Что нельзя сказать про снежинки
Всё о снеге и снежинках
Сколько бы чудес ни повидал человек, первый снег, наверное, всегда будет вызывать чувство восхищения. Снег всегда ассоциируется с чем-то светлым, праздничным и чистым. С этим чудом природы связано немало любопытных фактов.
Как образуется снег?
Происхождение снега не сильно отличается от появления дождя. Это тоже вид атмосферных осадков. Фактически, дождь и снег — это одно и то же явление, происходящее при разных температурах.
Первое условие для появления снега — соответствующая температура: вода превращается в лёд уже при 0ºC. Когда холодает, вода в лужах и водоёмах замерзает и покрывается льдом. Точно так же в небе замерзают и начинают падать в виде снежинок дождевые капли.
Микроскопические капли дождя в облаках под действием низких температур притягиваются к пылевым частицам, соли, песку, пеплу и даже живым бактериям и замерзают, образуя кристаллы льда. В результате конденсации в них воды и воздуха (снежинки на 95% состоят из воздуха) они растут и падают под действием гравитации.
В некотором роде, с геологической точки зрения, можно сказать, что снег — это минерал, ведь он представляет собой лёд определённой формы, а тот, в свою очередь, твёрдое вещество, созданное из однородного материала (воды).
Какой на самом деле цвет у снежинок?
Снег не имеет цвета вообще, белизна его — всего лишь оптическая иллюзия. Отдельные снежинки представляют собой мельчайшие кристаллы льда. Они прозрачны, как и вода, из которой они состоят.
Всё дело в световых волнах: каждой длине соответствует свой цвет. Одни материалы поглощают световые волны определённой длины, другие их отражают, именно поэтому предметы имеют разные цвета. Материал, отражающий падающие на него волны, будет иметь белый свет, материал же, который поглощает световые волны, будет выглядеть чёрным.
Кристаллы снежинки имеют сложную структуру с множеством граней. Свет не проходит через них, а многократно преломляется и отражается. Из-за того, что кристаллы отражают весь спектр падающего на них света, мы воспринимаем снег как белый.
Наш мозг, наше сознание автоматически интерпретирует полученную информацию, подсказывая нам, что снег — белый (даже если он в сумерках приобретает оттенок неба или розовый на закате).
Иногда на чистом снеге можно заметить синеватый оттенок. В этом случае цвет зависит от плотности: у рыхлого снега длинные световые волны проникают глубоко, а у плотного короткие волны, преимущественно синего цвета, остаются на поверхности.
Иногда снег может приобретать розовый, красный или бурый оттенок. Такое явление часто встречается в местах, где распространена водоросль хламидомонада снежная, придающая снежному покрову такие цвета. Более того, розовый снег по вкусу напоминает арбуз — опять же благодаря хламидомонаде.
Были случаи, когда падал окрашенный в серый и даже чёрный цвета снег. Скорее всего, это связано с попаданием в атмосферу копоти и промышленных загрязнений.
В 1955-м году в Калифорнии выпал зелёный фосфоресцирующий снег. Рискнувшие попробовать его на вкус люди погибли, а у тех, кто брал такой снег в руки, появились сильный зуд и сыпь. По сей день происхождение зелёных хлопьев является тайной.
Интересный факт: шерсть полярного медведя кажется белой, хотя на самом деле он чёрный с прозрачной шерстью. Прозрачные волоски медведя имеют цилиндрическую форму и при попадании света преломляют лучи, из-за чего шерсть выглядит белой.
Формы снежинок
Первая удачная фотография снежинки под микроскопом появилась благодаря многолетнему упорству и терпению. Американского фермера Уилсона Бентли. Произошло это в 1885-м году после 46 лет проб и ошибок. С тех пор появилась целая наука «снежинковедение».
Бентли смог сфотографировать более 5000 разных видов снежинок, с чего был сделан вывод: двух одинаковых снежинок не существует. На самом деле, это просто красивая фраза. Да, вариантов форм снежинок действительно бесчисленное множество — как атомов во Вселенной, но это не исключает их повторов.
