Научно-практическая конференция группа Юниор 2016 Снежинка-чудо природы

15

Тема"Снежинки -чудо природы."

Забайкальский край, п. Карымское

Жезлова Анастасия., ученица 8 «б» класса МАОУ

«СОШ №2 п. Карымское».

« Краткая аннотация»

Он 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.

Тема"Снежинки -чудо природы."

Забайкальский край, п. Карымское

Жезлова Анастасия., ученица 8 «б» класса МАОУ

«СОШ №2 п. Карымское».

«Аннотация» .

Цель работы: - собрать и изучить информацию о снежинках;

Для достижения поставленной цели я предположила решить следующие задачи:

1. Как образуются снежинки.

2. Как выглядят снежинки.

3. Почему снег под ногами скрипит.

4. Обобщить полученные знания.

Методы исследования:

• анализ источников информации;

• эксперимент по образованию снежинок;

• наблюдение за формой снежинок;

• наблюдение за тональностью скрипа снега;

• обобщение полученных данных.

Приёмы исследования, применяемые в работе:

• подумать самостоятельно;

• спросить у другого человека;

• посмотреть в книгах;

• посмотреть по телевизору;

• получить информацию в сети Интернет;

• понаблюдать;

• провести эксперимент;

• связаться со специалистом.

Тема"Снежинки -чудо природы."

Забайкальский край, п. Карымское

Жезлова Анастасия., ученица 8 «б» класса МАОУ

«СОШ №2 п. Карымское».

«Научная статья .»

Кружился снег в пространстве невесомо,
Прохожих удивляя белизной.
П. Кобраков.

Люди издавна интересовались кристаллами снега - снежинками. Еще в 1555 году швед Л. Магнус впервые напечатал рисунки снежинок причудливо-красивой формы. Русский педагог-естествоиспытатель М. Новорусский (кстати, автор книжки для детей "История снежинки") наблюдал посредством лупы и смог зарисовать десятки снежных миниатюр. Польскому ученому Д. Добровольскому удалось рассмотреть под микроскопом сотни разных снежинок.[1]

Образование снежинки происходит при медленной конденсации водяных паров. Молекулы воды (Н₂О) образуют почти плоскую структуру (кластер), представляющую собой шестиугольник с максимальным индексом симметрии, то есть структуру, которая при каждом повороте в горизонтальной плоскости на 60 градусов переходит "сама в себя".

Участки пространства между соседними "лучиками" изначального кристалла могут заполняться молекулами различными (причем случайными) способами, поэтому кристаллы (снежинки) получаются разной формы и совершенно одинаковые бывают весьма редко.

Средняя толщина снежинки - 0,08 мм, а вес - 0,0004 г.[8]

Рассматривать "живые" снежинки проще всего с помощью лупы. Фотографировать их можно через обычный микроскоп даже 25-кратного увеличения или используя объектив для снимков с близкого расстояния, но ловить снежинки на стекло надо очень быстро, не допуская их растаивания.
В обычный снегопад мы не задумываемся, что обычная снежинка при изучении ее в микроскоп, может представлять из себя не менее прекрасное зрелище и поражать нас правильностью и сложностью форм.

Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при понижении температуры образуются кристаллические зародыши льда. Центром кристаллизации могут быть пылинки, любые твердые частицы или даже ионы, но в любом случае эти льдинки размером меньше десятой доли миллиметра уже имеют гексагональную кристаллическую решетку.

Водяной пар, конденсируясь на поверхности этих зародышей, образует сначала крошечную гексагональную призму, из шести углов которой начинают расти одинаковые ледяные иголочки - боковые отростки, т.к. температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки - веточки. Подобные кристаллы называют дендритами, то есть похожими на дерево. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии.[10]

Так снежинки становятся разными. Хотя теоретически в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Но путь до земли у каждой свой, довольно долгий - в среднем снежинка падает со скоростью 0,9 км в час. А значит, у каждой - своя история и своя окончательная форма. Образующий снежинку лед прозрачен, но когда их много, солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы - мы называем ее снегом.

Даже невооруженным взглядом рассматривая снежинки, можно заметить, что ни одна из них не повторяет другую. Предполагается, что в одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, каждая из которых уникальна.

