A uma altitude elevada acima do solo a uma temperatura de 0 a 40 graus, eles rapidamente se transformam em cristais de gelo. Mais perto da superfície, a temperatura aumenta gradualmente, diminui, novos cristais são amarrados em seus topos. Os cristais vão crescer, eles vão esticar os raios, ou conseqüências dos raios, e se transformar em um floco de neve. Cada floco de neve nasce diferente do outro, com seu próprio padrão especial.

Como exatamente o processo ocorre depende da umidade, temperatura, pressão e da forma inicial do floco de neve. As menores flutuações nos parâmetros mudam drasticamente a direção do crescimento do floco de neve. É por isso que não haverá flocos de neve idênticos.

Por que os flocos de neve são brancos? A luz reflete nas superfícies de fronteira entre os cristais de gelo e o ar dentro do floco de neve e se espalha.
Os vários padrões que vemos nas noites geladas nas janelas de vidro têm a forma correta. O vapor tende a criar uma formação contínua, para preencher todo o espaço livre. Esse fato e a peculiaridade de diferentes superfícies afetam a direção do crescimento do cristal, de modo que os padrões "gelados" não mantêm a forma correta que um único floco de neve possui.

Como os flocos de neve aparecem?

Cientistas dedicados ao estudo de flocos de neve

O francês Tissandier observou o processo de formação de neve a partir de um balão. Ele subiu ao céu em uma forte nevasca e notou que, metro a metro, os flocos de neve diminuíam gradualmente de tamanho para flocos de neve individuais. A uma altitude de 2000 metros, o ar ficou completamente transparente, apenas pequenos cristais de neve eram visíveis. O cientista, aparentemente, acabou em um laboratório de neve.

O primeiro tratado cristalográfico do mundo

A forma de cristais de neve foi descoberta em 1611 pelo cientista alemão, físico, astrônomo J. Kepler bastante (para nós) por acidente.
A essa altura, o cientista de quarenta anos havia descoberto as duas primeiras leis do movimento planetário, publicado trabalhos sobre astronomia e inventado o telescópio. Embora fosse um cientista famoso, vivia na pobreza e não sabia como alimentar sua família. Pensando em como fazer um presente de Ano Novo leve e leve para uma pessoa boa, ele chamou a atenção para os flocos de neve caindo em seu casaco. Entrando na casa, ele pegou uma lupa e começou a examinar a neve derretida. Então ele se sentou à mesa e expressou suposições brilhantes sobre a estrutura geométrica dos cristais na natureza. O livro é escrito com sinceridade, de forma divertida, em linguagem simples e compreensível. Aqui ele, refletindo sobre a forma dos flocos de neve, disse que não entendia por que eles têm uma forma hexagonal.

Nos Estados Unidos, o fotógrafo naturalista Bentley coletou mais de 5.000 fotografias de flocos de neve sob um microscópio por meio século. E imagine: entre essas fotos não havia duas idênticas! Ele era frequentemente abordado por joalheiros e artistas, que usavam seu trabalho para criar seus próprios. Nas fotos, os flocos de neve realmente parecem joias criadas por um mestre joalheiro insuperável. Era assim que ele as chamava: joias de neve. Posteriormente, o American Weather Bureau da coleção divulgou um atlas de flocos de neve, que incluía metade das fotografias do naturalista. Ele não revelou o segredo de obter imagens de alta qualidade a ninguém.

Tirar uma foto de um floco de neve não é fácil porque ele derrete rapidamente e perde a nitidez.

Os russos também descobriram um método para fotografar cristais de neve, no qual os flocos de neve eram colocados não no vidro, mas na mais fina malha de seda. As fotos também eram de boa qualidade, e a grade foi então retocada. Em 1933, Kasatkin, um observador da estação polar, tirou 300 fotografias de vários flocos de neve. Todos os flocos de neve são em sua maioria hexagonais, mas havia alguns especiais, aqueles que lembram relógios (“relógios de cristal”, como Bentley os chamava).

