геометрия снежинок. Снег сыплет с неба мелкой крупкой, летает вокруг фонарей огромными пушистыми хлопьями, стоит столбом в лунном свете ледяными иглами. Казалось бы, ерунда, какая! Всегото замерзшая вода
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
Содержание Введение Основная часть Заключение Список литературы… Введение Снег сыплет с неба мелкой крупкой, летает вокруг фонарей огромными пушистыми хлопьями, стоит столбом в лунном свете ледяными иглами. Казалось бы, ерунда, какая! Всего-то замерзшая вода. Тогда почему снежинки всегда разной формы? Почему у них всегда шесть лучей? Почему они симметричные? Уже на протяжении многих лет снежные красавицы вызывают интерес людей. Снежинки изучаются, разглядываются, фотографируются, зарисовываются, выращиваются учеными. Я выбрала эту тему потому, что мне всегда было интересно, почему с наступлением холодов в воздухе кружатся легкие пушистые снежинки, откуда они берутся в небе, почему все снежинки разные. Снежинка — отдельный снежный или ледяной кристалл, выпадающий из облаков в виде атмосферных осадков с размерами от долей до нескольких миллиметров. Их формирование в атмосфере связано с процессами конденсации и кристаллизации из воздуха водяного пара. Они хрупкие красавицы, повергают нас в совершенное изумление. Но, что мы знаем о них? В течение столетий снежинки вызывали как любопытство обывателей, так и академический интерес научного сообщества благодаря своим эстетическим качествам, сложным геометрическим формам и свойствам симметрии. В 1611 году астроном Иоганн Кеплер издал научный трактат «О шестигранных снежинках», в котором рассматриваются чудеса природы с точки зрения жесткой геометрии. Он заметил, что все снежинки имеют грани и проанализировал симметрию снежинок. А так же пытался понять, почему не бывает пяти и семиугольных снежинок.  Вильсон Бентли (1865-1931) по прозвищу «Снежинка» был американским фермером и занимался фотографией снежных кристаллов. В 15 лет он получил в подарок микроскоп, через три года прикрепил к нему фотоаппарат и в 1885 году, после множества проб и ошибок получил первую удачную фотографию снежинки под микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, сделав более 5000 уникальных снимков. В 1898 году Бентли опубликовал свой полувековой труд о снежных кристаллах. Эта работа показала, что невозможно найти две абсолютно одинаковые снежинки - снежная мозаика может сложиться огромным числом способов. «Я обнаружил, что снежинки – это чудесное воплощение красоты, - писал Бентли, - и мне показалось стыдным, что эту красоту не увидят и не оценят другие. Каждый кристалл представлял великолепный узор, и ни один узор не повторялся дважды. Когда снежинка таяла, узор пропадал навсегда. Так, словно бесследно навсегда уходила красота».  Снежинки и по сей день - большая загадка для учёных. Это чудо пытаются анализировать гляциологи. Как же будут выглядеть кристаллы, которые прилетят к нам с неба во время следующего снегопада. На самом деле снежинки прозрачные, белыми они кажутся из-за преломления света на краях кристаллов. Удивительно, что эти прозрачные "бриллианты" строгой формы вырастают на частичках пыли, витающих в верхних холодных слоях атмосферы. Это обычные пылинки, частицы вулканического пепла, ионы газа и соли или даже цветочная пыльца. Когда в перенасыщенном водяными парами облаке частичка пыли сталкивается с молекулой воды, эта парочка "взрывается"- почти как кукурузные зерна, если их нагревать на сковородке. Тут же начинают расти крошечные призматические кристаллы. Их размер - около 10 микрон. Среди снежинок встречаются "пластинки", "пирамидки", "столбики", "иглы", "стрелы" и "пули", простые и сложные "звездочки" с сильно разветвленными лучами - их еще называют "дендриты". Каждая - единственная в своем роде! Но при этом все они имеют шесть граней и одну ось симметрии. Невооружённый глаз не различает формы таких снежинок. Однако под микроскопом, как видим, это совсем-совсем не точки! Похоже на набор каких-то деталек непонятного назначения.  Много внимания обывателей и учёных снежные кристаллы вызывают в связи с их влиянием на формирование специфических оптических феноменов, которые часто наблюдаются в приземном слое атмосферы. Среди этих явлений нельзя не упомянуть хорошо известное солнечные столбы, гало, паргелий и антелий, которые могут сопровождаться целым комплексом менее выраженных побочных эффектов. Их возникновение в небе связано с преломлением солнечного света на плоских гранях ледяных частиц, в процессе роста которых формируются строго определённые углы между разными элементами кристаллической структуры льда Все снежинки обладают тем свойством, что углы между соответственными гранями постоянны. Грани у отдельных снежинок могут быть развиты по-разному: грани, наблюдающиеся на одних экземплярах, могут отсутствовать на других – но если мы будем измерять углы между соответственными гранями, то значения этих углов будут оставаться постоянными независимо от формы снежинки. В процессе своего формирования снежинки могут приобретать самые разные геометрические формы. Наиболее часто встречающимися формами снежинок являются дендриты, звёзды, пластинки и столбики с шестилучевой симметрией в основе (угол 60° между лучами связан с гексагональной структурой, образованной молекулами воды во льду). Ледяные грани растущего кристалла всегда покрыты тонкой жидкой плёнкой, которая носит название квазижидкого слоя. Это явление связано с поверхностным таянием, которое наблюдается на поверхности многих кристаллических материалов и является разновидностью фазового перехода первого рода. Поверхностное таяние имеет место при температурах ниже точки плавления сплошного льда благодаря менее прочным связям молекул воды на поверхности кристалла, чем в его глубине. Этот эффект диктует условия протекания химических реакций на поверхности льда, процессы его роста, а также ряд других атмосферных явлений. Возникновение снежинок в атмосферном воздухе происходит под комплексным влиянием совокупности различных факторов. Рост чистых кристаллов протекает благодаря осаждению молекул водяного пара на поверхности льда. Шестисторонняя симметрия растущего кристалла льда дала своё название и обозначение так называемому нормальному гексагональному льду. Ледяная кристаллическая решётка является самой важной и наиболее часто встречающейся, однако только одной возможной модификацией льда из как минимум 13 других, которые когда-либо наблюдались при различных комбинациях значений температуры воздуха и атмосферного давления.В смешанной и ледяной облачности сублимационный рост льда подхлёстывается типичными условиями при температурах до −40 °C, когда упругость водяного пара соответствует насыщению над водой, но не над льдом. Создаваемое таким образом пересыщение над льдом может достигать десятков процентов, что запускает процесс перегонки всей доступной влаги из жидкой фазы в твёрдую. Особенно заметно это при температуре около −12,5 °C. Кроме этого ледяные частицы могут вырастать в размерах благодаря столкновениям с частицами переохлаждённой воды с последующим замерзанием жидкой фазы на поверхности льда. Другим видом роста твёрдых частиц является агрегация, когда они сталкиваются вместе и слипаются друг с другом, формируя сложные составные агрегаты. |