Снежные кристаллы
ЛАБОРАТОРИЯ «КВАНТА»
А. С. Варпаховский, А. Н. Виленкин
Если хотите быстро ознакомится с содержанием статей, смотрите ниже.
Страница переведена на новый сайт https://myeducation.su/ :
страница ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ Квант (1972)
Текст, для быстрого ознакомления (в тексте для быстрого ознакомления формулы могут отображаться не корректно)/ Если статья Вас заинтересовала, можете скачать оригинал по ссылкам выше гих учебниках
физики в главах, в которых расска-
зывается о симметрии. Но этим и ог-
раничивался до недавнего времени ин-
терес ученых к снежным кристаллам.
Серьезное изучение зарождения, ро-
ста и структуры снежных кристаллов
началось не так давно. Интерес к
снежным кристаллам был связан в ос-
новном с изучением образования дож-
дя и явлений, происходящих в обла-
ках. Оказалось, что большая часть
дождевых капель начинает свою жизнь
как снежные кристаллы, тающие
прежде чем они упадут на землю.
Однако только холодные, находя-
щиеся на большой высоте перистые
облака состоят из кристалликов льда.
В основном же облака представляют
собой скопления маленьких водяных
капелек, удерживающихся в возду-
хе так же, как частички дыма. Дол-
гие годы оставалось загадкой, как
зти капельки вырастают до размеров,
достаточных для того, чтобы они упа-
ли на землю. Оставалось загадкой
и то, что часто эти капельки «отка-
зывались» замерзать, хотя температу-
ра облака была намного ниже нор-
мальной температуры замерзания
коды, то есть ниже (ГС.
32
Сейчас мы знаем, что переохлаж-
денное облако остается стабильным
до тех пор, пока в нем не появится
хотя бы небольшое количество ма-
леньких кристалликов льда, зарож-
дающихся на частичках земной пыли.
Молекулы воды, попавшие на кри-
сталлик льда, образуют с ним проч-
ную связь, разорвать которую доволь-
но трудно. Молекулы же еоды, ко-
торые конденсируются на капле,
оторвать сравнительно легко — теп-
лота испарения меньше энергии, не-
обходимой для отрыва молекулы во-
лы от кристаллика льда. Поэтому ес-
ли облако состоит из капелек воды
и кристалликов льда, то кристаллы
льда растут гораздо быстрее, чем кап-
ли. Более того, благодаря росту кри-
сталликов льда уменьшается влаж-
ность окружающего воздуха. Это при-
водит к тому, что водяные капли по-
степенно испаряются и исчезают. В то
же время кристаллики льда выраста-
ют до размеров, достаточных для их
падения на землю. Падая, несколько
кристалликов могут объединяться,
образуя снежинку.
Хотя снежные кристаллы много-
образны, их можно классифициро-
вать по трем основным формам; ше-
стиугольные призматические столби-
32 Снежные кристаллы.
ки (рис. 1а), тонкие шестиуголь-
ные пластины (рис. 16) и разветв-
ленные звезды (рис. 1в). Нетрудно
объяснить шестигранную форму снеж-
ных кристалликов и снежинок. Изу-
чение кристаллов льда с помощью
рентгеновских лучей показало, что
молекулы воды в кристалле льда рас-
положены так, что каждая из моле-
кул окружена шестью соседями. Цент-
ры этих молекул образуют правиль-
ный шестиугольник (рис. 2). Что же
касается причин различия форм кри-
сталлов, то до недавнего времени
ученые не могли прийти к единому
мнению. По некоторым гипотезам фор-
ма кристалликов должна в основном
определяться степенью пересыщения
окружающего воздуха парами воды,
а не температурой облака. Но ис-
следования показали, что кристаллы
различной формы вырастают при раз-
ных температурах.
Высокие, перистые облака, темпе-
ратура которых ниже — 30° С, со ¦
стоят в основном из снежных кристал-
лов в форме призматических столби-
ков длиной около половины милли-
метра. Облака на средних высотах,
температура которых изменяется от
—15° до — 30° С, состоят из кристал-
лов в форме призм и пластин. В низ-
ких облаках, температура которых
33 Снежные кристаллы.
колеблется от — 5° С до 0° С, мож-
но встретить кристаллы в виде ше-
стиугольных пластин, коротких призм
и поражающих своей красотой звезд,
имеющих диаметр порядка несколь-
ких миллиметров. Эти звезды явля-
ются основой снежинок. При темпе-
ратуре в несколько градусов ниже
нуля кристаллики слипаются,
образуя снежинки.
Все это говорит о том, что форма
кристаллов определяется в основном
температурой, при которой они вы-
растают. Это подтвердили и экспери-
менты по выращиванию кристаллов
льда в лаборатории. Кристаллы льда
выращивались в специальной каме-
ре, в которой строго контролирова-
лась температура и количество во-
дяных паров. В качестве затравки
использовалась тонкая нить. Темпе-
ратура в камере в различных участ-
ках вдоль нити была разной. На ри-
сунке 3 показана фотография участ-
ка нити, обросшей кристаллами. Раз-
мер этого участка около б см. Спра-
ва на рисунке указана температура
в камере. В верхней части нити вы-
растали в основном мельчайшие ше-
стиугольные пластинки. Ниже — ше-
стиугольные призмы, затем шести-
угольные пластины, разветвленные
звезды и опять шестиугольные пла-
стины. При температурах ниже
—25» С вновь образовывались шести-
угольные призмы.
