VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование особенностей северной снежинки
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Светло-пушистая,
Снежинка белая,
Какая чистая,
Какая смелая!
(К. Бальмонт)
Мы живем на Севере и знаем, что такое зима, очень хорошо. У нас есть, как минимум один повод гордиться этим: в отличие от людей проживающих в жарких стран мы можем наблюдать за снежинками в естественных условиях. Я очень люблю зиму. Для меня это самое волшебное время года. Вся природа в сказочном убранстве: деревья, покрытые белым кружевом, переливаются на солнце всеми цветами радуги, в мохнатых шапках крыши домов, окна в невероятно красивых узорах и только зимой бывает снег – это неповторимое явление природы. Я часто созерцаю снежинки, и всякий раз не смея оторвать глаз от этой красоты, задаю себе различные вопросы. Что такое снежинки? Какие они бывают? Как образуются? Почему снег хрустит под ногами? При изучении темы «Вода и ее свойства» на уроке окружающего мира мы узнали, что в природе нет снежинок-близняшек, все они разные, но в то же время все имеют шестигранную форму. Но как такое возможно? В интернете я нашла информацию, что в одном кубическом метре снега находится около 350 миллионов снежинок, возможно ли, что среди такого множества не найдется двух ничем не отличающихся друг от друга? И почему не бывает четырехугольных или девятиугольных снежинок? На все эти вопросы мне требовалось получить ответ, и я решила провести своё исследование.
Цель исследовательской работы – изучение особенностей северной снежинки.
Задачи исследования:
1. Изучить в научно-популярных статьях, энциклопедиях и интернет-источниках теоретические сведения о снежинках как природном явлении.
2. Выявить практическим путем особенности формы северных снежинок, возможность вырастить снежинку в домашних условиях.
Объект исследования – снежинки (снег).
Предмет исследования: особенности снежинки – геометрическая форма, схожесть с другими снежинками.
Гипотеза: если снежинок очень много, значит, в природе должно быть большое количество одинаковых снежинок.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы: анализ источников информации; наблюдение в природе за снежинками; изучение их под лупой; проведение эксперимента, анализ полученных данных.
Глава 1. Теоретическое исследование разнообразия северной снежинки.
Снежный кристалл как объект изучения ученых.
Снежинка – это снежный или ледяной кристалл. Мы знаем, что все вещества состоят их мельчайших частиц – атомов. Кристаллические тела (кристаллы) — это твердые тела, в которых атомы расположены в определенном порядке. Название этого порядка - кристаллическая решетка. Это геометрический образ, который помогает передать расположение атомов в кристаллах [1].
Из энциклопедии я узнала, что атомы соединяются в молекулы [5]. Молекула – наименьшая частица вещества, имеющая все его свойства. Молекула воды (льда, пара) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. (см. Приложение I, рис.1). В кристаллической решётке льда его молекулы располагаются в виде шестиугольника, в углах которого находятся атомы кислорода (красные сферы), а между ними можно заметить атомы водорода (белые сферы) [2].
Именно такая организация кристалла льда образует шестиугольную снежинку и никогда, и нигде в природе вам не повстречать её четырех- или девяти лучевую. (см. Приложение I, рис.2).
Снежинки, уникальные в своем роде и исключительные в природе, испокон веков интересовали людей, и некоторые из них отдали изучению посланников зимы всю свою жизнь.
Одним из первых мыслителей, размышлявший о строении снега, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630). (см. Приложение I, рис.3). В 1611 году он обнародовал небольшой трактат «Новогодний подарок, или о шестиугольных снежинках», который, как оказалось, стал первой научной работой, дающей представление о снежинках.
«Поскольку всякий раз, когда начинает идти снег, первые снежинки имеют форму шестиугольной звезды, то на то должна быть определенная причина. Ибо если это случайность, то почему не бывает пятиугольных или семиугольных снежинок, почему всегда падают шестиугольные, если только они от соударений не утрачивают форму, не слипаются во множестве, а падают редко и порознь?» [13, с. 36].
