показано на рисунке. Заметьте, что шестиугольная призма может быть пластинчатой или столбчатой, что зависит от скорости роста поверхностей.
Когда снежные кристаллы очень маленькие, они существуют по большей части в форме простых шестиугольных призм. Но когда они растут, «ветви» пускают ростки от углов призм, создавая более сложные формы.
Происхождение сложных форм снежинок.
Ответ на этот вопрос лежит в том, как молекулы воды перемещаются через воздух, чтобы конденсироваться на растущем кристалле снега. Молекулы распространяются через воздух, чтобы достичь кристалла, и эта диффузия замедляет их нарастание. Более отдаленные молекулы воды должны дольше перемещаться в воздухе, чтобы достичь растущего кристалла.
Итак, рассмотрим плоскую ледяную поверхность, которая растет в воздухе. Если происходит маленькое столкновение и остаётся на поверхности, то след от него выдвигается немного дальше, чем остальная часть кристалла. Это означает, что другие молекулы воды могут достичь этого места быстрее, чем остальной части кристалла, поскольку к ней им приходится перемещаться дальше.
С увеличением числа молекул воды, достигающих места столкновения, место столкновения растет быстрее. Через короткое время столкновения происходят всё чаще, и рост происходит ещё быстрее. Затем возникает то, что называется неустойчивостью ветвления – новые маленькие столкновения зарождаются на больших ветвях, и становятся местом образования боковых ветвей. Так рождается сложность.
Эта неустойчивость – главная причина в создании сложных форм снежных кристаллов.
Когда неустойчивость ветвления применяется к кристаллу снега снова и снова, в результате образуется то, что называется ледяным дендритом. Слово «дендрит» означает «древообразный», и звёздчатые древовидные кристаллы снега являются обычными.
Скорость диффузии молекул воды можно менять в лаборатории. Если снежные кристаллы выращиваются в воздухе ниже атмосферного давления, они менее ветвистые. Это происходит потому, что диффузия не ограничивает прирост при низком давлении, следовательно, неустойчивость ветвления не настолько интенсивна. При больших давлениях образуются более ветвистые кристаллы снега.
Рост снежных кристаллов зависит от равновесия между гранями и ветвлением. Грани стремятся создавать простые плоские поверхности, а ветвление – более сложные структуры. Взаимодействие между гранями и ветвлением является тонким и сильно зависит от таких параметров, как температура и влажность. Это означает, что снежные кристаллы могут расти многими различными способами, что приводит к большому разнообразию, которое наблюдается в формах снежинок.
Кстати, с ветвистостью и разновидностями снежинок связан их белый цвет. так, Белый цвет происходит от заключённого в снежинке воздуха. Свет всевозможных частот отражается на граничных поверхностях между кристаллами и воздухом и рассеивается. Снежинки состоят на 95 % из воздуха, что обуславливает низкую плотность и сравнительно медленную скорость падения (0,9 км/ч).
Между прочим, самая крупная снежинка была засвидетельствована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США; она имела диаметр в 15 дюймов (около 38 см) , опубликовано в Monthly Weather Review, 1915, 73. Обычно же снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г.
Такие вот интересные причины возникновения огромного количества разновидностей снежинок.
По материалам http://voda.blox.ua/2008/09/Chto-takoe-snezhinki-Chast-1.html
Снежинка является одним из самых удивительных природных творений. Если бы человек захотел создать что-то подобное, ему пришлось бы очень постараться. Во время снегопада миллиарды маленьких кристалликов устилают землю, и стоит отметить, что среди них нет одинаковых, они все разные.
От чего зависит форма снежинки?
Форма снежинки находится в зависимости от температуры, которая способствовала ее образованию. Всем известно, что облака, которые находятся высоко, будут холоднее тех, что снизу. Итак, как влияет температура на форму снежинки:
- -3...0 °С - шестиугольник плоский;
- -5...-3 °С - кристалл игольчатый;
- -8...-5 °С - столбик-призма;
- -12...-6 °С - снова плоский шестиугольник;
- -16...-12 °С - звездчатые снежинки.
