Учеба  ->  Науки  | Автор: | Добавлено: 2015-05-28

Тайны снежинки

Фестиваль исследовательских и творческих работ учащихся «Портфолио»

2009/2010 учебный год

Раздел: География, химия, краеведение

Работа на тему:

«Тайны снежинки»

Хрептик Ольга Александровна ученица 7 А класса МОУ СОШ № 2 г. Муравленко

Руководитель:

Половко Лилиана Владимировна учитель географии МОУ СОШ № 2

I. Основная часть 2

Глава 1. История снежной науки 2

§ 1. Шестиугольные снежинки Кеплера 2

§ 2. Исследования и исследователи снежинок 3

Глава 2. Тайны снежинки 5

§ 1. Физические тайны снежинки 5

1. 1. Тайна образования снежинки 5

1. 2. Тайна формы снежинки 6

1. 3. Тайна строения снежинки 8

1. 4. Тайна цвета снежинки. Почему снег белый? 8

1. 5. Вес и размер снежинки. Сколько весит снежинка и сколько весит весь снег? 9

1. 6. Плотность снега 11

1. 7. Почему снег скользкий? 12

1. 8. Скрип снега 13

§ 2. Химические тайны снежинки 13

§ 3. Эстетические тайны снежинки 14

Глава 3. Значение снежинки 15

II. Практическая часть. 17

§ 1. Анализ физических и химических свойств снега 17

Взятие и подготовка проб снега в разных точках в пределах города Муравленко 17

1. 2. Характеристика физических свойств воды, образовавшейся при таянии проб снега 18

1. 3. Выявление химического состава проб талой воды 19

§ 2. Определение загрязнения талых вод методом биоиндикации 20

Заключение 21

Список источников и литературы 24

. Он лег на землю и на крыши,

Всех белизною поразив.

И был действительно он пышен,

И был действительно красив.

E. Евтушенко.

Мы с нетерпением ждем конца зимы и начала теплых весенних дней. Но природа упорствует, преподнося сюрпризы в виде небывалых снегопадов. Быть может Создатель хочет в очередной раз обратить наш взор на его чудесные творения? Мы решили исследовать тайны самого множественного чуда, которое в огромном количестве наполняет нашу планету — снежинках.

Вот она, снежинка, этот маленький кристалл воды, который всегда так хочется рассмотреть! Но стоит приблизиться к нему своим дыханием — он тает, так и не раскрыв тайны. «Тайны? И какая может быть тайна в том, что, не успев родиться, превращается в ничто?» — спросите вы резонно. И как это «ничто» может влиять на нашу жизнь?

Простые на первый взгляд снежинки столь же уникальны как и человеческая личность — на свете не найти двух одинаковых. Как обычная вода, замерзая, образует такое множество красивейших симметричных форм? Иоганн Кеплер выдающийся немецкий астроном и математик первым в свое время задался этим вопросом. Его последователи и сегодня пытаются разгадать тайны зимней красавицы - снежинки. Помимо безусловной эстетической привлекательности изучение внешнего вида снежинок обладает и научной ценностью - оно помогает прояснить процессы конденсации воды и образования кристаллов льда, а также выяснить роль снега на Земле.

Актуальность и важность изучения вопросов, связанных с образованием и значением снега, определила цели настоящей работы: изучение и раскрытие тайн снежинки (химических, физических, эстетических и др), исследование проб снежного покрова в окрестностях г. Муравленко.

История снежной науки

Снежинка — это монокристалл льда – разновидность гексагонального кристалла, но выросшего быстро, в неравновесных условиях. Над тайной их красоты и бесконечного разнообразия не одно столетие бьются учёные.

Шестиугольные снежинки Кеплера

Говорят, что нет одинаковых снежинок. Есть очень похожие, а одинаковых нет. Астроном Кеплер в далеком 1611-м году издал научный трактат «О шестиугольных снежинках», в котором подверг чудеса природы рассмотрению со стороны жесткой геометрии. Но тайна шестиугольной формы оказалась ему не подвластна. Такое нежное и капризное создание как снежинка никак не хотела вставать в один ряд с пчелиными сотами и морскими раковинами, форма и внешний вид которых в первом случае были обусловлены назначением, а во втором – существом, обитающим внутри. Правда, самого ученого это не разочаровало, по его собственному признанию, «он умудрился увидеть душу в атоме снега». «Но разве все это имеет отношение к снегу?!» — спросите вы. Сегодняшние ученые говорят, что имеет, и самое непосредственное. И хотя они пока не могут объяснить, почему снежинки шестиугольные, но изучают это явление как действие в природе закона формообразования. Возможно, именно душа сказочника позволила математику увидеть красоту Божественного замысла и объединить вещи, казалось бы, необъединяемые.

Снег все падал и падал. И маленькая новогодняя снежинка, маленькое Ничто превращалось в Великое Нечто со своей Тайной. А новогодний подарок другу — в научный трактат «О шестиугольных снежинках». В нем можно отыскать напутственные строки и для нас, далеких потомков Кеплера: «я вижу, сколько еще мне осталось сказать, чтобы постичь подлинную причину данного явления, и поэтому предпочитаю услышать, что думаешь по этому поводу ты нежели утомлять тебя своими догадками».

Исследования и исследователи снежинок

В 1635 году французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт заинтересовался формой снежинок и написал этюд, включённый им впоследствии в «Опыт о метеорах» или просто «Метеоры». Он впервые занялся описанием видов снежинок, разглядывая их невооруженным глазом.

Следующим героем на снежном поприще стал американский фермер У(В)илсон Бентли (Wilson Bentley, 1865–1931), посвятивший всю свою жизнь фотографированию снежинок. Сделав более 5000 уникальных снимков, он стал гордым основоположником притягательной науки о снеге. Гипотеза о том, что «ни одна снежинка не походит на другую», основана на его работе. Ему впервые пришло в голову с помощью микроскопа фотографировать снежинки в 1885 году. За его любовь к снежным кристаллам его так и прозвали – Человек-снежинка. В год смерти Бентли был издан каталог снежинок, в котором содержались фотографии 2450 ледяных кристаллов.

В 1951 году Международная комиссия по Снегу и Льду классифицировала все твердые осадки на семь основных и три дополнительных типа. Согласно ей все снежные кристаллы можно разделить на следующие группы: звёздчатые дендриты, пластинки, столбцы, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились еще три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град. Наиболее полная классификация находится в следующей литературе.

Японский физик-ядерщик Укихиро Накайа (Ukichiro Nakaya, 1900–1962), начавший изучение кристаллов в 1932 году после знакомства с каталогом снежинок Вилсона Бентли, создал свою книгу про снежинки («Снежные кристаллы: натуральные и искусственные», издана в 1954 году) и определил схему классификации снежинок, в которой он подразделил их на 41 индивидуальный морфологический тип; он же впервые определил зависимость формы кристаллов от температуры и влажности окружающей среды. В родном городе ученого Катаямазу находится Музей Снега и Льда его имени.

Самую сложную и полную классификацию произвели метеорологи С. Магоно и Сю Ли в 1966 году – в ней описано 80 типов кристаллов.

90-е годы породили новое чудо – снежинки на заказ, которые стал выращивать в лабораторных условиях физик, профессор Калифорнийского технологического университета Кеннет Либбрехт (Ken Libbrecht) – еще один «Снежный человек». Снежинки для профессора – не только хобби и развлечение, но и вполне серьезная область науки. Либбрехт изучает рост кристаллов, чтобы лучше понять формирование различных структур в нелинейных неравновесных системах. Ученый посвятил себя снежным кристаллам около пяти лет назад и сейчас его веб-страничка содержит целую фотогалерею зимних красавиц. Совместно с фотографом Патрисией Расмуссен физик планируют издать книгу, в которую войдут самые фотогеничные снежинки. Его группа также изучает влияние электрофизических и электрохимических эффектов на рост кристаллов и возможные практические применения таких методов. В наши дни изучение снежинок превратилось в науку. И чудаков всерьез занимающихся этим немало. Изучив историю становления снежной науки, мы составили таблицу.