Падая, снежинка продолжает расти, приобретая свою окончательную форму. Иногда лучи с одной стороны снежинки растут быстрее, чем с других, из-за того, что на пути им встречаются участки облаков, имеющие разную температуру и влажность. Благодаря этому снежинки и приобретают разные геометрические формы.
Самые распространённые форма снежинок:
Призмы — шестиугольные пластинки или тонкие столбики с шестиугольным сечением. Призмы почти не видны невооружённым взглядом, т.к. имеют крошечные размеры.
Иглы — тонкие, длинные, похожие на маленькие светлые волоски снежинки, образующиеся при очень низких температурах.
Дендриты. Имеют ярко выраженные разветвляющиеся лучи. Эти крупные кристаллы можно рассмотреть невооружённым глазом.
12-лучевые снежинки. Иногда столбики формируются с поворотом пластинок относительно друг друга на 30 градусов, из каждой пластинки вырастает кристалл с 12 лучами.
Полые столбики: внутри столбиков с шестиугольным сечением образуются полости симметричной относительно центра кристалла формы.
Папоротникоподобные дендриты — самые крупные снежинки, ветки у них тонкие и очень частые, похожие на листья папоротников.
Пространственные кристаллы. Из капли начинает расти несколько снежных кристаллов в разных направлениях, приобретая сложную форму.
Столбики с наконечниками встречаются редко. Кристаллы начинают расти в виде столбиков, но при попадании в зону с иными погодными условиями на их концах появляются пластинки.
Звёздочки — самые распространённые снежинки, пластинчатые кристаллы в виде звёзд с шестью лучами, украшенные симметричными узорами.
Познаем окружающий мир: снежинки
Откуда берется снег?
Наверное, каждый ребенок хотя бы раз задавал взрослым вопрос: «Откуда берется снег? Его что – Дед Мороз приносит?». Пора объяснить малышу, откуда же появляется снег и почему летом идет дождь, а зимой – снег. А может быть, и Вы думаете, что снег и дождь идет из одних и тех же туч? Это не так! Давайте узнаем, как это происходит на самом деле. Для самых маленьких я приготовила интересный мультик с ответом на этот вопрос. А детям постарше кроме мультика предлагаю прочитать рассказ Н. А. Гурьевой «Снег» из книги «Знакомство с природой России». (Я очень советую родителям и педагогам приобрести эту замечательную книгу о природе для детей)
«В снегопад, при тихой безветреной погоде, из облаков на землю падают, точно маленькие парашютики, снежинки. Раньше думали, что снег – это замёрзшие капельки воды и идёт он из тех же туч, что и дождь. Но потом ученые доказали, что снег никогда не рождается из капелек воды. Водяной пар есть в воздухе всегда. Весной, летом и осенью пар превращается в капли дождя, а зимой – в снежинки. Оказывается, водяные пары поднимаются очень высоко над землей, где очень холодно, и из них образуются крошечные кристаллики. Кристаллик растет, потому что к нему присоединяются другие крошечные кристаллики. Потяжелев, этот кристаллик начинает опускаться на землю. Падая, он продолжает расти и превращается в красивую звездочку – снежинку. Подставив варежку, можно поймать снежинку и полюбоваться ее узором. Кажется, что каждая снежинка не похожа на другие, но ученые сумели выделить несколько основных форм снежинок. Им даже дали названия:
Форма снежинок зависит от погоды.
После чтения рассказа, спросите ребенка:
Каждый раз, выходя из дома на прогулку, в магазин, в детский сад или школу, обращайте внимание на погоду и снежинки. Какой сегодня снег? А почему он такой? Вспомните с ребенком, когда он видел снежные хлопья и лепил из них снеговиков. А когда был колючий снег? И почему было так неприятно от него? Что случилось с этими снежинками – почему они вдруг стали колючими? ( Ветер обломал у них лучики).
Хотите стать волшебниками и увидеть все превращения снежинок на экране компьютера? Тогда читаем дальше 🙂
Почему все снежинки разные?