O cristal de iodofórmio também é hexagonal; o professor Leman obteve "flocos de neve" de iodofórmio em laboratório, notou sua formação consistente e semelhança com flocos de neve comuns.

formação de flocos de neve

Forma de floco de neve hexagonal

Elementar - um tetraedro que combina seis moléculas de água. Cada molécula de água retém a capacidade de formar ligações de hidrogênio. Portanto, os tetraedros podem se conectar uns com os outros, formar novas estruturas. Na natureza, há uma grande variedade deles, mas a estrutura básica é um hexágono, no qual as moléculas de água são combinadas em um anel. Assim, um floco de neve é ​​feito de cristais de gelo pré-fabricados. A estrutura hexagonal do gelo determina a forma hexagonal do floco de neve.

Pequenos cristais são conectados uns aos outros por bordas, não cantos; como resultado, os raios crescerão em seis direções, e outro raio partirá do raio estritamente em ângulos a 120 ou 60 graus. As condições para a formação de um floco de neve serão diferentes a cada vez. Portanto, aumenta em largura, então seus raios se alongam. Em um dia seco e gelado, um floco de neve de forma incomum se forma, se alonga e se transforma em uma coluna hexagonal.

A forma dos cristais de neve depende da temperatura: de -3 a 0 graus (Celsius) - formas planas hexagonais são formadas, de -5 a -3 em forma de agulha, de -8 a -5 - colunas - prismas, de -12 a -8 - novamente plana. Se a temperatura cair, os flocos de neve podem assumir muitas formas diferentes.

Cada floco de neve tem sua própria vida, pois a formação de um floco de neve ocorre a cada vez em novas condições. Cada vez, um pouco, mas os parâmetros: umidade, temperatura, pressão mudarão. Ao cair na Terra, um floco de neve muda de forma: se girar como um pião, será perfeitamente simétrico, caso contrário não. Se a temperatura do ar abaixo das nuvens chegar a zero, será chuva normal. Muitas vezes acontece que a neve se transforma em chuva.

Classificação moderna de flocos de neve

Nos tempos modernos, a observação de flocos de neve cresceu. A Comissão Internacional de Neve adotou uma classificação simples de precipitação sólida como base. 7 tipos de cristais foram registrados na forma de placas, cristais em forma de estrela, colunas, agulhas, etc. O cientista russo Zamorsky classificou os flocos de neve em 9 classes e 48 tipos. Assim, a lista de espécies de flocos de neve pode ser continuada com ouriços, penugens, abotoaduras, prismas, estrelas, etc.

Um cientista que sintetiza um floco de neve gêmeo

Se você já notou que eles têm formas diferentes. Acredita-se que existam cerca de 350 milhões de flocos de neve em um metro cúbico de neve! Eles são todos hexagonais e têm estruturas semelhantes a cristais, mas cada um tem sua própria forma única. Durante anos, os cientistas tentaram entender de onde vem essa forma, o que afeta essa simetria e por que é diferente para todos. Cada pequena informação recebida revela outro segredo incrível contido em um floco de neve.

A variedade e idealidade da estrutura hexagonal dos flocos de neve é ​​uma manifestação da sabedoria e criatividade de Deus como Criador. A formação de flocos de neve é ​​outra manifestação da infinita engenhosidade do Senhor. Esses flocos de neve finos e pequenos são como estrelas ou uma cabeça de agulha com muitas pontas frágeis. A forma dos flocos de neve nos desenhos é realmente incrível. Por muitos anos, tal estrutura tem sido objeto de interesse das pessoas. Desde 1945, pesquisas têm sido conduzidas para determinar a causa da formação de formas geométricas a partir de cristais de gelo microscópicos. Um floco de neve é ​​composto por mais de 200 cristais de gelo. Os flocos de neve são compostos de moléculas de água que assumiram uma forma complexa. A neve, a maravilha mais arquitetônica da natureza, toma forma quando o vapor de água congela ao passar por uma nuvem. Acontece da seguinte maneira.

Quando as moléculas de água entram nas nuvens, espalhadas aleatoriamente no vapor de água, elas começam a perder seu movimento caótico devido ao aumento da temperatura. Depois de um tempo, as moléculas de água desaceleram, começam a se reunir em pequenos grupos e se solidificar. Ao mesmo tempo, eles são ordenados e têm a forma de figuras hexagonais, muitas vezes semelhantes entre si. No início, cada floco de neve consiste em uma molécula de água geometricamente hexagonal. Em seguida, outras moléculas semelhantes se juntam a ela.