Физические тайны снежинки

Тайна образования снежинки

В снежинках сокрыта великая тайна. Откуда же берутся кристаллики льда в облаках? Они образуются из водяного пара. Помните, как в холодную погоду намерзает иней на воротнике или на варежке, если на нее подышать? В самом деле, не волшебно ли это, не удивительно ли: пар из чайника, из лохани с бельем, дым из труб - все это лохматое и бесформенное, поднявшись наверх, в облака, и претерпев какое-то превращение, сыплется к нам обратно не бесформенными комками, не скучной пылью, а в виде кружевных шестиугольных кристаллов. Как будто сама Природа хочет намекнуть нам, что в основе ее лежит не хаос, не беспорядок, а какие-то очень точные и красивые математические законы.

Жизнь снежинки начинается с того, что в облаке водяного пара при понижении температуры образуются кристаллические зародыши льда. Центром кристаллизации могут быть пылинки, любые твердые частицы или даже ионы, но в любом случае эти льдинки размером меньше десятой доли миллиметра уже имеют гексагональную кристаллическую решетку. Водяной пар, конденсируясь на поверхности этих зародышей, образует сначала крошечную гексагональную призму, из шести углов которой начинают расти одинаковые ледяные иголочки — боковые отростки, т. к. температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки — веточки. Подобные кристаллы называют дендритами, то есть похожими на дерево. При этом образуются известные шестиконечные формы. Из-за особой структуры молекул воды возможны углы лишь в 60° и 120°. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и концентрацией водяного пара. Ее форма меняется, до последнего подчиняясь законам гексагональной симметрии. Так снежинки становятся разными. Хотя теоретически в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Но путь до земли у каждой свой, довольно долгий — в среднем снежинка падает со скоростью 0,9 км в час. А значит, у каждой — своя история и своя окончательная форма.

Существует еще одна из версий образования снежинок Ученые из Франции и США в ходе исследования образцов снега из Франции, Антарктики, Монтаны и Юкона выяснили, что снежинки образуются благодаря бактериям Pseudomonas syringae. Во время исследования ученые установили, что большая часть ядра снежинки имеет органическое происхождение. Дальнейшее изучение показало, что это были бактерии. Больше всего снежинок образуется с участием бактерий во Франции, следом идут Монтана и Юкон. В арктических образцах снега было обнаружено меньше всего бактериальных центров кристаллизации.

Тайна формы снежинки

Полные идеальной гармонии конструкции снежных кристаллов уже на протяжении многих лет вызывают интерес людей. Великий астроном Иоганн Кеплер в своем трактате "Новогодний дар. О шестиугольных снежинках" объяснил форму кристаллов волей Божьей. Еще в 1635 году французский философ и математик Рене Декарт, писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами.

Даже невооруженным взглядом рассматривая снежинки, можно заметить, что ни одна из них не повторяет другую. Предполагается, что в одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, каждая из которых уникальна. Не бывает пятиугольных или семиугольных снежинок, все они имеют строго шестиугольную форму (хотя советских художников заставляли рисовать на плакатах пятиконечные снежинки).

Главная особенность, определяющая форму кристалла, - это крепкая связь между молекулами воды, подобная соединению звеньев в цепи. Основная форма снежинок - это шестиугольные пластинки. На землю они падают шестилучными звездочками. Если нет ветра и сильного мороза, то они сохраняют свою форму. Сильный холодный ветер сталкивает снежинки друг с другом, отчего они ломаются, слипаются и смерзаются. Снежинки начинают падать из облака, когда температура воздуха опускается ниже нуля. Кроме того, из-за различного соотношения тепла и влаги кристаллы, которые в принципе должны быть одинаковыми, приобретают различную форму.

Обращаясь к аналогиям в симметрии шестиугольных пчелиных сот и зерен граната, ученый Кеплер в своем трактате «Новогодний подарок или шестиугольная снежинка» открывает некоторые особенности этой формы. Например, из всех правильных геометрических фигур только треугольники, квадраты и шестиугольники могут заполнить плоскость, не оставляя пустот, причем правильный шестиугольник покрывает наибольшую площадь. Ученый делает вывод, что форма сот и зерен обусловлена не природой их вещества и не внешними обстоятельствами, а уже заложена в них. Кеплер полагает, что процессом жизни на Земле правит формообразующая сила. Она «сама по себе едина и всюду одна и та же», но, действуя в отдельных телах (минералах, растениях, животных) строит в них ту или иную внешнюю форму в зависимости от их вещества. В случае с образованием снежинок носителем этой упорядочивающей силы является пар. Когда пар, содержащий в себе эту силу, сталкивается с фронтом холодного воздуха, он разбивает пространство на отдельные маленькие ячейки, имеющие шестиугольную форму. Именно потому, что правильные шестиугольники оптимальным образом заполняют плоскость. В этих «сотах» и образуются снежинки, отражающие порядок, присущий формообразующей силе.

Снежинки могут иметь самую разную форму. Наиболее простые виды снежинок – иглы, столбики и пластинки; усложненные виды – игольчатые звезды, пластинчатые звезды, ежи из нескольких столбиков, столбики с пластинками или звездами на концах и т. д.

Снежинка - очень нежное, капризное создание. Их форма зависит от температуры и влажности воздуха: самые красивые кристаллы (снежные звезды) образуются при температуре –14. –17°C, при более теплой температуре образуются пластинки, а еще при более теплой – иглы и колбочки.

Малейшее изменение температуры, ветра или влажности влияет на размер и «телосложение» снежинки. Например, если дует влажный ветер, снежинки слегка подтаивают по концам и слепляются при полете в хлопья. К падающей снежинке может примерзнуть капелька воды — в результате образуются снежинки неправильной формы – 12-конечные, треугольные, пуле-, стрело-, пирамидоподобные и даже сиамские близнецы. Снежинки часто объединяются между собой в хлопья радиусом от 0. 5 до 5 см (наблюдались хлопья и значительно большего размера). Снежные хлопья – нередкое явление, они бывают в 14% случаев при слабых и в 92% случаев при сильных снегопадах. Образованию хлопьев способствуют относительно высокая температура воздуха, большая густота снегопада и другие факторы; самые большие хлопья образуются при штиле и слабом ветре. По форме снежинок метеорологи научились даже предсказывать погоду на завтра.

Тайна строения снежинки

Существует еще одна тайна, присущая строению снежинки. В ней порядок и хаос сосуществуют вместе. В зависимости от условий получения твердое тело должно находиться либо в кристаллическом (когда атомы упорядочены), либо в аморфном (когда атомы образуют случайную сетку) состоянии. Снежинки же имеют гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично.

Из чего сделаны снежинки? Снежинки - это сростки простейших кристалликов льда - иголочек и пластинок. Высоко в небе зимой плавают перистые облака, состоящие из множества таких кристалликов. Они растут, превращаются в снежинки, тяжелеют - и целыми стаями устремляются вниз. Идет снег

Тайна цвета снежинки. Почему снег белый?

Он лег на землю и на крыши,

Всех белизною поразив.

И был действительно он пышен,

И был действительно красив. E. Евтушенко.

Белый, как снег, белоснежный, снежная белизна. Недаром, когда хотят подчеркнуть безупречную чистоту белого цвета, его сравнивают со снегом. А почему же снег белый? В этом "виноват" многоцветный солнечный луч. Известно, что если тело полностью поглощает солнечный луч, то оно кажется нам черным. И наоборот, если тело полностью отражает луч солнца, то кажется белым.

Какого цвета лед? Никакого. Он пропускает через себя весь солнечный луч и остается бесцветным. Каждая снежинка в отдельности тоже свободно пропускала бы через себя луч солнца и тоже была бы бесцветной, как лед. Но снежинки все вместе становятся непрозрачными, не пропускают через себя лучи, а наоборот, отражают их нам в глаза. И поэтому снег мы видим белым. Белый цвет происходит от заключённого в снежинке воздуха.