Предложите малышу поймать две одинаковые снежинки в рукавичку. Ловите снежинки и рассматривайте их на рукавичке. Можете показать ребенку, как пользоваться лупой при рассматривании снежинок. Не удалось поймать абсолютно одинаковые снежинки? Хотите узнать, почему? Я приглашаю Вас с ребенком на веселый урок в лесную школу. Вместе со сказочными героями ребенок узнает:
В занимательном видеофильме для детей о снежинках ребенок увидит своими глазами, как получаются снежинки и какой большой путь они проходят.
Снежинки получаются из льдинок – как детские постройки получаются из деталей конструктора. Для того чтобы ребенок понял какие маленькие эти льдинки по размеру, сделайте небольшое задание. Покажите малышу линейку и деление в 1 мм. Рассмотрите это деление в 1 мм под увеличительным стеклом. Посчитайте на экране компьютера, сколько таких льдинок умещается в этом маленьком миллиметровом делении линейки. Вот какие крохотные эти льдинки! Вспомните с ребенком, как он строил из деталек конструктора дома, машины, самолеты. Детальки он брал маленькие – а постройка получалась большая. Природа тоже умеет строить. Но строит она не дома, а снежинки из необычного ледяного конструктора – из крохотных льдинок!
Речевые упражнения.
Упражнение 1. Я начну, а вы кончайте, хором дружно отвечайте
Упражнение 2. Поможем зиме (подбор прилагательных и глаголов к слову «снежинки»)
Для проведения упражнения Вам понадобится вырезать из белой бумаги маленькие кружочки размером примерно 2-3 см и нарисовать на каждом из них одну снежинку. Также нужен будет фон. На фоне мы будем выкладывать из наших кружков – снежинок большой сугроб. Фоном может быть обычный лист цветного картона или картинка. Детям предлагается помочь зиме и сделать из снежинок большой сугроб снега. Но снежинки наши – волшебные. Они могут летать только если скажешь им «волшебное слово». Поэтому правило будет такое – скажи слово и возьми снежинку, а теперь положи ее на картинку чтобы построить сугроб. Как только мы подберем много слов, у нас получится сугроб! Вот обрадуются ему лесные жители!
Задания для игры:
Задание 1. Какой бывает снег/снежинки? Подбирайте слова по очереди с ребенком. Сказали слово – положили снежинку. Теперь очередь ребенка. Он говорит слово и кладет свою снежинку. Так мы вместе строим большой сугроб. Взрослый в игре говорит сложные, мало употребительные слова, ребенок — более распространенные и легкие. Вспомните с малышом и слова из известных стихов о зиме – какими словами в них описываются снежинки? Некоторые стихи Вы найдете в конце статьи.
Примерный словарь для игры:
Снежинки какие? Белые, маленькие, крохотные, легкие, холодные, кружевные, резные, чистые, мокрые, пушистые, красивые, блестящие, сверкающие, лучистые, ослепительные, серебристые, игольчатые, крупные, мелкие, ледяные, нежные, хрупкие.
Снег какой? Легкий, липкий, белый, искристый, серебристый, пушистый, мягкий, холодный, мокрый, чистый, рыхлый, плотный, тяжелый.
Примерный словарь для игры:
Снежинки падают, летают, кружатся, ложатся снежным ковром на землю, сверкают, блестят, тают, танцуют вальс, порхают.
Снег летит, кружится, скрипит, блестит на солнце, сияет, падает, валит, идет, сыплет, лежит, слепит глаза.
В этой игре ребенок видит наглядный результат своих усилий, своих речевых действий, что для него очень и очень важно! Иначе он быстро потеряет интерес к подбору слов! А вот помогая Деду Морозу или зиме, малыш старается найти как можно больше подходящих слов!
Задание 3.Снег идет. А что еще идет? (Время идет, автобус идет, поезд идет и т.д.) / Кто идет? (Прохожий идет, мама идет, мальчик идет и т.д.). В этом задании малыш познакомится с явлением многозначности слов (термин мы ему не говорим, он просто подбирает слова в задании, прислушивается к ним, познает их значение).