De acordo com as teorias dos pesquisadores, o principal fator que determina a forma de um floco de neve é ​​que essas moléculas hexagonais de água se conectam como elos de uma corrente. Além disso, as partículas de cristal, que normalmente devem ter a mesma aparência, assumem formas diferentes dependendo dos níveis de temperatura e umidade. (Roger Davey, David Stanley, "All about ice", New Scientist, 6 de setembro de 1993.)

E, no entanto, por que todos os flocos de neve têm simetria hexagonal e por que são todos diferentes uns dos outros? Por que seus contornos são angulares e não uniformes? Os cientistas ainda estão tentando encontrar respostas para essas perguntas. Mas uma coisa é clara: somente Deus, o Único Criador com grande poder, poderia fornecer uma variedade de milhares de bilhões de flocos de neve.

O floco de neve é ​​uma das mais belas criações da natureza. Teríamos que trabalhar duro para criar uma forma comparável em beleza à forma de um floco de neve. Quando neva, milhões de flocos de neve caem no chão, e não há dois iguais.

A neve, como você já sabe, é apenas água congelada. Por que então a neve é ​​branca se é água congelada? Deve ser incolor. A neve é ​​branca porque os planos do floco de neve, que são cristais de gelo, refletem a luz, e é por isso que a neve parece branca.

Quando a água congela, formam-se cristais. Isso significa que as moléculas se alinham em uma ordem especial, formando uma forma geométrica, que chamamos de “cristal”.

Acontece que a molécula de água consiste em três partículas - dois átomos de hidrogênio e um átomo de oxigênio. Portanto, durante a cristalização, pode formar uma figura tri ou hexagonal. A água que se transforma em neve é ​​uma forma de vapor de água na atmosfera. Ao congelar, os cristais de água são tão pequenos que não são visíveis. Quando a neve se forma, esses cristais são movidos para cima e para baixo pelas correntes de ar na atmosfera.

Durante esses movimentos, eles são agrupados em torno das menores partículas de poeira ou gotículas de água. Tal grupo de cristais se torna cada vez mais, várias centenas desses cristais podem se reunir em torno de um desses núcleos.

Este grupo torna-se grande, pesado e cai no chão. Chamamos de "floco de neve". Alguns flocos de neve atingem três centímetros de diâmetro. O tamanho dos flocos de neve depende da temperatura. Quanto mais baixa a temperatura, menores os flocos de neve.

Por que os flocos de neve têm essa forma? Tudo é simples! Aqui:

Molécula de H2O- este é um tetraedro, no centro do qual há oxigênio e em dois vértices - prótons de hidrogênio, que estão envolvidos na formação de uma ligação com o oxigênio. Dois vértices livres são ocupados por um par de elétrons de oxigênio que não participam da formação de ligações intramoleculares. Nos nós da rede cristalina, os átomos de oxigênio são ordenados e formam hexágonos regulares, mas os átomos de hidrogênio ocupam posições arbitrárias ao longo das ligações.

Como, devido à anisotropia do cristal, o congelamento ocorre de forma desigual, todos os flocos de neve parecem diferentes. Mas como um cristal de gelo tem três eixos de segunda ordem, um floco de neve só pode ser hexagonal.

Se você não entendeu nada dessa explicação, não se preocupe. Também não o entendemos, apenas citamos o livro didático. Para entender por que um floco de neve tem essa forma, voltemos à molécula de água. É um triângulo:

Os cristais de gelo, por outro lado, têm a forma de um hexágono, que consiste nos triângulos acima mencionados:

Este primeiro cristal é o futuro floco de neve. Seu crescimento posterior ocorrerá devido à adição de novas moléculas de vapor d'água ao cristal.

Embora a ordem de fixação de novas moléculas seja caótica, elas eventualmente se alinham em hexágonos, o mesmo que nosso primeiro cristal.

Além disso, os galhos começarão a crescer no floco de neve. A aparência exata deles depende da temperatura, umidade, pressão e vários outros fatores. Os cristais sempre se juntam em uma face e nunca em um ângulo, então o raio do floco de neve sempre será hexagonal.