Но, оказывается, снег имеет не чисто-белый, а слегка голубоватый оттенок. На картине И. Левитана «Март» тени от деревьев на снегу — не черные, а голубые: их подсвечивает синее весеннее небо. Но снег и сам по себе способен окрашиваться в синий цвет. Чтобы увидеть эту окраску, нужно проделать в чистом снегу узкое отверстие глубиной около метра. Свет, пробившийся через толщу снега возле края этой ямки, будет казаться желтоватым, глубже он становится желтовато-зеленым, голубовато-зеленоватым и, наконец, ярко синим. Отсвет голубого неба здесь ни при чем, и чтобы убедиться в этом, можно провести опыт в пасмурную погоду или заглянуть в отверстие через картонную трубку.

Кстати, сам снег бывает не только белым. В арктических и горных регионах розовый или даже красный снег – обычное явление. Дело в том, что живущие между его кристаллов водоросли окрашивают целые участки снега. Но известны случаи, когда снег падал с неба уже окрашенный – в голубой, зеленый, серый и черный цвета. Скорее всего, это происходит из-за того, что снег при падении впитывает из атмосферы копоть и промышленные загрязнения.

Вес и размер снежинки. Сколько весит снежинка и сколько весит весь снег!

Снеги, белые снеги –

Покров моей родины. С. Есенин.

«Белый снег пушистый в воздухе кружится и на землю тихо падает, ложится». И кажется, нет ничего невесомее крохотных снежинок. Упадет на руку – даже не почувствуешь. Весит около миллиграмма, редко – 2-3 миллиграмма. Тонкая сетка снежинок словно висит в воздухе, снежинки все падают и падают. И вот их уже миллионы, миллиарды. За несколько часов огромные пространства суши могут оказаться под снежным пушистым одеялом. Сколько же весит снег теперь? «Пуховое» одеяло стало похожим на тяжеленные гири, способные повлиять на скорость вращения Земли.

Размеры снежинок различные. Самые большие снежинки (игольчатые звезды) достигают 4-5 мм. Обычная снежинка весит около миллиграмма, очень редко 2-3 миллиграмма, хотя бывают и исключения - самые крупные снежинки выпали 30 апреля 1944 года в Москве. Хлопья размером до 10 сантиметров в поперечнике, похожие на кружащиеся блюдца, пойманные на ладонь, они закрывали её почти всю целиком и напоминали страусиные перья. А в Сибири наблюдались снежные хлопья диаметром до 30 см. Для этого феномена необходимо полнейшее безветрие, ведь чем дольше снежинки путешествуют, тем больше сталкиваются и сцепляются друг с другом. Поэтому при низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков. Случается, если мороз около 40°C, зарождающиеся в атмосфере кристаллики льда выпадают в виде «алмазной пыли». Так, в Центральной Якутии в ясную морозную погоду выпадают тоненькие ледяные иголки, образующие на земле слой пушистого снега.

Снежинки образуют шубу планеты — снежный покров. Представьте, количество снежинок, образующихся на планете за год, уже подсчитано. В одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, а по всей Земле — 10 в 24 степени. Миллиарды "невесомых" снежинок способны повлиять даже на скорость вращения Земли. Например, в августе, в период наименьшей заснеженности Земли, когда в северном полушарии еще лето, а в южном – конец зимы, снегом бывает покрыто 8,7% всей поверхности планеты (из них 7% в южном полушарии и 1,7% – в северном), по площади это 44·106 квадратных километров, а весит такой покров 7400 миллиардов тонн.

К концу зимы в северном полушарии масса сезонного снега достигает 13500 миллиардов тонн, а площадь снежного покрывала – 95·106 квадратных километров. При этом из 19% территории Земли, покрытой снегом, 15,2% приходится на северное полушарие и 3,8% – на южное. Цифры показывают, что снежный покров северного полушария и обширнее южного и гораздо изменчивее. Его площадь изменяется в течение года в 9 раз, а южного – лишь вдвое.

Самая снежная страна – это Россия. «Нигде влияние снежного покрова так не велико, как в России, так как нигде нет равнины настолько обширной, отдаленной от морей и покрытой снегом зимой», – писал около 100 лет назад великий климатолог И. А. Воейков.

Плотность снега

Обычная плотность свежевыпавшего снега 0,05 г/см3 Плотность снега, выпавшего во время метели, доходит до 0,12-0,18 г/см3, а если ураган бушует многие сутки подряд, то и до 0,40-0,45 г/см3. Плотность снежных обломков, выпавших в суровый мороз, ничтожно мала – около 0,01 г/см3.

Любой лыжник знает, что лесной снег отличается от снега на равнине. В сибирской тайге, где не бывает зимних оттепелей, средняя плотность метровой толщи снега местами не превышает 0,10 г/см3. В степях и в тундре метели сильно уплотняют снег, там высота снежного покрова значительно меньше, а плотность – в 2-4 раза больше.

На Крайнем Севере снег бывает настолько твердым, что топор при ударе по нему звенит, словно ударили по железу. Такой снег шлифует поверхность почвы, ранит растения. А в Антарктиде выпавший 3-4-метровый слой снега за несколько дней становится таким плотным, что его с трудом вспарывает тяжелый нож мощного бульдозера.

Очень быстро меняется плотность снега в период весеннего таяния: от 0,35 г/см3 в начале, 0,45 г/см3 в разгар, 0,5-0,6 г/см3 в конце снеготаяния. Практически уже при так называемой первой критической плотности – 0,55 г/см3 снег перестает быть собственно снегом. Вторая критическая плотность (около 0,75 г/см3) наступает при таком близком расположении ледяных кристаллов, что происходит замыкание воздушных пор. При этом воздух уже не может вытесняться из снега, и он оказывает упругое сопротивление сжатию. Дальнейшее уплотнение возможно лишь при деформации ледяных частиц под давлением вплоть до слияния их в монолитную поликристаллическую породу – лед.

Почему снег скользкий?

Скользя по утреннему снегу,

Друг милый, предадимся бегу

Нетерпеливого коня. А. Пушкин.

Одно из очень важных для человека свойств снега – это то, что он скользкий. Санный путь и быстр, и легок, и удобен. Чтобы скользить по снегу – передвигаться на санях, надо затратить в 10 раз меньше энергии, чем для передвижения на колесах.

Снег скользкий потому, что при давлении и трении полозьев саней или лыж поверхностные частички снежного покрова тают, появляющаяся при этом пленка воды служит как бы смазкой. Поэтому «скользкость» зависит от температуры снега и от скорости перемещения. Известно, что трение минимально при скольжении по сухому снегу при температуре близкой 0°C. Если снег увлажняется, трение начинает возрастать пропорционально увлажнению.

Опыты с экспериментальными лыжами из металла, из твердого пластика показывают, что коэффициент трения увеличивается с понижением температуры. Для стали – от 0° до - 25°C – он удваивается, а для меди и некоторых пластиков возрастает в 3-4 раза. При температуре ниже - 25°C сопротивление снега скольжению с малыми скоростями приближается к величине сопротивления скольжения по сухому песку.

Но почему же даже в сильные морозы можно встретить лыжников, получающих удовольствие от катания? Дело в том, что у них, во-первых, полозья лыж покрыты соответствующей мазью, а во-вторых, они достаточно быстро бегут по лыжне. Увеличение скорости скольжения приводит к уменьшению трения. Так, если скорость скольжения возрастает от 0,03 до 5 метров в секунду (скорость классного лыжника), коэффициент трения уменьшается почти в 10 раз. Вот почему хороший лыжник при всех прочих равных условиях затрачивает гораздо меньше усилий, чем начинающий. Высокая скорость бега как бы помогает скольжению и тем самым способствует еще большей скорости.

Немаловажную роль в скорости передвижения по снегу играет материал полозьев и структура снега. Коэффициент трения зависит еще и от длины скользящей поверхности.

Скрип снега

Снег скрипит только в мороз, и тональность его скрипа меняется в зависимости от температуры воздуха – чем крепче мороз, тем выше тон скрипа. Скрип снега – не что иное, как шум от раздавливаемых мельчайших кристалликов снега. В отдельности каждый из них так мал, что, ломаясь, издает звук, недоступный человеческому уху. Но когда суммируются мириады таких «голосов», появляется вполне явственный скрип.

