stringtranslate.com

Снежинка

Макросъемка натуральной снежинки

Снежинка — это отдельный кристалл льда , достигший достаточного размера и, возможно, слившийся с другими, который падает через атмосферу Земли в виде снега . [1] [2] [3] Каждая хлопья зарождается вокруг крошечной частицы в перенасыщенных воздушных массах, притягивая переохлажденные капли облачной воды, которые замерзают и срастаются в кристаллическую форму. Сложные формы возникают по мере того, как хлопья проходят через различные температурные и влажностные зоны в атмосфере, так что отдельные снежинки отличаются друг от друга в деталях, но могут быть классифицированы по восьми широким классификациям и по крайней мере 80 отдельным вариантам. Основными составляющими формами для кристаллов льда, из которых могут происходить комбинации, являются игольчатые, столбчатые, пластинчатые и изморозь. Снег кажется белым по цвету, несмотря на то, что состоит из чистого льда. Это происходит из-за диффузного отражения всего спектра света небольшими кристаллическими гранями снежинок. [4]

Формирование

Свежевыпавшие снежинки

Снежинки зарождаются вокруг минеральных или органических частиц в насыщенных влагой, субмерзлотных воздушных массах. Они растут путем чистой аккреции к зарождающимся кристаллам в гексагональных образованиях. Силы сцепления в основном электростатические.

Ядро

В более теплых облаках аэрозольная частица или «ледяное ядро» должны присутствовать в (или контактировать с) капле, чтобы действовать как ядро. Частицы, которые образуют ледяные ядра, очень редки по сравнению с ядрами, на которых образуются жидкие капли облаков; однако неясно, что делает их эффективными. Глина, пустынная пыль и биологические частицы могут быть эффективными, [5] хотя в какой степени неясно. Искусственные ядра включают частицы йодистого серебра и сухого льда , и они используются для стимуляции осадков при засеивании облаков . [6] Эксперименты показывают, что «гомогенное» зародышеобразование облачных капель происходит только при температурах ниже −35 °C (−31 °F). [7]

Рост

Изображение инея на обоих концах снежинки в виде «шапочки-столбика», полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа .

После того, как капля воды замерзла как ледяное ядро, она растет в перенасыщенной среде, где жидкая влага сосуществует со льдом за пределами ее точки равновесия при температурах ниже точки замерзания. Затем капля растет путем осаждения молекул воды в воздухе (пара) на поверхность кристалла льда, где они собираются. Поскольку капель воды намного больше, чем кристаллов льда из-за их огромного количества, кристаллы способны расти до сотен микрометров или миллиметров в размере за счет капель воды. Этот процесс известен как процесс Вегенера-Бержерона-Финдейзена . Соответствующее истощение водяного пара заставляет капли испаряться, что означает, что кристаллы льда растут за счет капель. Эти большие кристаллы являются эффективным источником осадков, поскольку они падают через атмосферу из-за своей массы и могут сталкиваться и слипаться в кластеры или агрегаты. Эти агрегаты обычно представляют собой тип частиц льда, которые падают на землю. [8] В Книге рекордов Гиннесса указаны самые большие в мире агрегированные снежинки, выпавшие в январе 1887 года в Форт-Кеог , штат Монтана , которые, как утверждалось, были 15 дюймов (38 см) в ширину — значительно больше, чем обычно документируемый диапазон агрегированных хлопьев в три или четыре дюйма в ширину. Были замечены отдельные кристаллы размером с десятицентовую монету (17,91 мм в диаметре). [3] Снежинки, заключенные в изморозь , образуют шарики, известные как крупа .

Появление

Цвет

Снежные кристаллы под воздействием прямых солнечных лучей действуют как маленькие призмы.

Хотя лед сам по себе прозрачен, снег обычно кажется белым из-за диффузного отражения всего спектра света, рассеиваемого мелкими кристаллическими гранями снежинок, из которых он состоит. [4]

Форма

Форма снежинки в целом определяется температурой и влажностью, при которых она формируется. [8] Редко, при температуре около −2 °C (28 °F), снежинки могут образовываться в тройной симметрии — треугольные снежинки. [9] Большинство частиц снега имеют неправильную форму, несмотря на их обычное изображение как симметричных. Маловероятно, что какие-либо две снежинки одинаковы из-за предполагаемых 10 19 (10 квинтиллионов) молекул воды, которые составляют типичную снежинку, [10] которые растут с разной скоростью и по разным схемам в зависимости от изменяющейся температуры и влажности в атмосфере, через которую снежинка падает на своем пути к земле. [11] Снежинки, которые выглядят одинаково, но могут различаться на молекулярном уровне, были выращены в контролируемых условиях. [12]