Os galhos podem se estender a partir do feixe, mas sempre crescerão em um ângulo de 60° ou 120°.

Era o floco de neve perfeito. Na realidade, um enorme aglomerado de "galhos" que crescem de forma caótica torna cada floco de neve único. Então os flocos de neve podem ficar assim:

Ou assim:

Ou assim:

E mesmo assim (quando dois flocos de neve "se unem", obtém-se um floco de neve de 12 raios):

Há rumores de que existem flocos de neve triangulares:

Na verdade, estes são os mesmos flocos de neve hexagonais, em que alguns dos lados são mais curtos que outros.

Dependência da forma dos flocos de neve em condições externas

Há uma estatística simplificada da dependência da forma dos flocos de neve da temperatura. Baseia-se em observações de longo prazo de cientistas:

0..-3°С: hexágonos planos
-4..5°С: cristais de agulha
-6..-8°С: colunas de prisma
-9..-12°С: hexágonos planos novamente
-13..-16°С: estrelas de floco de neve
>16°C: flocos de neve de qualquer forma, incluindo os muito complexos

E, no entanto, é impossível prever a forma dos flocos de neve com mais precisão - muitos fatores influenciam isso. A modelagem do processo de criação de flocos de neve não é possível, pois cada caso individual teria que ser modelado. Acredita-se que cada novo floco de neve não é igual ao já criado.

Flocos de neve e neve colorida

Os flocos de neve também podem se interligar (como na imagem acima), formando complexos flocos de neve poligonais. Às vezes, esses flocos são de tamanho recorde - na Sérvia, a neve de alguma forma caiu com um diâmetro de floco de até 30 cm! Foi no inverno de 1971. Mas na maioria das vezes seu tamanho não excede 1-2 cm.

Há também neve colorida - pequenas partículas de poeira caem nas nuvens, colorindo os flocos de neve de amarelo, avermelhado ou marrom. Isso acontece em áreas localizadas perto de desertos, onde ocorrem tempestades de areia. A propósito, a neve às vezes cai nos próprios desertos, encantando os moradores locais com a variedade e a beleza dos flocos de neve.

Era uma vez flocos de neve e, como não encontraram uma ocupação melhor para si, voaram para o chão. Muitos acabaram no campo e ficaram lá, muitos caíram nos telhados e ficaram lá, e um floco de neve atingiu a janela aberta, mas a história é silenciosa sobre seu destino, provavelmente, ficou lá.
Roberto Walser. Família Tanner

O ar em que surgem está cheio de gênio criativo. Eu não acho que ficaria mais animado
mesmo que estrelas reais caíssem no meu casaco.
Henry David Thoreau

Floco de neve- a forma bonita e graciosa de água congelada - sempre foi extremamente popular entre as pessoas. Como se sabe, floco de neveé um cristal de neve ou gelo, geralmente na forma de placas hexagonais e estrelas de seis pontas.

Durante geadas muito severas (em temperaturas abaixo de -30 ° C), os cristais de gelo caem na forma de " pó de diamante”- neste caso, uma camada de neve muito fofa é formada na superfície da terra, consistindo de finas agulhas de gelo.

Normalmente, no curso de seu movimento dentro da nuvem de gelo, os cristais de gelo crescem devido à transição direta do vapor de água para a fase sólida. Como exatamente esse crescimento ocorre depende das condições externas, em particular da temperatura e umidade. Os cientistas identificaram a natureza da dependência em termos gerais, mas ainda não conseguiram explicá-la.

Sob certas condições, os hexágonos de gelo crescem intensamente ao longo de seu eixo e, em seguida, formam-se flocos de neve alongados - flocos de neve-colunas, flocos de neve-agulhas. Sob outras condições, os hexágonos crescem principalmente em direções perpendiculares ao seu eixo e, em seguida, os flocos de neve se formam na forma placas hexagonais ou estrelas hexagonais. Uma gota de água pode congelar em um floco de neve caindo - como resultado, flocos de neve de forma irregular.

