Снежинки это кристаллы льда

О снежинках

Впервые снежинки как кристаллы строгой формы описал немецкий астроном Иоганн Кеплер в работе «О шестиугольных снежинках» (1611 г).

В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, написавший трактат «Опыт о метеорах». Декарт впервые нашел и описал достаточно редкую двенадцатиконечную снежинку. До сих пор неясно, при каких условиях она образуется.

В 1665 году Роберт Гук увидел с помощью микроскопа и опубликовал множество рисунков снежинок самой разной формы.

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».

В России у Вильсона Бентли был даже не последователь, а предшественник, Андрей Сигсон (1840-1907). Он заинтересовался фотографией в возрасте 14-15 лет и в дальнейшем работал фотографом в Уфе, а позже в Рыбинске, где жители считали занятия Сигсона микрофотографией пустяками, мешающими зарабатывать деньги на портретных фото.

Сигсон первым из российских фотографов стал снимать снежинки и сделал около двухсот таких снимков. Для получения снимка снежинка помещалась под микроскоп с увеличением от 15 до 24 раз. Чтобы не растопить объект, приходилось охлаждать руки и дышать через трубку, отводящую воздух в сторону (в конце концов фотограф заработал ревматизм пальцев рук). Снимки Сигсона получили признание на многих российских и международных выставках — от Политехнической выставки 1872 года в Москве (где за первые результаты в области микрофотографии автор получил серебряную медаль) до Парижской всемирной выставки 1900 года (золотая медаль). Сигсон получал заказы из университетов Германии, Франции, Англии, Италии и Испании, его фотографии снежинок имели Киевский, Санкт-Петербургский и Московский университеты, Главная физическая обсерватория. Снимки Сигсона попали в различные научные работы и «Энциклопедический словарь» Брокгауза и Ефрона.

Известно несколько классификаций снежных кристаллов. В 1951 г. Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологических наук предложена классификация, различающая семь основных форм кристаллов:

• — пластинки,
• — звездчатые кристаллы,
• — столбцы или колонны,
• — иглы,
• — пространственные дендриты,
• — столбцы с наконечниками
• — неправильные формы.

И еще три вида твердых осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

Существует и более развернутая классификация, при которой каждый из этих типов разделяется на несколько видов и подвидов.

При падении снежных кристаллов с ними может случиться многое — частичное таяние, столкновения друг с другом и с каплями воды. Вот почему наиболее часто встречаются нерегулярные кристаллы, не имеющие легко идентифицируемой формы. Иногда кристаллы представляют собой комбинацию нескольких форм.

Профессор Укихиро Накайя из университета в Хоккайдо первым предположил, что величина и форма снежинок зависят от температуры и влажности воздуха, и подтвердил эту гипотезу экспериментально, выращивая в лаборатории кристаллы льда разной формы.

С понижением температуры обычно снежинки становятся более мелкими. Меняется и форма снежинок: от красивых правильных звездочек — к пластинкам и неправильным столбикам.

Молекулы воды в кристалле льда формируют шестиугольную решетку. На рисунке ниже красные шары – это атомы кислорода, между ними – атомы водорода. Шестикратная симметрия снежинок берет свое начало от кристаллической решетки льда — между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Каждая молекула Н₂0 окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от нее и размещенных в вершинах правильного тетраэдра.

С чем связана плоская форма снежинок? Основная форма кристаллического снега – шестиугольная призма, которая включает две шестиугольные «базовые» поверхности и шесть прямоугольных граней. На боковых ребрах состояние поверхности снежинки энергетически более неравновесно, чем на «базовых» плоских поверхностях кристалла. Благодаря этому, на углах больше вероятность образования новых связей молекул друг с другом. Поэтому снежинки «предпочитают» расти не в толщину, а вширь в одной плоскости (в отличие от снежинок, у градин нет такой правильной кристаллической решетки, так как градины образуются при замерзании дождевых капель, а не из водяного пара).

