Loodus on suurepärane matemaatik. Kui vaatate mis tahes molekuli, kristalli, aatomit, näete harmoonilist DNA süsteemi, saab selgeks, et ranged geomeetrilised vormid on meie maailma looja tugevaim külg. Ja selles osas on üks silmatorkavamaid tõendeid selle kohta jääkristallid - tavalised lumehelbed.

Saksa teadlane Johannes Kepler kirjeldas oma traktaadis "Kuusnurksetest lumehelvestest" (1611) esimesena lumehelbeid kui range kujuga kristalle. Aastal 1635 hakkas lumehelveste vastu huvi tundma prantsuse filosoof, matemaatik ja loodusteadlane Rene Descartes, kes hiljem kirjutas lumehelvestest peatüki, mille ta lisas hiljem oma „Esseesse meteoroore“. Mikroskoobi leiutamisega 17. sajandi keskel laienesid ideed lumehelveste kuju kohta. 1898. aastal avaldas Ameerika Vermonti osariigi farmer Wilson Bentley oma poole sajandi vanuse töö lumekristallide kohta ajakirjas Harper's Magazine. See oli teaduspomm. 15-aastaselt sai poiss kingituseks mikroskoobi, kolm aastat hiljem kinnitas ta selle külge kaamera ja pildistas lumehelbeid 50 aastat, tehes talvel kuni 300 pilti. Bentley eluea lõpuks oli kollektsioonis üle 5000 tüki. Just tema tõestas, et maailmas pole ühtegi identset lumehelvest.

Kas see tähendab, et me teame nüüd lumehelvestest kõike? Üldse mitte. Tegelikult on nüüd küsimusi jäänud veelgi rohkem kui päris uuringu alguses. Pealegi ilmus Nõukogude Liitu terve teadus - glatsioloogia. Esialgu peeti glatsioloogiat (ladina sõnast "glacies", mis tähendab külma, jääd) puhtalt liustike ja ainult liustike kirjeldavaks teaduseks. Kuuekümnendatel puhkes NSVL liustikuteadlaste seas debatt selle üle, kas pidada lund ja lumikatet glatsioloogia teemaks või mitte. Praegu on "lumeteadus" kogu maailmas tunnustatud eraldiseisev glatsioloogia haru.

Haridustingimused jaaastal jääkristallide moodustuminelooduslikud tingimused

Lumi on meie planeedi kõige imelisem omadus. Seda moodustub kõigil mandritel tohututes kogustes. Igal aastal katab lumi kuni 130 miljonit ruutkilomeetrit – veerandi kogu Maa pinnast, sealhulgas ookeanid. Miljardid "kaalutud" lumehelbed võivad isegi mõjutada Maa pöörlemiskiirust. Ainuüksi augustis, Maal lumevaesemal perioodil, mil 8,7% kogu planeedi pinnast on lumega kaetud, kaalub lumikate 7400 miljardit tonni. Ja talve lõpuks ulatub põhjapoolkeral hooajalise lume mass 13 500 miljardi tonnini. Kuid lumi mõjutab Maad mitte ainult oma kaalu tõttu. Lumikate peegeldab peaaegu 90% päikesekiirgusest kosmosesse. Lumevaba maa peegeldab vaid 10, maksimaalselt 20%.

Kõik teavad, et lumi ei teki maapinnal, vaid atmosfääri kõrgetes kihtides. Pilved koosnevad väikestest lumehelvestest ja ülejahtunud veepiiskadest ning seetõttu võib isegi vihma ja vedelate sademete otseseks eelkäijaks olla atmosfäärilumi.

Lumehelves on külmunud veekristall (jääkristall), mis on kujundatud kuueharulise hulktahuka kujuga. Kristallid tekivad külmunud pilvedes, kui nad lähevad üle auruolekust külmunud kristallisse tahkesse faasi. Veekristallide – lumehelveste – välimust ja kasvu mõjutavad otseselt ümbritseva õhu temperatuur ja niiskus.