По мере своего роста снежинка становится тяжелой, что заставляет ее падать на землю. В процессе падения ее форма меняется. Если, опускаясь, снежинка вращается, то земли она достигнет идеально симметричной. А если кристаллик падает боком, то в итоге он утратит свою форму. На лету снежинки могут слипаться между собой и образовывать целые хлопья из снега. В каждом из них может содержаться до двухсот кристаллов. Можно сделать вывод, что форма снежинки полностью зависит от траектории ее полета и температурного режима на разной высоте.
Классификация снежинок
Международной комиссией по изучению снега и льда в 1951 году была принята классификация твердых осадков. Все кристаллы, согласно ей, можно поделить на группы:
- пластинки;
- звездчатые дендриты;
- иглы;
- столбцы;
- столбцы с наконечником;
- пространственные дендриты;
- образования неправильной формы.
- град;
- ледяная крупка;
- снежная мелкая крупка.
Описание основных видов снежинок
- Звездчатые дендриты - это кристаллы, которые отличаются ветвящейся, древовидной структурой. У них 6 основных веток, расположенных симметрично, и много ответвлений, размещенных хаотично. Размер таких образований, как правило, в диаметре составляет 5 мм, а их толщина - 0,1 мм. Это говорит о том, что такие снежинки тонкие и плоские.
- Столбики - это наиболее распространенная форма снежинок, которая еще называется колонной. Такие полые трубочки могут иметь форму шестигранника, как карандаш, заостренный на конце.
- Пластинки состоят из множества ледяных ребер, которые делят снежинку на сектора. Такие образования тоже очень тонкие и плоские.
- Иглы представляют собой столбчатые кристаллы, которые вырастают тонкими и длинными. Иногда внутри они бывают полыми, а иногда могут расщепляться на несколько веток.
- Столбцы с наконечником отличаются столбчатой формой, но под воздействием различных факторов могут превращаться в тонкие пластинки, особенно если их занесет в зону, где преобладает иная температура.
- Пространственные дендриты - это спрессованные или сросшиеся столбчатые кристаллы, которые образовали объемную структуру. При этом каждое ответвление располагается в отдельной плоскости.
- Снежинки неправильной формы - это кристаллы, которые за время полета пережили немало "приключений". Например, их могло занести в турбулентную зону, где они могли утратить часть веток или совсем разломаться. Такие снежинки можно увидеть при сильном ветре в мокром снегу.
Очень высоко, в небе, где температура -30, есть скопление капелек воды — облака. В тёплое время года капли воды выпадают в виде дождя, а когда наступает зима, холод замораживает микроскопические капли воды и превращает их в ледяные кристаллики – снежинки. Снежинок так много и все они разные — нет ни одной одинаковой.
Самая крупная когда-либо засвидетельствованная снежинка имела диаметр в 12 см. Обычно же снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г.
Есть даже классификация снежинок по схожему типу:
Призмы
— бывают, как 6-угольные пластинки, так и тонкие столбики с 6-угольным сечением. У призм крошечные размеры, их почти не видно невооруженным глазом. Грани призмы, очень часто украшают различные сложные узоры.
Иглы
— тонкие и длинные снежные кристаллы, они образуются при температуре примерно -5 градусов.
При рассмотрении они похожи на маленькие светлые волоски.
Дендриты
— или древоподобные, имеют ярко выраженные разветвляющиеся тонкие лучи. Чаще это крупные кристаллы, их можно увидеть невооруженным глазом. Максимальный размер дендрита может достигать 30 см в диаметре.
12-лучевые снежинки
— иногда столбики с наконечниками формируются с поворотом пластинок относительно друг друга на 30 градусов. Когда из каждой пластинки вырастают лучи, получается кристалл с 12 лучами.
Двойные пластинки
— у данного типа, столбики с наконечниками имеют короткую вертикальную часть. Пластинки растут очень быстро, от водяных паров одна из низ заслоняет вторую и в результате вырастает более крупной по размеру.
Полые столбики
— внутри столбиков с шестиугольным сечением, бывает образуются полости. Интересно, что форма полостей симметрична относительно центра кристалла. Необходимо большое увеличение, чтобы рассмотреть полочти в маленьких снежинках.
Папоротникообразные дендриты
— этот тип один из самых крупных. Ветки звездчатых дендритов вырастают тонкими и очень частыми, в итоге снежинка начинает быть похожей на папоротник.