Со временем выпавший снег частично утрачивает свою первичную структуру под влиянием собственного веса, температуры и ветра. Чем дольше лежит снег, чем больше он утрамбовывается, тем меньше в нем остается от первоначальных кристаллов льда. Старый снег утрачивает первоначальную структуру и преобразовывается в более или менее крупные зерна. При этом меняется и плотность снега. Для сухого снега это 10–20 кг/м3, для влажного — 100–300 кг/м3. Плотность лежалого снега — 200–600 кг/м3.

Ломаясь, снежинка издает неслышимый нашему уху звук. Если же снежинок одновременно ломается много, то вы этот звук слышите — это ни что иное, как скрип снега у вас под ногами. На холоде снежинки становятся более твердыми и хрупкими, поэтому хруст снега можно услышать только при сильно минусовой температуре.

Источник

Белые снежинки на Новый год — виды снежинок, фото снежинок и как они образуются

Белые снежинки — Новый год … эта устойчивая ассоциация для большинства из нас знакома с раннего детства. О снежинках — кратко о главном …

Снег и снежинки

Мы не представляем наших любимых новогодних праздников без пушистого белого снега и новогодних карнавалов без ребят в костюмах «Снежинка». Красивый и любимый всеми праздник и красивейшее природное явление — Новый год и Снежинки. Этой теме посвящали свои строки многие поэты.

Данный же материал мы посвятим только Снежинкам и в большей степени их физической сути.

Издавна снежинки привлекали внимание не только художников, но и ученых мужей. В 1611 году всемирно известный ученый, один из величайших умов своего времени Иоанн Кеплер в трактате «О шестиугольных снежинках» попытался найти ответ, почему же снежинки имеют именно шестиугольную форму … Следует отметить, что этот трактат считают отправной точкой для такой науки как «Кристаллография».

Снежинки — это …

Снежинки — это кристаллы льда, или снежные кристаллы льда. Снежные кристаллы, образующиеся в облаках, как правило, имеют пусть и не идеальную, но красивую шестиугольную форму.

Основные показатели, которые влияют на форму и размер снежинок — это температура воздуха и количество водяного пара, в момент их образования и в процессе их развития.

Например, при температурах более -40 ° C в воздухе образуются и парят мельчайшие кристаллы льда, похожие на пыль. Они быстро растут если в воздухе достаточно влаги. И остаются малыми если воздух сухой и холодный. Соответственно, когда в воздухе влажность достаточно высокая, снежные кристаллы активно растут.

Несколько точных определений из авторитетных источников.

Большая советская энциклопедия

Снежные кристаллы — кристаллы льда, образующиеся в облаках и туманах и выпадающие из них. Различают 2 основные формы Снежные кристаллы — пластинчатые и столбчатые. К первым относятся шестиугольные пластинки и звёзды с 3, 6, 12 лучами, ко вторым — шестигранные столбики и иглы, а также комплексы столбиков («ежи»). Часто наблюдаются Снежные кристаллы неправильной формы. В зависимости от физических условий образования и роста Снежные кристаллы (прежде всего от температуры и влажности воздуха) их размеры и формы весьма разнообразны. С ростом температуры увеличиваются размеры С. к. и доля пластинчатых форм. Чаще всего встречаются С. к. в виде звёзд и ежей. Звёзды с игольчатыми лучами достигают в поперечнике 6—8 мм, звёзды с пластинчатыми лучами — 4—5 мм, ежи — 2—3 мм, пластинки — 1—2 мм; длина столбиков 1—2 мм, игл 3—5 мм. Крупные С. к., выпадающие из облаков, среди которых преобладают звёзды, называются снежинками. С. к. возникают вследствие сублимации водяного пара (См. Сублимация водяного пара) на замёрзших каплях облаков и туманов или на кристаллических пылинках. Мелкие облачные кристаллы имеют простую форму пластинок или столбиков. Усложнение форм обычно начинается при достижении кристаллами размеров 0,1—0,2 мм. При сильных ветрах С. к. дробятся до 0,1 мм и менее. При падении С. к. через облако, содержащее переохлажденные капли воды, образуется Снежная крупа,
Типичные формы снежных кристаллов: 1 — пластинка; 2 — столбик; 3 — иглы; 4 — звезда с 6 пластинчатыми лучами; 5 — звезда с 6 игольчатыми лучами; 6 — звезда с 12 лучами; 7 — пластинка сложного строения; 8 — комплекс столбиков («ёж»).

