Научно-исследовательский проект на тему "бывают ли одинаковые снежинки". Почему не бывает одинаковых снежинок

• Перевод

Снежинки различных форм и размеров, появившиеся в естественной среде. Фотография из журнала Popular Science Monthly Volume № 53 от 1898 г.

Возможно, вы слышали поговорку об «особенной снежинке». Речь идёт о том, что снежинки красивы и ценны тем, поскольку в огромном их количестве нельзя найти двух одинаковых. Говорят, что не существует двух идентичных снежинок – но так ли это на самом деле? Стоит обратиться к тому, что думает по этому поводу наука – именно об этом и спрашивает нас один из наших читателей:

Я слышала, что учёные говорят, будто не существует двух одинаковых снежинок. А я скажу: откуда это может быть точно известно, если только вы не изучите все упавшие на землю снежинки? Может быть, где-нибудь в России снежинка падает одновременно с идентичной ей снежинкой где-нибудь в Миннесоте.

Снежинка – это молекулы воды, связанные вместе в определённой твёрдой конфигурации. У большинства из них наблюдается шестиугольная симметрия; это происходит из-за того, под каким углом молекулы воды способны связываться друг с другом. Этот угол определяется физикой атома кислорода, двух атомов водорода и электромагнитного взаимодействия. Простейший из микроскопических снежных кристаллов, который можно увидеть в оптический микроскоп, имеет размер в одну миллионную метра (1 мкм) и может принимать весьма простые формы – к примеру, плоского шестиугольника. В нём умещается всего около 10000 атомов, и среди них можно найти множество одинаковых.

Шестиугольность симметрии снежинок известна давно. Эта коллекция фотографий датируется 1902-м годом.

Согласно Книге рекордов Гиннеса, Нэнси Найт, учёный из Национального центра атмосферных исследований, повезло обнаружить две одинаковые снежинки во время исследований снежных кристаллов из метели в Висконсине 1988 года с использованием микроскопа. Но Гиннес выдаёт сертификат только на основании идентичности снежинок с учётом точности, доступной микроскопу. Когда физика требует идентичность двух объектов, она имеет в виду идентичность вплоть до субатомных частиц! А это значит:

Нужно, чтобы именно такие частицы
сложились именно в такой конфигурации
с одинаковыми связями между ними
у двух разных макроскопических систем.

Изучим, что для этого потребовалось бы.

Одна молекула воды – это один атом кислорода и два атома водорода, связанные вместе. Когда молекулы замерзшей воды связываются вместе, с каждой из них оказываются связанными четыре других молекулы: одна в каждой из вершин тетраэдра с центром этой молекуле. В результате молекулы воды упаковываются в решётку – шестиугольную кристаллическую решётку. Но большие призматические «кубики» льда, такие, какие можно наблюдать у отложений кварца, встречаются крайне редко. Переходя с малейших масштабов и конфигураций на верхний уровень, вы увидите, что верхняя и нижняя поверхности этой решётки очень плотно упакованы и связаны друг с другом – с двух сторон оказываются плоские грани. И наоборот, на оставшихся гранях видны отдельные молекулы, и новые молекулы воды связываются с ними в более произвольном порядке. На углах шестиугольника связи получаются самые слабые, поэтому в растущих кристаллах и появляется шестиугольная симметрия.

Формирование и рост снежного кристалла, фрагмент видео

Затем новообразованные структуры вырастают уже по этой симметричной схеме, поддерживая шестиугольную асимметрию при достижении определённого размера. У больших и сложных снежных кристаллов через микроскоп можно найти сотни видимых черт. Можно видеть сотни отличительных черт, и порядка 10 19 молекул воды, составляющих типичную снежинку, если верить Чарльзу Найту из Национального центра атмосферных исследований. И для каждой из этих особенностей существуют миллионы подходящих мест, в которых могут сформироваться новые отростки. Так сколько из этих новых особенностей может сформировать снежинка, и при этом оказаться идентичной с какой-то другой?

Каждый год на землю выпадает порядка 3*10 13 кубических метров снега, а в каждом кубическом метре содержится примерно 3*10 10 снежинок. Поскольку Земля существует порядка 4,5 млрд лет, за всю её историю на неё упало порядка 10 34 снежинок. С точки зрения статистики количество отдельных уникальных симметрически ветвящихся особенностей снежинки, которое она могла бы себе позволить, чтобы на протяжении всей истории Земли у неё появился идентичный близнец, равно пяти. При этом у реальных, полностью выросших естественных снежинок таких особенностей сотни.