Рене Декарт (1596–1650), французский философ и математик, стал первым, кто развернуто представил строение снежинок. (см. Приложение I, рис.4). Интересно, что в заметках Декарта отмечены особенные формы ледяных кристаллов, к примеру, увенчанные столбики.
«Это были маленькие пластинки льда, плоские, очень гладкие и прозрачные, толщиной примерно с лист плотной бумаги... идеально сложенные в шестиугольники, стороны которых были столь прямыми, а углы столь равными... человеку невозможно создать что-либо подобное.» [4, с. 54].
Изобретение микроскопа предоставило возможность английскому физику Роберту Гуку (1635–1703) обнародовать в 1665 году публикацию под названием «Микрография», в которой деятель науки представил все, что мог обнаружить с помощью «передового» инструмента. В его труд вошло большое число зарисовок снежинок, указывающих на всю сложность и многогранность снежных кристаллов. (см. Приложение I, рис.5).
«Изучая снежинки с помощью микроскопа, я обнаружил... чем сильнее увеличение, тем более несимметричными они кажутся. Но эту несимметричность можно приписать таянию или повреждению во время падения, но никак не дефекту Природы» [4, с.81].
Одним из первых, вошедших в историю, фотографов снежинок стал Андрей Андреевич Сигсон (1840–1907), российский художник из Рыбинска. Всего ему удалось сфотографировать около 200 разнообразных форм ледяных кристаллов. Для этого фотограф освоил особую технологию: снежинки он ловил на сетку из шелковинок, затем с помощью микроскопа увеличивались в 15–24 раза. Чтобы нежные кристаллы не превратились в воду во время работы, Сигсон фотографировал холодными руками и дышал с помощью специальной трубочки. (см. Приложение I, рис.6).
Американским же первопроходцем фотографии снежинок стал Уилсон Бентли (1865–1931). На протяжении своего творчества он сделал около 5000 снимков снежинок. 2500 из них были напечатаны в 1931 году в книге «Снежные кристаллы». (см. Приложение I, рис.7).
Укихиро Накайя (1900–1962), профессор Университета в Хоккайдо – первый ученый, который упорядочил информацию о ледяных кристаллах. Накайя не только фотографировал снежинки, но и умудрялся получать их в лабораторных условиях. Он первым обнаружил связь их формы от температуры и влажности окружающей среды. Результатом исследований стал его труд «Снежные кристаллы: природные и искусственные», выпущенный в 1954 году. В городе Кага, который находится на западном берегу острова Хонсю, действует основанный Укихиро Накайя Музей снега и льда, носящий теперь его имя, условно построен в виде трех шестиугольников. В музее содержатся первые снимки и оборудование для добывания снежинок. (см. Приложение I, рис.8).
Тайна рождения и жизни снежинки.
Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при низких температурах образуются кристаллические частицы льда. Центром кристаллизации становятся пылинки, твердые частицы, но в любом случае эти льдинки, которые еще размером меньше одной десятой доли миллиметра, уже имеют свою кристаллическую решетку. Как я уже узнала, кристаллы льда имеют форму шестигранника. Поэтому львиная доля снежинок имеют форму шестиконечной звезды [3]. (см. Приложение I, рис.9).
В последующем этот кристаллик начинает увеличиваться. У него могут начать нарастать лучи, или у этих лучей начинают развиваться отростки, или - обратно, снежинка начинает разрастаться в толщину.
Как именно в настоящую минуту будет расти снежинка, зависит от одномоментных условий вокруг снежинки: влажность, температура, давление и, наконец, форма, которую уже приобрела снежинка. И совсем мельчайшие перемены этих параметров могут преобразовать рост снежинки [11].
Среда постоянно меняется. И получается, что снежинка то увеличивается в ширину, то у нее вырастают лучи. В сухую холодную погоду снежинки вообще растут в высоту, а не в ширину, и получаются шестиугольные столбики, а не общепринятые нами разлапистые звезды. (см. Приложение I, рис.9). Характер роста снежинки всегда определяется тем, что кристаллы льда шестиугольные. Два кристаллика не смогут соединиться углом, они всегда примыкают друг к другу гранью. От этого лучи всегда разрастаются в шесть сторон, а от луча может отходить лучик только под углом 60 или 120 градусов.