Пространственные кристаллы
— бывает так, что из микроскопической капли начинает расти несколько снежных кристаллов в различных направлениях. И после они могут приобрести сложную форму. Такие сращенные кристаллы могут распадаться на несколько простых снежинок.
Искусственный снег
— с помощью специальных снежных пушек, в воздухе распыляют мелкие капли воды, которые в полете замерзают. В результате такие искусственные снежинки похожи на замерзшие капли воды.
Кристаллы неправильной формы
— снежные кристаллы зачастую бывают маленькими, несимметричными и сросшимися друг с другом. Чтобы получились красивые симметричные кристаллы, нужно чтобы было удачное стечение многих погодных обстоятельств.
Треугольные кристаллы
— такие снежинки формируются при температуре около -2 градусов. На самом деле — это шестиугольные призмы, часть сторон которых значительно короче других. А вот на гранях таких могут вырасти лучи.
Столбики с наконечниками
— такие снежинки редко можно увидеть. Кристаллы начинают расти в виде столбиков, но после ветер переносит их в зону с другими погодными условиями, и тогда на их концах начинают расти пластинки.
Звездоподобные снежинки
— такие снежинки широко распространены. Это тонкие пластинчатые кристаллы, в виде звезд с шестью лучами. Чаще они украшены симметричными различными узорами. Такие снежинки появляются при -2 °С или при -15 °С.
Пластина с секторами
— это звездообразная пластинчатая снежинка, но с особенно заметными рёбрами, которые указывают на углы между смежными гранями призмы.
Размеры отдельных снежинок могут быть весьма различными. Обычно снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г. Наибольшие линейные размеры обычно имеют игольчатые звезды (их радиус достигает 4-5 мм). Снежинки часто соединяются между собой и выпадают в виде хлопьев. Размеры хлопьев могут достигать очень большой величины, наблюдались хлопья радиусом до 15-20 см.
Весной 1944 года в Москве выпали хлопья размером до 10 сантиметров в поперечнике, похожие на кружащиеся блюдца. А в Сибири наблюдались снежные хлопья диаметром до 30 сантиметров. Самая большая снежинка была зафиксирована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США. Её диаметр составил 38 см, а толщина — 20 см. Для этого феномена необходимо полнейшее безветрие, ведь чем дольше снежинки путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются друг с другом. Поэтому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков - «алмазной пыли». Вероятность увидеть крупные снежинки существенно возрастает вблизи водоемов: испарения с озер и водохранилищ — это отличный строительный материал.
Форма снежинок отражает внутреннюю упорядоченность молекул воды, когда они находятся в твердом состоянии - в виде льда или снега. Снежинки растут точно так же, как растут кристаллы любого вещества, переходящего из жидкого состояния в твердое: соединяясь между собой, молекулы стремятся максимизировать силы взаимного притяжения и минимизировать силы отталкивания, так как энергия системы при кристаллизации уменьшается. Всего через несколько минут упав на теплую поверхность снежинка потеряет свою декоративную структуру, свой уникальный образ, который никогда снова не повторится.
Из чего же состоит снег?
И снежинки, и снежные кристаллы образуются изо льда. Кристалл снега, как подразумевается из его названия, единый ледяной кристалл. Снежинка - более общий термин; он может подразумевать как индивидуальный кристалл снега, так и несколько снежных кристаллов, которые держатся вместе, или же большие скопления снежных кристаллов, формирующие снег, который падает из облаков.
Структура кристаллов льда.
Молекулы в кристалле льда формируют шестиугольную решётку. Шестикратная симметрия снежинок берёт своё начало от кристаллической решётки льда. Снежинки растут из испарений воды.
Снежинки — это не замёрзшие дождевые капли. Иногда капли дождя замерзают, пока падают, но это называется «град». Градины не имеют ни одного тщательно разработанного и симметричного образца, которые обнаруживаются в кристаллах снега.
Снежные кристаллы образуются, когда испарения воды конденсируются непосредственно в лёд, что случается в облаках. Снежинки возникают вследствие роста кристаллов. Самая основная форма кристаллического снега — шестиугольная призма, показанная выше. Эта структура возникает, потому что определенные поверхности кристалла, поверхности граней, накапливают материал очень медленно.