Kõigepealt tegeleme pilvedega. Pilved tekivad siis, kui atmosfääris olev veeaur kondenseerub, moodustades kas veepiisku või jääkristalle. Kui õhk tõuseb, siseneb see üha madalama rõhuga kihtidesse. Õhk tõuseb iga kilomeetri kohta umbes 10° C Kui õhk, mille suhteline õhuniiskus on u. 50% tõuseb üle 1 km ja algab pilvede teke. See tähendab, et pilvede tekkimise kõrgus on iga maa peal erinev, olenevalt õhuniiskusest.

Alumise kihi pilved (kihtpilved, kihtrünkpilved ja nimbostratus) koosnevad peaaegu eranditult veest, nende alused paiknevad kuni umbes 2000 m kõrgusel Maapinnal levivaid pilvi nimetatakse uduks.

Keskmise taseme pilvede (altocumulus ja altostratus) aluseid leidub kõrgustel 2000 kuni 7000 m. Nende pilvede temperatuur on 0 ° C kuni -25 ° C ja need on sageli veepiiskade ja jääkristallide segu.

Ülemise tasandi pilved (cirrus, cirrocumulus ja cirrostratus) on tavaliselt hägusate piirjoontega, kuna need koosnevad jääkristallidest. Nende baasid asuvad rohkem kui 7000 m kõrgusel ja temperatuur on alla –25°C.

Kui pilve sees olevad jääkristallid on liiga rasked, et jääda ülesvoolus hõljuma, langevad need lumena. Kui atmosfääri alumised kihid on piisavalt soojad, sulavad lumehelbed ja langevad vihmapiiskadena maapinnale. Isegi suvel parasvöötme laiuskraadidel tekib vihm tavaliselt jäätükkide kujul. Ja isegi troopikas algab rünkpilvedest langev vihm jääosakestega. Rahe on veenev tõend selle kohta, et pilvedes on jääd isegi suvel.

Väga puhtas õhus veepiisad tõesti ei külmu temperatuurini -30, -40 ° C. Tulevase lumehelbe tuuma moodustamiseks on vaja väikseimaid lisandeid, millele lumehelves juba "külmub". Selliste tuumade rolliks võivad olla näiteks tillukesed saviosakesed, mis omandavad erilise tähenduse temperatuuril alla –10°–15° C. Lume teket põhjustab ka kunstlik hõbeioonide pihustamine õhku. Kunagi arvati, et sagedased lumesajud võivad olla tõendiks õhusaaste ja seega ka piirkonna keskkonna kohta. See väide on aga nüüdseks ümber lükatud

Siiski on veel üks huvitav fakt. Prantsusmaa ja USA teadlased on avastanud, et lumehelveste peamine “tuumik” üle maailma on... bakterid. Ja mitte ainult bakterid, vaid enamasti ka üks bakter - Pseudomonas syringae. Need pulgakujulised bakterid nakatavad suur hulk taimed, sealhulgas põllumajanduslikud. Tänapäeval on põllumajandust kahjustavate bakterite hävitamiseks välja töötatud palju tooteid. Kas selle hävitamine mõjutab kliimat ja lume moodustumist? Küsimus on retooriline.

Huvitaval kombel võib lumehelveste tuumaks olla ka veeaur. Seda seostatakse ruumidesse langeva lume nähtusega. Kui talvel väga kuumas, köetud ja niiskes ruumis madalal temperatuuril äkitselt ukse lahti teed, sajab tuppa lund. Seda nähtust kirjeldati 1773. aasta Peterburi Teatajas. Ballil, kuhu kogunes liiga palju rahvast, oli väga lämbe ja mõned daamid hakkasid minestama. Siis lõhkus üks husaaridest akna ja toas hakkas lund sadama. Selle põhjustas paljude inimeste hingeõhust pärit veeaur. Sama nähtusega seostatakse külma ilmaga suust auru. Või hingamisest pakane suu ümber.