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978

Толковый словарь Ушакова

Снежинка, снежинки, жен. — Один кристаллик снега в виде звездочки. В воздухе крутятся снежинки.

Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935-1940

Виды снежинок

В действительности разновидностей снежинок множество, до сих пор еще никто не смог найти и зафиксировать двух снежинок одинаковой формы. Исследователь снежинок Кеннет Либрехт считает, что их классификация относится, во многом, к области личных предпочтений.

Для примера, приведем классификацию снежинок, сделанную Международной комиссией по снегу и льду в 1951 году. Комиссия выделила 7 основных и 3 дополнительных типа твердых осадков.

Основные виды снежинок:

1. Пластинки (пластинчатые). Снежинки этого вида похожи на расплющенных снежинок типа «Звездочки».
2. Звездчатые кристаллы (Звезды). Представляют собой симметричные лучи, объединённые в центре. От лучей, в свою очередь, разветвляются небольшие лучики по аналогии с ветвями деревьев. Размеры: диаметр от 5 мм и больше, толщина приблизительно 0,1 мм .
3. Столбцы или колонны. Полые колонки. Главные «персонажи» для большинства снегопадов. Похожи на карандаши, концы конические и полые.
4. Иглы. Игольчатые. Снежинки похожие на обоюдоострые иголки.
5. Пространственные дендриты.
6. Увенчанные столбики, Столбцы с наконечниками.
7. Неправильной формы.

И для понимания общей картины, дополнительные типы (обледенелые осадки):

1. Мелкая снежная крупа;
2. Ледяная крупа;
3. Град.

Как образуются снежинки

Снежинки рождаются высоко в небе, в облаках, а затем, повинуясь силе тяжести, плавно падают вниз, с относительно небольшой скоростью — приблизительно 0,9 км/ч. Обусловлено это тем, что снежинки имеют низкую плотность, поскольку на 95% состоят из воздуха.

Для образования снежинок требуются определенные природные условия – определенная температура, при определённом атмосферном давлении и влажности воздуха, а так же мельчайшие частицы пыли, которые станут основой для кристалла снежинки.

Более подробно с процесс образования снежинок / снега описан в нашей статье Снег кружится.

«Большая советская энциклопедия» так описывает процесс образования снега …

Большая советская энциклопедия

Сублимация водяного пара в атмосфере, процесс непосредственного перехода водяного пара, содержащегося в воздухе, в твёрдую фазу воды (лёд, снег). Может иметь место при отрицательной температуре воздуха, когда упругость водяного пара превышает упругость насыщения по отношению к поверхности льда (см. Конденсация водяного пара). С. в. п. происходит как в свободной атмосфере, так и на земной поверхности и на земных предметах. В атмосфере водяной пар сублимируется на замёрзших капельках, снежинках и некоторых твёрдых частицах. При температурах ниже -40 °С С. в. п., по-видимому, возможна на любых частицах, а также и на комплексах молекул воды. Продуктом С. в. п. в атмосфере являются ледяные кристаллы, вырастающие затем в снежинки (см. Снежные кристаллы). На земной поверхности и на земных предметах образуются изморозь и иней. С. в. п. играет важную роль в процессе образования облаков (См. Облака) и осадков атмосферных (См. Осадки атмосферные).
Лит.: Хргиан А. Х., физика атмосферы, Л., 1969; Шишкин Н. С.. Облака, осадки и грозовое электричество, 2 изд., Л.,1964; Мейсон Б. Дж., Физика облаков, пер. с англ., Л., 1961.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. 1969—1978