Акустические измерения показали, что в спектре скрипа снега есть два не резко выраженных максимума – в диапазоне 250-400 Гц и 1000-1600 Гц. В большинстве случаев низкочастотный максимум на несколько децибел превышает высокочастотный. Если температура воздуха более - 6°C, высокочастотный максимум сглаживается и полностью исчезает. Усиление морозов делает ледяные кристаллики более твердыми и хрупкими. При каждом шаге ледяные иглы ломаются, акустический спектр скрипа смещается в область высоких частот. С изменением температуры от - 8°C до - 20°C сила звука скрипа снега возрастает на 1 децибел.

Химические тайны снежинки

Химический состав "снежинки" - молекулы воды (Н2О) + небольшой % примесей. При температуре - 0°C меняется агрегатное состояние вещества "вода" - оно из жидкого состояния переходит в твёрдое, т. е. замерзает и превращается в лёд. Если же молекулы Н2О находятся в газообразной среде, то при той же температуре -0°C и влажности 100% они из-за своей поляризации (электрический заряд распределён у них не симметрично) начинают постепенно собираться вместе и соединяться в "кристаллические структуры", называемые в народе "снежинками" (в науке же такое чудесное образование (не только из Н2О) называют общим словом "фрактал"). Процесс кристаллизации происходит обычно в воздухе (т. е. в плотных слоях атмосферы планеты Земля), но может также происходить и в других местах - например, на листьях или ветках деревьев или на траве. В первом случае кристаллы получаются симметричными (чем меньше примесей и чем меньше ветер, тем симметричнее) и из-за особенностей строения молекулы воды (атомы Н видны из атома О под углом 120 градусов) имеют 6 лучей (реже 12), в остальных случаях это могут быть линейные или слабоветвящиеся кристаллы. Тем же законам подчиняется и рост инея, изморози и узоров на стеклах. Эти явления, как и снежинки, образуются при конденсации, молекула за молекулой — на земле, траве, деревьях. Узоры на окне появляются в мороз, когда на поверхности стекла конденсируется влага теплого комнатного воздуха.

Эстетические тайны снежинки

Сладкими словами-лакомствами neige, neve, snow, schnee тает во рту снег, помечает кристально-чистым поцелуем губы, попадает и теряется в сетях волос, и, словно огонь, обжигает бледную кожу своим кратким, но памятным прикосновением. Снег умеет оставлять следы. Следы на замерзшей черной земле; следы на душе.

Снег – это стихотворение, выпадающее ослепительными снежинками из по-зимнему пухлых облаков. Это самая чистая, самая невинная, самая белая поэзия в мире. Снег – это дыхание неба, рассыпающееся многогранной белоснежной мозаикой у нас под ногами. Недаром многие поэты воспевали нежную красоту снега в своих произведениях.

Снег - это танец. Танцуем мы, скользя по мокрым, не расчищенным улицам; танцует он, исполняя замысловатые пируэты на ветру в ночном небе, словно сцена подсвеченного огнями и вывесками большого города.

Снег – это музыка. Каждую весну он превращается в воду, и мелкие ручьи уносят нашу грусть и тоску по солнцу белыми ритмами прошедшей зимы.

Снег – это живопись. Он не жалеет белых оттенков на зеленые деревья, красные машины, синие крыши. Он разбивается узорами о стекла. Он стелется граненым льдом, на котором уже мы оставляем свои авторские рисунки.

Снег – это любовь. Безумная, слепая, всепоглощающая, жертвенная любовь. Он падает к нам в ладони и отдается весь целиком без остатка, до последней капли, до последнего кристаллика льда.

Снег – это вечность. Он живет по кругу, у него редкая судьба - умирать и воскрешаться вновь и вновь, одну зиму за другой, меняя формы, обличия, запахи и цвета, но непременно оставаясь самим собой, единственным и неповторимым. Он хоть и падает, но он делает это так величественно и гордо, что невольно столбенеешь, наблюдая из окон теплых квартир за его дерзкой игрой.

Снег - это запатентованное чудо зимы. А снежинка – ее самая большая тайна, предмет многотомных научных докладов, споров и исследований.

Значение снежинки

Поговорки о снежинках «Снег на полях – хлеб в закромах».

Эта старинная русская пословица очень точно определяет роль снега в земледелии. Причем прошлогоднего снега! Известно, что температура почвы, ее влажность, химический состав, структура, насыщенность микроорганизмами в немалой степени зависят от толщины покрывавшего ее зимой снега и его свойств.

Особенно большую роль «прошлогодний» снег играет в засушливых областях, где он нередко оказывается основным источником запасов влаги, необходимых для развития растений. Слой в один сантиметр слежавшегося за зиму снега дает 25-35 кубометров воды на 1 га.

Сейчас почти повсеместно широко входит в практику снежная мелиорация, то есть регулируются высота снежного покрова (с соответствующим изменением плотности и теплопроводности снега), накопление и задержание снега, интенсивность таяния, условия стока талых вод и прочее. Все это позволяет дополнительно собирать многие тонны зерна и другой земледельческой продукции.

Снежный покров – не только чрезвычайно емкий запас влаги, но и гигантское одеяло, прослойка между поверхностью земли и атмосферой. Даже тонкий слой снега нарушает тепло- и газообмен между ними, создает своеобразный «подснежный» климат. Холодная бесснежная зима для средней полосы России – настоящее стихийное бедствие. Ведь если температура почвы на глубине 3 см. (глубина узла кущения) доходит до минус 30°C, то почти все растения погибают. Но при слое снега всего в 20 см. температура на этой глубине уже не опускается ниже минус 20°. Большинство растений нашей средней полосы свободно переносит такое охлаждение. Сугробы высотой в 50 см. гарантируют, что температура почвы не опустится ниже минус 8°C, и все растения благополучно перезимуют.

Есть еще одна немаловажная роль снега в сельском хозяйстве. Воду, полученную из снега, только условно называют дистиллированной. В действительности снег содержит различные химические примеси. Химизм снега весьма разнообразен как по составу, так и по количественному содержанию. В работах академика В. И. Вернадского есть данные о возможных концентрациях главнейших составляющих снега – хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов и соединений азота. Это 0,001-0,005%. Снег приносит в почву и микроэлементы – необходимые стимуляторы роста и общего развития организмов. Эта роль снежного покрова давно подмечена в народе, кратко и точно выражена в пословице «Снег на овес – тот же навоз».

В. И. Вернадский обратил внимание на то, что снежный покров – не просто теплая покрышка озимых, это живительная покрышка, которая весной дает снеговые воды, насыщенные, а иногда и перенасыщенные кислородом. Установлено, что количество азотистых соединений летом в почве пропорционально высоте сошедшего снежного покрова. Отсюда ясна роль снежной мелиорации, регулирования снегопереноса и снегозадержания, когда они проводятся по единому научно разработанному плану.

Снег оказывает влияние на Землю не только своим весом. В планетном масштабе он подобен громадному зеркалу, отражающему в космос почти 90% лучистой энергии Солнца. Такой высокой отражательной способностью (альбедо) не обладает больше ни одно естественное тело. Свободная же от снега суша отражает только 10-20%. Отсюда понятно, что количество тепла, получаемого Землей от Солнца, сильно колеблется в зависимости от того, как изменяются площади снегов.

Это звучит парадоксально, но зимой холодно главным образом от рожденного холодом снега. Снежное покрывало, которое принято считать теплым и которое действительно спасает от морозов растения и животных, на самом деле – в масштабах всей Земли – значительно способствует выхолаживанию планеты: оно надолго изолирует от солнечных лучей обширные территории. Пока лежит снег, почва остается мерзлой, а воздух холодным, да и сам снег тает очень медленно. По мере таяния альбедо снега постепенно уменьшается за счет увлажнения и загрязнения его поверхности, к концу весны доходит до 30 процентов. Кстати, именно здесь кроется путь искусственного ускорения таяния снега. В сельском хозяйстве, на промышленных предприятиях используют запылители (сухую каменноугольную или древесную золу), способствующие быстрому таянию снега.