Klassikaline näide tuumaga lumehelveste tekkest väikseimast veeaurust on minu kogemus...seebimullidega. Seda saab teha ainult temperatuuril alla 27 kraadi. Kui puhute seebimulle temperatuuril üle 27 kraadi, lendab mull rahulikult maapinnale ja võib-olla isegi külmub jääpalliks. Aga! Kui puhuda seebimulle temperatuuril -20 kraadi, hajuvad need õhus lumehelvesteks, ilma et neil oleks aega maanduda. Mikroskoobi all on näha ka imepisikesed hingamisest tekkinud jääkristallid.

Jääkristallide klassifikatsioon janende hariduse tingimused

Lumekristallidele on pakutud välja mitu klassifikatsiooni. Ühe süsteemi, mida sageli kasutatakse lumesademete klassifitseerimiseks, pakkus välja Rahvusvahelise Hüdroloogiateaduste Assotsiatsiooni lume- ja jääkomisjon 1951. aastal. Selle süsteemi järgi eristatakse seitset peamist tüüpi kristalle: plaadid – prismad; tähed - puutaolise hargneva struktuuriga kristallid; postid ja nõelad; ebakorrapärased kristallid.

Samuti on olemas üksikasjalikum klassifikatsioon, milles iga ülalnimetatud tüüp on jagatud mitmeks tüübiks, mis omakorda jagunevad sortideks. Kokku on neid umbes 80 sorti.

  1. Plaadid: Kõige lihtsamad lumehelbed on lamedad kuusnurksed prismad.
  2. Tähed. 6 kiirt
  3. Veerud. Seest õõnes, võib olla pliiatsikujuline.
  4. Nõelad. Pikad ja õhukesed kristallid, mis mõnikord koosnevad mitmest harust.
  5. Ruumilised dendriidid. Mahulised lumehelbed tekivad mitme kristalli kokkukasvamisel.
  6. Ülemised veerud. Need tekivad siis, kui sambad satuvad erinevatesse tingimustesse ja kristallid muudavad kasvusuunda. (Foto nr 8)
  7. Valed kristallid. Kõige tavalisem tüüp. Moodustub lumehelbe kahjustamisel.

Otsustades selle klassifikatsiooni õigsust praktikas kontrollida, püüdsin võrrelda oma fotosid lumehelvestest toodud näidetega.

Nagu paljude katsete ja vigade käigus selgus, on lumehelveste pildistamine väga tüütu protsess ja sugugi mitte nii lihtne. Tavaline kaamera lihtsalt ei saa sellise laiendiga hakkama. Mikroskoobi abil on võimalik uurida mitmeid lumehelbeid, kuid samal ajal on vaja väljas töötada digitaalse mikroskoobiga (see tähendab, et see tuleb ühendada pikendusjuhtmete kaudu), enne tööd tuleb jahutada klaas ja mikroskoop, et lumehelbed kohe ei sulaks, peate reguleerima mikroskoobi valgustust nii, et lumehelbed ei sulaks. Ja samal ajal hoidke käed eemal ja hingake teises suunas. Samas osutus täiesti võimatuks panna mikroskoobi objektiivi ainult üks lumehelves. Pidin paigutama mitu ja see hägusas veidi katse puhtust. Kuid minu tehtud fotodel näete järgmist tüüpi jääkristallide üksikuid elemente:

1) Minu fotode seas on kõige levinumad ebakorrapärased kristallid. Seda seletatakse lumehelveste üksteisest eraldamise raskusega, nii et üldiselt sain lumehelbed juba ühendatud kujul.

2) Kuid isegi nendes ebakorrapärastes kristallides võis näha: veerge

4) plaadid

Kuna olemasolev varustus ei võimaldanud lumehelbeid üksikult pildistada, olid peaaegu kõik saadud tulemused mitme lumehelbe blokeerimine. Seega pole võimalik aru saada, kui paljud neist on tõelised ruumidendriidid ja millised hiljem selgusid.

