Рост кристаллов льда
Введение
снежинка кристалл ледяной
Человеку всегда важно знать, какая будет погода, поскольку она влияет на его деятельность и самочувствие. Наблюдая природу в ненастье и солнечным днём, в сумерки и ночью, люди отмечали характерные признаки, предваряющие те или иные изменения погоды. Так появились многочисленные приметы - свидетельства народной мудрости. Красив снежный узор на окнах в блеске утреннего солнца и в густой синеве зимних сумерек…Мне всегда хотелось узнать, почему на окнах появляются снежные узоры? И можно ли по узору предсказывать погоду?
В этом и заключается актуальность моего исследования: в изучении ледяных узоров и снежинок на стекле и возможности предсказания погоды по ним.
Цель исследования: исследовать взаимосвязь снежных узоров и погоды.
Исходя из поставленной цели, в ходе работы над научно-исследовательским проектом мною были выявлены следующие задачи.
Задачи исследования:
1. Исследовать имеющуюся литературу по теме исследования.
. Измерять температуру воздуха на улице в течение определенного времени.
. Сделать фотографии ледяных узоров и снежных рисунков на стекле.
. Обработать и систематизировать полученные результаты, свести их в таблицы.
. Провести анализ результатов исследования и сделать выводы о том, как влияет температура и образование снежных узоров на изменение температуры воздуха на улице.
В ходе исследования, мною была выдвинута гипотеза: «По снежным узорам на окнах можно предсказывать погоду на следующий день».
1. Теоретическая часть
.1 Образование снежных узоров и ледяных кристаллов
В морозную ночь оконное стекло очень быстро теряет тепло, охлаждая молекулы водяного пара в воздухе помещения возле окна. Температура молекул воды в воздухе может упасть ниже точки замерзания, но сами молекулы при этом не замерзнут. Однако при соприкосновении с холодным стеклом этот переохлажденный водяной пар мгновенно, минуя стадию воды, превращается в лед.
Данное явление называется десублимация или депозицией - физический процесс перехода вещества из газообразного состояния в твёрдое, минуя жидкое. Десублимация является экзотермическим фазовым переходом и при десублимации высвобождается энергия.
Из молекул, скопившихся в крошечных царапинах на стекле, формируется кристалл, из которого затем произрастают замысловатые узоры.
Таким образом: узоры на окне появляются в мороз, когда на поверхности стекла конденсируется влага теплого комнатного воздуха.
1.2 Рост кристаллов льда
На стекле замёрзшего окна легко увидеть, как возникают, растут и постепенно меняют свою форму кристаллы льда. Можно расчистить в непрозрачном слое льда, затянувшего окно, круглый «глазок», подышав на замёрзшее стекло или приложив к нему палец. Если перестать греть глазок, то он опять затянется слоем льда, так же как замерзает прорубь на реке от холодного дыхания мороза. Понаблюдайте внимательнее за тем, как закрывается глазок: сначала от его краёв к середине вытягиваются тонкие иголочки - нежный еле видимый узор. От этих иголочек в стороны ответвляются новые иголочки, перышки, звёздочки. Вот уже весь глазок покрыт ими, как тончайшим кружевом, а от краёв глазка растёт новый слой иголочек и звёздочек, закрывая первое плетение, - отдельные веточки соединяются, сливаясь в сплошной слой. Так происходит рост кристаллов льда.
Новые кристаллы всегда начинают расти от краёв глазка, от оставшихся не растаявших слоёв льда. Это и понятно: пристроиться к уже готовой кристаллической решётке частицам воды легче, чем начинать строить новую решётку.
1.3 Структура ледяных узоров и снежинок
При медленной конденсации водяных паров молекулы воды образуют почти плоскую структуру - кластер, которая имеет осевую симметрию шестого порядка, т.е. при повороте на 60° она переходит сам в себя. Заметим, что это только один из множества возможных способов объединения молекул воды в кристалл льда.
На схематическом рисунке атомы кислорода в молекулах изображены, синим цветом, атомы водорода - красным. Хорошо видно, что некоторые места в структуре (они отмечены зеленым цветом) могут заполнить только молекулы воды, ориентированные не в плоскости рисунка, потому, что к тому месту, где должен находиться отрицательно заряженный атом кислорода, уже обращены два атома водорода соседних молекул.
Заполнение этих мест молекулами при росте кристалла льда происходит с меньшей скоростью или вовсе не происходит (это связано с глубиной соответствующей потенциальной ямы для этого места).
Поперечные размеры правильной снежинки отличаются во много раз, т.е. отношение диаметра снежинки к ее толщине может достигать нескольких десятков. Это отношение характеризует скорость роста снежинки в соответствующем направлении. При росте кристалла возможны разные способы (последовательности) заполнения энергетически выгодных позиций, что обеспечивает получение кристаллов (снежинок) разной формы.
Реализация конкретного способа роста - случайное событие, поэтому совершенно одинаковые по форме снежинки встречаются крайне редко. Попробуйте продолжить построение нарисованного кластера, и вы сразу увидите, как появляются возможность разветвления: достаточно увеличить радиус кластера на величину, соответствующую диаметру одной шестиугольной соты, и возникает очередное ветвление.
