Projet de recherche sur le thème "Existe-t-il des flocons de neige identiques". Deux flocons de neige peuvent-ils être exactement identiques ?

La pionnière de l'étude de la « théorie de la neige » fut la jeune agricultrice Wilson Alison Bentley, surnommée « Flocon de neige ». Depuis son enfance, il était attiré forme inhabituelle cristaux tombant du ciel. Dans sa ville natale de Jéricho, dans le nord des États-Unis, les chutes de neige étaient fréquentes et le jeune Wilson passait beaucoup de temps dehors à étudier les flocons de neige.

Whislon "Flocons de neige" Bentley

Bentley a adapté un appareil photo au microscope que sa mère lui a offert pour son 15e anniversaire et a tenté de capturer des flocons de neige. Mais il a fallu près de cinq ans pour améliorer la technologie - ce n'est que le 15 janvier 1885 que la première image claire a été obtenue.

Au cours de sa vie, Wilson a photographié 5 000 flocons de neige différents. Il n'a jamais cessé d'admirer la beauté de ces œuvres miniatures de la nature. Pour obtenir ses chefs-d'œuvre, Bentley a travaillé à des températures inférieures à zéro, plaçant chaque flocon de neige complet sur un fond noir.

Le travail de Wilson a été très apprécié tant par les scientifiques que par les artistes. Il était souvent invité à prendre la parole à conférences scientifiques ou exposer des photographies dans des galeries d'art. Malheureusement, Bentley est décédé à l'âge de 65 ans d'une pneumonie, sans jamais prouver que flocons de neige identiques c'est pas possible.

Le relais de la « théorie de la neige » a été repris cent ans plus tard par un chercheur du Centre National Recherche atmosphérique Nancy Chevalier. Dans un article publié en 1988, elle a prouvé l’affirmation inverse : des flocons de neige identiques peuvent et doivent exister !

Le Dr Knight a tenté de reproduire le processus de formation des flocons de neige en laboratoire. Pour ce faire, elle a fait pousser plusieurs cristaux d’eau, les soumettant aux mêmes processus de surfusion et de sursaturation. Grâce à ses expériences, elle a réussi à obtenir des flocons de neige absolument identiques les uns aux autres.

D'autres observations sur le terrain et le traitement des erreurs expérimentales ont permis à Nancy Knight d'affirmer que l'apparition de flocons de neige identiques est possible et n'est déterminée que par la théorie des probabilités. Après avoir dressé un catalogue comparatif de cristaux célestes, Knight a conclu que les flocons de neige présentent 100 signes de différence. Donc, total choix apparence c'est 100 ! ceux. presque 10 à la puissance 158.

Le nombre résultant est deux fois plus grand que le nombre d’atomes dans l’Univers ! Mais cela ne signifie pas que les coïncidences soient totalement impossibles, conclut le Dr Knight dans son travail.

Et maintenant - de nouvelles recherches sur la « théorie de la neige ». Récemment, Kenneth Libbrecht, professeur de physique à l'Université de Californie, a annoncé les résultats de nombreuses années de recherche sur son groupe scientifique. "Si vous voyez deux flocons de neige identiques, ils sont quand même différents !" - dit le professeur.

Libbrecht a prouvé que dans la composition des molécules de neige, pour environ cinq cents atomes d’oxygène d’une masse de 16 g/mol, il y a un atome d’une masse de 18 g/mol. La structure des liaisons d'une molécule avec un tel atome est telle qu'elle suggère un nombre incalculable de variantes de connexions à l'intérieur réseau cristallin. En d’autres termes, si deux flocons de neige se ressemblent réellement, leur identité doit encore être vérifiée au niveau microscopique.

Étudier les propriétés de la neige (et en particulier des flocons de neige) n'est pas un jeu d'enfant. La connaissance de la nature de la neige et des nuages de neige est très importante lorsqu’on étudie le changement climatique. Et certaines des propriétés inhabituelles et inexplorées de la glace peuvent trouver des applications pratiques.

Voyons comment cela peut être organisé.