Nagu näete, kinnitavad minu tehtud fotod peaaegu täielikult lumehelveste väljakujunenud klassifikatsiooni. Veelgi enam, sisse looduslikud tingimused Seal on terved suured kristallid, mis samuti moodustuvad lumehelveste põhimõttel. Selliseid kristalle on võimalik leida ainult koobastes, igikeltsa tingimustes.

Jääkristallide metamorfoosid

Kui viimases peatükis tõin näiteid saadud lumehelveste tüüpidest, siis selles peatükis tahaksime vaadelda lumehelbe tüübi seost temperatuurirežiimi, aja ja füüsikalise mõju vahel. Kõik uuringud viidi läbi 2015. aasta talve algusest.

Olenevalt ümbritsevast temperatuurist

Ega asjata ei nimetata esimest lund kõige ilusamaks. Enamasti ei ole esimene lumi isegi mitte lumehelbed, vaid lahtised suured lumehelbed, mis sulavad peaaegu silmapilkselt. Sel aastal näiteks lamas esimest lund umbes 5 tundi enne sulamist. Aga teine, mis nädal hiljem välja kukkus, suutis seal juba pea neli päeva lebada. Esimesed kohevad suured lumehelbed koosnevad mitmest üksteisega haakuvast lumehelvest. Meie arvutuste kohaselt on see tavaliselt kaks kuni kõige rohkem neli. Pealegi on nende hulgas ülekaalus sektoritähed.

Sellised lumehelbed langevad nullilähedasel temperatuuril. See on nn märg lumi. Mida madalam on temperatuur, seda peenem ja “mittekleepuv” lumi. Samuti muutub lumehelveste kuju. Kaunitest korrapärastest tähtedest plaatide ja ebakorrapäraste sammaste ja kristallideni.

Huvitaval kombel hakati 1940. aastatel (1942–1947) uurima kristallide kuju ja pilvedesiseste temperatuuride seost. Üks esimesi üksikasjalikke uuringuid jääkristallide kuju kohta erinevatel kõrgustel viidi lennukist läbi teadlase Wakemani poolt. Andmete analüüs näitas, et temperatuuril alla -25 °C on kristallide domineeriv kuju kuusnurkne prisma. See on tüüpiline rünksaju- ja keskpilvedele. Üleminekul ülemise astme pilvedelt keskmise ja alumise astme pilvedele, st kõrgemate temperatuuride piirkonda, asenduvad prismad järk-järgult paksude ja seejärel õhukeste kuusnurksete plaatidega. Tavaliselt täheldatakse neid temperatuuril üle -20 °C. Temperatuuridel -10 °C kuni -20 °C domineerivad tähekujulised kristallid. Tabeli kujul näeb see välja järgmine:

Tabel 1

Erinevatel temperatuuridel tehtud fotode võrdlus näitas minu puhul veidi erinevaid tulemusi:

Nii olid temperatuuridel -2 kuni -8 kraadi ülekaalus plaadid ja sektortähed. Võib-olla on nõelte peaaegu täielik puudumine seletatav asjaoluga, et need lihtsalt ei jõudnud õhus sulades maa pinnale.

-10 kuni -20 tähtdendriiti.

-20 kuni -40 - prismaplaatidest koosnevad ebakorrapärased kristallid.

tabel 2

Enda tähelepanekute tabel

Nagu näete, on kõrgel pilvedes ja maapinnal saadud tulemused üksteisest silmatorkavalt erinevad. Seletusi võib olla mitu:

1) Kui lumehelves langeb, deformeerub see, kogedes atmosfääri erinevates kihtides temperatuuri erinevusi

2) Kõige hapramad nõelakujulised ja torukujulised lumehelbed lihtsalt ei ulatu maapinnani.

Olenevalt ajast

Temperatuur pole ainus, mis lumehelvest muudab. Aeg muudab seda. Mida kauem lumi lebab, seda rohkem see tiheneb, seda vähem jääb sellesse algseid jääkristalle. See tegur on seotud lume tihedusega.

Lume tihedus ei ole püsiv.