.4 Основные виды морозных узоров
Ледяные узоры на окнах представляют собой редкое по красоте зрелище. Среди многих видов морозных узоров чаще других встречаются дендриты (древовидные образования) и трихиты (волокнистые формы).
Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения. При охлаждении от 0 до - 6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей охлаждающейся поверхности.
Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов.
Чаще дендритная кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще, дендриты обычно имеют большие размеры. По мере перехода к верхней части окна размеры дендритов уменьшаются. В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.
Трихиты образуются у острых краев царапин на поверхности охлаждающегося твердого тела.
При этом вначале кристаллы образуют узкие параллельные полоски инея, вырождающиеся при дальнейшем охлаждении в достаточно плотные ледяные волокна, исходящие от основного стебля. В большинстве случаев, как основное волокно, так и прилегающие к нему тонкие полоски инея слегка изогнуты.
При осаждении льда вблизи охлаждающейся поверхности отмечаются колебания температуры величиной до 0,5°C, что указывает на существование в этой области ощутимой конвекции.
Дополнительная информация: Известно, что крепкая серная кислота хорошо поглощает воду. Если между рамами окна поставить стаканчик с такой кислотой, основное количество водяного пара из пространства между стеклами поглотится ею, и отложения льда на окне при не очень сильных морозах происходить не будет.
Тщательная теплоизоляция внешнего оконного стекла в местах его соприкосновения с рамой не допускает сильного охлаждения прилежащего изнутри к стеклу слоя воздуха, что также не благоприятствует осаждению льда на внутренней стороне стекла. С помощью этих мер затрудняется образование морозных узоров на окнах и обеспечивается необходимая прозрачность оконных стекол в зимнее время.
1.5 Внешний вид снежинок и кристаллов льда
Первые кристаллики льда на стекле это всегда шестилучевые звёздочки или шестигранные стебельки. Но, увеличиваясь, разрастаясь, они встречаются друг с другом, давят друг на друга, сгибаются, искривляются. И появляются узоры.
Чем сильнее мороз на улице, тем больше кристаллов-льдинок образуется и цепляется к царапинам и пылинкам на стекле.
Среди кристаллов-снежинок встречаются «пластинки», «пирамиды», «столбики», «иглы», «стрелы», простые или сложные «звездочки» с сильно разветвлёнными лучами. Каждая единственная в своём роде. Но при этом все они имеют шесть граней и одну ось симметрии.
Первым эту особенность снежинок отметил немецкий астроном Иоган Кеплер. Учёные установили, что форма снежного кристалла повторяет молекулярную структуру льда - его кристаллическая решётка, как раз состоит из шестиугольников. Получается, что внутреннее строение снежного кристалла определяет его внешний облик.
Первые систематические исследования снежных кристаллов предпринял в 30-х годах XX века японец Укихиро Накайя. Он выделил 41 тип снежинок, составил первую классификацию и выяснил, что величина и форма образующихся кристаллов льда зависит от зависит большого набора параметров: температуры внутри помещения и снаружи, влажности воздуха в помещении, толщины стекла и загрязненности его поверхности, от наличия и скорости воздушных потоков вблизи стекла и т.д.температуры и влажности (давление паров воды).
Замечательные ледяные узоры часто образуются зимой на стеклах автобусов или троллейбусов. При этом слой льда может достигать нескольких миллиметров. Источником водяного пара является, разумеется, дыхание пассажиров.
Рост кристаллов происходит во всевозможных направлениях, но самые большие кристаллы растут вдоль поверхности стекла. Скорости роста кристалла в различных направлениях тоже существенно различаются. Когда толщина ледяного панциря на стекле становится настолько большой, что отвод тепла наружу замедляется, кристаллы льда начинают расти в перпендикулярном стеклу направлении. Стекло как бы покрывается шубой из ледяных иголок.
2. Практическая часть
.1 Методы и этапы исследовательской работы
В ходе работы над научным проектом, мною была организована исследовательская работа, которая проводилась методами
¾наблюдения
¾сравнения
¾сопоставления
¾анализа.
Исследовательская работа проводилась в несколько этапов:
1.наблюдение ледяных узоров и снежинок;
2.измерение температуры воздуха на улице;
3.обработка и систематизирование полученных данных;
4.анализ результатов и подведение итогов исследования.
Наблюдение снежных узоров проводилось в городе Астане в течение января месяца 2011 года в одно и то же время на одном и том же окне. Также проводилось измерение температуры воздуха на улице.
.2 Результаты исследовательской работы
Анализируя результаты измерений и полученных фотографий, мной были выбраны несколько фотографий, изучая которые можно пронаблюдать изменения рисунков снежных узоров.
На фото 1 видно, что снежный узор в основном располагается в горизонтальной плоскости и лишь некоторые ветви направлены вверх, что позволяет сделать предположение о повышении температуры. Обратившись к таблице данных по температуре (Приложение 4) мы видим, что действительно температура повышается с -290С до -250С.