Так как каждая посланница небес проходит свой жизненный путь и внешние условия у них у всех хотя бы немного, но различны, то все снежинки единичны. Не бывает одинаковых снежинок – каждая из них проходит через разные условия влажности, давления и температуры.
Разновидности снежинки.
Существует огромное многообразие снежинок. В 1951 году Международная Комиссия по Снегу и Льду приняла классификацию твёрдых осадков. Исходя из нее все снежные кристаллы можно разбить на соответствующие виды: звёздчатые дендриты, пластинки, столбцы, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним относят еще три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
Иглы - тонкие и длинные снежные кристаллы, они формируются при температуре примерно -5 градусов. При обзоре они похожи на небольшие светлые волоски. (см. Приложение I, рис.11).
Призмы бывают, как шестиугольные пластинки, так и тонкие столбики с шестиугольным сечением. У призм маленькие размеры, их почти не видно безоружным глазом. Грани призмы, очень часто декорируются различными сложными узорами. (см. Приложение I, рис.10).
Дендриты или древоподобные, имеют ярко выраженные кустистые тонкие лучи. Чаще это крупные кристаллы, их можно заметить невооруженным глазом. Максимальный размер дендрита может быть 30 см в диаметре. (см. Приложение I, рис.12).
Пространственные дендриты — бывает так, что из микроскопической капли начинает появляться несколько снежных кристаллов в всевозможных направлениях. И после они могут приобрести сложную форму. Такие сращенные кристаллы могут распадаться на несколько простых снежинок. (см. Приложение I, рис.15).
Полые столбики — внутри столбиков с шестиугольным сечением, иногда получаются полости. Заметим, что форма полостей симметрична относительно центра кристалла. Необходимо огромное увеличение, чтобы рассмотреть полости в маленьких снежинках. (см. Приложение I, рис.14).
Двойные пластинки — у данного типа, столбики с наконечниками имеют короткую вертикальную часть. Пластинки растут очень быстро, от водяных паров одна из низ заслоняет вторую и в результате вырастает больше по размеру. (см. Приложение I, рис.13).
Звездоподобные снежинки — такие снежинки широко встречаются. Это тонкие пластинчатые кристаллы, в виде звезд с шестью лучами. Сплошь и рядом они увенчаны симметричными различными узорами. Такие снежинки появляются при -2 °С или при -15 °С. (см. Приложение I, рис.16).
Круповидная снежинка - садящиеся снежинки сходятся с сильным потоком воздуха, мелкие капельки воды из которого со всех сторон надмерзают на них, при этом снежинки из плоских превращаются в белые или матовые шарики, диаметром от 1 до 5 мм. (см. Приложение I, рис.17).
Но существует множество других, более сложных разделений снежных кристаллов. Одна из них насчитывает 35 типов снежинок, другая - 41, а самая сложная классификация - 80 различных видов снежных кристаллов. Кеннет Либбрехт - автор самой большой и многообразнейшей коллекции снежинок — говорит: «Все снежинки разные, и их размещение по группам (классификация) — это во многом вопрос личных предпочтений» [6].
Классификация снежинок Укихиро Накайя, которая насчитывает 41 тип [13] (см. Приложение I, рис.18), одна из самых популярных среди ученых во всем мире.
Важно отметить, что от маршрута, по которому снежинка странствует с неба на землю, прямо зависит её облик. В районах с разной влажностью, температурой и давлением грани и лучи растут специфически данной местности [9].
