Изучение некоторых физических свойств снега и процесса формирования кристаллов льда в г. Якутске

Макарова, М. А. Изучение некоторых физических свойств снега и процесса формирования кристаллов льда в г. Якутске / М. А. Макарова, О. М. Платонова. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2016. — № 2 (5). — С. 96-102. — URL: https://moluch.ru/young/archive/5/309/ (дата обращения: 04.07.2022).

Природа — великий математик. Стоит разглядеть любую молекулу, кристалл, атом, увидеть стройную систему ДНК, как станет понятно — строгие геометрические формы — конек творца нашего мира. И, если уж на то пошло, одно из самых ярких доказательств тому являются кристаллы льда — обыкновенные снежинки.

Впервые описал снежинки как кристаллы строгой формы немецкий ученый Иоганн Кеплер в трактате «О шестиугольных снежинках» (1611 г). В 1635 году снежинками заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, который впоследствии написал главу о снежинках, включенные им впоследствии в «Опыт о метеорах». С изобретением микроскопа в середине 17 века представления о формах снежинок расширилось. В 1898 году Уилсон Бентли — фермер из американского штата Вермонт — опубликовал свой полувековой труд о снежных кристаллах в журнале «Харперс мэгэзин». Это была научная бомба. В 15 лет мальчик получил в подарок микроскоп, через три года он прикрепил к нему фотоаппарат и 50 лет фотографировал снежинки, делая до 300 снимков за зиму. К концу жизни Бентли коллекция насчитывала более 5000 экземпляров. Именно он доказал, что в мире нет ни одной одинаковой снежинки.

Означает ли это, что мы теперь знаем о снежинках все? Вовсе нет. На самом деле, сейчас вопросов осталось даже больше, чем в самом начале изучения. Мало того, еще в Советском Союзе появилась целая наука — гляциология. Изначально гляциология (от латинского слова «гляциес», означающего холод, лед) считалась чисто описательной наукой о ледниках, и только о ледниках. В шестидесятых годах среди гляциологов СССР разгорелась дискуссия о том, считать или не считать снег и снежный покров предметом гляциологии. В настоящее время «снеговедение» — признанная отдельная ветвь в гляциологии во всем мире.

Условия образования и формирования кристаллов льда в естественных условиях

Снег — чудеснейшая особенность нашей планеты. Он образуется на всех континентах в огромных количествах. Ежегодно снегом покрывается до 130 миллионов квадратных километров — четвертая часть всей поверхности Земли вместе с океанами. Миллиарды «невесомых» снежинок способны повлиять даже на скорость вращения Земли. Только в августе, в период наименьшей заснеженности Земли, когда снегом покрыто 8,7 % всей поверхности планеты, снежный покров весит 7400 миллиардов тонн. А к концу зимы в северном полушарии масса сезонного снега достигает 13.500 миллиардов тонн. Но снег оказывает влияние на Землю не только своим весом. Снежный покров отражает в космос почти 90 % солнечной радиации. Свободная от снега суша отражает только 10, максимум 20 %.

Всем известно, что снег образуется не на земной поверхности, а в высоких слоях атмосферы. Облака состоят из мелких снежинок и переохлажденных капель воды, и поэтому даже дожди, жидкие осадки могут иметь своим прямым предшественником атмосферный снег.

Снежинка — это замороженный кристалл воды (кристалл льда), имеющий форму шестилучевого многогранника. Кристаллы образуются в замороженных облаках при их переходе из парообразного состояния в замороженную, кристаллическую, твёрдую фазу. На возникновение и рост водных кристаллов — снежинок, напрямую оказывает свое непосредственное влияние, температура и влажность окружающего воздуха.

Давайте для начала разберемся с облаками. Облака возникают при конденсации водяного пара в атмосфере, когда образуются либо капельки воды, либо кристаллы льда. При подъеме воздух попадает в слои все более низкого давления. Воздух с подъемом на каждый километр охлаждается примерно на 10° С. Если воздух с относительной влажностью ок. 50 % поднимется более чем на 1 км, начнется образование облака. То есть высота образования облаков разная для каждого места земли, в зависимости от влажности воздуха.