Em momentos diferentes, eles estavam interessados ​​em flocos de neve René Descartes- naturalista francês; Barão Nikolai Vasilyevich Kaulbars- Escritor geral e militar, membro da Sociedade Geográfica Imperial Russa, que descobriu flocos de neve de forma incomum; americano Wilson Alvin Bentley- um dos primeiros fotógrafos de flocos de neve; físico nuclear japonês Ukihiro Nakaya publicou um livro em 1954 Cristais de neve: naturais e artificiais”, onde examinou em detalhes a natureza dos flocos de neve; Kenneth Libbrecht- Professor de física americano que publicou o livro " Flocos de neve. O mistério da beleza da natureza do inverno».

Ele foi o primeiro a estudar flocos de neve Johannes Kepler(1571-1630) - famoso astrônomo e matemático alemão.

Também em 1611 No ano publicou um tratado "", no qual analisava os aspectos geométricos de sua estrutura. Este conhecido trabalho científico e artístico de forma acessível revela a natureza das pequenas migalhas. Apesar de o autor não dar uma resposta definitiva à questão colocada, este trabalho teve um impacto significativo no desenvolvimento da ciência e é considerado o ponto de partida no desenvolvimento da cristalografia.

As altas realizações científicas do tratado de Kepler já foram apreciadas por V. I. Vernadsky em sua obra Fundamentos da Cristalografia. Vernadsky observou:

"O significado do trabalho está no fato de que ele provou pela primeira vez que os cristais obedecem às leis da geometria."

« Presente de ano novo, ou sobre flocos de neve hexagonais"- uma elegante piada em miniatura. Seu trabalho Johannes Kepler dedicado a um amigo Johann Matthias Wacker von Wackenfels, conselheiro do imperador Rodolfo II, que Kepler como presente de Ano Novo, pensei em dar "Nada". Assim, em busca de um presente de Ano Novo, I. Kepler reflete:

“Estou atravessando uma ponte atormentada pela vergonha - deixei você sem um presente de Ano Novo! E então eu recebo uma boa oportunidade! O vapor d'água, condensado do frio na neve, cai como flocos de neve em minhas roupas, todos como um, hexagonal, com raios fofos. Juro por Hércules, aqui está uma coisa que é menor que qualquer gota, tem forma, pode servir como um tão esperado presente de Ano Novo para um amante do Nada, e é digno de um matemático que possui Nada e recebe Nada, porque cai do céu e esconde em si a semelhança de uma estrela hexagonal!

Johannes Kepler conscientemente compara "Nada" e um floco de neve. Afinal, em latim Nix significa "neve" em alemão Nihil- "nada". O cientista se pergunta por que os flocos de neve, antes de cair em grandes flocos, caem em hexágonos e fofos, como penas com seis raios.

E porque, sempre que começa a nevar, os primeiros flocos de neve têm a forma de uma estrela hexagonal. Portanto, deve haver uma razão específica para isso. Voltando-se para a geometria, o cientista notou que os favos de mel também são construídos em ordem hexagonal:

“qualquer célula do favo de mel é cercada por outras seis células, cada uma com uma parede comum. A base de cada célula tem três planos, que, conectando-se com seus lados, formam seis ângulos poliédricos. O fundo triédrico da célula tem uma forma que os geômetras chamam de losango. Mas por que as abelhas constroem favos hexagonais e não outro? Mas porque o hexágono regular cobre a maior área sem lacunas. As abelhas intuitivamente tendem a construir um favo tão grande quanto possível para armazenar mais mel.

Observando que o vapor de água engrossa sob a influência do frio, o cientista faz a pergunta: o frio pode ser considerado a razão pela qual a neve tem uma forma hexagonal? E por que padrões gelados se formam nas janelas no inverno? A resposta é:

“O frio do inverno penetra pelas frestas das janelas. Perto dessas fendas estreitas há um confronto com o calor. O calor sobe e o frio desce. De fato, no calor, a substância se expande e, no frio, torna-se mais densa e mais pesada, e a partir disso o calor é empurrado para cima. Portanto, quando o vapor acumulado dentro corre para fora, o frio acumulado fora corre para dentro, o que torna as bordas de uma janela aberta ou rachadura especialmente frias. Ao alcançá-los, o vapor congelará constantemente, e os movimentos do vapor e do ar, primeiro em uma direção, depois na outra, criam aquelas listras e raios afiados. O vapor se instala neles.