Kuiva lume tihedus on 10–20 kg/m3, märja lume tihedus 100–300 kg/m3. Tihendatud (jäänud) lumi kaotab osaliselt oma esmase struktuuri, peamiselt settimise tõttu oma raskuse, temperatuuri ja tuule mõjul. Vana lume tihedus on 200–600 kg/m3. Vana lumi kaotab täielikult oma esialgse struktuuri ja kristallide kuju ning muutub enam-vähem suurteks teradeks.

Mõõtmised viiakse läbi järgmiselt. Tasasel alal sukeldatakse lumemõõturi silinder selle sakilise otsaga rangelt vertikaalselt lume sisse, kuni see puutub kokku aluspinnaga. Kui puutute kokku lumekoorikuga, lõikab silindrit kergelt keerates need läbi. Kui toru jõuab maapinnani, registreerige skaalale lume sügavus. Seejärel kraabitakse silindri ühelt küljelt lumi maha ja silindri alumise otsa alla asetatakse spetsiaalne spaatel. Koos sellega eemaldatakse silinder lumelt ja pööratakse alumine ots ülespoole. Pärast silindri väliskülje lumest puhastamist riputage see kaalu konksu külge. Kaalud tasakaalustatakse liigutatava raskusega ja jaotuste arv märgitakse piki lumemõõturi joonlauda.

Lume tihedus määratakse proovi massi ja selle mahu suhtena järgmise valemiga:

p on lumeproovi tihedus, g/cm³;

G - proovi kaal, grammides;

S on silindri vastuvõtuala, cm²;

H on lumeproovi kõrgus, cm.

Lisaks ülalkirjeldatud kaalu lumemõõtjale, kus kaalutakse lumeproovi, on ka mahulisi lumemõõtjaid, millel puuduvad kaalumisseadmed. Nendes lumemõõturites sulatatakse võetud lumeproov ja mõõdetakse keeduklaasi või vihmamõõturiga moodustunud vee kogust. Selliseid seadmeid kasutatakse tavaliselt statsionaarsetes postides ja jaamades. Proovisime samamoodi mõõta ka lume tihedust.

Tabel 3

Lumetiheduse enda mõõtmiste tabel inJakutsk

Olenevalt füüsilisest mõjust

Kui proovisin ühte lumehelvest pildistada, murdsin neid tohutult palju. Tavaliselt on lumehelveste suurus umbes viis millimeetrit ja kaal umbes üks milligramm. Muide, suurim looduslik lumekristall, mille inimene on kunagi registreerinud, oli 38 cm läbimõõduga ja 20 cm paksused hiiglaslikud lumehelbed, mis langesid 1887. aastal Montanas asuvasse Fort Keoughi. Kuu ilmateade teatas sellest 1915. aastal. Siberis nähti umbes 30 cm läbimõõduga lumehelbeid ja kuni 10 cm läbimõõduga lumehelbeid võisid 1944. aastal näha kõik Moskva elanikud.

Iga rikke korral teeb iga lumehelves meie kõrvadele kuulmatu heli. Kuid kui korraga puruneb palju lumehelbeid, siis kuulete seda heli - see pole midagi muud kui lume krigistamine teie jalge all. Lume kriginat ja prõbinat on kuulda vaid väga miinuskraadide juures ja samal ajal ka temperatuurist kõrgemal. keskkond madalam, seda valjem on jääkristallide kriuksumine. Seda seletatakse lihtsalt – külma käes muutuvad lumehelbed hapramaks ja kõvemaks. Seega, kui lumekristallid purunevad, teevad nad vastavat heli. See heli on aga nii vaikne, et inimene pole võimeline seda kuulma. Aga kui tuhanded lumehelbed korraga purunevad ja teadlased on välja arvutanud - ühes kuupmeeter Lumes on umbes kolmsada viiskümmend lumehelvest, need teevad häält, mida on kuulda.