Не бывает пятиугольный или семиугольных снежинок, все они имеют строго шестиугольную форму (хотя советских художников заставляли рисовать на плакатах пятиконечные снежинки).

Полные идеальной гармонии конструкции снежных кристаллов уже на протяжении многих лет вызывают интерес людей. Еще в 1635 году французский философ и математик Рене Декарт, писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Особенно математика поразила найденная им в середине снежинки «крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля, которым пользовались, чтобы очертить ее окружность». Великий астроном Иоганн Кеплер в своем трактате "Новогодний дар. О шестиугольных снежинках" объяснил форму кристаллов волей Божьей.

Японский ученый Накая Укитиро называл снег "письмом с небес, написанным тайными иероглифами". Он первым создал классификацию снежинок. Именем Накая назван единственный в мире музей снежинок, расположенный на острове Хоккайдо. Основа для формирования снежинки, её крошечное ядро - это ледяные или инородные пылинки в тучах. Молекулы воды, хаотично перемещающиеся в виде водяного пара, проходят через облака, то вместе с температурой они теряют и скорость. Все больше и больше шестиугольных молекул воды присоединяется к растущей снежинке в определенных местах, придавая ей отчетливую форму. При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Так, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка.[3]

По мнению специалистов в этой области, главная особенность, определяющая форму кристалла, - это крепкая связь между молекулами воды, подобная соединению звеньев в цепи. Кроме того, из-за различного соотношения тепла и влаги кристаллы, которые в принципе должны быть одинаковыми, приобретают различную форму. Сталкиваясь на своем пути с переохлажденными мелкими капельками, снежинка упрощается по форме, сохраняя при это симметрию.[9]

То, что одна снежинка практически невесома, любой из нас прекрасно знает: достаточно подставить ладошку под падающий снежок. Обычная снежинка весит около миллиграмма (очень редко 2-3 миллиграмма, хотя бывают и исключения - самые крупные снежинки выпали 30 апреля 1944 года в Москве. Пойманные на ладонь, они закрывали её почти всю целиком и напоминали страусиные перья).

То, что снег имеет не чисто-белый, а слегка голубоватый оттенок, известно давно. Но снег и сам по себе способен окрашиваться в синий цвет. Чтобы увидеть эту окраску, нужно проделать в чистом снегу узкое отверстие глубиной около метра. Свет, пробившийся через толщу снега возле края этой ямки, будет казаться желтоватым, глубже он становится желтовато-зеленым, го¬лубовато-зеленоватым и, наконец, ярко синим. Отсвет голубого неба здесь ни при чем, и чтобы убедиться в этом, можно провести опыт в пасмурную погоду или заглянуть в отверстие через картонную трубку. Цвет льда зависит от его возраста и может быть использован для оценки его прочности.[7]

Океанический лед в первый год своей жизни белый, потому что он насыщен воздушными пузырьками, от стенок которых свет отражается сразу же, не успев поглотиться. Летом поверхность льда тает, теряет прочность, и под тяжестью ложащихся сверху новых слоев пузырьки воздуха сжимаются и исчезают совсем. Свет внутри льда проходит больший путь, чем прежде, и выходит наружу, имея голубовато-зеленый оттенок.

Голубой лед старше, плотнее и прочнее белого «пенистого», насыщенного воздухом. Полярные исследователи это знают и выбирают для своих плавучих баз, научных станций и ледовых аэродромов надежные голубые и зеленые льдины. В арктических и горных регионах розовый или даже красный снег - обычное явление. Дело в том, что живущие между его кристаллов водоросли окрашивают целые участки снега. Но известны случаи, когда снег падал с неба уже окрашенный - в голубой, зеленый, серый и черный цвета. Так, на Рождество 1969 года в Швеции выпал черный снег. Скорее всего, это произошло из-за того, что снег при падении впитал из атмосферы копоть и промышленные загрязнения. В 1955 году около Даны, штат Калифорния, выпал фосфоресцирующий зеленый снег. Жители, рискнувшие попробовать на язык его хлопья, вскоре скончались, а у людей, бравших снег в руки, появились сыпь и сильный зуд. Возникло предположение, что подобные ядовитые осадки явились результатом атомных испытаний в штате Невада. Однако комиссия по расследованию этого происшествия данное предположение отвергла. По сей день происхождение зеленых хлопьев остается тайной.