Упражнение 3. Придумай слово
В этом задании малыш учится образовывать новые слова из известных. Это очень важное умение. Даже если ребенок и ошибется и придумает свои «смешные» слова – это замечательно. Словотворчество и экспериментирование со словами развивает речевые способности малышей. Но обязательно после детского варианта поддержите малыша и скажите ребенку правильный вариант: «Слово, которое ты придумал, могло бы быть в русском языке. Но люди договорились называть это иначе. Мы называем это — … (правильный вариант)».
Стихи о снежинках для детей
Начну с самого моего любимого, трогательного, нежного и завораживающего стихотворения о снежинке. Фрагмент из этого стихотворения можно выучить наизусть с ребенком старшего дошкольного возраста и вспоминать его на прогулке, при рассматривании зимних пейзажей и фотографий.
Снежинка. Константин Бальмонт
Светло-пушистая
Снежинка белая,
Какая чистая,
Какая смелая!
Дорогой бурною
Легко проносится,
Не в высь лазурную —
На землю просится.
Под ветром веющим
Дрожит, взметается,
На нем, лелеющем,
Светло качается.
Его качелями
Она утешена,
С его метелями
Крутится бешено.
В лучах блистающих
Скользит умелая
Средь хлопьев тающих
Сохранно-белая.
Но вот кончается
Дорога дальняя,
Земли касается
Звезда хрустальная.
Лежит пушистая
Снежинка смелая.
Какая чистая,
Какая белая!
Стихотворение – логическая задача «Снежинки». М. Родина
Очень интересное стихотворение – логическая задача для детей. После чтения стихотворения предложите малышу отгадать, кто взял снежинки. А затем прочитайте следующее стихотворение – отгадку.
У сестренки, у Маринки,
На ладошке – две снежинки,
Всем хотела показать,
Глядь – снежинок не видать!
Кто же взял снежинки
У моей Маринки?
Снежинка. Г. Абелян
— Опустись, снежинка,
На мою ладошку:
Кружишься давно ты,
Отдохни немножко.
— Ишь, какая хитрая!
Думаешь, не знаю!
На ладошке теплой
Сразу я растаю!
Желаю всем приятных и интересных последних дней зимы! Надеюсь, что наша встреча была интересной и полезной для Вас и Ваших детей!
Еще о зиме Вы можете прочитать статьи сайта:
Сказка о зимующих и перелетных птицах «Как воробьишко Африку искал» и веселый видеоуроки для малышей,
До новых встреч в рубрике «Мир вокруг нас», где Вы найдете много познавательных сказок, интересных видеороликов для малышей, развивающих заданий в картинках и другие интересных материалов для игр и занятий с детьми.
А если Вам захочется сделать снежинки своими руками, то всё необходимое – схемы снежинок, видеоролики и новые идеи Вы найдете в статье «Как сделать снежинки своими руками»
Получите НОВЫЙ БЕСПЛАТНЫЙ АУДИОКУРС С ИГРОВЫМ ПРИЛОЖЕНИЕМ
«Развитие речи от 0 до 7 лет: что важно знать и что делать. Шпаргалка для родителей»
Кликните на ссылку или на обложку курса ниже для бесплатной подписки
Интересные факты о снежинках
Здравствуйте, наши уважаемые читатели сайта Interessno.ru. Снежинки стали настоящим символом зимы. Дети их ловят языками на улице, в предновогоднюю ночь люди украшают свои окна бумажными фигурками снежинок. Они являются одними из самых интересных творений природы благодаря их сложным узорам и способностью полностью изменить ландшафт. И это не просто кусочек снега. Каждая снежинка буквально уникальна и по своему интересна. Чтобы это доказать, мы подготовили для вас самые интересные факты о снежинках.
Надеемся информация из этой публикации будет интересна не только детям и школьникам, но и их родителям.