Источник

Снежная экзотика

Странности кристаллизации воды в полете сквозь атмосферу

Вырезать или нарисовать снежинку может кто угодно. Главное правило: это должна быть шестилучевая звезда, а во всем остальном можно импровизировать. Однако ученые до сих пор точно не понимают, почему снежные кристаллы в большинстве случаев приобретают именно эту форму, а не, например, форму шестигранных призм, как диктует молекулярная структура льда. Рассказываем, что физика знает о снежинках, и показываем, каких монстров, совсем не похожих на привычные «звезды», могут порождать необычные атмосферные условия.

У водяного льда известно 17 различных кристаллических модификаций, но в естественных условиях встречается преимущественно только одна — лед I_h. Буква h здесь обозначает hexagonal, то есть гексагональный или шестиугольный. В этой форме молекулы воды выстраиваются в виде шестиугольных сот, образующих параллельные слои — в кристаллографии такое расположение называется гексагональной сингонией. Структура такого льда напоминает графит — в нем ту же структуру образуют атомы углерода.

Кристаллическая структура льда I_h

Двенадцатилучевые снежинки. Снежинки имеют шесть лучей, однако бывает, что две снежинки в полете смерзаются, и тогда на землю падает кристаллик, имеющий 12 лучей.

И такие «правильные» снежинки действительно встречаются, хотя и не так часто как обычные. Они имеют форму либо тонкой шестиугольной пластины, либо шестигранного «карандаша».

Столбики. Кристаллики снега в виде цилиндрических столбиков образуются преимущественно в очень узком интервале температур около -6 градусов Цельсия. Длинные столбики называют кристаллическими иглами. Иногда на концах столбика образуются конические выемки, такие кристаллы называют «полыми столбиками».

Зародыш снежинки: почти правильная шестигранная призма, которая не успела отрастить лучи.

Electron and Confocal Microscopy Laboratory, Agricultural Research Service, U. S. Department of Agriculture

Самая проработанная гипотеза, объясняющая эту асимметрию, принадлежит профессору Калифорнийского технологического университета Кеннету Либбрехту (Kenneth Libbrecht), который в течение многих лет в качестве хобби фотографировал снежинки, а затем даже организовал небольшую лабораторию, где проводил эксперименты по их контролируемому росту.

Снежинки такой необычной формы на самом деле являются сложной комбинацией «столбиков» и «пластинок». Чтобы образовался подобный кристаллик, он должен несколько раз пролететь через области с сильно различающейся температурой.

В 2019 году Либбрехт сформулировал гипотезу молекулярной диффузии, которая заключается в том, что молекулы воды изначально в основном «цепляются» за выступающие углы снежинки, и только затем перемещаются — вернее диффундируют — вдоль ее поверхности. В каком направлении будет происходить диффузия, определяется внешними условиями, в основном, температурой.

Сложное поведение молекул воды в такой системе связано с явлением, которое Либбрехт назвал «предтаянием». Дело в том, что образование снежинок идет в основном при температуре, не сильно отличающейся от температуры плавления льда, и поэтому внешний слой молекул на поверхности снежинок на самом деле находится в некоем промежуточном состоянии между кристаллическим и жидким, и не является в полной мере упорядоченным. Явление предтаяния протекает по-разному на разных гранях кристалла, поскольку эти грани имеют разную структуру. Однако — и это главный недостаток гипотезы — как предтаяние связано с этой структурой, неизвестно. Провести соответствующие численные расчеты Либбрехту пока не удалось в силу их высокой ресурсозатратности.

Треугольные снежинки. Иногда шестиугольная форма снежинки вырождается в усеченный треугольник. Досконально механизм образования таких кристаллов неизвестен, но, по всей видимости, ключевую роль играют аэродинамические эффекты. Как бы то ни было треугольные снежинки, как правило, чрезвычайно малы.

Источник