Существует еще одна тайна, присущая строению снежинки. В ней порядок и хаос сосуществуют вместе. В зависимости от условий получения твердое тело должно находиться либо в кристаллическом (когда атомы упорядочены), либо в аморфном (когда атомы образуют случайную сетку) состоянии.

Снежинки же имеют гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично. Однако связь между структурой кристаллической решетки и формой снежинки, которая больше молекулы воды в десять миллионов раз, неочевидна: если бы молекулы воды присоединялись к кристаллу в случайном порядке, форма снежинки получилась бы неправильной. Все дело в ориентации молекул в решетке и расположении свободных водородных связей, которое способствует образованию ровных граней. Молекулы водяного пара с большей вероятностью заполняют пустоты, нежели пристают к ровным граням, потому что пустоты содержат больше свободных водородных связей. В результате снежинки принимают форму правильных шестиугольных призм с ровными гранями. Такие призмы падают с неба, при сравнительно небольшой влажности воздуха в самых разных температурных условиях. Рано или поздно на гранях появляются неровности. Каждый бугорок притягивает к себе дополнительные молекулы, и начинает расти.[6]

Снежинка долго путешествует по воздуху, при этом шансы встретиться с новыми молекулами воды у выступающего бугорка несколько выше, чем у граней. Так на снежинке очень быстро вырастают лучи. Из каждой грани вырастает один толстый луч, так как молекулы не терпят пустоты. Из бугорков, образующихся на этом луче, вырастают ответвления. Во время путешествия крохотной снежинки все ее грани находятся в одинаковых условиях, что служит предпосылкой для роста одинаковых лучей на всех шести гранях.

В идеальных лабораторных условиях, все шесть направлений снежинки растут симметрично и с аналогичными конфигурациями. В атмосфере большая часть снежинок это нерегулярные кристаллы у них лишь некоторые из шести ветвей могут быть симметричны.

Скрип снега - это всего лишь шум от раздавливаемых кристалликов. Разумеется, человеческое ухо не может воспринять звук одной "сломанной" снежинки. Но мириады раздавленных кристалликов создают вполне явственный скрип. Скрипит снег лишь в мороз, а тональность скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха - чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. Ученые произвели акустические измерения и установили, что в спектре скрипа снега есть два пологих и не резко выраженных максимума - в диапазоне 250-400 Гц и 1000-1600 Гц. В большинстве случаев низкочастотный максимум на несколько децибел превышает высокочастотный. Если температура воздуха выше минус 6°C, высокочастотный максимум сглаживается и полностью исчезает. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются, акустический спектр скрипа смещается в область высоких частот.[11]

История изучения снежинок.

Трудно сказать, когда человек впервые залюбовался этим чудом природы. Формы снежинок необыкновенно разнообразны - их вариаций более пяти тысяч.[1]

Год

Личность

Что наблюдал

1550

Архиепископ Олаф Магнус из шведского города Упсала

Впервые наблюдал снежинки невооруженным глазом.

1611

Иоганн Кеплер, немецкий астроном и математик.

Опубликовал «Трактат о шестиугольных снежинках»

1635

Французский математик Рене Декарт

Написал «Этюд о форме снежинок», наблюдал 12-лучевую снежинку

17 век

Роберт Гук

Сделал вывод о шестиконечной симметрии в геометрии снежинок

17 век

Донат Розетти, итальянский священник и математик

Первым классифицировал снежинки

17 век

Уильям Скорсби, английский китобой

первым описал снежные кристаллы в форме шестигранных пирамид, столбиков и их комбинаций

1839

Феодальный правитель Страны восходящего солнца Тосицура Онаками Дои

составил 97 рисунков «снежных цветков».

1885

Уилсон Бентли, американский фермер

По прозвищу «Снежинка»

Получил первую удачную фотографию снежинки под микроскопом

bentley.sciencebuff.org/snowimages/I40537.jpg" />

1887

Николай Васильевич Каульбарс, член Русского Географического Общества

Впервые зарисовал и описал снежинку необычной формы

1939

Укихиро Ногая

Провел классификацию, создал музей ледяных кристаллов

1994

Ученые Университета в Токио

Начали выращивание искусственного снега для Олимпиады в Саппоро

1951

Международная комиссия по снегу и льду

Приняла классификацию снежинок

2008

Астроном Кеннет Либбнехт

Стал известен как автор самой большой и разнообразной коллекции фотографий снежинок

Тема"Снежинки -чудо природы."

