Почему снежинки имеют идеально-ровную и симметричную форму?

Не бывает двух одинаковых снежинок?

Облака состоят из капель воды, водяного пара и взвешенных примесей, таких, как крошечные частицы пыли. Если температура в облаке уменьшается, молекулы воды кристаллизируются, организуя вокруг себя частицы пыли в гексагональной (шестиугольной) структурной решетке известной как Лед IH

(см. рис 1). Есть четырнадцать известных форм льда, но лед IH (аббревиатура для "Формы 1 - шестиугольник") стабилен при температурах от -100°С до 0°С и поэтому мы рассматриваем его в качестве снежинки. Молекулы воды расположенные в виде шестиугольника в стеке листов с совершенно ровными сторонами, расположенными друг к другу под углом в 120°, называются "аспекта" (см. рис 2).

Рисунок 1. Красные сферы представляют собой атомы кислорода, белые - водорода. Когда воздух охлаждается, то соседствующие молекулы воды начинают организовывать решетку, постепенно строя шестиугольник "льда IH". У каждой молекулы воды есть четыре соседа (только один лист показан) и она выступает в качестве донора водорода для двух из них и как акцептор водорода от двух других.





Рисунок 2 - Молекуле легче держаться за шероховатую поверхность, чем гладкую, потому что шероховатая поверхность дает больше места, на котором могут закрепиться сразу несколько молекул.









Из-за того, что молекуле проще закрепиться на шероховатой поверхности, чем на ровной, появляются грани. Так неровные участки заполняются, а затем и медленно растущие гладкие поверхности, которые впоследствии определят форму кристалла. Таким образом, первоначальной формой любой снежинки является идеальная шестиугольная призма. Это показано на рисунке 3. Потом, в процессе роста, ей всё труднее сохранить свою форму и на углах появляются ответвления в виде ножек. Окончательная форма кристалла всегда будет иметь 6 ответвлений - по одному на каждый угол. На самом деле, как показывает рисунок 4, в центре многих снежинок все еще можно увидеть породившую их шестигранную призму.



Рисунок 3. Фотография гексагонального Рисунок 4. Дендритный снежный кристалл.В центре снежного кристалла видно шестиугольник из которого он вырос.

Размер упавших на землю снежинок может варьироваться от почти идеальной шестигранной призмы врего лишь 0,2 мм шириной (так называемой алмазной пыли) до больших "дендритных" снежных кристаллов шириной 5 мм. Кристаллы, которые меньше алмазной пыли, слишком легкие, чтобы падать на землю, поэтому они остаются в воздухе, в то время как крупные кристаллы очень хрупкие и разваливаются при малейшем ветерке.

Но что заставляет сежинку начать формироваться? Это происходит, когда в облаке начинают выполняться два основных условия: перенасыщение и переохлаждение, и конечная форма снежинки может показать, какими были эти условия.

Перенасыщение

Перенасыщение возникает, когда в воздухе больше водяных паров, чем при обычной влажности (которая составляет 100%). Для каждой температуры есть максимальное количество водяного пара, которое может быть присутствовать в воздухе. Чем выше температура, тем больше водяных паров могут присутствовать. Но если вы охладите воздух при 100% относительной влажности, он станнет перенасыщенным, и это состояние очень нестабильно. В результате лишние пары кристаллизируются либо в капельки воды либо сразу в лед.

Переохлаждение

Если температура воды ниже 0°C, это называется переохлаждением. Удивительно, но если вы охладите чистую воду ниже ее точки замерзания, она не замерзнет, и это происходит потому, что молекулы каплях жидкости имеют тепловое движение, которое мешает им кристаллизироваться. На самом деле температура должна упасть до -42°C прежде чем замерзнуть. Капля простой воды легко замерзает при 0°C из-за примесей, которые обеспечивают поверхность для прикреплеия молекул воды, и это снижает эффект теплового движения, увеличивая температуру замерзания. Если бы вы могли наблюдать этот процесс под микроскопом вы увидели бы большое количество молекул воды, соединяющихся в форме крошечных кристалликов льда. Если кристалл больше критических размеров он будет расти, но если он слишком мал, молекулы будут отваливаться. То же самое происходит в облаках и структура и состав снежинки могут рассказать ученым о температурных условиях внутри облака во время формирования снежинки.

Рисунок 5. Как формируется снежинка. Рост снежного кристалла начинается, когда молекулы собираются вокруг крошечных примесей. Изменения во внешней среде, могут изменять форму и размеры кристалла.