Une molécule d’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène reliés entre eux. Lorsque les molécules d'eau gelées se lient, chaque molécule se retrouve avec quatre autres molécules attachées à proximité : une à chacun des sommets tétraédriques au-dessus de chaque molécule individuelle. Cela amène les molécules d’eau à se replier en forme de réseau : un réseau cristallin hexagonal (ou hexagonal). Mais les gros « cubes » de glace, comme ceux que l’on trouve dans les gisements de quartz, sont extrêmement rares. Lorsque vous examinez les plus petites échelles et configurations, vous constatez que les plans supérieur et inférieur de ce treillis sont emballés et connectés très étroitement : vous avez des « bords plats » sur deux côtés. Les molécules sur les côtés restants sont plus ouvertes et des molécules d’eau supplémentaires s’y lient de manière plus aléatoire. En particulier, les coins hexagonaux ont les liaisons les plus faibles, c'est pourquoi nous observons une symétrie sextuple dans la croissance cristalline.

et la croissance d'un flocon de neige, une configuration particulière d'un cristal de glace

Les nouvelles structures se développent alors selon les mêmes schémas symétriques, augmentant les asymétries hexagonales une fois qu’elles atteignent une certaine taille. Les gros cristaux de neige complexes présentent des centaines de caractéristiques facilement reconnaissables lorsqu’ils sont observés au microscope. Des centaines de caractéristiques figurent parmi les quelque 10 19 molécules d'eau qui composent un flocon de neige typique, selon Charles Knight du Centre national de recherche atmosphérique. Pour chacune de ces fonctions, il existe des millions d’endroits possibles où de nouvelles branches peuvent se former. Combien de nouvelles fonctionnalités de ce type un flocon de neige peut-il former sans devenir un simple parmi tant d’autres ?

Chaque année, environ 10 15 (quadrillions) de mètres cubes de neige tombent sur le sol dans le monde, et chaque mètre cube contient environ plusieurs milliards (10 9) de flocons de neige individuels. Depuis que la Terre existe depuis environ 4,5 milliards d'années, 10 34 flocons de neige sont tombés sur la planète au cours de l'histoire. Et savez-vous, d'un point de vue statistique, combien de caractéristiques de ramification distinctes, uniques et symétriques un flocon de neige pourrait-il avoir et s'attendre à avoir un jumeau à un certain moment de l'histoire de la Terre ? Juste cinq. Alors que les vrais gros flocons de neige naturels en contiennent généralement des centaines.

Même au niveau d'un millimètre dans un flocon de neige, vous pouvez voir des imperfections difficiles à reproduire

Et ce n’est qu’au niveau le plus banal que l’on peut voir par erreur deux flocons de neige identiques. Et si l’on est prêt à descendre au niveau moléculaire, la situation devient bien pire. Généralement, l’oxygène possède 8 protons et 8 neutrons, tandis qu’un atome d’hydrogène possède 1 proton et 0 neutron. Mais 1 atome d'oxygène sur 500 possède 10 neutrons, 1 atome d'hydrogène sur 5 000 possède 1 neutron, et non 0. Même si vous formez des cristaux de neige hexagonaux parfaits, et dans toute l'histoire de la planète Terre, 10 34 cristaux de neige ont été comptés, cela il suffira de faire chuter la taille de plusieurs milliers de molécules (inférieure à la longueur lumière visible) pour trouver une structure unique que la planète n'a jamais vue auparavant.

Mais si vous ignorez les différences atomiques et moléculaires et abandonnez le « naturel », vous avez une chance. Le chercheur sur les flocons de neige Kenneth Libbrecht du California Institute of Technology a développé une technique pour créer des « jumeaux identiques » artificiels de flocons de neige et les photographie à l'aide d'un microscope spécial appelé SnowMaster 9000.

En les faisant pousser côte à côte en laboratoire, il a montré qu’il était possible de créer deux flocons de neige impossibles à distinguer.

Deux flocons de neige presque identiques cultivés dans un laboratoire Caltech

Presque. Ils seront impossibles à distinguer pour une personne qui les regardera de ses propres yeux au microscope, mais ils ne seront pas identiques en réalité. Comme de vrais jumeaux, ils présenteront de nombreuses différences : ils auront différents lieux des faisceaux de molécules, des propriétés de ramification différentes, et plus ils sont grands, plus ces différences sont fortes. C'est pour cela que ces flocons de neige sont très petits, mais le microscope est puissant : ils se ressemblent davantage lorsqu'ils sont moins complexes.

Deux flocons de neige presque identiques cultivés dans un laboratoire de Caltech

Néanmoins, de nombreux flocons de neige se ressemblent. Mais si vous recherchez des flocons de neige vraiment identiques au niveau structurel, moléculaire ou atomique, la nature ne vous le donnera jamais. Ce nombre de possibilités est grand non seulement pour l’histoire de la Terre, mais aussi pour l’histoire de l’Univers. Si vous voulez savoir combien de planètes vous avez besoin pour obtenir deux flocons de neige identiques au cours des 13,8 milliards d’années d’histoire de l’univers, la réponse est de l’ordre de 10 10 000 000 000 000 000 000 000. Considérant qu’il n’y a que 10 à 80 atomes dans l’Univers observable, cela est extrêmement improbable. Alors oui, les flocons de neige sont vraiment uniques. Et c’est un euphémisme.