Даже на миллиметровом масштабе на снежинке можно рассмотреть множество несовершенств, затрудняющих воспроизводство другой, точно такой же снежинки

Две идентичные снежинки реально будет найти, только если рассматривать самые маленькие кристаллы на начальных стадиях роста. А если спуститься на молекулярный уровень, ситуация становится ещё хуже. Обычно у кислорода есть 8 протонов и 8 нейтронов, а у водорода – 1 протон и 0 нейтронов. Однако примерно в одном из 500 атомов кислорода присутствует 10 нейтронов, а в одном из 5000 атомов водорода есть 1 нейтрон, а не 0. С такими цифрами, если даже вы создадите идеальный шестиугольный снежный кристалл, и доберётесь до количества кристаллов, выпавших на землю за всю историю - 10 34 , вам нужно будет всего лишь дорасти до размера в несколько тысяч молекул, то есть, до снежинки размером в 0,01 микрон (это меньше длины волны видимого света), чтобы получить уникальную структуру, которой мир ещё не видал.

При изучении шестиугольного снежного кристалла с ободком под электронным микроскопом видно, сколько у него есть тонких и разнообразных несовершенств, которые невозможно воспроизвести на молекулярном уровне

Но если вы хотите игнорировать различия на атомном и молекулярном уровне, и использовать искусственные снежинки, у вас есть шанс. Исследователь снежинок Кеннет Либбрехт из Калтеха разработал технологию создания искусственных идентичных снежинок и их фотографирования при помощи особого микроскопа, который он назвал SnowMaster 9000.

Выращивая снежинки рядом в определённых лабораторных условиях он показал, что можно создать две снежинки, неотличимые друг от друга.

Ну или типа того. Они неотличимы для человека, смотрящего в микроскоп – но на самом деле они отличаются. Как и у однояйцевых близнецов, у них есть множество отличий: разные места связей молекул, немного разные ветвления, и чем они больше, тем лучше видны эти отличия. Именно поэтому эти снежинки делают небольшими, а микроскоп взят мощный: чем проще снежинки, тем меньше между ними различий.

Тем не менее, множество снежинок похожи друг на друга. Но если искать на самом деле идентичные снежинки, на структурном, молекулярном или атомном уровне, то природа вам этого никогда не даст. Количество возможностей слишком велико не только для истории Земли, но и для истории Вселенной. Если подсчитать, сколько планет Земля нам потребуется для того, чтобы у нас был шанс найти две одинаковых снежинки за все 13,8 млрд лет существования Вселенной, то получится число порядка 10 10 000 000 000 000 000 000 . А поскольку в наблюдаемой Вселенной есть всего 10 80 атомов, это очень маловероятно. Так что, судя по всему, все снежинки действительно уникальны.

Проектная работа БЫВАЮТ ЛИ СНЕЖИНКИ ОДИНАКОВЫЕ Выполнил: Макар Жихарев, 3- класс, лицей №179, г. Санкт-Петербург. Руководитель: Агафонова С.В.

Во время снегопада мы редко задумываемся, что обыкновенные снежинки могут продемонстрировать удивительную сложность строения, правильность и многообразие форм. Это хорошо заметно даже невооруженным глазом, однако если рассматривать снежинки в микроскоп, нам откроются новые и весьма удивительные детали.

ПЛАН ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ: изучить снежинки, как удивительное явление природы. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: наблюдение за снежинками в природе; изучение образования снежинок; выявление разнообразия форм снежинок, причины скрипа снега; опытным путём понаблюдать образование снежинок; выявить знания учащихся о снежинках;

ГИППОТЕЗА Если при таянии снежинок образуется вода, то снежинки появляются из воды. Если снежинок так много, значит в природе должно быть большое количество одинаковых снежинок.

Предмет исследования СНЕЖИНКИ СНЕГ

Что такое СНЕЖИНКА Снежинка - сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда. Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают. Появляющиеся при этом кристаллы льда, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы. И снежинка отправляется на землю уже шестиконечной звёздочкой. ;

ИЗУЧЕНИЕ СНЕЖИНКИ Уилсон А. Бентли Профессор Либбрехт

ИЗУЧЕНИЕ СНЕЖИНКИ

ЭКСПЕРИМЕНТ 1 Я заморозил капельки воды, но снежинки не получились. А это значит, снег не появляется из капелек воды. Капельки воды могут стать градинками, комочками льда, но не снежинками.