Опыты показали, что именно тем-
пература определяет форму кристал-
ла. Количество же водяных паров
влияет на скорость роста. Однако до
сих пор остается невыясненной точ-
ная природа роста снежных кристал-
лов.
Очень интересно изучение роста
снежных кристаллов на земле. Часто
зимой при резком потеплении ветки
деревьев и стены домов покрываются
инеем. Облака, в которых зарождают-
ся снежинки, трудно доступны. Иней
же легко доступен и за ним можно
наблюдать во время его образования.
Иней появляется обычно на предме-
тах, имеющих большую теплоемкость
и малую теплопроводность. При рез-
34 Снежные кристаллы.
ком потеплении температура этих
предметов оказывается ниже темпе-
ратуры окружающего воздуха, и на
них конденсируются водяные пары,
находящиеся в воздухе. Если паров
в воздухе мало, то получаются кра-
сивые пушистые хлопья. При боль-
шой влажности Еоздуха холодные
предметы покрываются коркой льда.
Е^ода просто конденсируется на холод-
ных предметах и затем замерзает.
Особенно интересны узоры, кото-
рыми покрываются зимой окна квар-
тир, автобусов и трамваев. При ре.ч-
ком похолодании температура окон
становится ниже температуры возду-
ха в помещении. На них и сседают
молекулы пара, находящиеся во влаж-
ном воздухе в комнате, образуя кра-
сивые узоры. При этом тоже вгжно,
чтобы воздух в комнате Сыл не очень
влажным. В противном случае пар
сначала конденснруется на стекле
и затем замерзает, образуя слой льда.
Узоры не появляются на окне, если
открыта форточка. В этом случае
температура воздуха в комнате у стек-
ла понижается, став такой же, как
температура самого стекла. В ледя-
ных узорах, вырастающих на стек-
ле, л;ожно увидеть большинство форм,
которые могут принимать снежные
кристаллы.
Наблюдать за ростом снежных
кристаллов па окнах вы можете и
у себя дома. Однако, к сожалению,
узоры на окнах недолговечны, да и
трудно менять условия их роста.
Но можно «выращивать» узоры, очень
похожие на ледяные, пользуясь не
водой, а растворами гипосульфита
(он продается в магазинах в отделах
фототоваров) или карловарской соли
(ее можно купить в аптеке): Эти узо-
ры долговечны, по внешнему виду
не отличаются от ледяных и, гы.а-
щивая их, .можно менять условия
роста — скорость подвода или отво-
да тепла, концентрацию раствора (из-
менение концентрации раствора со-
ответствует изменению влажности
воздуха) и т. д. За ростом крис-
таллов, образующих узоры, можно
следить с помощью микроскопа.
Получить узор можно так. Сна-
чала приготовьте насыщенный раствор
вещества, с которым вы будете рабо-
тать. Протрите этим раствором стек-
ло и поставьте его под вентилятор.
Примерно через 5 минут вода испа-
рится, а на стекле получится узор.
Самое трудное здесь — это хорошо
смочить стекло. Дело в том, что обыч-
но вода не смачивает поверхность
стекла и не растекается по ней, а об-
разует капельки. Тогда вместо узо-
ров получатся пятна, в которых оста-
нется просто высохший осадок.
Если не обдувать стекло или на-
лить на него много раствора, то вме-
сто узора вы получите куски кри-
сталлов, они вырастут «снизу» (от по-
верхности стекла) и будут возвы-
шаться над стеклом. Нам же надо,
чтобы кристаллы выросли небольшие
и сразу на всей поверхности стек-
ла. Чтобы раствор смачивал стекло,
надо поверхность стекла тщательно
очистить бензином или спиртом (мож-
но взять и одеколон). Еще лучше
пользоваться не водным, а спирто-
вым раствором соли. Конечно, с пер-
вого раза узор может у вас не полу-
читься — lie отчаивайтесь. Помните,
что любой физический опыт может
потребовать нескольких попыток.
Полученные вами искусственные
узоры можно и сфотографировать.
Удобны два способа фотографирова-
ния.
Первый — обычный: узоры фото-
графируются на пленку, а потом
печатаются на фотобумагу.
Второй — не совсем обычный. Узо-
ры выращиваются на узкой полоске
стекла. Эта полоска вставляется в фо-
тоувеличитель вместо пленки, и про-
изводится печать прямо на бумагу.
Кристаллики, образующие узоры, не-
прозрачны и в проходящем свете вы-
глядят черными (на отпечатке после
проявления — белыми). Места, где
кристаллов ист, пропускают свет и
на отпечатке получаются черными.
Именно так был получен узор, по-
мещенный на обложке нашего журна-
ла. Он был выращен из раствора
карловарской соли.
35 Снежные кристаллы.