Хотя снежинки никогда не бывают идеально симметричными, рост неагрегированной снежинки часто приближается к шестикратной радиальной симметрии , возникающей из гексагональной кристаллической структуры льда. [13] На этой стадии снежинка имеет форму крошечного шестиугольника. Затем шесть «рук» снежинки, или дендритов, растут независимо от каждого из углов шестиугольника, в то время как каждая сторона каждой руки растет независимо. Микросреда, в которой растет снежинка, динамически меняется по мере того, как снежинка падает через облако, а крошечные изменения температуры и влажности влияют на способ, которым молекулы воды прикрепляются к снежинке. Поскольку микросреда (и ее изменения) очень близки к идентичным вокруг снежинки, каждая рука имеет тенденцию расти почти одинаково. Однако нахождение в одной и той же микросреде не гарантирует, что каждая рука будет расти одинаково; действительно, для некоторых форм кристаллов это не так, потому что лежащий в основе механизм роста кристалла также влияет на то, как быстро растет каждая поверхностная область кристалла. [14] Эмпирические исследования показывают, что менее 0,1% снежинок демонстрируют идеальную шестикратную симметричную форму. [15] Очень редко наблюдаются двенадцативетвистые снежинки; они сохраняют шестикратную симметрию. [16]

Классификация

Ранняя классификация снежинок Израиля Перкинса Уоррена . [17]

Снежинки образуют самые разные сложные формы, что приводит к представлению о том, что «нет двух одинаковых». Хотя в лабораторных условиях были созданы почти идентичные снежинки, в природе их вряд ли можно найти. [18] [10] [19] [20] Первоначальные попытки найти идентичные снежинки путем фотографирования тысяч из них с помощью микроскопа, предпринятые Уилсоном Элвином Бентли в 1885 году, привели к появлению большого разнообразия снежинок, известных нам сегодня.

Укичиро Накая разработал схему морфологии кристаллов, связывающую форму кристаллов с температурой и влажностью, при которых они образовались. Она обобщена в следующей таблице: [21]

Микрофотография Уилсона Бентли, показывающая два класса снежинок, пластины и столбика. Отсутствует пример иглы.

Форма снежинки определяется в первую очередь температурой и влажностью, при которых она образуется. [8] Замораживание воздуха до −3 °C (27 °F) способствует образованию плоских кристаллов (тонких и плоских). В более холодном воздухе до −8 °C (18 °F) кристаллы образуются в виде полых столбиков, призм или игл. В воздухе с температурой −22 °C (−8 °F) формы снова становятся пластинчатыми, часто с разветвленными или дендритными особенностями. При температуре ниже −22 °C (−8 °F) кристаллы становятся пластинчатыми или столбчатыми, в зависимости от степени насыщения. Как обнаружил Накая , форма также зависит от того, находится ли преобладающая влажность выше или ниже насыщения. Формы ниже линии насыщения имеют тенденцию к большей твердости и компактности. Кристаллы, образованные в перенасыщенном воздухе, имеют тенденцию к большей кружевности, изяществу и орнаменту. Также образуются многие более сложные модели роста, такие как боковые плоскости, пулевидные розетки, а также планарные типы в зависимости от условий и ледяных ядер. [22] [23] [24] Если кристалл начал формироваться в режиме роста столбиков при температуре около −5 °C (23 °F), а затем переходит в более теплый пластинчатый режим, то пластинчатые или дендритные кристаллы прорастают в конце столбика, образуя так называемые «закрытые столбики». [8]

Магоно и Ли разработали классификацию свежеобразованных снежных кристаллов, которая включает 80 различных форм. Они перечислены в следующих основных категориях (с символом): [25]

Они задокументировали каждый из них с помощью микрофотографий. [26]

Международная классификация сезонного снега на земле описывает классификацию кристаллов снега, как только он откладывается на земле, которая включает форму и размер зерна. Система также характеризует снежный покров, поскольку отдельные кристаллы метаморфизируются и объединяются. [27]

Использовать как символ

Снежинка на гербе Лумийоки

Снежинка часто является традиционным сезонным изображением или мотивом, используемым в рождественский сезон , особенно в Европе и Северной Америке. Как христианский праздник, Рождество отмечает воплощение Иисуса , который, согласно христианской вере, искупает грехи человечества; поэтому в европейских и североамериканских рождественских традициях снежинки символизируют чистоту. [28] [ 29] Снежинки также традиционно ассоциируются с « белой рождественской » погодой, которая часто бывает во время рождественских праздников. [29] В этот период довольно популярно делать бумажные снежинки , складывая лист бумаги несколько раз, вырезая узор ножницами, а затем разворачивая его. [30] [31] В Книге пророка Исайи говорится об искуплении грехов, заставляя их казаться «белыми, как снег» перед Богом (ср. Исайя 1:18); [29]

Снежинки также часто используются в качестве символов, представляющих зимние или холодные условия. Например, зимние шины , которые улучшают сцепление в суровых зимних условиях вождения, маркируются снежинкой на символе горы. [32] Стилизованная снежинка была частью эмблемы Зимних Олимпийских игр 1968 года , Зимних Олимпийских игр 1972 года , Зимних Олимпийских игр 1984 года , Зимних Олимпийских игр 1988 года , Зимних Олимпийских игр 1998 года и Зимних Олимпийских игр 2002 года . [33] [34]

Три степени Ордена Канады (компаньон, офицер и член соответственно).