А еще снежинки очищают воздух от пыли и гари. Вот почему легко дышать во время снегопада. Снег больше отражает губительные спектры солнечных лучей. Наверное, поэтому у северян отсутствуют многие болезни, которые переносят южане. Но эта снеговая медицинская география еще не изучена.

Итак, снег не просто нечто эфемерное, непостоянное, сезонное. Не просто красивый спутник зимнего пейзажа. И даже прошлогодний снег отнюдь не бесполезен. Снег – это и высокие, устойчивые урожаи, это основа зимних дорог и даже аэродромов, это строительный материал для зимовий и различных хранилищ на севере, источник воды на юге. Со снежными запасами связаны водность рек и изменения климата целых районов.

Анализ физических и химических свойств снега

Взятие и подготовка проб снега в разных точках в пределах города Муравленко

Пробоотбор снежной массы проводился в течение одних суток во всех точках, чтобы избежать возможного выпадения снега или сухих выпадений, которые уменьшат степень достоверности результатов. Пробы снега помещались в чистые полиэтиленовые пакеты, во избежание возможного выщелачивания из стекла гидрокарбонатов, карбонатов и других анионов слабых кислот. Для проведения данной работы были взяты 5 проб снега:

Проба №1 – в городском парке.

Проба №2 – на территории школьного двора (МОУ СОШ № 2).

Проба №3 – промзона

Проба №4 – перекресток дорог ул. Губкина и ул. Ленина.

Проба №5 – возле котельной на территории МПГС.

Характеристика физических свойств воды, образовавшейся при таянии проб снега

Для анализа физических свойств талой воды мы пользовались методикой, взятой из сборника. Хорошим показателем состава снега, на наш взгляд, является определение наличия нерастворимых веществ в снеговой воде. Для определения этого мы на всех участках набрали одинаковое количество снега. Сразу после таяния провели анализ на цвет, прозрачность и запах.

Цель работы на данном этапе – установление таких характеристик талой воды, как прозрачность, цвет, запах, наличие осадка, рH, наличие растворённых солей. Анализ физических свойств талой воды дал следующие результаты:

1) 3 пробы талой воды оказались прозрачными, две – мутными. Самой прозрачной оказалась снеговая вода с участков наиболее удаленных от промзоны и дорог (парк).

2). При рассматривании проб воды на фоне белой бумаги обнаружили, что пробы № 1, 2, 3, 4 – бесцветные, проба № 5 имеет желтовато-серый цвет.

3). Пробы № 1, 2, оказались без запаха, в пробах № 3, 4, 5 присутствует неприятный бензиновый запах.

4). После суточного отстаивания проб талой воды обнаружено, что во всех пробах присутствует механический осадок, в некоторых - в довольно большом количестве. Затем пробы профильтровали. Даже невооруженным взглядом было видно, что самый грязный снег находился на территории промзоны и возле дороги, здесь количество нерастворимых частиц превышало показатели других участков в несколько раз. Следующими по загрязненности шли участки возле школы № 2. Самыми чистыми оказались пробы, взятые в парке возле озера, но и там наблюдаются нерастворимые осадки.

Информативным является показатель величины рН снеговых вод.

5). Определение реакции водной среды дало следующие результаты:

Используя индикаторную бумагу, можно определить наличие кислот в осадках и предсказать, к каким последствиям приведет таяние снега. Если в пробе pH меньше 5,6, то это говорит о кислотных выпадениях в изучаемом районе в течение зимы, что наблюдается на участках приближенных к промзоне.

В малозагрязненном снеге, взятом в парке он изменяется от 5,5 до 5,8. Вблизи котельной на промзоне, как правило, рН снега имеет более высокие значения, т. е. обозначает слабощелочную или щелочную среду, что связано с выпадением зольных частиц, повышающих pH снеговой воды.

6). Для определения наличия растворённых солей было взято одинаковое количество талой воды каждой пробы и выпарено. Во всех пробах после выпаривания на стеклышках остался белый налёт, который затем рассматривался под микроскопом. Так же под микроскопом был рассмотрен осадок, оставшийся после естественного испарения того же количества воды каждой пробы.

Выявление химического состава проб талой воды

Снег может служить индикатором атмосферного загрязнения веществами: сульфатами, нитратами, аммонием, основаниями, тяжёлыми металлами и рядом других веществ. Используя специальные методики, можно выявить в снеговой пробе конкретные химические вещества, которые попадают в снег из атмосферы. Целью работы на данном этапе является обнаружение в пробах талой воды различных ионов и соединений. Для этого необходимы различные реактивы, которые являются их химическими индикаторами. Для сравнения полученных результатов необходимо приготовить стандартный раствор, содержащий интересующий нас ион и контроль. Для этого мы использовали отфильтрованную снеговую воду и различные методики.

Исследования химического состава проб показали разную степень их загрязнения. Самой чистой оказалась проба №1, мы не обнаружили в ней присутствия ни одного из исследуемых веществ. Наиболее загрязнена проба №5 – в ней обнаружены в разной степени концентрации 4 из 5 исследуемых химических элементов. В пробах № 3, 4, в малой степени концентрации обнаружены ионы -, SO42-, CO32-, PO43-. И только в пробе №5 были обнаружены в малой концентрации ионы Cl. Ионы SO42- обнаружены в очень малой концентрации в пробах №2 и №3, в пробе №5 их концентрация довольно велика.

Ионы NH4+ обнаружены только в пробе №5, где их концентрация довольно мала.

Определение загрязнения талых вод методом биоиндикации

Биоиндикатор (Bioindicator) от лат. Indicator - указатель - группа особей одного вида или сообщества, по наличию или по состоянию которых, а также по их поведению судят о естественных и антропогенных изменениях в среде. Биоиндикация используется в экологических исследованиях, как метод выявления антропогенной нагрузки на биоценоз.

Для определения качества талой воды, мы прорастили семена кресс-салата в 5-ти образцах талой воды. Результаты проращивания получились различные. Лучше всего дали всходы образцы № 1, 2. Мы не проводили количественно-статистический анализ прорастания семян кресс-салата, поэтому планируем повторить этот этап исследования в следующем году.

Существует много тайн, связанных со снежинками, мы раскрыли лишь некоторые из них.

Тайна №1: Одним из первых, кто изучал снежинки, был Иоганн Кеплер, выдающийся немецкий астроном и математик. Последователей у нег было достаточно, и в наши дни изучение снежинок превратилось в «снежную» науку.

Тайна №2: В природе нет двух совершенно одинаковых снежинок. Каждая точка пространства в один и тот же момент времени, несет свою неповторимую информацию в виде физико-химических факторов внешней среды, которую воспринимает и фиксирует в своей структуре образующаяся снежинка.

Тайна №3: Основная форма снежинок - это шестиугольные пластинки. Снежинки могут иметь и другие формы в зависимости от условий образования.

Тайна №4: Снежинки имеют гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично.

Тайна №5: Каждая снежинка бесцветна, как лед. Все вместе они становятся непрозрачными, не пропускают через себя лучи, а наоборот, отражают их нам в глаза. И поэтому снег мы видим белым.

Тайна №6. Миллиарды "невесомых" снежинок способны повлиять даже на скорость вращения Земли.

Тайна №7. Снежинки состоят на 95% из воздуха, что обуславливает низкую плотность и сравнительно медленную скорость падения (0,9 км/ч).

Тайна №8. Снег скользкий потому, что при давлении и трении полозьев саней или лыж поверхностные частички снежного покрова тают, появляющаяся при этом пленка воды служит как бы смазкой. «Скользкость» зависит от температуры снега и от скорости перемещения.

Тайна №9. Скрип снега – это всего лишь шум от раздавливаемых кристалликов. Разумеется, человеческое ухо не может воспринять звук одной "сломанной" снежинки. Но мириады раздавленных кристалликов создают вполне явственный скрип. Скрипит снег лишь в мороз, чем крепче мороз, тем выше тон скрипа.