Облака нижнего яруса (слоистые, слоисто-кучевые и слоисто-дождевые) состоят почти исключительно из воды, их основания располагаются примерно до высоты 2000 м. Облака, стелющиеся по земной поверхности, называются туманом.

Основания облаков среднего яруса (высококучевых и высокослоистых) находятся на высотах от 2000 до 7000 м. Эти облака имеют температуру от 0° С до –25° С и часто представляют собой смесь капель воды и ледяных кристаллов.

Облака верхнего яруса (перистые, перисто-кучевые и перисто-слоистые) обычно имеют нечеткие очертания, так как состоят из ледяных кристаллов. Их основания располагаются на высотах более 7000 м, а температура ниже –25° С.

Если ледяные кристаллы внутри облака слишком тяжелы, чтобы оставаться взвешенными в восходящем потоке воздуха, они выпадают в виде снега. Если нижние слои атмосферы достаточно теплые, снежинки тают и выпадают на землю дождевыми каплями. Даже летом в умеренных широтах дожди обычно зарождаются в форме льдинок. И даже в тропиках дожди, выпадающие из кучево-дождевых облаков, начинаются с ледяных частичек. Убедительным доказательством того, что лед в облаках существует даже летом, служит град.

В очень чистом воздухе капельки воды действительно не замерзают до температур около — 30, –40° С. Для образования ядра будущей снежинки необходимы мельчайшие примеси, на которые уже «намерзнет» снежинка. В роли таких ядер могут выступать, например, мельчайшие глинистые частички, они приобретают особенное значение при температурах ниже –10°–15° С. Снегообразование вызывают и искусственно, распылив в воздухе ионы серебра. Одно время считалось, что частые снегопады могут служить доказательством загрязненности воздуха и, соответственно, окружающей среды в регионе. Однако сейчас это утверждение уже опровергнуто

Однако есть и еще один любопытный факт. Ученых из Франции и США открыли, что основным «ядром» снежинок во всем мире служат… бактерии. Причем не просто бактерии, а, чаще всего, одна бактерия — Pseudomonas syringae. Эти палочковидные бактерии заражают большое количество растений, в том числе и сельскохозяйственных. Сейчас разработано множество средств, истребляющих бактерию, вредящую сельскому хозяйству. Не повлияет ли ее уничтожение на климат и снегообразование? Вопрос риторический.

Интересно, что ядром снежинок могут выступать и водяные пары. С этим связано такое явление, как выпадение снега в комнатах. Если в очень жарко натопленном и влажном помещении зимой, при низкой температуре, резко распахнуть дверь, то в комнате пойдет снег. Такое явление было описано в Санкт-Петербургских ведомостях за 1773 год. На балу, где собралось слишком много народа, было очень душно и некоторые дамы стали падать в обморок. Тогда один из гусар выбил окно и в помещении пошел снег. Причиной его стали водяные пары от дыхания множества людей. С этим же явлением связан пар изо рта в холодную погоду. Или иней вокруг рта от дыхания.

Классическим примером образования снежинок с ядром от мельчайших водяных паров можно назвать мой опыт с … мыльными пузырями. Проводить его можно только при температуре ниже 27 градусов. Если пускать мыльные пузыри при температуре выше 27 градусов, то пузырь спокойно долетит до земли и, возможно, даже замерзнет в ледяной шарик. Но! Если пускать мыльные пузыри при температуре от -20 градусов, то они разлетаются на снежные хлопья в воздухе, не успевая приземлиться. Под микроскопом можно рассмотреть и мельчайшие кристаллы льда, образованные от дыхания.

Классификация кристаллов льда и условия их образования

Было предложено несколько классификаций снежных кристаллов. Одна из систем, которой часто пользуются для классификации снежных осадков, была предложена Комиссией снега и льда Международной ассоциации гидрологических наук в 1951 г. Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки — призмы; звезды — кристаллы, имеющие древовидную, ветвящуюся структуру; столбики и иглы; неправильные кристаллы.

Существует и более развернутая классификация, при которой каждый тип из вышеперечисленных подразделяется на несколько видов, которые в свою очередь делятся на разновидности. Всего отмечается около 80 разновидностей.