На фото 2 снежные стрелы бегут вверх, причудливо переплетаясь. Обратившись к таблице данных по температре, увидим, что температура понижается с -240С до -270С.
Рассматривая фото 3 можно увидеть, что причудливый узор напоминает ветви дерева, направившего свои ветви вверх. Температура в данном случае понижается с -210С до -240С.
Фото 4 поражает причудливым переплетением снежных узоров, устремлённых вверх. А температура, по данным из таблицы, понижается с-210С до -240С.
На фото 5 очень хорошо видно, что большинство ветвей узора направлены вниз и поэтому можно, предположить, что температура повышается с -210С до -190С.
Рассматривая фото 6 можно убедиться, что ветви снежного узора устремлены вверх. И если обратиться к таблице данных по температуре, то увидим, что температура действительно понизилась с -80С до -130С.
.3 Выводы по исследовательской работе
В заключение проделанной работы, проанализировав все полученные данные и обработав результаты исследования, можно сделать некоторые выводы о влиянии изменения температуры воздуха на форму и направление ветвей снежных узоров.
Выводы:
¾Если снежные стрелы бегут вверх, причудливо переплетаясь, то можно сделать предположение о понижении температуры воздуха.
¾Если большинство ветвей узора направлены вниз, то можно, предположить, что температура воздуха повышается.
Проанализировав и сопоставив результаты проведённых наблюдений и измерений можно сделать следующий заключительный вывод: по снежным узорам на окнах можно судить об изменении температуры воздуха на улице.
Данная научно-исследовательская работа может иметь практическое применение:
·на уроках физики в 7 классе по теме «Агрегатные состояния вещества»;
·на уроках географии в 6 классе по теме «Погода»;
·на лекции «Снежные узоры на окнах и погода»;
·в Стенде «Удивительное рядом» в кабинете физики.
Заключение
В заключение - несколько слов по вопросу, о котором серьезные физики предпочитают не разговаривать, - о красоте. Ледяные узоры и снежинки, которые причудливым образом создает сама зима, очень красивы.
А что такое красота? Одно из самых загадочных явлений природы. И как в законах строения и развития природных тел мы имеем разные уровни, так есть они и в прекрасном.
И на самом высшем уровне, может быть, находятся абстрактнейшие математические теории и высшие музыкальные творения гениальных композиторов. Не всем дано подняться на эти вершины, но, как в капле воды отражается солнце, так некоторый намек на высшую красоту мы можем постичь, внимательно рассматривая такое скромное явление природы, как ледяные узоры на стеклах.
Ведь мудро сказано в пословице: «Чтобы познать невидимое, смотри внимательнее на видимое».
Список использованной литературы
1.Гумилевская М.П. Почему так бывает. М.: Детская литература. 1968.-146 с.
2.Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Т.1. Механика. Теплота.
.Молекулярная физика. М.: Наука. 1985.-608 с.
.Шаскольская М.П. Кристаллы. М.: Наука.1928.-208 с.
Приложение
Круговорот воды, в том числе образование снежинок
Основные типы снежинок, как схематично, так и в натуральном виде
Виды снежных осадков: 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).
Результаты измерения температуры
Дата наблюденияВремя наблюденияТемпература воздуха на улице,0С01.01.20117 ч 00 мин-2902.01.20117 ч 00 мин-2503.01.20117 ч 00 мин-2404.01.20117 ч 00 мин-2705.01.20117 ч 00 мин-2406.01.20117 ч 00 мин-2507.01.20117 ч 00 мин-2408.01.20117 ч 00 мин-2409.01.20117 ч 00 мин-2110.01.20117 ч 00 мин-2011.01.20117 ч 00 мин-1712.01.20117 ч 00 мин-913.01.20117 ч 00 мин-1114.01.20117 ч 00 мин-1715.01.20117 ч 00 мин-1616.01.20117 ч 00 мин-1617.01.20117 ч 00 мин-2118.01.20117 ч 00 мин-2419.01.20117 ч 00 мин-2120.01.20117 ч 00 мин-1921.01.20117 ч 00 мин-1322.01.20117 ч 00 мин-1523.01.20117 ч 00 мин-1724.01.20117 ч 00 мин-2525.01.20117 ч 00 мин-2526.01.20117 ч 00 мин-1727.01.20117 ч 00 мин-1028.01.20117 ч 00 мин-629.01.20117 ч 00 мин-830.01.20117 ч 00 мин-1331.01.20117 ч 00 мин-14
Анализ результатов измерения
Дата наблюденияТемпература воздуха,0СНомер фотографии01.01.2011-29фото 102.01.2011-2503.01.2011-24фото 204.01.2011-2713.01.2011-11фото 314.01.2011-1717.01.2011-21фото 418.01.2011-2419.01.2011-21фото 520.01.2011-1929.01.2011-8фото 630.01.2011-13
Фото 1
Фото 2
Фото 3
Фото 4
Фото 5
Фото 6