Тайна №10. Роль крохотной снежинки в природе очень велика. Человек научился использовать ее секреты себе на благо. Снеговой покров накапливает в своем составе практически все вещества, поступающие в атмосферу. В связи с этим снег можно рассматривать как своеобразный индикатор чистоты воздуха и его очиститель.

Выводы по результатам практической части

1). Анализ физических свойств талой воды взятых проб снега показал, что наиболее близки к контролю – дистиллированной воде – по прозрачности и цвету все пробы, кроме №5; по запаху отличаются от контроля пробы №2 и №5; механический осадок, присутствующий во всех пробах, особенно велик в пробе №5.

Показатель рH ближе к норме (для атмосферных осадков нормально рH=5,6) в пробе №1 (рH=5,5), наиболее высок рH в пробе №5 (рH=6).

3). Исследования химического состава проб показали разную степень их загрязнения. Самой чистой оказалась проба №1, мы не обнаружили в ней присутствия ни одного из исследуемых веществ. Наиболее загрязнена проба №5 – в ней обнаружены в разной степени концентрации 3 из 5 исследуемых химических элементов. В пробах № 3, 4, в малой степени концентрации обнаружены ионы -, SO42-, CO32-, PO43-. И только в пробе №5 были обнаружены в малой концентрации ионы Cl

4). Сопоставляя все результаты наблюдений, можно предположить, что потенциальные источники загрязнения снежного покрова в нашей местности – промышленные предприятия г. Муравленко и автомобильный транспорт. Кроме того, степень загрязнённости проб снега, вероятно, можно объяснить разной удалённостью точек взятия проб снега от источников загрязнения. При образовании и выпадении снега концентрация загрязняющих веществ в нём оказывается на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе.

Поэтому, на основании выводов о загрязнении снежного покрова, можно сделать вывод о степени загрязнения атмосферного воздуха.

Снежный покров – прекрасная возможность для исследования загрязнений природной среды. Он обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха, а так же последующего загрязнения вод и почв.

Данная работа представляет для нас двойной интерес: помимо выявления степени загрязнения снежного покрова, мы планируем проанализировать влияние талых вод на химический состав подземных вод и почв и на следующий год представить результаты. В связи с тем, что мы проанализировали результаты биоиндикации только визуально, без подсчетов, мы планируем повторить его и дать более подробное описание с фоторепортажем.

Можно долго спорить о том, что же такое на самом деле снежинка - зимний цветок или упавшая звезда, важно лишь одно – не пропустить тот миг, когда пойдет снег

Елена Белега «Шестиугольные снежинки Кеплера»

Конечно, в жизни столько больших и значительных вещей, которые ждут своего объяснения Но давным-давно эти маленькие шестиугольные кристаллики не давали покоя одному человеку, будоражили его воображение. «Наверное, он был сказочником», — предположите вы и будете отчасти правы. Он был ученым, а ученые, они порой похожи на сказочников. Удивлены? А разве из тех ученых, которые сейчас приходят вам на ум: в очках или без, бородатых или безбородых, с серьезным выражением лица или с искорками в глазах — никто не напоминает сказочника? Верю! Дело в том, что ученый, о котором идет речь, был не совсем обычным ученым. Все, что попадалось ему на глаза: песчинки или дым, ветер или вода, искры огня или целые планеты — все становилось пищей для его острого ума, все рождало в нем страсть к неизвестному.

Пожалуй, пришла пора назвать его имя. Позвольте представить: Иоганн Кеплер — математик, астроном и астролог. А чтобы познакомиться с ним поближе, давайте отправимся в Прагу начала XVII века.

В тот зимний день Иоганн Кеплер шел по Праге, погруженный в глубокие раздумья. Шел снег. Сначала он падал отдельными кристалликами, а потом, сбившись в белые хлопья, повалил, усиливаясь, ослабевая и нарастая с новой силой. Кеплер размышлял о подарке на Новый год своему другу Иоганну фон Вакенфельсу, золотому рыцарю, любителю наук и крестному отцу одного из его сыновей. Будучи математиком при дворе Рудольфа II, покровителя наук и искусств, Иоганн Кеплер не имел ни гроша в кармане. Казна короля была, как всегда, пуста, и Кеплеру, как всегда, задерживали жалованье. Однако наш герой был полон сил и идей.

В далеком прошлом остались лишения, которые ему суждено было испытать в детстве. С семи лет Иоганн прислуживал в кабаке. Обладавший от рождения пытливым умом, но слабым здоровьем, в 13 лет мальчик заболел так, что родители не надеялись на его выздоровление. Но плохое здоровье оказало Иоганну неоценимую услугу. К 18 годам стало совершенно очевидно, что юноша непригоден ни к какой физической работе, и его отдали в богословы. Теология? Нет, математика и философия покорили его сердце: он пришел в восторг от красоты коперниковской модели Солнечной системы и навсегда связал свою жизнь с математикой.

Так только в сказках бывает, можете усомниться вы. И я соглашусь, ведь мы как раз о сказочнике и ведем разговор. А все, что вокруг них, сказочников, происходит, всегда необычно.

Так что вернемся в новогоднюю Прагу. Новый год — самое подходящее время для чудес и прекрасная возможность поблагодарить своего друга. Друг Иоганна Кеплера был большим любителем загадочного Ничто — всего самого малого и неощутимого, что есть в каждом предмете. И падающие снежинки оказались замечательным подарком для изысканного ценителя маленьких вещей. Удивлены? Я тоже. Но послушаем самого Кеплера, для которого «Ничто» и снег оказались почти одним и тем же. «Если спросить германца о том, что такое „Nis“ („снег“ по-латыни), он ответит „Nihil“ („ничто“), если, конечно, сумеет сказать по-латыни». И если вам, по душе такие размышления, последуем за придворным ученым.

Итак, лист бумаги, чернила и первые вопросы: «Поскольку всякий раз, когда начинает идти снег, первые снежинки имеют форму шестиугольной звезды, то на это должна быть определенная причина. Ибо если это случайность, то почему не бывает пятиугольных или семиугольных снежинок, почему падают шестиугольные, если только они от соударения не утрачивают форму, не слипаются во множестве, а падают редко и порознь?» Из-под пера Иоганна Кеплера рождались строки новогоднего послания другу и первого научного труда по кристаллографии: «Когда я недавно рассуждал с кем-то на эту тему, то мы сошлись прежде всего на том, что причину следует искать не в веществе, а в действующем начале» (таинственной силе, которая вынуждает снежинки принимать шестиугольные формы).

В поисках «действующего начала» снежинок у математика Кеплера рождается новый вопрос: что стоит за шестиугольной формой пчелиных сот? Инстинкт, которым пчелы наделены от природы и который позволяет им строить именно такие соты? Творец, который заложил в соты свои архетипы зодчества? Предположим, что это так, тогда какова цель, поставленная создателем перед пчелой? Во-первых, в шестиугольных сотах можно запасти больше меда, чем в кубических решетках. Однако одного этого соображения недостаточно. Так как если пчел интересует лишь емкость сот, то почему они не строят себе круглое гнездо? Возможно, есть и другая причина: нежным тельцам пчел удобнее покоиться в ячейках, имеющих форму, близкую тельцу самой пчелы. К тому же объем работы сократится, если две пчелы всегда будут возводить одну общую стенку. «В таком доме и стены прочные, и тепло», — заключает Кеплер.

Пока снежинки кружились над зимней Прагой, математик Иоганн Кеплер успел обратить свой взор к зернышку граната. Кто виновник того, что зерна граната имеют форму правильной ромбической фигуры? «Причина не может таиться в самом материале. Как пчелам негде взять готовые ромбические листочки, которые можно было бы собрать, а затем построить из них свои домики. Столь же маловероятно, чтобы в плодах граната зерна сами по себе становились ребристыми». И Кеплер, опять превратившись в настоящего сказочника, приходит к красивому и очень простому выводу: если причина правильных форм зерен граната не в материале, следовательно, она кроется в душе самого растения, которая печется о росте зерен. Вначале, пока зернышки малы и им хватает места внутри кожуры, они круглые. Затем кожура затвердевает, и зернышки начинают стеснять друг друга, создавая плотную упаковку.