Кристаллики-призмы образуются в высоких перистых облаках при температурах ниже - 35ºС, далее они падают вниз сквозь более теплые облака. Если температура в облаке в пределах: от - 3 до 0 ºС, то образуются плоские шестиугольники, от - 5 до - 3 ºС формируются игольчатые кристаллы, от - 8 до - 5 ºС образуются столбики - призмы, от - 12 до - 8 ºС вновь появляются плоские шестиугольники, от - 16 до - 12 ºС возникают первые звездчатые снежинки, от - 22 до - 16 ºС вновь появляются столбики – призмы.
При дальнейшем снижении температуры образуются снежинки всех типов.
Еще один вопрос, который мне стал интересен: почему накануне выпавшему снегу в студеный день всегда сопровождает звонкий хруст под ногами? Оказывается, что это звук распадающихся кристаллов [8]. Люди не могут расслышать, как распадается одна снежинка, но множество тысяч крошечных кристалликов - внушительный оркестр. Чем холоднее становится на улице, тем твёрже и более уязвимыми оказываются снежинки и тем выше нота звона под ногами. На Крайнем Севере снег бывает настолько твердым, что топор при ударе по нему звенит, словно ударили по железу.
Глава 2. Практическое изучение особенностей северной снежинки.
2.1. Описание условий, методов и этапов исследования.
Методы практического исследования: наблюдение, эксперимент.
Условия для проведения наблюдения: наблюдения могут проводиться только в пасмурный, снежный день при температуре ниже 3 ºС.
Исследование проходило в три этапа:
На первом этапе проведения исследования в процессе изучения теоретического материала рассматриваемой проблемы были проанализированы и обобщены доступные исследования, представленные в специальной научной и научно-популярной литературе авторов Иогана Кеплера, Рене Декарта, Роберта Гука, Укихиро Накайа и др.
На втором этапе исследования была осуществлена подготовка к проведению наблюдения и эксперимента:
1). Составлен план исследования:
- обдуман процесс проведения наблюдения за формой, схожестью снежинок,
- спланирован эксперимент по выращиванию снежинки.
2). Определен день для проведения исследования на улице с подходящими погодными условиями. Мною была проанализирована погода на сайте «Gismeteo» и выбран оптимальный день для проведения наблюдений -16 января 2018 года.
3). Подготовлено оборудование: лупа, электронный микроскоп, холодные предметные стекла, цифровой фотоаппарат, черная бархатная бумага, компьютер для просмотра фотоснимков в увеличенном формате, чайник с кипящей водой, морозильная камера.
На третьем этапе проведены собственно наблюдения и эксперимент.
2.2. Результаты исследования особенностей снежинок: их формы, размера, схожести.
Как же выглядят снежинки? Я вооружилась лупой и электронным микроскопом. В снежную, морозную погоду 16 января направилась рассматривать снежинки. Местом проведения наблюдения был выбран школьный двор МОУ «СОШ №2 г. Надыма». После установки микроскопа я собирала падающие снежинки на холодные предметные стекла и изучала их под увеличением. Мною было рассмотрено более 200 снежинок. Они были все совершенно разные и все шестиконечные. Сколько я ни старалась отыскать снежинок-близнецов, или снежинок с другим числом лучиков у меня ничего не получилось. Подтверждение своих наблюдений я нашла в энциклопедии [2].
Чтобы разобраться, какие формы образуют снежинки, я решила их сфотографировать. Для исследования формы снежинки мне понадобились цифровой фотоаппарат. На улице, оказывается, снежинку сложно сфотографировать. Много причин, препятствует этому: ветер, солнце, дыхание и т.д. Несмотря на это, у меня получилось сделать несколько удачных кадров. После вывода изображения на экран и увеличения снимков в несколько раз было чётко видно, что у снежинок 6 лучиков. (см. Приложение II, рис.1-3).
2.3. Результаты эксперимента по выращиванию снежинки в домашних условиях.
Зная, что снежинки появляются из мельчайших частиц пара и образуются при разной температуре и влажности воздуха, я попыталась создать подходящие условия для выращивания снежинки. Для опыта мне понадобилось чистое стекло. Закрыв стеклом небольшую емкость с водой, я поместила ее в морозильную камеру. Емкость с водой периодически приходилось заменять на новую, т. к. вода замерзала. За сутки на стекле вырос только совсем тонкий слой морозного узора. Снежинка не получилась. Таким образом, я могу подытожить: для получения снежинки в домашних условиях, недостаточно влажного воздуха и низкой температуры морозильника.
