2 одинаковые снежинки. Вопрос дня: как образуются снежинки и почему не бывает двух одинаковых

Оглавление.

Введение.

Глава 1.

1.1.Происхождение снежинок.

1.2.Бывают ли снежинки одинаковые?

Глава 2. Мои эксперименты.

Глава 3.Интересные факты о снежинках.

4.Заключение.

5. Используемые источники.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ:

изучить снежинки, как удивительное явление природы.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ :

наблюдение за снежинками в природе;

изучение образования снежинок;

выявление разнообразия форм снежинок;

опытным путём понаблюдать образование снежинок;

выявить знания учащихся о снежинках.

ГИПОТЕЗА.

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

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Каждый маленький ребёнок очень любознателен и всем интересно что, откуда, как…?

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ :

1. Изучение литературы о снежинках.

2. Фотографирование снежинок.

3. Проведение экспериментов.

4. Анализ проделанной работы.

Время проведения исследования: январь-февраль 2017 года.

Введение.

Начну с трогательного, нежного и завораживающего стихотворения о снежинке.

Снежинка.

Светло-пушистая, снежинка белая,

Какая чистая, какая смелая!

Дорогой бурною легко проносится,

Не в высь лазурную - на землю просится.

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!

(Константин Бальмонт)

Глава 1.

1.1.Происхождение снежинок.

Снег лежит. Летят снежинки. Что здесь необычного? Просто наступила зима. И тем не менее, это ещё одно чудо природы, которое подарил нам этот удивительный мир! Невероятная красота, неправда ли? Вот уж действительно, - удивительное вокруг нас. Так что, когда лежит снег или летят снежинки, мы с вами наблюдаем не просто явление зимы на землю, а настоящее чудо природы, достойное изучения.

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. Но до земли они долетают в виде снега, только если температура ниже нуля. Если же температура выше, снежинки испаряются и превращаются в водяной пар, который снова поднимается вверх. Или же эти кристаллы тают и падают на землю в виде дождя или крупы. А иногда бывает так, что на крыше высотного здания идет снег, а на улице - уже дождь.

Вид снежинок зависит от содержания воды в том облаке, где она зародилась, температуры воздуха, высоты над уровнем моря. Даже если и «родились» две одинаковые снежинки, им предстоит путь до земли со скоростью приблизительно 1 км. в час. Они попадают в разные температурные условия и до земли долетают с совершенно разным узором, но обязательно шестиугольной формы. Ученые сумели выделить несколько основных форм снежинок. Им даже дали названия:

звезда,

пластинка,

столбик,

игла,

пушинка,

ёж,

запонка.

Форма снежинок зависит от погоды.

В безветреный морозный день снежинки падают медленно. Они крупные, блестящие, похожие на звездочки. Снежинки падают по одной, поэтому их легко рассмотреть.

При слабом морозе снежинки похожи на снежные шарики – «снежная крупа». А при сильном ветре идет «снежная пыль», так как ветер обламывает у снежинок лучи и грани.

Когда нет мороза, падая на землю, снежинки прилепляются друг к другу и образуют «снежные хлопья». Они крупные и напоминают кусочки ваты».

Каждая снежинка неповторима так же, как отпечаток пальца или ДНК человека. Снежинок одинаковых не бывает, как не бывает одинаковых листьев на деревьях, одинаковых капель дождя, одинаковых людей.

Но если снежинка - кристалл, то почему она белая, она же должна быть прозрачной? Это благодаря воздуху (95%), заключённому в ней! Свет отражается на поверхностях между кристаллами и в воздухом и рассеивается. Благодаря воздуху снежинки очень легкие. Даже во время очень сильных снежных заносов люди или животные могут дышать под снегом в течение длительного времени.

1.2. Бывают ли одинаковые снежинки.

Существуют ли две одинаковые снежинки? Нет! Это доказал в своих работах фермер Уилсон Бентли в 1885 году, ему-то и удалось сделать первую фотографию снежинки под микроскопом. А понадобилось ему для этого 46 лет!
С детства он исследовал форму падающих с неба кристаллов, за что и получил прозвище «Снежинка». Всю жизнь Уилсон посвятил исследованию снежинок, всего он сделал 5000 снимков, и ни на одном из них не было повторяющихся снежинок.