Почему улитка закручивает свою раковину по спирали, а у всех деревьев и кустарников, по крайней мере у большинства из них, цветы, распускаясь, приобретают пятиугольную форму? Рассуждения о красоте и свойстве форм, в которых проявляется душа улитки или цветка, Кеплер считал вполне уместными.

«Но разве все это имеет отношение к снегу?!» — спросите вы. Сегодняшние ученые говорят, что имеет, и самое непосредственное. И хотя они пока не могут объяснить, почему снежинки шестиугольные, но изучают это явление как действие в природе закона формообразования. Возможно, именно душа сказочника позволила математику увидеть красоту Божественного замысла и объединить вещи, казалось бы, необъединяемые.

Снег все падал и падал. И маленькая новогодняя снежинка, маленькое Ничто превращалось в Великое Нечто со своей Тайной. А новогодний подарок другу — в научный трактат «О шестиугольных снежинках». В нем можно отыскать напутственные строки и для нас, далеких потомков Кеплера: «я вижу, сколько еще мне осталось сказать, чтобы постичь подлинную причину данного явления, и поэтому предпочитаю услышать, что думаешь по этому поводу ты нежели утомлять тебя своими догадками».

Класификация снежинок

В 1951 году Международная Комиссия по Снегу и Льду приняла классификацию твёрдых осадков. Согласно ей все снежные кристаллы можно разделить на следующие группы: звёздчатые дендриты, пластинки, столбцы, иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились еще три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

Звёздчатые дендриты - кристалл или другое образование, имеющее древовидную, ветвящуюся структуру. Они имеют шесть симметричных основных веток и множество расположенных в произвольном порядке ответвлений. Их размер - 5 мм и более в диаметре, как правило, они плоские и тонкие - всего 0. 1 мм.

Пластинки - множество ледяных ребер как будто делят лопасти снежинок на сектора. Как и звёздчатые дендриты, они плоские и тонкие.

Столбики. Хотя плоские, пластинчатые снежинки больше притягивают взгляд, тем не менее самой распространенной формой снежных кристаллов является столбик или колонна. Такие полые столбики могут быть шестигранными, в виде карандаша, заостренные на концах в виде конуса.

Иглы - столбчатые кристаллы, выросшие длинными и тонкими. Иногда внутри них сохраняются полости, а иногда концы расщепляются на несколько веточек.

Пространственные дендриты. Очень интересные конфигурации получаются, когда плоские или столбчатые кристаллики срастаются или спрессовываются, образуя объемные структуры, где каждая веточка расположена в своей плоскости.

Столбики с наконечниками. Изначально такие кристаллы имеют столбчатую форму, но в результате некоторых процессов меняют направление роста, превращаясь в пластинки. Такое может произойти, если, кристалл заносит ветром в зону с другой температурой.

Кристаллы неправильной формы. На долю снежинки может выпасть немало приключений, она может попасть в зону турбулентности и потерять в ней некоторые из своих веточек или разломаться совсем. Обычно таких "покалеченных" снежинок много в сыром снеге, т. е. при относительно высокой температуре, особенно при сильном ветре.

Рисунок справа - Символы: F1-пластинки; F2 - звездочки; F3-столбики; F4 -иголки; F5 -пространственные звездочки; F6 - столбики с пластинками; F7 - кристаллы неопределенной формы; F8 - снежная крупа; F9 - ледяные зерна; F0 - град. Первый столбик - графические символы. (Источник - Международная классификация выпадающих снежных кристаллов).

Исследования и исследователи снежинок

1555 Швейцарский исследователь Мангус Им были сделаны зарисовки различных форм снежинок.

1611 Астроном Иоганн Кеплер Издал научный трактат «О шестиугольных снежинках», в котором подверг чудеса природы рассмотрению со стороны жёсткой геометрии. Миниатюра «О шестиугольных снежинках»— это раритет науки, документ теоретической кристаллографии и гордость её истории. «Изобилие глубочайших идей, широта подхода при рассмотрении причин образования снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие высказанных гипотез поражают и сейчас» — вот авторитетное мнение историка кристаллографии И. И. Шафрановского.

1635 Рене Декарт Формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель, написавший этюд, включённый им впоследствии в «Опыт о метеорах» или просто «Метеоры».

1885 Уилсон Бентли (Wilson A. Bentley) После множества проб и ошибок, американский фермер получил первую удачную фотографию снежинки под по прозвищу «Снежинка» микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, сделав более 5000 уникальных снимков. На основе его работ было доказано, что не существует ни одной пары абсолютно одинаковых снежинок (что впоследствии существенно дополнило теорию кристалла).

1951 Международная комиссия по снегу и Приняла довольно простую и получившую широкое распространение классификацию твёрдых осадков. Согласно этой льду системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки, звёздчатые кристаллы, столбцы (или колонны), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились ещё три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.

1954 Японский ученый Накая Укитиро Издал книгу «Снежные кристаллы: натуральные и искусственные», называл снег "письмом с небес, написанным тайными иероглифами". Он первым создал классификацию снежинок. Именем Накая назван единственный в мире музей снежинок, расположенный на острове Хоккайдо.

1955 Русский ученый А. Заморский Разделил снежинки на 9 классов и 48 видов. Это — пластинки, иглы, звезды, ежи, столбики, пушинки, запонки, призмы, групповые.

1966 Метеорологи С. Магоно и Сю Ли Произвели самую сложную и полную классификацию снежинок – в ней описано 80 типов кристаллов.

2001 Кеннет Либбрехт (Kenneth Профессор физики, астроном начал свои исследования в области снега. В его лаборатории снежинки выращиваются

Libbrecht) из Калифорнийского искусственно.

технологического института.

Цвет льда

Цвет льда зависит от его возраста и может быть использован для оценки его прочности. Океанический лед в первый год своей жизни белый, потому что он насыщен воздушными пузырьками, от стенок которых свет отражается сразу же, не успев поглотиться. Летом поверхность льда тает, теряет прочность, и под тяжестью ложащихся сверху новых слоев пузырьки воздуха сжимаются и исчезают совсем. Свет внутри льда проходит больший путь, чем прежде, и выходит наружу, имея голубовато-зеленый оттенок. Голубой лед старше, плотнее и прочнее белого «пенистого», насыщенного воздухом. Полярные исследователи это знают и выбирают для своих плавучих баз, научных станций и ледовых аэродромов надежные голубые и зеленые льдины. Бывают черные айсберги. Первое сообщение в печати о них появилось в 1773 г. Черный цвет айсбергов вызван деятельностью вулканов - лёд покрыт толстым слоем вулканической пыли, которая не смывается даже морской водой.

Самая снежная страна

Снеги, белые снеги –

Покров моей родины.

С. Есенин.

«Нигде влияние снежного покрова так не велико, как в России, так как нигде нет равнины настолько обширной, отдаленной от морей и покрытой снегом зимой», – писал около 100 лет назад великий климатолог И. А. Воейков.

Толщина снежного покрова на территории России далеко не везде одинакова. Однако общую закономерность все же можно проследить. Она постепенно нарастает от Балтийского моря до Подмосковья, резко увеличивается в Предуралье и в горах Урала, а на равнинах Западной Сибири снега снова становится меньше. Обширная область наиболее глубоких снегов расположена севернее Енисейска, при впадении Подкаменной Тунгуски в Енисей. Здесь высота снежного покрова достигает 1 метра. Еще восточнее, в некоторых горных и приморских районах снега накапливается и того больше. А вот в Забайкалье, где подолгу стоят устойчивые и сильные морозы, но при ясной, сухой погоде, высота снежного покрова чуть ли не в 10 раз меньше, чем в районе Енисейска. Рекордная, причем не только для России, но и для всей Евразии, цифра высоты снежного покрова зарегистрирована на Камчатке. Обилие снега там связано с сочетанием гористого рельефа и влажных тихоокеанских ветров. Здесь даже на небольшой высоте над уровнем моря слой снега достигает 1,3-1,6 метра, а в отдельных районах – до 5-6 метров.