ЭКСПЕРИМЕНТ 2 В снегопад я вышел на улицу, подставил рукавичку под снег. На неё упало несколько снежинок. Я стал рассматривать их в увеличительное стекло. С нежинки хорошо можно рассмотреть только тогда, когда они падают на ладонь. Под действием какой-то даже небольшой силы они ломаются, а значит снежинки очень хрупкие.

Что же такое снежинки

ИНтервью Я проводил интервью среди 25 учеников 3-А класса школы № 619, в которой учится моя подруга. По результатам интервью - 20 из 25 ребят утверждают что снежинка состоит из воды; - 24 из 25 ребят утверждают что одинаковые снежинки бывают;

МИФ об ОДИНАКОВЫХ СНЕЖИНКАХ

ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О снежинках

ВЫВОДЫ Работая над темой я достиг своей цели и узнал очень много о снежинках. В процессе изучения и исследования решил поставленные мной задачи. К большому сожалению мои гипотезы не подтвердились. За то мы теперь точно знаем, как образуются снежинки и какими они бывают.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!!!

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.

Сайт для школьников и их родителей Затеево.ру выяснил, что одинаковых снежинок не бывает!

С Н Е Ж И Н К И

НА

ФОТОГРАФИЯХ ЯРОСЛАВА ГНАТЮКА!

Нет ничего невесомее крохотных снежинок. Упадет на руку, не почувствуешь!

Весят около миллиграмма, редко - 2...3 миллиграмма.

Люди редко разглядывают снежинки, а ведь двух совсем одинаковых снежинок не найти. В лучших коллекциях микрофотографий насчитывается более 5 тысяч снимков снежинок, отличных друг от друга.

ЗАТЕЕВО представляет коллекцию снежинок украинского фотографа Ярослава Юрьевича Гнатюка. Ярослав Гнатюк живёт и работает в Днепропетровске, его работа связана с банковскими платёжными системами, а микрофотография - хобби. Но его фотографии настолько профессиональны, что в этом году он стал победителем фотоконкурса Яндекса.

Почему все снежинки такие разные?

Сначала все зародыши снежинок похожи на крошечные шестиугольные призмы. Потом из шести углов призмы начинают расти совершенно одинаковые ледяные иголочки — боковые отростки. Одинаковые иголочки потому, что температура и влажность вокруг зародыша тоже одинаковые. На них в свою очередь вырастают, как на дереве, боковые отростки — веточки. Снежинка начинает интенсивно увеличиваться в размерах. При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Так, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка. Передвигаясь вверх и вниз в облаке, снежинка попадает в условия с разной температурой и содержанием водяного пара. Ее форма меняется. Так снежинки становятся разными. Хотя в одном облаке на одной высоте они могут «зародиться» одинаковыми. Путь до земли у каждой снежинки свой. А значит, у каждой и своя окончательная форма. Снежинки падают со скоростью примерно 15 метров в минуту. Они почти не связаны между собой, и даже небольшой ветер 2 метра в секунду приводит их в движение. В воздухе форма снежинок непрерывно меняется. На образование и рост снежинок влияет множество факторов.

Образующий снежинку лед прозрачен. Но когда снежинок много, то солнечный свет, отражаясь и рассеиваясь на многочисленных гранях снежинок, создает у нас впечатление белой непрозрачной массы — мы называем ее снегом. Сталкиваясь на своем пути с переохлажденными мелкими капельками воды, снежинка упрощается по форме. Столкнувшись с крупной каплей, может превратиться в градинку. В разных местах выпадает «свой» снег, в зависимости от погодных условий.

Известно, что весной 1944 года в Москве выпали снежные хлопья размером до 10 сантиметров. В Сибири наблюдались снежные хлопья до 30 сантиметров. Необходимое условие для этого - полнейшее безветрие. Снежинки долго кружатся в воздухе, поднимаясь и опускаясь, долго путешествуют, сталкиваются и сцепляются друг с другом. Малейший ветерок разрывает такие хлопья на отдельные части. При низкой температуре и сильном ветре снежинки сталкиваются в воздухе, крошатся и падают на землю в виде обломков.

Все материалы детского сайта Затеево.ру собраны здесь: . Сайт для детей Затеево.ру - единственный познавательный ресурс такого рода среди тех, которые можно найти в каталогах детских сайтов. Затеево.ру меняет привычный взгляд на школьный интернет!