Одним из первых ученых, задумавшихся о структуре снега, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630). В 1611 году он опубликовал короткий трактат «Новогодний подарок, или о шестиугольных снежинках», который можно назвать первой научной работой, посвященной снежинкам.

Глава 2. Исследование.

Я всегда думала, если после таяния снега образуется вода, то после замерзания капельки воды превратятся в снежинки.

Эксперимент 1.

Я заморозила 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 вышла на улицу, подставила рукавичку под снег. На неё упало несколько снежинок. Я стала 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.

Я проводила интервью среди 40 учеников начальной школы.

По результатам интервью

35 из 40 ребят утверждают, что снежинка состоит из воды;

30 из 40 ребят утверждают что одинаковые снежинки бывают;

Так как мне очень нравятся снежинки, я научилась вырезать их из бумаги, разукрашивать и рисовать.

На Новый год у меня был костюм снежинки:

А еще, я с родителями вспоминала, как строила из деталек конструктора - дом. Детальки я брала маленькие, а постройка получалась большая. Природа тоже умеет строить. Но строит она не дома, а снежинки из необычного ледяного конструктора – из крохотных льдинок!

Глава 3. Интересное о снежинках.

Во время снегопада в 1987 году в Форт-Кое-(Монтана, США) была найдена снежинка-мировая рекордсменка диаметром 38 см.

Более половины населения земного шара никогда не видело снега, разве только на фотографиях.

На Крайнем Севере снег бывает настолько твердым, что топор при ударе по нему звенит, словно ударили по железу.

В Японии ученые называют снежинки письмами с небес, которые написаны тайными иероглифами.

Заключение.

Работая над темой я достигла своей цели и узнала очень много о снежинках. В процессе изучения и исследования решила поставленные мной задачи. К большому сожалению мои гипотезы не подтвердились. В процессе работы над проектом я узнала, что снежинок одинаковых не бывает. Еще узнала, что они появляются из алмазной пыли, они всегда имеют центр, симметричны и шестиугольны.

Использованные источники:

Одинаковые ли снежинки, или Что сокрыто в замерзшей воде? - Режим доступа: http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/

Стихи про снег и снежинки. - Режим доступа: http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html

Первопроходцем изучения «теории снега» стал юный фермер Уилсон Элисон Бентли по прозвищу «Снежинка». С детских лет его привлекала необычная форма падающих с неба кристаллов. В его родном городе Джерико на севере США снегопады были регулярным явлением, и юный Уилсон проводил много времени на улице, изучая снежинки.

Уислон "Снежинки" Бентли

К подаренному матерью на 15-летие микроскопу Бентли приспособил фотоаппарат и попытался запечатлеть снежинки. Но на совершенствование технологии ушло без мало пять лет – лишь 15 января 1885 года был получен первый отчетливый снимок.

За всю свою жизнь Уилсон запечатлен на фотографиях 5000 разнообразных снежинок. Он не переставал восхищаться красотой этих миниатюрных произведений природы. Для получения своих шедевров, Бентли работал при минусовой температуре, помещая каждую целую из найденных снежинок на черный фон.

Работы Уилсон высоко оценили и ученые, и художники. Его часто приглашали выступить на научных конференциях или выставить фотоснимки в художественных галереях. К сожалению, Бентли умер на 65-ом году жизни от пневмонии, так и не доказав, что одинаковых снежинок не бывает.

Эстафету «теории снега» подхватила сто лет спустя исследователь Национального центра Атмосферных исследований Нэнси Найт. В работе, опубликованной в 1988 году, она доказала обратное утверждение – одинаковые снежинки могут и должны существовать!

Доктор Найт попробовала воспроизвести процесс построения снежинок в лабораторных условиях. Для этого она выращивала несколько кристаллов воды, подвергая их одинаковых процессам переохлаждения и перенасыщения. В результате опытов ей удалось получить снежинки абсолютно идентичные друг другу.

Дальнейшие полевые наблюдения и обработка погрешностей опытов позволили Нэнси Найт утверждать, что возникновение одинаковых снежинок возможно и определяется только теорией вероятности. Составив сравнительный каталог небесных кристаллов, Найт сделала вывод, что у снежинок наблюдается 100 признаков различия. Так образом, общее количество вариантов внешнего вида составляет 100! т.е. почти 10 в 158-й степени.