1.                Пластинки: Самые простые из снежинок — плоские шестиугольные призмы.
2.                Звезды. 6 лучей
3.                Столбики. Полые внутри, могут иметь форму карандаша.
4.                Иглы. Длинные и тонкие кристаллы, иногда состоят из нескольких веточек.
5.                Пространственные дендриты. Объемные снежинки, образуются при срастании нескольких кристаллов.
6.                Увенчанные столбики. Образуются в случае, если столбики попадают в иные условия, и кристаллы меняют направление роста. (Фото № 8)
7.                Неправильные кристаллы. Самый распространенный тип. Образуется при повреждении снежинки.

Решив убедиться на практике в правильности данной классификации, я попыталась сопоставить свои фотографии снежинок с приведенными образцами.

Как выяснилось путем долгих проб и ошибок, фотографирование снежинок — процесс очень муторный и вовсе не такой простой. Обычный фотоаппарат просто не вытягивает подобное расширение. С помощью микроскопа удается рассмотреть несколько снежинок, но при этом необходимо работать с цифровым микроскопом на улице (а это значит, нужно подключать его через удлинители), перед работой надо охладить стекло и микроскоп, чтобы снежинки не таяли сразу, надо отрегулировать подсветку микроскопа, чтобы избежать таяния снежинок. И при всем при этом держать подальше руки и дышать в другую сторону. При этом оказалось совершенно невозможным поместить в обьектив микроскопа только одну снежинку. Пришлось помещать несколько, а это немного смазало чистоту эксперимента. Тем не менее, на сделанных мной фотографиях можно разглядеть отдельные элементы следующих видов кристаллов льда:

1)                 Самые распространенные среди моих фотографий — неправильные кристаллы. Объясняется это сложностью отделения снежинок друг от друга, так что по большому счету, я получала снежинки уже в сцепленном виде.

К сожалению, из-за того, что имеющееся оборудование не позволяло сфотографировать снежинки по отдельности, почти все полученные результаты — это сцепление нескольких снежинок. Так что понять, сколько из них являются реальными пространственными дендритами, а какие получились уже позже не представляется возможности.

Как видите, сделанные мной фотографии практически полностью подтверждают установленную классификацию снежинок. Мало того, в природных условиях существуют целые большие кристаллы, которые формируются также по принципу снежинок. Найти такие кристаллы возможно только в пещерах, в условиях вечной мерзлоты.

Метаморфозы кристаллов льда

Если в прошлой главе я привела примеры полученных типов снежинок, то в этой хотели бы рассмотреть взаимосвязь вида снежинки от температурного режима, времени и физического воздействия. Все исследования проводились с начала зимы 2015 года.

В зависимости от температуры окружающей среды

Итак, первый снег в Якутске в этом году выпал 20 октября, при температуре -5 градусов.

Первый снег недаром называют самым красивым. В большинстве случаев, первый снег — это даже не снежинки, а рыхлые большие снежные хлопья, которые практически моментально тают. В этом году, например, первый снег лежал около 5 часов, прежде чем растаять. А вот второй, выпавший через неделю — уже смог пролежать почти четыре дня. Первые пушистые большие хлопья снега состоят из нескольких снежинок, сцепленных между собой. По нашим подсчетам, это, обычно, от двух, до, максимум, четырех. Причем преобладают среди них секторные звезды.

Такие хлопья снега выпадают при температуре близкой к нулю. Это, так называемые, мокрый снег. Чем ниже температура, тем более мелкий и «нелипкий» снег. Меняется и форма снежинок. От красивых правильных звездочек к пластинкам и неправильным столбикам и кристаллам.

Интересно, что в 1940-е годы (1942–1947) были начаты исследования связи между формами кристаллов и температурой внутри облаков. Одно из первых подробных исследований форм ледяных кристаллов на различных высотах было выполнено с самолета ученым Вейкманом. Анализ данных показал, что при температуре ниже -25 °С преобладающей формой кристаллов является гексагональная призма. Она характерна для перистых облаков и облаков среднего яруса. При переходе от облаков верхнего яруса к облакам среднего и нижнего ярусов, то есть в область более высоких температур, призмы постепенно заменяются толстыми, а затем тонкими гексагональными пластинками. Они обычно наблюдаются при температуре выше -20 °С. При температуре от -10 °С до -20 °С преобладают кристаллы звездчатой формы. В виде таблицы это выглядит так: