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.
По данным Книги рекордов Гиннесса, Нэнси Найт из Национального центра атмосферных исследований, по счастливой случайности обнаружила две идентичных снежинки, изучая кристаллы снега во время снежной бури в Висконсине, взяв с собой микроскоп. Но когда представители сертифицируют две снежинки как идентичные, они могут подразумевать лишь то, что снежинки идентичны для точности микроскопа; когда физика требует, чтобы две вещи были идентичны, они должны быть идентичны с точностью до субатомной частицы. А значит:
- 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.
Одна молекула воды — это один атом кислорода и два атома водорода, связанные между собой. Когда замороженные молекулы воды связываются между собой, каждая молекула получает поблизости четыре других привязанных молекулы: по одной на каждой из тетраэдрических вершин над каждой отдельной молекуле. Это приводит к тому, что молекулы воды складываются в форму решетки: шестиугольную (или гексагональную) кристаллическую решетку. Но большие «кубики» льда, как в отложения кварца, чрезвычайно редкие. Когда вы заглядываете в мельчайшие масштабы и конфигурации, вы находите, что верхние и нижние плоскости этой решетки упакованы и связаны очень плотно: вы имеете «плоские грани» на двух сторонах. Молекулы на оставшихся сторонах более открыты, и дополнительные молекулы воды связываются с ними более произвольно. В частности, шестигранные углы имеют самые слабые связи, поэтому мы наблюдаем шестикратную симметрию в росте кристаллов.
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 1019 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 1015 (квадриллион) кубометров снега на землю, и в каждом кубометре содержится порядка нескольких миллиардов (109) отдельных снежинок. Поскольку Земля существует около 4,5 миллиардов лет, за всю историю на планету упало 1034 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 1034 кристаллов снега, достаточно будет опуститься до размеров нескольких тысяч молекул (меньше длины видимого света), чтобы найти уникальную структуру, которую планета никогда не видела прежде.
Но если проигнорировать атомные и молекулярные различия и отказаться от «природного», у вас будет шанс. Исследователь снежинок Кеннет Либбрехт из Калифорнийского технологического института разработал методику для создания искусственных «идентичных близнецов» снежинок и фотографирует их с помощью специального микроскопа под названием SnowMaster 9000.
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 10100000000000000000000000. Учитывая, что в наблюдаемой Вселенной всего 1080 атомов, это крайне маловероятно. Так что да, снежинки действительно уникальны. И это мягко говоря.
МОБУ "Руэмская средняя общеобразовательная школа"
"Могут ли быть снежинки одинаковыми"
(проект)
Выполнила: Пугачева Алина,
ученица 2 б класса
Руководитель: Захарова А.М.,
учитель начальных классов
п.Руэм, 2013г.
Я люблю наблюдать за падающими снежинками. Меня заинтересовало, а все ли снежинки одинаковы? Я решила спросить у ребят своего класса, что они думаю по этому поводу.
Ф.И.ученика | Да | Нет |
|
Азманова Д. | |||
Апакова В. | |||
Богданов А. | |||
Енцов А. | |||
Иванов А. | |||
Кудрявцева П. | |||
Логачева Т. | |||
Мамаев Е. | |||
Мансуров К. | |||
Михеева А. | |||
Саутов Д. | |||
Сафиуллина О. | |||
Смоленцева Н. | |||
Сорокин Д. | |||
Степаненко М. | |||
Токтаева Д. | |||
Туманова В. | |||
Итог: |
Чтобы ответить на данный вопрос, мне придется просмотреть дополнительную научно-познавательную литературу, поискать дополнительный материал в Интернете.
Многим, наверное, известно, что встретить в природе пару идентичных снежинок невозможно, но они могут быть очень похожи друг на друга. Этот феномен является той многовековой тайной, раскрыть которую помог в наши дни процесс компьютерного моделирования.
Впервые попытался приблизиться к разгадке немецкий астроном и математик Иоганн Кеплер, написавший в одном из своих трактатов, что все снежинки имеют шесть граней и одну ось симметрии. Великий ученый связывал такое строение с характером расположения частиц. его предположения были положены в основу науки кристаллографии.
Другой философ и математик, француз Рене Декарт в 1635 году занялся изучением и описанием снежинок, наблюдая их невооруженным глазом. Ученый описывал их строение как похожие на розы, лилии и механические шестеренки с шестью зубьями. Так же Декарт был первым, кто увидел и описал снежинку с 12 лучиками. До сих пор считается, что двенадцати конечная снежинка является большой редкостью, доподлинно не известно, при каких условиях происходит ее образование.
В 1665 году английский естествоиспытатель Роберт Гук занимался изучением снежинок уже под микроскопом. он оставил науке большое количество зарисовок. А первые фотографические снимки были сделаны американским фермером Уилсом Бентли. Этот человек с детства увлекался строением снежинок, и когда у него появилась возможность, посвятил себя их фотографированию. Чтобы получить первые снимки, он потратил два года. Сконструированный Бентли фотоаппарат представляет собой гибрид фотокамеры и микроскопа. Интересно, что поначалу эти снимки не считали подлинными, однако несколькими годами позже они были признаны и успешно используются в качестве иллюстраций к различным научным статьям. В 1931году Бентли издал книгу "Снежные кристаллы", которая содержала более 2500 фотографий.
Но скрупулезнее всех к изучению вопроса подошли японцы. Профессор университета в Хоккайдо Укихиро Накайя занялся в 1932 году выращиванием искусственных снежинок, что позволило ему создать первую классификацию снежных кристаллов. а так же определить зависимость формы и размера этих образований от температуры и влажности окружающего воздуха. Им была создана классификация, содержащая 41 индивидуальный тип. В городе Кага, что расположен на западе острова Хонсю находится "Музей снега и льда",носящий имя ученого. там хранится машина для производства искусственных снежинок. Многими годами позже, в 1996, метеорологами Магано и Сю Ли были описаны уже 80 типов.