Какого они цвета? Если мы вас об этом спросим, то можем уверенно сказать, что вы ответить: «Белые». Так бы ответило большинство людей. Однако на самом деле все немного иначе. Они прозрачные. Они состоят из множества прозрачных кристаллов льда. Тогда почему они белые? Все дело в рассеивании солнечного света. Кристаллы льда отлично рассеивают солнечный свет, из-за чего они кажутся белыми.
По данным Национального центра данных по снегу и льду, снежинки можно классифицировать как минерал. Под словом «минерал» подразумевается гомогенное (однородное) твердое вещество, сформировано неорганически, с определенным химсоставом и упорядоченным расположением атомов. Снежинка состоит из ледяных кристаллов, поэтому она соответствует всем критериям минералов. Это природный (не созданный людьми) единый материал, какой имеет упорядоченную структуру.
Кристаллы льда образуются в облаках, когда температура опускается ниже точки замерзания. Кристаллы формируются из капель воды. Когда кристалл падает, он ударяется о другие кристаллы льда в результате чего и формируется снежинка. Именно этот процесс объясняет такую неоднородность и разнообразность снежинок, так как во время падения кристаллы сталкиваются под разными углами, с разным количеством льдинок и т. д.
Абсолютно все снежинки имеют шесть сторон. Ранее говорилось о том, что они уникальны, как и отпечатки пальцев, однако некоторые ученые уверяют, что видели одинаковые снежинки. Их размер и форма напрямую зависят от температуры и количества влаги в облаке.
Их можно разделить на следующие группы:
Когда очень холодно, снег обычно мелкий и рыхлый, а снежинки приобретают достаточно простую форму. Обычно во время холодов выпадают снежинки в виде столбиков и игл.
Когда температура приближена к температуре замерзания, то есть к 0 градусов по Цельсию, они становятся намного больше и приобретают более разнообразную форму, например, форму звезд, пластинок и т. д.
Вы задумывались о том, с какой скоростью они падают с неба? Если говорить о каплях дождя, то их скорость около 7-8 метров в секунду, или 25-29 км/ч. Чем больше капля, тем быстрее она падает.
Снежники намного легче чем капли дождя. Они на 95% состоят из воздуха, поэтому имеют низкую плотность и медленно падают. Их скорость падения около 0.9 км/ч, или 0.25 метра в секунду.
В идеальных условиях, они могут объединяться друг с другом формируя большие «хлопья».
Весной, в 1944, в Москве, выпали огромные «хлопья», которые имели габариты до 10 см в поперечнике. Они напоминали настоящие летящие с неба тарелки. В Сибири выпали вообще «хлопья» диаметром до 30 см.
Однако самая большая снежинка в истории спустилась с неба в Соединенных Штатах Америки, в штате Монтана в январе 1887 г. Ее диаметр был 38 см, а толщина невообразимые 20 см.
Первым человеком, который сфотографировал снежинку, был фермер из небольшого городка Джерико в штате Вермонт, США. После долгих лет экспериментов с подключением микроскопов к сильфонной камере, в 1885 году Уилсону Бентли все же удалось сделать первую в мире фотографию снежинки.
За всю свою жизнь он сфотографировал более 5000 снежинок и даже опубликовал книгу с 2400 их изображениями.
С чем у вас ассоциируется снег? Для многих людей это приятное время. Белые «хлопья» падают с неба. Все вокруг покрыто белым одеялом. Есть что-то в этом удивительное, сказочное. Однако не все хорошо относятся к снегу и снежинкам. Есть такая фобия как хионофобия. Она проявляется в ужасной боязни снега. Люди, которые страдают от хионофобии, отказываются выходить на улицу во время снега, пытаются избежать попадания на них снежинок и т. д.
Вы замечали, что после того как выпал свежий, сухой снег, на улице так красиво, тихо. Осенняя суматоха уходит на задний план. Все дело в том, что снег отлично поглощает звуковые волны. Именно по этой причине атмосфера кажется более спокойной и тихой. Однако, когда снег тает, и замерзает, превращаясь в лед, он начинает лучше отражать звуковые волны, из-за чего на улице становится более шумно.