Кроме того, снежинки пока растут, летают внутри облака, а это значит, что они подвергаются разным воздействиям в разное время, в результате чего их форма меняется. Рисунок 5 иллюстрирует, каким образом экологическая история снежинки записывается в ее структуре и как это может быть использовано для сбора информации о породившем снежинку облаке. Как показывает рисунок 6, понимание этого процесса означает, что ученые могут сами создавать снежинки искусственно, получая информацию о физике роста кристаллов и модели их формирования.









Дизайнер снежинок

Рисунок 6. Дизайн снежинки. Понимание того как снежинки формируются дает физиками возможность вырастить их в лаборатории. То, как температура влияет на рост снежинок до сих пор неизвестно, и исследование этих снежных кристаллов помогает понять физику роста и модель их формирования.

Верно ли, что не существует двух одинаковых снежинок?

Каждый школьник знает фразу, что "нет двух одинаковых снежинок", и для крупных дендритных снежинок это, безусловно, верно. Почему? Представьте, что вы расставляете приправы на полке. У вас есть пять приправ и пять банок для них. Есть пять способов поставить на полку первую банку, четыре способа поставить вторую, три третью и так далее. В общей сложности Есть 120 способов расставить пять банок на полке.

У снежинок более 100 различных признаков, что дает 10158 (а это 1 со 158 нулями) вариантов создания снежинки. Это примерно в два раза больше, чем атомов во Вселенной, так что очень маловероятно, что вы найдете две одинаковых! И поскольку рост снежинки является результатом воздействия окружающей среды, даже малейший перепад температуры или влажности будет кардинально изменять форму снежинки. Если во время формирования снежинка подвергалась множеству различных воздействий, то она вырастет черти как (как и большинство снежинок в природе). Идеально симметричные кристаллы появляются тогда, когда каждая часть снежинки росла в одних и тех же условиях, так что увидеть одинаковые снежинки проще, когда они очень малы.

Но зачем же исследовать снежинки?

Вода сама по себе имеет много необычных и алогичных свойств, некоторые из которых всем очень хорошо знакомы. Например тот факт, что лед (камень) имеет меньшую плотность, чем жидкость. Наука об облаках является одной из наиболее важных при исследовании климатических изменений, и эти красивые микроскопические кристаллики помогают нам лучше изучить окружающую среду.



Рисунок 7. Создание снежинок

Молекула H2O — это тетраэдр, в центре которого находится кислород, а на двух вершинах — протоны водорода, которые задействуются при образовании связи с кислородом. Две свободные вершины заняты парой электронов кислорода, не участвующих в образовании внутримолекулярных связей. В узлах кристаллической решетки атомы кислорода упорядочены и образуют правильные шестиугольники, а вот атомы водорода занимают произвольные положения вдоль связей.

Поскольку, вследствие анизотропии кристалла, замерзание происходит неравномерно, все снежинки выглядят по разному. Но так как кристалл льда имеет три оси второго порядка, снежинка может быть только шестиугольной.

Молекула H2O — это тетраэдр, в центре которого находится кислород, а на двух вершинах — протоны водорода, которые задействуются при образовании связи с кислородом. Две свободные вершины заняты парой электронов кислорода, не участвующих в образовании внутримолекулярных связей. В узлах кристаллической решетки атомы кислорода упорядочены и образуют правильные шестиугольники, а вот атомы водорода занимают произвольные положения вдоль связей.

Поскольку, вследствие анизотропии кристалла, замерзание происходит неравномерно, все снежинки выглядят по разному. Но так как кристалл льда имеет три оси второго порядка, снежинка может быть только шестиугольн

Процесс образования снежинок - это процесс сублимации кристаллов из газовой фазы, минуя жидкое состояние. При этом нарастание очередных "порций" молекул воды идёт довольно хаотично начиная с момента формирования начального кристалла. Дело в том, что для процесса сублимации необходимы "ядра сублимации" - микроаэрозоли, содержащиеся в воздухе, поскольку кристаллы не могут возникать на молекулах других газов, а только на «твёрдой поверхности». Микровзвеси, поддерживающиеся в воздухе турбулентными вихрями (пыль, дым, микробы, бактерии, споры, кристаллы пород….) и являются той базовой «поверхностью», на которой начинается рост начальных кристаллов вод

В облаках, при температуре ниже четырнадцати градусов образуются кристаллы заледеневшей воды. Основой этих кристаллов являются микроскопические льдинки. Когда к этойоснове присоединяются молекулы воды, они придают снежинке шестигранную форму. Эта форма снежинки зависит от молекулярного строения воды и ее необыкновенных свойств. Помните формулу воды Н2O? Следуя формуле, в ее центре кислород, а на ее вершинах располагается водород. Снежинка — это "выросший" кристаллик льда. В результате этого процесса и становится возможным формирование различных по своей форме и размерам снежинок. Надеюсь я не слишком запутанно объяснила?

