Научно популярная статья о том, как формируется кристалл воды

У леса на опушке

Жила Зима в избушке

Она снежки солила

В берёзовой кадушке

Матушка Зима это удивительно красивое время года. Природа в сказочном убранстве: в белом кружеве деревья, в серебристом инее крыши домов, окна в морозных узорах. Кругом тишина и покой, природа отдыхает, спит.

Люблю зиму. Для меня это самое удивительное время года. Я люблю зимой все: удивительную чистоту, запах и свежесть воздуха; красивые снежинки; поскрипывающий снег под ногами, морозец; зимнее солнце, показывающее нам всю эту природную красоту; зимние деревья, с мохнатыми шапками снега на ветках, игры в снежки; катание с горки; лепка снеговиков с морковкой в носу, встреча Нового года; зимние каникулы…

Снег – это удивительнейшее явление природы. Я часто  рассматриваю снежинки, и каждый раз восхищаюсь этой красотой, задаю себе вопросы. Где рождается снег?

Что такое снежинки? Какие они бывают? Как образуются? Какими свойствами обладает снег?

Нежные ледяные звёздочки – символы Нового года. И каких только не рисуют снежинок, двенадцатилучевые, восьмилучевые, пяти лучевые, четырёхлучевые, трёхлучевые, хотя взглянув на падающие с неба фигурки, каждый может убедиться, что лучей ровно шесть!

Крупные, величиной в ладонь ажурные снежинки, вырастают из влажного воздуха на стенах Кунгурской ледяной пещеры ,что на Урале. Снежинки встречаются и без лучей, в форме правильных шестиугольников с углами точно в 120^о. Иметь другую симметрию снежинкам «запрещает» кристаллическая структура льда.

У нас на Донбассе первый снег обычно выпадает в конце декабря - начале января, снежный покров устанавливается во второй половине января, а сходит полностью в начале апреля.

Летом сухое и жаркое, а зимой снега не много. Проведите опыт и принесите домой немного только что выпавшего белого снега. Оставьте банку со снегом на полчаса и увидите, что он исчез, вместо него в банке оказалась грязноватая вода. Значит, снег – это замёрзшая вода. Если поставить банку с талой водой в морозильник, то превратиться ли она снова в снег? Однако после проведения обратного опыта можно увидеть, что в банке вместо воды образовался лёд – твёрдый, хрупкий, бесцветный. В зоне города снег грязный, черный потому что, очень много машин, за городом он белый.

Знаете ли вы что снег защитник . Не упадёт он вовремя на поля вымерзнут озимые хлеба. Те кто сеют хлеб всегда переживают, как бы не пересевать, если нет снега. Снег защищает растения от холода, дает приют животным. Например, куропатки зимой прячутся в снегу.

Я наблюдала за снежинками в разные дни. В теплые дни снег липкий, снежинки, слипаясь друг с другом, падают пушистыми хлопьями. В такие дни легко лепить снеговиков.

При сильном ветре у снежинок обламываются лучи и они превращаются в снежную пыль. В тихую морозную погоду снежинки кружатся в воздухе и падают на землю – одна красивее другой. В такую погоду снежинки не слипаются, а становятся жесткими и сыпучими.

По форме снежинки напоминают разные фигурки правильной формы: цветок с шестью лепестками, звёздочка с шестью лучами. Я заметила, что чем морознее погода, тем красивее и правильнее по форме снежинки. Идет зима, растут сугробы, и снежный покров постепенно становится плотным. Мне очень нравится бродить по рыхлому снегу. Прислушиваться, как скрипит под ногами снег. Он хрустит оттого, что под тяжестью нашего тела ломаются лучи миллионов снежинок.

В древние времена тоже думали, что снег – это замерзшие капельки. Считали, что он идёт из тех же туч, что и дождь. Позже была разгадана тайна рождения снежинок. Узнали, что капельки воды никогда не превращаются в снежинки, красивые шестиугольные звёздочки. Побывали ученые в облаках при снегопаде и увидели, как образуются снежинки.

Когда воздух вместе с водяным паром поднимается  высоко в небо, водяной пар, замерзая, превращается в кристаллики льда. Под самолетом крупными хлопьями падал снег, а высоко-высоко в небе всюду мелькали крохотные кристаллики льда. А как только льдинки опускались в тучу, они сразу же становились легкими, нежными снежинками.

Маленькие льдинки в высоком небе – это замерзший водяной пар. Он есть повсюду в окружающем нас воздухе. Весной, летом, осенью пар превращается в капли дождя, а зимой – в снежинки.

И если с неба летят очень крупные снежинки, это означает, что они пожаловали к нам с большей высоты.

Дальше этот кристаллик начинает расти. У него могут начать расти лучи, или у этих лучей начинают появляться отростки, или — наоборот, снежинка начинает расти в толщину.

Как именно в данный момент будет расти, снежинка зависит от текущих условий вокруг снежинки: влажность, температура, давление, форма снежинки. И   даже самые минимальные изменения этих параметров могут изменить ход роста снежинки.