Шестиконечная стилизованная шестиугольная снежинка, используемая для Ордена Канады (национальная система почета), стала символом северного наследия и многообразия канадцев . [35]

В геральдике снежинка — стилизованный заряд . В Unicode закодированы три различных символа снежинки : «снежинка» в кодировке U+2744 (❄); «плотная трехлепестковая снежинка» в кодировке U+2745 (❅); и «тяжелая шевронная снежинка» в кодировке U+2746 (❆).

В эпоху династии Тан снежинки в поэзии иногда служили символом космической энергии Дао и галактики Млечный Путь . [36]

Галерея

Подборка фотографий, сделанных Уилсоном Бентли (1865–1931):

Всесторонние фотографические исследования свежих снежинок показывают, что простая симметрия, представленная на фотографиях Бентли, встречается редко. [37]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Найт, К.; Найт, Н. (1973). Снежные кристаллы. Scientific American, т. 228, № 1, стр. 100–107.
  2. ^ Хоббс, П. В. 1974. Физика льда. Оксфорд: Clarendon Press.
  3. ^ ab Broad, William J. (2007-03-20). "Гигантские снежинки размером с фрисби? Может быть". The New York Times . Архивировано из оригинала 2011-11-04 . Получено 2009-07-12 .
  4. ^ ab Lawson, Jennifer E. (2001). "Глава 5: Цвета света". Hands-on Science: Light, Physical Science (matter) . Portage & Main Press. стр. 39. ISBN 978-1-894110-63-1. Архивировано из оригинала 2014-01-01 . Получено 2009-06-28 .
  5. ^ Christner, Brent Q.; Morris, Cindy E.; Foreman, Christine M.; Cai, Rongman & Sands, David C. (2007). «Повсеместность биологических зародышеобразователей льда в снегопадах». Science . 319 (5867): 1214. Bibcode :2008Sci...319.1214C. CiteSeerX 10.1.1.395.4918 . doi :10.1126/science.1149757. PMID  18309078. S2CID  39398426. 
  6. ^ "Meteorology Glossary: ​​Cloud seeding". Американское метеорологическое общество . 26 января 2012 г. Архивировано из оригинала 22 декабря 2015 г. Получено 2016-01-05 .
  7. ^ Бэзил Джон Мейсон (1971). Физика облаков. Кларендон. ISBN 978-0-19-851603-3.
  8. ^ abcd М. Клесиус (2007). «Тайна снежинок». National Geographic . 211 (1): 20. ISSN  0027-9358.
  9. ^ Либбрехт, Кеннет Г. (2006-09-11). "Руководство по снежинкам". Калифорнийский технологический институт . Архивировано из оригинала 2009-07-10 . Получено 2009-06-28 .
  10. ^ ab John Roach (2007-02-13). ""Двух одинаковых снежинок не существует" — скорее всего, так и есть, показывают исследования". National Geographic News . Архивировано из оригинала 2010-01-09 . Получено 2009-07-14 .
  11. ^ Либбрехт, Кеннет (зима 2004–2005). «Snowflake Science» (PDF) . American Educator . Архивировано (PDF) из оригинала 2010-09-17 . Получено 2010-10-19 .
  12. ^ Олсен, Эрик (16 февраля 2018 г.). «Познакомьтесь с ученым, который делает одинаковые снежинки». Quartz . Получено 16 февраля 2018 г. .
  13. ↑ Нельсон, Джон (15 марта 2011 г.). «Шестикратная природа снега». История снега. Архивировано из оригинала 9 декабря 2017 г.
  14. ^ Нельсон, Джон (17 марта 2005 г.). «Рост ветвей и боковое разветвление в снежных кристаллах» (PDF) . История снега. Архивировано (PDF) из оригинала 5 января 2015 г.
  15. ^ Bohannon, John (10 апреля 2013 г.). «ScienceShot: Истинная форма снежинок». ScienceNOW . Американская ассоциация содействия развитию науки . Архивировано из оригинала 29 октября 2016 г. Получено 5 января 2016 г.
  16. ^ Smalley, IJ (1963). «Симметрия снежных кристаллов». Nature . 198 (4885): 1080–1081. Bibcode : 1963Natur.198.1080S. doi : 10.1038/1981080b0. S2CID  4186179.