Полученное число вдвое больше, чем количество атомов во Вселенной! Но это не значит, что совпадения совсем невозможны – делает в своей работе заключение доктор Найт.

И вот – новые исследования по «теории снега». На днях 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. А некоторые из необычных и неизученных свойств льда могут найти и практическое применение.

Одинаковые снежинки в природе встречаются. В исключительных случаях. Впервые это было зафиксировано специалистами Национального центра атмосферных исследований США в 1988 году.

Фото: pixabay.com

Исследователь Нэнси Найт в своей работе «No Two Alike?» доказала, что в природе могут встречаться идентичные снежинки.

К такому заключению Найт пришла после того, как опытным путем получила одинаковые снежинки в лабораторных условиях. Свою теорию она доказала математическим путем, через теорию вероятности. Она вывела 100 отличительных признаков снежинок, по которым можно судить о том, что существует 10 в 158 степени различных вариантов снежинок. И, хотя полученное число бесконечно велико, это не исключает возможности совпадения снежинок, утверждает Найт.

В то же время, по утверждению профессора физики Калифорнийского университета Кэннета Либбрехта , внешне одинаковые снежинки обладают различиями во внутреннем строении, а именно — в кристаллической решетке. Поэтому нельзя сказать, что в принципе возможно найти полностью одинаковые снежинки по форме и по атомной структуре.

Как формируются снежинки и почему их форма разная?

Процесс образования снежинок включает в себя сублимацию кристаллов из газовой фазы, минуя жидкое состояние. При формировании снежинки молекулы воды хаотично нарастают с момента формирования начального кристалла. Таким образом, рост снежинки идет неупорядоченным образом.

Рост снежинок зависит от внешних условий, таких, как температура и влажность воздуха. В зависимости от этих и других условий новые слои молекул накладываются друг на друга, образуя каждый раз новую форму снежинки.

Все снежинки имеют шесть граней, поскольку при замерзании молекулы воды выстраиваются особым порядком, в результате чего образуется шестигранная геометрическая фигура.

Рост снежинки обусловлен температурой воздуха, при которой происходило ее формирование. Чем ниже была температура, тем меньше будет и размер снежинки.

Направления роста снежинки обусловлены тем, что кристаллы льда шестиугольные. Два кристаллика не могут соединиться углом, они всегда присоединяются друг к другу гранью. Поэтому лучи всегда растут в шесть сторон, а от луча может отходить «ветка» только под углом 60 или 120 градусов.

Слышали когда-нибудь фразу «эта снежинка - особенная», мол, потому что их обычно много и все они прекрасны, уникальны и завораживают, если присмотреться. Старая мудрость гласит, что не бывает двух одинаковых снежинок, но правда ли это на самом деле? Как вообще об этом заявлять, не просмотрев все падающие и упавшие снежинки? Вдруг снежинка где-нибудь в Москве ничем не отличается от снежинки где-нибудь в Альпах.

Чтобы рассмотреть этот вопрос с научной точки зрения, нам нужно знать, как снежинка рождается и какова вероятность (или невероятность), что родятся две одинаковых.

Снежинка, снятая при помощи обычного оптического микроскопа

Снежинка, по своей сути, это всего лишь молекулы воды, которые связываются между собой в определенной твердой конфигурации. Большинство этих конфигураций имеют некоторый вид гексагональной симметрии; это связано с тем, как молекулы воды с их определенными валентными углами - которые определяются физикой атома кислорода, двух атомов водорода и электромагнитной силой - могут связываться между собой. Простейший микроскопический кристаллик снега, который можно рассмотреть под микроскопом, по размерам составляет одну миллионную часть метра (1 мкм) и может быть очень простой формы, например, шестиугольной кристаллической пластинки. Его ширина примерно 10 000 атомов, и подобных ему очень много.

• вам нужны такие же частицы,
• в таких же конфигурациях,
• с такими же связями между собой
• в двух совершенно разных макроскопических системах.

Давайте посмотрим, как это можно устроить.

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.

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.

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.