Цветное изображение, обработанное компьютером, демонстрирует, как менялись температурные условия на пути снежинки с неба на землю и каким образом это влияло на характер ее роста. Температура убывает от красного цвета к зеленому

Условия постоянно меняются. И получается, что снежинка то растет в ширину, то у нее отрастают лучи. В холодную и сухую погоду снежинки вообще растут в высоту, а не в ширину, и получаются шестиугольные столбики, а не привычные нам разлапистые звезды.

Направления роста изменений снежинки всегда обусловлены тем, что кристаллы льда шестиугольные. Два кристаллика не могут соединиться углом, они всегда присоединяются друг к другу гранью. Поэтому лучи всегда растут в шесть сторон, а от луча может отходить «ветка» только под углом 60 или 120 градусов.

Форма и строение снежинок обусловлено кристаллической структурой льда. Строящие лёд молекулы воды состоят из двух катионов водорода и аниона кислорода . Водород , отдающий кислороду свой единственный электрон, это не что иное , как «голое» атомное ядро, то есть частица в тысячу раз меньше целого атома. Если изображать молекулу в виде шаров , как это делал академик Н. В. Белов .Это несколько увеличенный кислородный атом , в который втянуто на некоторую глубину два ядра . Поэтому на поверхности шара появляются над внедрившимися катионами электроположительные участки, а пара электронов , приобретённых атомом кислорода, придаёт двум другим участкам электроотроотрицательность. Строя ледяные кристаллы , молекулы притягиваются друг к другу противоположно заряженными концами, так что у каждой появляется по четыре соседки. Так кристалл оказывается шестисторонним с углом строго в . Вот вам и разгадка строения крошечной красавицы матушки Зимы. Эта структура рыхлая , поэтому льду свойственно плавать на воде.

Поскольку каждая снежинка живет своей жизнью и внешние условия у них у всех хотя бы минимально, но отличаются, то все снежинки разные. Не бывает абсолютно одинаковых снежинок — каждая из них проходит через разные сочетания влажности, давления и температуры.

При схожей симметрии строение и форма снежинок, от крупных до самых мельчайших,  чрезвычайно разнообразна. Зарисовывать ледяные звездочки пытались очень давно, но художники обычно руководствовались собственной фантазией —  снежинки принимали форму короны или веера, цветка или полумесяца, даже кисти руки. Только в 1637 году прославленный   математик, философ и физик Рене Декарт приблизился к восприятию истинных форм падающих с неба фигурок.

Почти сразу после изобретения фотографии, еще в конце прошлого века фотограф А. А. Сигсон в Рыбинске (г. Щербаков) сделал прекрасные снимки, преодолевая при этом немалые трудности. Для сообщения о его настойчивых опытах нашлось место на страницах очень серьезного «Журнала Русского физико-химического общества» в 1892 г. В Америке фотографированием снежинок много занимался В. Бентли, снимки которого были собраны в альбоме «Снежные кристаллы» с пояснениями профессора В. Хамфрейса. Многообразие наиболее распространенных форм снежинок далеко не исчерпано, хотя снимков различных снежинок накопилось больше двух тысяч.

Морфология снежных кристаллов

Не раз в строении ледяных кристалликов пытались выделить что-то главное, опуская детали, чтобы предложить классификацию. Пожалуй, наиболее удачной оказалась схема японских ученых, предложивших выделять восемь типов снежинок. Их легко сопоставить с натуральными фотографиями из альбома, хотя снежинки богато украшаются разными добавлениями и усложнениями.

В естественных условиях в одном снегопаде снежинки могут быть различными. Профессор П. Н. Чирвинский, в течение двух зим в Ленинграде замечал в один день от 6 до 40 форм снежинок, а в общей  сложности насчитал 246 форм. А вот в Антарктиде снежинки падают не такие. Там выпадают ледяные кристаллики в форме тонких иголочек длиной от сотых долей до одного-двух миллиметров. Конечно, каждая ледяная иголка имеет форму шестиугольного столбика, вроде карандаша с притупленными концами. Появляясь иногда по одиночке, в других случаях иголки срастаются под углами 120^о 60^о 30^о в группы по 10 и более, называемые «ежиками». Посмотрите на морфологию снежинок.

Наряду с хорошо сформированными звездочками или иголками встречаются их обломки – свидетели столкновений снежинок в воздухе.

Снежинки слаживаются с 95% воздуха. Скорость их падения 0,9км/год.

Самая большая снежинка зафиксирована 28 января 1887 года во время снегопада в городе Форт-Кео. Она имела диаметр около 38 см, хоть и всегда снежинки имели размер – 5 мм при массе 0,004г.

О них поют и слагают стихи. Например это стихотворение Чернышова А. В. под названием «Симметрия замёрзшей воды » достойно внимания.

Снежинки - кристаллы замёрзшей воды,
Чудесны и так непонятны,
Растают в ладони, оставив следы,
От капель - лишь мокрые пятна.

Красиво природа ваяет кристалл,
Затейливо и симметрично,
Снег в небе кружился, на землю слетал,
И всё было, в общем,- обычно.