  17. ^ Уоррен, Израиль Перкинс (1863). Снежинки: глава из книги природы. Бостон: Американское общество трактатов. стр. 164. Получено 25.11.2016 .
  18. ↑ Кеннет Г. Либбрехт. «Снежинки-близнецы».
  19. ^ Jon Nelson (2008-09-26). "Происхождение разнообразия в падающем снеге" (PDF) . Atmospheric Chemistry and Physics . 8 (18): 5669–5682. Bibcode :2008ACP.....8.5669N. doi : 10.5194/acp-8-5669-2008 . Архивировано (PDF) из оригинала 2011-11-20 . Получено 30-08-2011 .
  20. ^ Либбрехт, Кеннет (зима 2004–2005). «Snowflake Science» (PDF) . American Educator . Архивировано из оригинала (PDF) 2008-11-28 . Получено 2009-07-14 .
  21. ^ Бишоп, Майкл П.; Бьёрнссон, Хельги; Хаеберли, Вильфрид; Эрлеманс, Йоханнес; Шрёдер, Джон Ф.; Трантер, Мартин (2011). Сингх, Виджай П.; Сингх, Пратап; Хариташья, Умеш К. (ред.). Энциклопедия снега, льда и ледников. Springer Science & Business Media. стр. 1253. ISBN 978-90-481-2641-5.
  22. ^ Мэтью Бейли; Джон Халлетт (2004). «Скорости роста и привычки кристаллов льда между −20 и −70C». Журнал атмосферных наук . 61 (5): 514–544. Bibcode :2004JAtS...61..514B. doi : 10.1175/1520-0469(2004)061<0514:GRAHOI>2.0.CO;2 .
  23. ^ Кеннет Г. Либбрехт (2006-10-23). ​​"A Snowflake Primer". Калифорнийский технологический институт . Архивировано из оригинала 2009-07-10 . Получено 2009-06-28 .
  24. ↑ Кеннет Г. Либбрехт (январь–февраль 2007 г.). «Формирование снежных кристаллов». American Scientist . 95 (1): 52–59. doi :10.1511/2007.63.52.
  25. ^ Magono, Choji; Lee, Chung Woo (1966). «Метеорологическая классификация природных снежных кристаллов». Журнал факультета естественных наук . 7. 3 (4) (ред. Geophysics). Хоккайдо: 321–335. hdl :2115/8672.
  26. ^ Pruppacher, HR; Klett, JD (2010-06-25). Микрофизика облаков и осадков. Springer Science & Business Media. стр. 43. ISBN 978-0-306-48100-0.
  27. ^ Fierz, C.; Armstrong, RL; Durand, Y.; Etchevers, P.; Greene, E.; et al. (2009), Международная классификация сезонного снега на земле (PDF) , Технические документы IHP-VII по гидрологии, т. 83, Париж: ЮНЕСКО, стр. 80, архивировано (PDF) из оригинала 29-09-2016 , извлечено 25-11-2016
  28. ^ Уоллах, Дженнифер Дженсен; Суиндалл, Линдси Р.; Уайз, Майкл Д. (12 февраля 2016 г.). История американских пищевых традиций издательства Routledge . Routledge. стр. 223. ISBN 978-1-317-97522-9.
  29. ^ abc Mosteller, Angie (2008). Рождество . Itasca Books. стр. 147. ISBN 978-1-60791-008-4.
  30. ^ Подробные инструкции см., например, на этой странице. Архивировано 08.01.2012 на Wayback Machine
  31. ^ Другие инструкции и фотографии бумажных снежинок Архивировано 2013-02-08 на Wayback Machine
  32. ^ Жиль, Тим (2004). Автомобильные шасси. Cengage Learning. стр. 271. ISBN 978-1-4018-5630-4.
  33. ^ "More About Sapporo 1972: The Emblem". Международный олимпийский комитет . Архивировано из оригинала 2016-02-09 . Получено 2016-01-05 .
  34. ^ "Олимпийские игры Солт-Лейк-Сити 2002 – Эмблема". Международный олимпийский комитет. 2009. Архивировано из оригинала 2009-03-25 . Получено 2009-07-15 .
  35. ^ "Канадские награды > Орден Канады > Уровни и знаки отличия". Генерал-губернатор Канады. 2002.
  36. ^ Шефер, Эдвард Х. (1985). «Снег Мао Шаня: скопление даосских образов». Журнал китайских религий . 13 (1): 107–126. doi :10.1179/073776985805308211. ISSN  0737-769X – через Taylor & Francis Online.
  37. ^ Пилчер, Хелен (17 декабря 2013 г.). «Великая белая ложь: как на самом деле выглядят снежинки». New Scientist . Получено 06.06.2023 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Снежинки».