No entanto, a razão para a forma hexagonal dos flocos de neve ainda não está clara. Finalmente Kepler Percebi que os flocos de neve não caem imediatamente quando caem. Por alguns momentos, partes individuais deles ficaram de pé e só algum tempo depois caíram no chão. Por quê?

“As estrelas hexagonais surgem quando caem três diâmetros abaixados, conectados em um ponto de modo que suas extremidades sejam distribuídas uniformemente ao redor da circunferência, e caem no solo com apenas três raios abaixados, enquanto os outros três raios, que servem como continuação do primeiro, permanecem elevados até , até que os raios sobre os quais o asterisco repousa se desdobrem e os outros raios que se projetam para cima desçam no mesmo plano nos intervalos entre os três primeiros raios.

Se você perguntar a um matemático em qual figura os três diâmetros se cruzam em um ponto ortogonalmente, ou na forma de uma cruz dupla, o matemático responderá: em um octaedro, cujos vértices opostos estão conectados. Mas o octaedro tem exatamente seis vértices. Como acontece que a neve caindo, antes de ficar plana, com seus três diâmetros perpendiculares entre si, forme o esqueleto de um octaedro?

Assim, o arranjo cúbico no espaço das gotas que compõem a neve se deve ao calor interno do vapor. Fixa gotas de vapor imaginárias ao longo de três diâmetros, colocando-as em ordem octaédrica para que a substância, condensando-se, se acumule ao longo dos diâmetros indicados. Deve-se acrescentar também que todas as penugens do centro são direcionadas para fora, como agulhas em um galho de abeto. Isso indica que a força formativa está concentrada no centro e atua a partir daí igualmente em todas as direções.

Kepler sugeriram que três diâmetros escolhidos surgem pela mesma razão que existem três direções escolhidas nos corpos dos seres vivos: superior, inferior, frontal e traseira, bem como os lados direito e esquerdo.

O surgimento de seis direções escolhidas nos corpos dos animais sugere que os corpos dos animais não são criados apenas em função do arquétipo das figuras geométricas, ou seja, o cubo, mas também pela necessidade de atingir um determinado objetivo. Uma pessoa também pode ser comparada a um cubo montado a partir de vários elementos.

Então, tendo estudado tudo o que era possível, o cientista chegou à seguinte conclusão: "A forma hexagonal da neve se deve a proporções numéricas constantes."

Qual é o propósito da formação de neve? I. Kepler respostas:

“O princípio formativo não só procura atingir o objetivo, como também contribui para a decoração, não só dá origem aos corpos naturais, como também não é alheio a divertimentos fugazes, como comprovam os numerosos exemplos de fósseis. E se a natureza é divertida, não desprovida de senso de humor, então a vida sem filosofia está morta!

Flocos de neve sem peso são a beleza fabulosa da natureza milagrosa! Atualmente, belas fotografias de flocos de neve tiradas com uma lente macro foram criadas por um fotógrafo canadense Don Komarechka (Don Komarechka).

A compreensão do processo de modelagem permitiu que os cientistas criassem os próprios flocos de neve, obtendo informações sobre a física do crescimento dos cristais e modelos de sua formação. O estudo dos flocos de neve também pode ajudar no estudo das mudanças climáticas e das propriedades da água em geral.

Miniatura I. Kepler " Sobre flocos de neve hexagonais”não é apenas uma raridade da ciência, um documento de cristalografia teórica e o orgulho de sua história. Segundo o historiador da cristalografia I.I. Shafranovsky:

"Esta é a abundância das ideias mais profundas, a amplitude da abordagem ao considerar as causas da formação dos flocos de neve, as maravilhosas generalizações geométricas, a ousadia e a sagacidade das hipóteses expressas."

E embora a obra tenha sido escrita há mais de quatro séculos, ainda hoje o leitor fica fascinado com a precisão das informações científicas Johannes Kepler conseguiu ensinar de forma lúdica uma história de Ano Novo.

Leitura feliz!

Reznik Marina Vasilievna,
bibliotecário do departamento de empréstimos da cidade