Kui arvestada lume krigisemise akustilist spektrit, saame määrata selle kaks maksimumi. See on õhutemperatuuril -6 kuni -15 kraadi Celsiuse järgi 250–400 Hz ja alla –15 kraadi juures 1000–1600 Hz. Seega kuuleb külmaga lumele astudes vastavat krõbinat. Kuid on veel üks põhjus, miks lumi nagu iseenesest krigiseb. Seda seletatakse lumehelveste hõõrdumisega üksteise vastu ja nende nihkumisega üksteise suhtes. Selle tulemusena on ka kristallid kahjustatud ja kostab krõbisev heli.

Lumi jakeskkonnaökoloogia.

Kõik teavad, et tiheda liiklusega maanteede ääres muutub lumi määrdunudhalliks. See pole ainult mustus. Need on mitmesugused kahjulikud lisandid, raskemetallid jne, mis kogunevad õhku ja settivad lumele. Seega saab lumeproove analüüsides teha täpse järelduse selle lume kogumise piirkonna ökoloogia kohta.

Selliseid uuringuid on Jakutskis SB RASi igikeltsa uuringute instituudiga tehtud aastaid. Alates 1982. aastast on dünaamikat uurinud geokeemia labor (V.N. Makarov, N.F. Fedosejev jt). keemilised elemendid ja ühendused Jakutski linna ja selle lähiümbruse lumikattes. “Jakutski geokeemiline atlas” (1985) koostati kaartidega, mis näitavad keemiliste elementide levikut linna lumikattes ja pinnases. (lisa nr 1)

Jakutski territooriumi lumikatte reostuse põhimaht pärineb hõljuvatest ainetest (tolm). Sellele võib lisada liiva kasutamise talvel teekatte töötlemiseks. Kuid ikkagi on transpordil lumereostuse tasemes suur roll. Tiheda liiklusega maanteede ääres on lihtsalt naftasaaduste, formaldehüüdi ja metanooli lademed. Üks kahjulikumaid metalle, plii, koguneb lumme.

Et kujutada ette Jakutski linna lumereostuse ligikaudset taset, võtsin mitu proovi ja tegin mitu mõõtmist.

Kuidas proove võetakse? Et proove mitte "saastada" erinevate võõrelementidega, tuleb need koguda spetsiaalse tehnoloogia abil. Selleks on kõige parem kasutada uusi ühekordselt kasutatavaid kilekotte või puhast plastikust kulbi või tassi. Sel juhul ei tohiks te käte või labakindadega lund puudutada ega koguda. Lund kogudes püütakse seda pinnalt võtta, et proovi alla mulda ei satuks.

Et näha vähemalt ligikaudset pilti linna saastatuse tasemest, valisin linnas järgmised piirkonnad:

 202 mikrorajoon, 33. keskkooli hoov, kus õpin. Teoreetiliselt peaks 202 olema saastetasemelt teisel kohal enne Khatyng-Yuryakhi äärelinna piirkonda. Kooli lähedal on muidugi tee. Aga see ei ole läbi, sellel on ainult sissepääs kooli territooriumile. Ja proov võeti kooli hoovis, saja meetri kaugusel teest ja parklast.

 CHPP piirkond (soojuselektrijaam). Valisime selle paljude linlaste kartuses, et soojuselektrijaama tehnilised heitmed koos tugeva mürinaga saastavad keskkonda ja on ohtlikud läheduses elavatele inimestele.

Kuid nagu eksperdid ise kinnitavad, vastab nende hoone ümbruse saastetase kõigile standarditele.

 Ordzhonikidze tänav. Üks tihedama liiklusega linnateid. Ja teooria järgi otsustades peaks see olema ka proovides üks kõige saastatumaid.

- Lennujaama piirkond. See on hõivatud linnaosa, millel on lai transpordivõrk. Proov võeti elumaja lähedalt, 230 meetri kaugusel lähimast suurest maanteest.

 Khatyn-Yuryakha piirkond. Sellest proovist peaks saama taustaproov, st kõige puhtam. Sest see on võetud linnast väljas, kus pole tihedat liiklust, liiva ei puistata ja tolmu praktiliselt pole.