La pionnière de l'étude de la « théorie de la neige » fut la jeune agricultrice Wilson Alison Bentley, surnommée « Flocon de neige ». Depuis son enfance, il était attiré par la forme inhabituelle des cristaux tombant du ciel. Dans sa ville natale de Jéricho, dans le nord des États-Unis, les chutes de neige étaient fréquentes et le jeune Wilson passait beaucoup de temps dehors à étudier les flocons de neige.

Whislon "Flocons de neige" Bentley

Le travail de Wilson a été très apprécié tant par les scientifiques que par les artistes. Il était souvent invité à prendre la parole lors de conférences scientifiques ou à exposer des photographies dans des galeries d'art. Malheureusement, Bentley est décédé à l'âge de 65 ans d'une pneumonie, sans jamais prouver qu'il n'y a pas deux flocons de neige identiques.

Le relais de la « théorie de la neige » a été repris cent ans plus tard par Nancy Knight, chercheuse au Centre national de recherche atmosphérique. Dans un article publié en 1988, elle a prouvé l’affirmation inverse : des flocons de neige identiques peuvent et doivent exister !

D'autres observations sur le terrain et le traitement des erreurs expérimentales ont permis à Nancy Knight d'affirmer que l'apparition de flocons de neige identiques est possible et n'est déterminée que par la théorie des probabilités. Après avoir dressé un catalogue comparatif de cristaux célestes, Knight a conclu que les flocons de neige présentent 100 signes de différence. Ainsi, le nombre total d’options d’apparence est de 100 ! ceux. presque 10 à la puissance 158.

Et maintenant - de nouvelles recherches sur la « théorie de la neige ». Récemment, Kenneth Libbrecht, professeur de physique à l'Université de Californie, a annoncé les résultats de nombreuses années de recherche menées par son groupe scientifique. "Si vous voyez deux flocons de neige identiques, ils sont quand même différents !" - dit le professeur.

Libbrecht a prouvé que dans la composition des molécules de neige, pour environ cinq cents atomes d’oxygène d’une masse de 16 g/mol, il y a un atome d’une masse de 18 g/mol. La structure des liaisons d'une molécule avec un tel atome est telle qu'elle suggère un nombre incalculable d'options pour les connexions au sein du réseau cristallin. En d’autres termes, si deux flocons de neige se ressemblent réellement, leur identité doit encore être vérifiée au niveau microscopique.

MOBU « Lycée de la Ruem »

"Les flocons de neige peuvent-ils être les mêmes"

(projet)

Complété par : Alina Pugacheva,

élève de 2ème année

Responsable : Zakharova A.M.,

enseignant d'école primaire

Village de Ruem, 2013

J'adore regarder les flocons de neige tomber. Je me demandais : tous les flocons de neige sont-ils pareils ? J'ai décidé de demander aux gars de ma classe ce qu'ils en pensaient.

	Nom complet de l'étudiant	Oui	Non
	Azmanova D.
	Apakova V.
	Bogdanov A.
	Entsov A.
	Ivanov A.
	Kudryavtseva P.
	Logacheva T.
	Mamaev E.
	Mansurov K.
	Mikheeva A.
	Sautov D.
	Safioullina O.
	Smolentseva N.
	Sorokin D.
	Stepanenko M.
	Toktaeva D.
	Tumanova V.
Résultat:

Pour répondre à cette question, je devrai parcourir d'autres publications scientifiques, rechercher matériels supplémentaires sur Internet.

Beaucoup de gens savent probablement qu’il est impossible de trouver deux flocons de neige identiques dans la nature, mais ils peuvent être très similaires. Ce phénomène est un mystère vieux de plusieurs siècles que le processus de modélisation informatique a contribué à révéler de nos jours.

Pour la première fois, l'astronome et mathématicien allemand Johannes Kepler a tenté de se rapprocher de la réponse, écrivant dans l'un de ses traités que tous les flocons de neige ont six faces et un axe de symétrie. Le grand scientifique a associé cette structure à la nature de la disposition des particules. ses hypothèses constituaient la base de la science de la cristallographie.

Un autre philosophe et mathématicien, le Français René Descartes, a commencé à étudier et à décrire les flocons de neige en 1635, en les observant à l'œil nu. Le scientifique a décrit leur structure comme étant semblable à celle des roses, des lys et des engrenages mécaniques à six dents. Descartes fut également le premier à voir et à décrire un flocon de neige à 12 rayons. On pense encore qu'un flocon de neige à douze pointes est très rare, on ne sait pas avec certitude dans quelles conditions sa formation se produit.

En 1665, le naturaliste anglais Robert Hooke étudia les flocons de neige au microscope. il a laissé le soin à la science un grand nombre de croquis. Et les premières photographies ont été prises par l'agriculteur américain Wheels Bentley. Cet homme était fasciné par la structure des flocons de neige depuis son enfance et lorsqu'il en avait l'occasion, il se consacrait à les photographier. Il lui a fallu deux ans pour obtenir les premières photos. La caméra conçue par Bentley est un hybride d'une caméra et d'un microscope. Il est intéressant de noter qu'au début, ces photographies n'étaient pas considérées comme authentiques, mais quelques années plus tard, elles ont été reconnues et utilisées avec succès comme illustrations pour divers articles scientifiques. En 1931, Bentley publie le livre Snow Crystals, qui contient plus de 2 500 photographies.

Mais les Japonais ont abordé l'étude de la question de la manière la plus approfondie. Ukihiro Nakaya, professeur à l'université d'Hokkaido, a commencé à cultiver des flocons de neige artificiels en 1932, ce qui lui a permis de créer la première classification des cristaux de neige. ainsi que de déterminer la dépendance de la forme et de la taille de ces formations sur la température et l'humidité de l'air ambiant. Il a créé une classification contenant 41 types individuels. Dans la ville de Kaga, située à l'ouest de l'île de Honshu, se trouve le « Musée de la neige et de la glace », du nom du scientifique. une machine à produire des flocons de neige artificiels y est conservée. Plusieurs années plus tard, en 1996, les météorologues Magano et Xiu Li en ont décrit 80 types.

Ainsi, après avoir étudié la littérature scientifique et pédagogique sur ce problème, en cherchant sur Internet, en regardant les flocons de neige tomber, je suis arrivé à conclusion que Il n’existe pas de flocons de neige identiques, chaque flocon de neige est beau à sa manière.

Flocons de neige

L'hiver est plein de neige

Du matin jusqu'à la tombée de la nuit.

Les flocons de neige s'enroulent et tournent

A notre fenêtre.

C'est comme si les étoiles scintillaient

dispersés autour.

Les argentés se précipitent,

Ils regardent dans la maison.

Ensuite, ils vous demanderont d'entrer dans la pièce,

Ils s'enfuiront à nouveau

Ils se précipitent derrière la vitre,

Ils m'appellent pour que je sorte.

S.Baruzdin

Sources utilisées :

Les flocons de neige sont-ils les mêmes, ou qu'est-ce qui se cache dans l'eau gelée ? - Mode d'accès:http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/
Poèmes sur la neige et les flocons de neige. - Mode d'accès:http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html

L’affirmation, familière à tous les écoliers, selon laquelle il n’y a pas deux flocons de neige identiques, a été remise en question à plusieurs reprises. Mais les recherches uniques du Californien Université de Technologie Nous avons pu mettre la touche finale à cette véritable question de nouvel an.

La neige se forme lorsque des gouttelettes d'eau microscopiques dans les nuages sont attirées par les particules de poussière et gèlent.

Les cristaux de glace qui apparaissent, dont le diamètre ne dépasse initialement pas 0,1 mm, tombent et se développent en raison de la condensation de l'humidité de l'air sur eux. Cela produit des formes cristallines à six pointes.

En raison de la structure des molécules d’eau, des angles de seulement 60° et 120° sont possibles entre les rayons du cristal. Le cristal d'eau principal a une forme plane hexagone régulier. De nouveaux cristaux se déposent ensuite sur les sommets d'un tel hexagone, et de nouveaux se déposent dessus, et c'est ainsi que l'on obtient diverses formes d'étoiles en forme de flocon de neige.

Kenneth Libbrecht, professeur de physique à l'Université de Californie, a annoncé les résultats de nombreuses années de recherche menées par son groupe de recherche. "Si vous voyez deux flocons de neige identiques, ils sont quand même différents !" - dit le professeur.

Libbrecht a prouvé que dans la composition des molécules de neige, pour environ cinq cents atomes d’oxygène d’une masse de 16 g/mol, il y a un atome d’une masse de 18 g/mol.

La structure des liaisons d'une molécule avec un tel atome est telle qu'elle suggère un nombre incalculable d'options pour les connexions au sein du réseau cristallin.

En d’autres termes, si deux flocons de neige se ressemblent réellement, leur identité doit encore être vérifiée au niveau microscopique.