Научно-исследовательский проект на тему "бывают ли одинаковые снежинки". Могут ли две снежинки быть идеально одинаковыми

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.

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.



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.



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.

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.

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.

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.

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:

1. Одинаковые ли снежинки, или Что сокрыто в замерзшей воде? - Режим доступа: http://shkolazhizni.ru/archive/0/n-33171/
2. Стихи про снег и снежинки. - Режим доступа: http://www.razumniki.ru/stihi_ro_sneg_i_sneginki.html

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.