Как мы уже писали ранее, для того чтобы снежинка достигла земли, нужно чтобы температура окружающей среды была ниже 0 градусов по Цельсию. В противном случае она растает и превратится в обычную каплю дождя. Однако, встречается такой феномен, когда во время плюсовой температуры выпадает снег. Это возможно если температура окружающей среды не превышает +6 градусов по Цельсию.
Когда очень долго идет дождь, например, при температуре +4 градуса по Цельсию, он способен охладить окружающую среду до нулевой температуры, из-за чего начнет идти снег.
Рекомендуем также прочитать: Интересные факты о хлоре
Вы замечали, что после того, как выпадает снег, становится немного теплее. Более того, многие садоводы знают, что озимый лук или чеснок не сможет перезимовать зиму, если не будет снежного одеяла. Он попросту перемерзнет. Все дело в том, что снег является отличным изолятором. По этой причине многие дикие животные зарываются в снег и впадают в зимнюю спячку.
На этом наша статья подошла к концу, уважаемые читатели. Надеемся эта информация была для вас полезна и очень интересна. Благодарим за внимание.
Великая теория снежинок
Снега в центральной части России этой зимой маловато. Кое-где он выпал, конечно, но в январе месяце можно было ждать какой-то более морозной и снежной погоды. Унылая серость и неприятная слякоть мешают ощутить радость от привычных зимних забав. Поэтому Cloud4Y предлагает добавить немного снега в нашу жизнь, поговорив о… снежинках.
Считается, что снежинки бывают только двух типов. И у одного из учёных, которого иногда называют «отцом» физики снежинок, появилась новая теория, объясняющая причину этого. Кеннет Либбрехт — это удивительный человек, который готов посреди зимы покинуть нагретую солнцем Южную Калифорнию, чтобы добраться до Фэрбенкса (Аляска), надеть тёплую куртку и сесть в промороженном поле с камерой и куском пенопласта в руках.
Зачем? Он ищет самые сверкающие, самые фактурные, самые красивые снежинки, которые может создать природа. По его словам, наиболее интересные образцы имеют тенденцию образовываться в самых холодных местах — пресловутом Фэрбенксе и в заснеженной северной части Нью-Йорка. Самый же лучший снег, который Кеннет когда-либо наблюдал, шёл в Кокрейне, местечке на северо-востоке Онтарио, где слабый ветер кружил снежинки, падающие с неба.
Очарованный стихией, Либбрехт с упорством археолога изучает свою пенопластовую доску. Если там есть что-то интересное, взгляд обязательно зацепится за это. Если же нет — снег сметается с доски, и всё начинается заново. И это длится часами.
Либбрехт — физик. По забавному стечению обстоятельств, его лаборатория в Калифорнийском технологическом институте занимается исследованиями внутренней структуры Солнца и даже разработала современные приборы для обнаружения гравитационных волн. Но последние 20 лет подлинной страстью Либбрехта был снег — не только его внешний вид, но и то, что заставляет его так выглядеть. «Вопрос о том, что за объекты падают с неба, как это происходит и почему они так выглядят, всё время терзает меня», — признаёт Кеннет.
Долгое время для физиков было достаточно знания того, что среди множества крошечных снежных кристаллов можно выделить два преобладающих типа. Один из них — плоская звезда с шестью или двенадцатью лучами, каждый из которых украшен головокружительно красивыми кружевами. Другой — своего рода миниатюрная колонна, иногда зажатая меж плоских «крышек», а иногда похожая на обычный болтик. Эти формы можно увидеть при разной температуре и влажности, но причина образования той или иной формы была загадкой. Годы наблюдений Либбрехта помогли лучше понять процесс кристаллизации снежинок.
Наработки Либбрехта в этой области помогли создать новую модель, которая объясняет, почему снежинки и другие снежные кристаллы образуют то, что мы привыкли видеть. Согласно его теории, опубликованной в интернете в октябре 2019 года, описывает движение молекул воды возле точки замерзания (кристаллизации) и то, как конкретные движения этих молекул могут порождать совокупность кристаллов, которые образуются в различных условиях. В своей монографии объёмом 540 страниц Либбрехт описывает все знания о снежных кристаллах.