В горах отмечаются наибольшие контрасты в распределении снега. На высоких вершинах выпадающий за зиму снег не успевает растаять за лето, скапливается, превращается в глетчерный лед. Толщина снега часто зависит от крутизны и направления склонов, их ориентации, от господствующих ветров. Метели существенно перераспределяют снег в горах, создают глубокие наметы снега на подветренных склонах и оголяют склоны наветренные.

По времени, сколько земля находится под снегом, тоже есть большие различия. В Сочи, в Предкавказье и на Кавказе – лишь несколько дней в году, на Крайнем Севере – до 9-10 месяцев. Разумеется, это средние цифры. Случаются, особенно в южных и западных районах, существенные отступления от них.

Снежная мелиорация

Чтобы задержать на поле выпавший снег, применяют разные способы: собирают снег в валики, уплотняют его катками, оставляют на поле высокую стерню, создают стерневые кулисы из подсолнечника или горчицы, на посевах озимых ставят щиты.

И это дает очень ощутимый эффект. В высокой стерне или между валиками скапливается снег толщиной 35. 40 сантиметров, а рядом, где их нет, – лишь 8. 10 сантиметров. Такая разница дает при таянии дополнительно 800. 900 кубометров воды на гектар, способствует повышению урожайности.

Районы с устойчивым и мощным снежным покровом в снегозадержании не нуждаются. Там задача, чтобы снег поскорее растаял, чтобы растения, продолжающие развиваться под снегом, не пострадали от вымокания и выпревания. На Крайнем Севере свои особенности снежной мелиорации. Там надо ранней осенью скопить снег, а весной ускорить его таяние, чтобы удлинить вегетационный период, чтобы успел образоваться более толстый слой талого грунта над вечной мерзлотой. Это позволит культивировать в открытом грунте многие растения.

Методики определения физических свойств талой воды

1) Прозрачность снеговой воды зависит от количества взвешенных частиц и содержания химических веществ. Мерой прозрачности служила высота столба воды (в см), при которой можно различить на белой бумаге стандартный шрифт с высотой букв 3,5 мм. Для определения прозрачности мы налили воду в высокий цилиндр с внутренним диаметром 2,5 см и дном из плоско отшлифованного стекла. Цилиндр установили неподвижно над шрифтом на высоте 4 см. Просматривая шрифт сверху через столб воды и доливая воду в цилиндр, нашли высоту столба воды. Можно сравнить каждую пробу с контролем – дистиллированной водой. Вода может быть прозрачной, слабо мутной, сильно мутной.

2). Для определения цвета используют белый фон (лист белой бумаги или белая пластина), на котором пробу талой воды рассматривают сверху.

3). Для определения запаха талую воду наливают в коническую колбу (250 мл), закрывают колбу пробкой, встряхивают, затем открывают её и быстро определяют характер запаха. Запахи могут быть естественными и искусственными. Интенсивность запаха оценивается по 5-бальной системе:

0 – никакой, 1 – очень слабый, 2 – слабый, 3 – заметный, 4 – отчётливый, 5 – очень сильный.

4). Наличие осадка определяется суточным отстаиванием воды. Если осадок образуется, он может быть: хлопьевидным, плотным белым, плотным бурым, сероватым, в виде песка, глины или растительных остатков.

5). Для определения реакции водной среды необходим универсальный индикатор, цвет которого сравнивается со шкалой рH.

6). Для определения содержания растворённых солей необходимо выпаривать одинаковое количество воды каждой пробы, сравнивая с контролем – дистиллированной водой, которая не содержит солей.

Методики определения химических веществ в снеге

SO42-. К 10 мл пробы прибавить 1мл хлорида бария. При содержании SO42- возникает помутнение.

SO32-. К 10 мл пробы прибавить слабый раствор марганцовокислого калия. При содержании сульфит ионов розовый цвет исчезает.

S2-. К 10 мл пробы добавить нитрат серебра. Если есть сульфид ионы, то появиться слабое помутнение.

CL-. К 10 мл пробы добавить ацетат свинца. При наличии хлорид ионов выпадает осадок черного цвета.

NH4-. К 10 мл пробы добавить р-р щелочи сильной концентрации и подогреть. При наличии ионов аммония появится запах аммиака.

Самыми загрязненными химическими веществами как всегда оказались участки на перекрестке Губкина и Ленина и на промзоне.

Кресс-салат — однолетнее овощное растение, обладающее повышенной чувствительностью к загрязнению почвы тяжелыми металлами, а также к загрязнению воздуха газообразными выбросами автотранспорта. Этот биоиндикатор отличается быстрым прорастанием семян и почти стопроцентной всхожестью, которая заметно уменьшается в присутствии загрязнителей.

Кроме того, побеги и корни этого растения под действием загрязнителей подвергаются заметным морфологическим изменениям (задержка роста и искривление побегов, уменьшение длины и массы корней, а также числа и массы семян).

Кресс-салат как биоиндикатор удобен еще и тем, что действие стрессоров можно изучать одновременно на большом числе растений при небольшой площади рабочего места (чашка Петри, кювета, поддон и т. п. ). Привлекательны также и весьма короткие сроки эксперимента. Семена кресс-салата прорастают уже на третий — четвертый день, и на большинство вопросов эксперимента можно получить ответ в течение 10—15 суток.

Методика

Прежде чем ставить эксперимент по биоиндикации загрязнений с помощью кресс-салата, партия семян (предварительно приобретенная в магазине семян), предназначенных для опытов, проверяется на всхожесть. Для этого семена кресс-салата проращивают в чашках Петри, в которые насыпают промытый речной песок слоем в 1 см. Сверху его накрывают фильтровальной бумагой и на нее раскладывают определенное количество семян. Перед раскладкой семян песок и бумагу увлажняют до полного насыщения водой. Сверху семена закрывают фильтровальной бумагой и неплотно накрывают стеклом.

Проращивание ведут в помещении при температуре 20 — 25 С. Нормой считается прорастание 90 — 95 % семян в течение 3 — 4 суток. Процент проросших семян от числа посеянных называется всхожестью.

После определения всхожести семян приступают к проведению эксперимента, закладывая один или несколько опытов в следующей последовательности.

Чашки Петри заполняют исследуемым субстратом (талой водой с различных участков), на дно положив фильтровальную бумагу.

В другую чашку кладут такой же объем заведомо чистого субстрата, который будет служить в качестве контроля по отношению к исследуемому материалу.

Субстраты во всех чашках увлажняют из емкостей соответствующих образцов (1-5) до появления признаков насыщения.

В каждую чашку на поверхность субстрата укладывают по 50 семян кресс-салата и снова покрывают фильтровальной бумагой, смоченной в талой воде соответствующего образца. Расстояние между соседними семенами должно быть по возможности одинаковым.

Увлажняют верхние слои субстратов до влажности нижних.

В течение 10—15 дней наблюдают за прорастанием семян, поддерживая влажность субстратов примерно на одном уровне. Результаты наблюдений записывают в таблицу.

В зависимости от результатов опыта субстратам присваивают один из четырех уровней загрязнения.

1. Загрязнение отсутствует. Всхожесть семян достигает 90 – 100 %, всходы дружные, проростки крепкие, ровные. Эти признаки характерны для контроля, с которым следует сравнивать опытные образцы.

2. Слабое загрязнение. Всхожесть 60 —90%. Проростки почти нормальной длины, крепкие, ровные.

3. Среднее загрязнение. Всхожесть 20 — 60%. Проростки по сравнению с контролем короче и тоньше. Некоторые проростки имеют уродства.

4. Сильное загрязнение. Всхожесть семян очень слабая (менее 20%). Проростки мелкие и уродливые.

При проведении опытов с кресс-салатом следует учитывать, что большое влияние на всхожесть семян и качество проростков оказывают водно-воздушный режим и плодородие субстрата.

Комментарии


Войти или Зарегистрироваться (чтобы оставлять отзывы)