Забайкальский край, п. Карымское

Жезлова Анастасия., ученица 8 «б» класса МАОУ

«СОШ №2 п. Карымское».

«План исследований .»

Проблема: Люди издавна интересовались кристаллами снега - снежинками. С чего начинается жизнь снежинки и ее образование. Почему они все разные ?Кто из ученых внес вклад в изучение снежинок ?

Гипотеза: Снежинки -чудо природы, замерзшие капельки воды.

Объект моего исследования: неживая природа,снег.

Предмет исследования: снежинка.

Опыт 1. Я поймала несколько снежинок на тарелочку и принесла их в дом - они растаяли и получились маленькие капельки воды. Я поместила тарелочку в морозильник, но когда капельки замерзли, то на их месте образовались льдинки.

Вывод: Значит снежинки - это не просто замерзшие капельки воды. Они образуются в облаках из маленьких ледяных кристалликов. Зимой они сверкающими звездочками опускаются до самой земли и покрывают её снегом. Очень долгое время ученые не могли объяснить это странное явление. Потому что долгое время никто не знал как рождается снег!

Раньше думали так, как и я, что снег-это замерзшие капельки воды. Что идет он из тех же туч, что и дождь. И вот, наконец, была разгадана тайна рождения снежинок, и тогда узнали, что снег, никогда, не родится из капелек воды. Капельки воды могут стать градинками, комочками льда, который идет иногда летом вместе с дождем или во время грозы. Но капельки воды никогда не превращаются в снежинки, красивые шестиугольные звездочки. Всё бывает совсем по-другому. Водяные пары поднимаются очень высоко над землей, где царит сильный холод, и здесь сразу же из водяных паров образуются крохотные льдинки-кристаллики. Это еще не те снежинки, которые падают на землю, они очень малы. Но шестиугольный кристаллик все время растет, развивается и наконец, становится удивительно красивой звездочкой. Снежинки медленно-медленно опускаются, они собираются хлопьями и падают на землю.

Значит снежинка - это мельчайший ледяной кристалл. Ее образование начинается с ростом кристалла-зародыша, а форма зависит от того, какие грани этого кристалла растут быстрее.

Различают две основные формы снежных кристаллов - пластинчатые и столбчатые.

При температуре от 0⁰С до -4⁰С - образуются призмы, спирали и иглы; от -10⁰до -20°С-толстые, как правило, шестиугольные пластинки; они представляют собой сросшиеся кристаллы, которые похожи на ветвящиеся кроны деревьев, а от -20°до -30°С -полые внутри столбики.

Опыт 2.Как же выглядят снежинки? Я взяла увеличительное стекло и в снежную, морозную погоду отправилась рассматривать снежинки. Они были все совершенно разные и все шестиконечные. Сколько я ни пыталась найти одинаковые снежинки, или с другим количеством лучиков у меня ничего не получилось. Подтверждение своих наблюдений я нашла в энциклопедии.

Вывод: Среди многих миллиардов снежинок, выпадающих зимой, не бывает двух совершенно одинаковых. В то же время, какой бы формы ни была снежная звездочка каждая из них шестигранная или шестилучевая. Почему? Форма снежинок с шестью лучами ясно описана немецким астрономом Иоганном Кеплером в эссе "Новогодний подарок, или о шестиугольных снежинках" в 1611году. В этом эссе Кеплер впервые пришел к выводу, что водяной пар при охлаждении может конденсироваться в шестилучевые кристаллики-снежинки. Форма снежинок похожа на пчелиные соты и кристаллы некоторых минераллов.

Научное объяснение формы снежинок появилось только через 300 лет, когда исследования с помощью рентгеновских лучей показал и, что атомы кислорода и водорода в кристаллах льда располагаются в решетке, состоящей из шестиугольников.

Сколько же весит эта сверкающая звездочка-снежинка? Если она упадет вам на ладонь - вы ее даже не почувствуете.

Она весит около 1миллиграмма (самая крупная-2-3 миллиграмма). Статистике известны случаи,когда на землю падали и крупные снежинки, размер которых просто поразителен. Самые большие снежинки упали 4 декабря 1892 года в Саксонии. Их диаметр достигал 12 см.

Так же меня заинтересовал вопрос: почему снег под ногами скрипит? И я решила найти на него ответ.

Опыт 3. Я пробежала по снегу в ясный морозный день и послушала, как скрипит под ногами снег. Мои наблюдения привели меня к выводу, что когда мороз усиливается, то снег под ногами начинает поскрипывать. А при сильном морозе он скрипит, как несмазанная телега. Почему? Я заметила, что тональность скрипа снега меняется от температуры воздуха: чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. А вообще-то, скрип снега не что иное, как звук от раздавливаемых под нашим весом мельчайших кристалликов льда. Это потрескивают и поскрипывают маленькие лучи холодных звездочек, которые ломаются у меня под ногами. Я взяла одну снежинку и сжала её, но ничего не услышала. Потом я взяла горсть снега и сжала его в руках. Я услышала негромкий хруст. Почему? Каждый кристаллик так мал, что когда он ломается, то услышать этот звук наше ухо не в состоянии. Но когда миллионы и миллиарды кристалликов начинают "петь хором", мы слышим вполне явственный скрип. Причем "петь" снег начинает, только, когда температура опускается ниже 6° мороза.

А еще люди научились делать искусственный снег. Австрийские ученые изобрели пушку, которая стреляет снегом. Издали она похожа на большой фен на металлической платформе. По ободу пушки расположено 180дырочек-форсунок, через которые вода под давлением 15 атмосфер разбрызгивается в виде мельчайших капелек, быстро превращающихся на морозе в кристаллики снега. Пушка дает 25-40 куб.метров снега в час. Этого вполне достаточно для длинной лыжной трассы.

Заключение.

На основании проведенных исследований и изученной литературы я сделала следующие выводы:

Снег-твёрдые атмосферные осадки, выпадающие из облаков в виде снежинок - снежных кристаллов, очень разнообразных по форме, но имеющих в основе шестиугольную пластину или шестигранный столбик. Диаметр снежинок от долей мм до нескольких мм. При штиле и температуре воздуха около 0 градусов снежинки могут соединяться в крупные хлопья диаметром до нескольких см. Средняя масса отдельных снежинок от 0,0001 до 0,003г, крупных снежных хлопьев до 0,2-0,5г.

Снежинки -снежные кристаллы, образующиеся в облаках и туманах и выпадающие из них. Различают две основные формы снежинок- пластинчатые и столбчатые. К первым относятся 6-угольные пластинки и звёзды, ко вторым 6-гранные столбики и иглы.

Зимой снег укутывает землю словно пуховым одеялом и защищает её от мороза, а весной напоит её водой.

Тема"Снежинки -чудо природы."

Забайкальский край, п. Карымское

Жезлова Анастасия., ученица 8 «б» класса МАОУ

«СОШ №2 п. Карымское».

Список литературы.

1. Подробнее см.: nkj.ru/archive/articles/4043/ (Наука и жизнь, ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ МЕТЕОРОЛОГИЯ Д. О. СВЯТСКОГО И Т. Н. КЛАДО).

2. Сергей Апресов
   «Популярная механика» №1, 2008

3. Энциклопедия «Всё обо всём».-М.,2000

4. Детская энциклопедия.-М., 2005

5. «Детская энциклопедия»//Познавательный журнал.-.2005.- №12

6. Энциклопедия для детей. Том 3. География.- М.;изд.;«Мир энциклопедий Аванта +»,2007

7. Большая советская энциклопедия.-М.,1976

8. Детская энциклопедия «Я познаю мир».География.-М., 2005

9. Интернет ресурсы :voda.blox.ua/2008/10/Esli-snezhnye-kristally-vyraschivayutsya-v.html

10.Снежинка Бентли_ В ожидании снега. Режим доступа:snowflakebentley.com/

11. О шестиугольных снежинках. Режим доступа:zipper.paco.net/~yury/LL/podarok.html