Шестиконечные звёзды
Вы, конечно же, знаете, что невозможно увидеть две одинаковые снежинки (разве что на этапе зарождения). Этот факт связан с тем, как кристаллы формируются в небе. Снег — это скопление ледяных кристаллов, которые образуются в атмосфере и сохраняют свою форму, когда они все вместе падают на Землю. Они образуются, когда атмосфера достаточно холодная, чтобы не допустить слияния или таяния и превращения в мокрый снег или дождь.
Хотя в пределах одного облака можно зафиксировать множество температур и уровней влажности, для одной снежинки эти переменные будут постоянными. Вот почему снежинка часто растёт симметрично. С другой стороны, каждая снежинка подвергается воздействию ветра, солнечного света и другим факторам. По сути, каждый кристалл подчиняется хаосу облака, и потому принимает различные формы.
Согласно исследованию Либбрехта, самые ранние размышление об этих деликатных формах зафиксированы в 135 г. до н.э. в Китае. «Цветы растений и деревьев, как правило, пятиконечные, но цветы снега всегда шестиконечные», — писал ученый Хань Инь. А первым ученым, который попытался разобраться, почему так происходит, был, вероятно, Йоханнес Кеплер, немецкий ученый и эрудит.
В 1611 году Кеплер преподнёс новогодний подарок своему покровителю, императору Священной Римской империи Рудольфу II: небольшой трактат под названием «О шестиугольных снежинках».
«Я перехожу мост, терзаемый стыдом – я оставил тебя без новогоднего подарка! И тут мне подворачивается удобный случай! Водяные пары, сгустившись от холода в снег, выпадают снежинками на мою одежду, все, как одна, шестиугольными, с пушистыми лучами. Клянусь Гераклом, вот вещь, которая меньше любой капли, имеет форму, может служить долгожданным новогодним подарком любителю Ничего и достойна математика, обладающего Ничем и получающего Ничто, поскольку падает с неба и таит в себе подобие шестиугольной звезды!».
«Должна быть причина, по которой снег имеет форму шестиугольной звездочки. Это не может быть случайностью», — был уверен Йоханнес Кеплер. Возможно, ему вспомнилось письмо от своего современника Томаса Харриота, английского ученого и астронома, который также успел поработать штурманом для исследователя сэра Уолтера Роли. Около 1584 года Харриот искал наиболее эффективный способ складывать пушечные ядра на палубах кораблей Роли. Харриот обнаружил, что гексагональные узоры кажутся наилучшим способом расположения сфер, и он обсуждал этот вопрос в переписке Кеплером. Кеплер задавался вопросом, происходит ли что-то подобное в снежинках и благодаря какому элементу возникают и держатся эти шесть лучей.
Можно сказать, что это было начальное понимание принципов атомной физики, о которой заговорят лишь через 300 лет. Действительно, молекулы воды с их двумя атомами водорода и одним кислородом имеют тенденцию соединяться вместе, образуя гексагональные массивы. Кеплер и его современники даже не представляли, насколько это важно.
Как говорят физики, благодаря водородной связи и взаимодействия молекул друг с другом мы можем наблюдать открытую кристаллическую структуру. Помимо способности выращивать снежинки, шестиугольная структура позволяет сделать лёд менее плотным по сравнению с водой, что оказывает огромное влияние на геохимию, геофизику и климат. Другими словами, если бы лёд не плавал, жизнь на Земле была бы невозможна.
Но после трактата Кеплера наблюдение за снежинками было скорее хобби, чем серьёзной наукой. В 1880-х годах американский фотограф по имени Уилсон Бентли, живший в холодном, вечно заснеженном маленьком городишке Иерихон (штат Вермонт, США), начал делать снимки снежинок с помощью фотопластин. Он успел создать более 5000 фотографий, прежде чем умер от пневмонии.
В условиях низкой влажности снежинки-звёзды образуют несколько ветвей и напоминают гексагональные пластины, но при высокой влажности становятся более замысловатыми, кружевными.