Снежинки имеют не просто симметричную форму, все они исключительно шестиугольной формы! Снежинка является кристаллом, а симметричность - это свойство всех кристаллов. Фактически, мы наблюдаем увеличенную кристаллическую решетку. Особенность кристалла в том, что его рост происходит не изнутри, как живой организм, а извне, как снежный ком. Наблюдая симметрию снежинки, мы имеем возможность наблюдать симметрию молекул!

Снежинки имеют не просто симметричную форму, все они
исключительно шестиугольной формы! Снежинка является
кристаллом, а симметричность - это свойство всех кристаллов.
Фактически, мы наблюдаем увеличенную кристаллическую
решетку. Особенность кристалла в том, что его рост происходит не
изнутри, как живой организм, а извне, как снежный ком. Наблюдая симметрию снежинки, мы имеем возможность
наблюдать симметрию молекул!

Снежинки имеют не просто симметричную форму, все они исключительно шестиугольной формы! Снежинка является кристаллом, а симметричность - это свойство всех кристаллов. Фактически, мы наблюдаем увеличенную кристаллическую решетку. Особенность кристалла в том, что его рост происходит не изнутри, как живой организм, а извне, как снежный ком. Наблюдая симметрию снежинки, мы имеем возможность наблюдать симметрию молекул!

Снежинки имеют не просто симметричную форму, все они исключительно шестиугольной формы! Снежинка является кристаллом, а симметричность - это свойство всех кристаллов. Фактически, мы наблюдаем увеличенную кристаллическую решетку. Особенность кристалла в том, что его рост происходит не изнутри, как живой организм, а извне, как снежный ком. Наблюдая симметрию снежинки, мы имеем возможность наблюдать симметрию молекул!

Снежинки имеют не просто симметричную форму, все они исключительно шестиугольной формы! Снежинка является кристаллом, а симметричность - это свойство всех кристаллов. Фактически, мы наблюдаем увеличенную кристаллическую решетку. Особенность кристалла в том, что его рост происходит не изнутри, как живой организм, а извне, как снежный ком. Наблюдая симметрию снежинки, мы имеем возможность наблюдать симметрию молекул!

Снежинка — сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов «сборки» множество — до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. Снежинки имеют не просто симметричную форму, все они исключительно шестиугольной формы! Снежинка является кристаллом, а симметричность - это свойство всех кристаллов.

силы взаимодействия на атомарном уровне, несмотря на разброс в величине энергии, - флюктуации, -в масштабах молекулы почти равны для кристалла, и связи, образуемые электронами Н2О при построении кристаллической решетки являются в принципе равнонаправленными по всему объему, но молекула воды имеет 6 валентностей... ну и что это Вам дало?

В облаках, при температуре воздуха, опускающейся ниже пятнадцати градусов под нулевой отметкой, образуются кристаллы заледеневшей воды. Каркасом, или ядром этих кристаллов, являются микроскопические льдинки. Когда к ядру присоединяются молекулы воды, они придают снежинке шестигранную форму

Все минералы,а вода тоже минерал,имеют 7 сингоний,В их основе лежат или тригонали,тетрагонали и т.д.В основе снежинок гексагональ - шестиугольник.В основе алмаза,например - октаэдр,сдвоенная четырехгранная пирамида.

Снежинка приобретает свою форму и ровные грани благодаря ориентации молекул в решётке и расположению свободных водородных тканей. Молекулы пара заполняют пустоты, и снежинки приобретают форму с ровными краями

В молекуле воды две электронные пары образуют полярные ковалентные связи между атомами водорода и кислорода, а оставшиеся две электронные пары остаются свободными и называются неподеленными.

Вот из-за того, что науке задают такие вопросы и она на них пытается отвечать мы до сих пор сидим с айфейлами(айфонами если кто не понял), но не летаем, например, к далеким звездам.

В снежинках порядок и хаос существуют вместе. Тонны снега — до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. Вот такие сложные симметричные структуры.

Физико-химия. Законы кристаллизации. Но если образование снежинок идет быстро - форма снежинок не идеальная. Крайний случай - снежная крупа.

Никто этого точно не знает, мы можем догадыватся, или учёные сделают безальтернативный вывод, точно знает только тот кто посылает снежинки