Таким образом, изучив научно - познавательную литературу по данному вопросу, поиск в Интернете, понаблюдав за падающими снежинками, я пришла к выводу, что одинаковых снежинок не бывает, каждая снежинка прекрасна по своему.
Снежинки
Зима снегами вьюжится
С утра и до темна.
Снежинки вьются, кружатся
У нашего окна.
Как будто звезды искрами
рассыпались кругом.
Несутся серебристые,
Заглядывают в дом.
То в комнату попросятся,
То снова убегут,
За стеклами проносятся,
На улицу зовут.
С.Баруздин
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
Сайт для школьников и их родителей Затеево.ру выяснил, что одинаковых снежинок не бывает!
С Н Е Ж И Н К И
НА
ФОТОГРАФИЯХ ЯРОСЛАВА ГНАТЮКА!
Нет ничего невесомее крохотных снежинок. Упадет на руку, не почувствуешь!
Весят около миллиграмма, редко - 2...3 миллиграмма.
Люди редко разглядывают снежинки, а ведь двух совсем одинаковых снежинок не найти. В лучших коллекциях микрофотографий насчитывается более 5 тысяч снимков снежинок, отличных друг от друга.
ЗАТЕЕВО представляет коллекцию снежинок украинского фотографа Ярослава Юрьевича Гнатюка. Ярослав Гнатюк живёт и работает в Днепропетровске, его работа связана с банковскими платёжными системами, а микрофотография - хобби. Но его фотографии настолько профессиональны, что в этом году он стал победителем фотоконкурса Яндекса.
Почему все снежинки такие разные?
Сначала все зародыши снежинок похожи на крошечные шестиугольные призмы. Потом из шести углов призмы начинают расти совершенно одинаковые ледяные иголочки — боковые отростки. Одинаковые иголочки потому, что температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки — веточки. Снежинка начинает интенсивно увеличиваться в размерах. При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Так, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и содержанием водяного пара. Ее форма меняется. Так снежинки становятся разными. Хотя в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Путь до земли у каждой снежинки свой. А значит, у каждой и своя окончательная форма. Снежинки падают со скоростью примерно 15 метров в минуту. Они почти не связаны между собой, и даже небольшой ветер 2 метра в секунду приводит их в движение. В воздухе форма снежинок непрерывно меняется. На образование и рост снежинок влияет множество факторов.
Образующий снежинку лед прозрачен. Но когда снежинок много, то солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях снежинок, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы — мы называем ее снегом. Сталкиваясь на своем пути с переохлажденными мелкими капельками воды, снежинка упрощается по форме. Столкнувшись с крупной каплей, может превратиться в градинку. В разных местах выпадает «свой» снег, в зависимости от погодных условий.
Известно, что весной 1944 года в Москве выпали снежные хлопья размером до 10 сантиметров. В Сибири наблюдались снежные хлопья до 30 сантиметров. Необходимое условие для этого - полнейшее безветрие. Снежинки долго кружатся в воздухе, поднимаясь и опускаясь, долго путешествуют, сталкиваются и сцепляются друг с другом. Малейший ветерок разрывает такие хлопья на отдельные части. При низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков.
Все материалы детского сайта Затеево.ру собраны здесь: . Сайт для детей Затеево.ру - единственный познавательный ресурс такого рода среди тех, которые можно найти в каталогах детских сайтов. Затеево.ру меняет привычный взгляд на школьный интернет!
Ученые выделяют два варианта образования снежных кристаллов. В первом случае водяной пар, занесенный ветром на очень большую высоту, где температура составляет около 40° С, может внезапно замерзнуть, образовав кристаллы льда. В нижнем слое облаков, где вода замерзает медленнее, кристалл создается вокруг маленькой пылинки или частицы грунта. Этот кристалл, которых в одной снежинке насчитывается от 2 до 200, имеет форму шестигранника, поэтому большинство снежинок представляют собой шестиконечную звезду.
«Страна Снегов» - такое поэтическое название придумали для Тибета его жители.
Форма снежинки зависит от многих факторов: температуры вокруг, влажности, давления. Тем не менее, выделяют 7 основных видов кристаллов: пластинки (если температура в облаке – от -3 до 0°С), звёздчатые кристаллы, столбцы (от -8 до -5°С), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. Примечательно, что если при падении снежинка вращается, то форма её будет идеально симметричной, а если будет падать боком или как-то иначе – то нет.
Кристаллы льда шестиугольные: они не могут соединиться углом — только гранью. Поэтому лучи от снежинки всегда растут в шесть сторон, а разветвление от луча может отходить только под уголом 60 или 120°.
С 2012 года в предпоследнее воскресенье января отмечается «Всемирный день снега». Инициаторами этого выступила Международная федерация лыжного спорта.
Снежинки кажутся белыми из-за заключенного в них воздуха: свет разных частот отображается на гранях между кристаллами и рассеивается. Размер обычной снежинки составляет около 5 мм в диаметре, а масса – 0, 004г.
При озвучивании фильма «Александр Невский» скрип снега получали путем сжимания смешанного сахара и соли.
Считается, что двух одинаковых снежинок не бывает. Впервые это было доказано в 1885 году, когда американский фермер Уилсон Бентли сделал первый удачный снимок снежинки под микроскопом. Он посвятил этому 46 лет и сделал более 5000 фотографий, на основе которых и была подтверждена теория.