Происхождение сложных форм снежинок.
Ответ на этот вопрос лежит в том, как молекулы воды перемещаются через воздух, чтобы конденсироваться на растущем кристалле снега. Молекулы распространяются через воздух, чтобы достичь кристалла, и эта диффузия замедляет их нарастание. Более отдаленные молекулы воды должны дольше перемещаться в воздухе, чтобы достичь растущего кристалла. Итак, рассмотрим плоскую ледяную поверхность, которая растет в воздухе. Если происходит маленькое столкновение и остаётся на поверхности, то след от него выдвигается немного дальше, чем остальная часть кристалла. Это означает, что другие молекулы воды могут достичь этого места быстрее, чем остальной части кристалла, поскольку к ней им приходится перемещаться дальше.
С увеличением числа молекул воды, достигающих места столкновения, место столкновения растет быстрее. Через короткое время столкновения происходят всё чаще, и рост происходит ещё быстрее. Затем возникает то, что называется неустойчивостью ветвления — новые маленькие столкновения зарождаются на больших ветвях, и становятся местом образования боковых ветвей. Так рождается сложность. Эта неустойчивость — главная причина в создании сложных форм снежных кристаллов.
Первым изучать снежинки начал известный астроном Иоганн Кеплер. В 1611 году он выпустил трактат «О шестиугольных снежинках», в котором в основном разбирал геометрические аспекты их строения.
Следующего прорыва пришлось ждать больше двух веков. На 15ти летие мама подарила своему сыну, юному фермеру из штата Вермонт Уилсону Элвину Бентли, микроскоп. И тот решил смотреть в него на снежинки. 15 января 1885 года он получил первый снимок снежинки, приладив фотоаппарат к микроскопу и снимая ее на фоне черной бумаги. К концу своей жизни он получил изображения 5381 снежинки. В 1920 году он получит должность в Национальной метеослужбе и грант в $25 на свои исследования, а снег начнет сыпаться не только на фермах, но и в лабораториях кинетиков и кристаллографов. Но именно Бентли первым сказал, что двух одинаковых снежинок никогда не видел.
Существует расхожее убеждение о том, что двух одинаковых снежинок в природе не бывает. Казалось бы, как же так. С неба сыпятся миллионы. Но, с другой стороны, если очень грубо прикинуть, то в снежинке примерно 1020 молекул воды, а человеческий глаз способен определить около 100 визуальных параметров снежинки. Так что такая мозаика может сложиться конечным, но безумно огромным числом способов. А если вспомнить, что атомы кислорода и водорода имеют разные изотопы, а в все равно есть примеси… в общем, стоит принять, что двух одинаковых снежинок в природе нет. Зато у кристаллов симметричная форма. Макроскопические факторы (температура, давление, концентрации различных веществ) в столь небольшом пространстве, как текущее положение зародыша кристалла в момент времени, отличаются несильно, и рост во все стороны одинаков. Пока не произойдет облом или, наоборот, слипание.
Снежинка начинает свою жизнь в облаке, когда вокруг маленькой пылинки образуется кристаллик льда. Кристаллы льда имеют форму шестигранника. Именно из-за этого большинство снежинок имеют форму шестиконечной звезды.
Как именно в данный момент будет расти снежинка зависит от текущих условий вокруг снежинки: влажность, температура, давление, форма снежинки. И даже самые минимальные изменения этих параметров могут изменить ход роста снежинки.
Условия постоянно меняются. И получается, что снежинка то растет в ширину, то у нее отрастают лучи. В холодную и сухую погоду снежинки вообще растут в высоту, а не в ширину, и получаются шестиугольные столбики, а не привычные нам разлапистые звезды.
Направления роста изменений снежинки всегда обусловлены тем, что кристаллы льда шестиугольные. Два кристаллика не могут соединилься углом, они всегда присоединяются друг к другу гранью. Поэтому лучи всегда растут в шесть сторон, а от луча может отходить «ветка» только под уголом 60 или 120 градусов.
Поскольку каждая снежинка живет своей жизнью и внешние условия у них у всех хотя бы минимально, но отличаются, то все снежинки разные. Не бывает абсолютно одинаковых снежинок - каждая из них проходит через разные сочетания влажности, давления и температуры.