Но можно «вырастить» свои снежинки, вырезав их из бумаги. Или испечь из теста. А ещё можно водить целые снежные хороводы вокруг елки, либо свою мечту воплотить в жизнь, используя подручные материалы. Ведь это под силу каждому!
Заключение
На основании проведенных исследований и изученной литературы я сделала следующие выводы:
Снег – твердые атмосферные осадки, выпадающие из облаков в виде снежинок – снежных кристаллов, очень разнообразных по форме, но имеющих в основе шестиугольную пластину или шестигранный столбик. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и содержанием водяного пара [6].
Двух одинаковых снежинок не бывает, так как каждая снежинка растет своим путем, подчиняясь законам физики. При штиле и температуре воздуха около 0 градусов снежинки могут соединяться в крупные хлопья диаметром до нескольких сантиметров. Гипотеза исследования не подтвердилась.
Получить снежную прелестницу можно только в особых лабораториях, при определенном давлении, температуре и влажности. Но снежинки можно рассмотреть через увеличительное стекло, микроскоп, зарисовать их, сфотографировать и увериться, что все они гарантированно разные и все шестиугольные.
Список использованных источников информации
«Детская энциклопедия»//Познавательный журнал. –2005. – №12.
Ликум А. Все обо всем. Том 1// Популярная энциклопедия для детей. –М.: АСТ, 1977 С. 24-26.
Бирюкова А.Ю. Большая энциклопедия школьника. «Планета Земля». – Издательство «Росмэн-Пресс», 2001 г. – 660 с.
Голубев П. «День снега» //Общероссийская газета «Честное слово» – 2017 г. - №1 (1035).
Корабельников В.А. Краски природы //Книга для учащихся нач. классов – М: Просвещение, 1989 г. – 160 с.
Славкин В. Всё обо всём // Популярная энциклопедия для детей. – Издательство «Ключ-С, Филологическое общество «Слово», 1994 г. – 488 с.
http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/
http://www.13min.ru/nauka/kak-rozhdaetsya-snezhinka/
http://www.o8ode.ru/article/krie/klaccifikacia_cneginok.htm
http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html
http://www.voprosy-kak-i-pochemu.ru/kak-obrazuyutsya-snezhinki
https://ru.wikipedia.org/wiki/Снежинка
https://www.gismeteo.ru/news/sobytiya/12767-kakimi-byvayut-snezhinki-7-raznyh-vidov/
Приложение I
Рис.1. Молекула воды (льда, пара) Рис.2. Строение кристалла льда
|
Рис.3. Иоганн Кеплер (1571–1630) |
Рис.4. Рене Декарт (1596–1650) |
|
Рис.5. Роберт Гук (1635–1703) и его работа «Микрография» |
|
|
Рис.6. Андрей Андреевич Сигсон (1840–1907) и его фотографии снежинок |
|
|
Рис.7. Уилсон Бентли (1865–1931) и его фотографии снежинок |
|
|
Рис.8. Укихиро Накайя (1900–1962), Музей снега и льда в городе Кага |
|
Рис.9. Формы снежинки (шестиконечная звезда)
Рис.10. Классификация снежинок по типу призм
Рис.11. Классификация снежинок по типу игл
Рис.12. Классификация снежинок по типу дендритов
Рис.13. Классификация снежинок по типу двойных пластинок
Рис.14. Классификация снежинок по типу полых столбиков
Рис.15. Классификация снежинок по типу пространственных дендритов
Рис.16. Классификация снежинок по типу звездоподобных
Рис.17. Классификация снежинок по типу круповидных
Рис.18. Классификация снежинок Укихиро Накайя
Приложение II
Рис.1-3. Результаты практического исследования по изучению формы снежинок