По мнению Либбрехта причины появления различных форм снежинок стали понятнее именно благодаря работе Накая. Было установлено, что снежные кристаллы превращаются в плоские звёзды и пластины (а не трёхмерные структуры), когда края быстро растут наружу, а грани медленно растут вверх. Тонкие колонны растут по-другому, с быстро растущими гранями и более медленно растущими краями.
В то же время, основные процессы, влияющие на то, станет ли снежинка звездой или колонной, остались невыясненными. Возможно, секрет крылся в температурных условиях. И Либбрехт пытался найти ответ на этот вопрос.
Рецепт снежинки
Вместе со своей маленькой командой исследователей Либбрехт пытался придумать рецепт снежинки. То есть некий набор уравнений и параметров, которые можно загрузить в компьютер и получить от ИИ великолепное разнообразие снежинок.
Свои исследования Кеннет Либбрехт начал двадцать лет назад, узнав об экзотической форме снежинки, называемой закрытой колонной. Она похожа на катушку для ниток или на два колеса и ось. Рождённый на севере страны, он был шокирован тем фактом, что ни разу не видел такой снежинки.
Поражённый бесконечными формами снежных кристаллов, он занялся изучением их природы, создав лабораторию для выращивания снежинок. Результаты многолетних наблюдений помогли создать модель, которую сам автор считает прорывной. Он предложил идею молекулярной диффузии на основе поверхностной энергии. Эта идея описывает, как рост снежного кристалла зависит от начальных условий и поведения молекул, которые его образуют.
Представьте, что молекулы воды расположены свободно, так как пары воды только начинают замерзать. Если бы можно было оказаться внутри крошечной обсерватории и смотреть на этот процесс, то можно было бы увидеть, как молекулы замёрзшей воды начинают образовывать жёсткую решетку, где каждый атом кислорода окружён четырьмя атомами водорода. Эти кристаллы растут путём включения молекул воды из окружающего воздуха в их структуру. Они могут расти в двух основных направлениях: вверх или наружу.
Тонкий плоский кристалл (пластинчатый или звездообразный) образуется, когда края формируются быстрее, чем две грани кристалла. Растущий кристалл будет распространяться наружу. Однако, когда его грани растут быстрее, чем его края, кристалл становится выше, образуя иглу, полый столб или стержень.
Ещё момент. Обратите внимание на третью фотографию, сделанную Либбрехтом в северном Онтарио. Это кристалл с «закрытыми колоннами» — две пластины, прикрепленные к концам толстого столбчатого кристалла. В этом случае каждая пластина разделена на пару гораздо более тонких пластин. Приглядитесь к краям, вы увидите, как пластина делится на две. Края этих двух тонких пластин примерно такие же острые, как лезвие бритвы. Общая длина ледяной колонны составляет около 1,5 мм.
Согласно модели Либбрехта, водяной пар сначала оседает по углам кристалла, а затем распространяется (диффундирует) по поверхности либо к краю кристалла, либо к его граням, заставляя кристалл расти наружу или вверх. Какой из этих процессов «выигрывает», зависит главным образом от температуры.
Нужно заметить, что модель является «полуэмпирической». То есть она частично построена так, чтобы соответствовать происходящему, а не объяснять принципы роста снежинок. Нестабильности и взаимодействия между бесчисленными молекулами слишком сложны, чтобы полностью их раскрыть. Впрочем, остаётся надежда на то, что идеи Либбрехта послужат основой для всеобъемлющей модели динамики роста льда, которую можно будет детализировать с помощью более подробных измерений и экспериментов.
Не стоит думать, что эти наблюдения интересны узкому кругу учёных. Подобные вопросы возникают в физике конденсированных сред и в других сферах. Молекулы лекарств, полупроводниковые чипы для компьютеров, солнечные элементы и множество других отраслей полагаются на высококачественные кристаллы, и целые группы занимаются вопросом их выращивания. Так что нежно любимые Либбрехтом снежинки вполне могут послужить на благо науки.
Что ещё полезного можно почитать в блоге Cloud4Y