Mida suurem on vee saastatuse tase ja meie puhul sulalume, seda rohkem on see mineraliseerunud. Seega, mida rohkem ioone see sisaldab ja seda suurem on elektrijuhtivus. Mõõtsin milliammeetri ja vooluallika abil kõik proovid, sealhulgas puhtad joogivesi"Vesi". Saadud andmed kinnitasid täielikult esialgseid järeldusi

Proovi juhtivus

Vesi "Aqua" - 0

Khatyn-Yuryakh - 0,5 mA

Soojuselektrijaama ala - 1 mA

202 mikrorajoon, 33 kool - 1mA

Lennujaama ala - 1,2mA

Ordzhonikidze tänav - 1,2 mA

Nagu näete, osutus Khatyn-Yuryakhi lumi tõesti kõige puhtamaks. Sellele järgnevad kaugkütte- ja elektrijaam ning mikrorajoon 202. Seega pole soojuselektrijaamade alade elanikel midagi erilist karta. Aga kooliõuelt ootasin paremaid tulemusi. Lennujaama lähedal asuv elamu hoov osutus elektrijuhtivuse poolest võrdväärseks Ordzhonikidze tänava piirkonnaga. Mis tekitab ka mitmeid küsimusi. Neile vastamiseks otsustati esitada samad proovid mitmele uuringule. Muide, Ordzhonikidze tänava proovi oli palja silmaga eristada, lumi oli määrdunud, hall. Kõige puhtama välimusega näidis oli Khatõn-Yuryakhi maanteelt.

Lume saastatuse taset otsustasime määrata mitmel viisil: koolis voltmeetri abil, SB RASi igikeltsauuringute instituudi laboris, vabariikliku keskkonnaseire teabe- ja analüütilise keskuse laboris.

Tabel 4

Sakha Vabariigi (Jakuutia) riigieelarveline asutus "RIACEM":

Näitajad

St. Ordžonikidze

Lennujaama piirkond

202 mikrorajoon

Soojuselektrijaamade piirkond

Suspendeeritud tahked ained

Mangaan

ränihape

formaldehüüd

Bens(a)püreen

Linna atmosfääri saastamine inimtegevusest tingitud heitmetega toob kaasa iseloomulikud muutused keemiline koostis lumikate.

Arvestusliku lumikatte summaarsete reostusnäitajate (Zc) järgi liigitatakse keskmise saastetasemega aladeks Ordzhonikidze tänava ja lennujaama piirkond, mikrorajooni 202 ja soojuselektrijaama alad aga piirkonnaks, kus saastetase on keskmine. madal reostuse tase. (

Igikeltsa uuringute instituut:

Ametlikest järeldustest: Jakutski territooriumi lumikatte reostuse põhimaht pärineb hõljuvatest ainetest (tolm). Selle näitaja järgi on kõige saastunum proov, mis võeti Ordzhonikidze tänava piirkonnast, mis on tingitud tihedast liiklusest ja liiva kasutamisest talvisel teekatte töötlemisel. Transport mängib lumikatte saastumises suurt rolli. Seega on naftatoodete, formaldehüüdi ja metanooli kõrgeimad kontsentratsioonid registreeritud Ordzhonikidze tänava ja lennujaama piirkonnas.

Proovidest leiti: formaldehüüd, metanool, ränihape, bensopüreen, arseen, plii, raud, vask, tsink, mangaan. Saastetaset saate hinnata isegi ühe elemendi - plii - järgi. Mida rohkem pliid proovides on, seda ohtlikum see on ökoloogiline olukord piirkonnas.

Niisiis osutus koolikogemus milliammeetri ja vooluallikaga peaaegu sama tõhusaks kui kahe professionaalse labori järeldused.

Samal ajal otsustati kontrollida ka lume radioaktiivsust. Või õigemini, kas lumi neelab kiirgust? Selle katse jaoks vajasin suurt tükki mineraali - tšaroiiti, mida kaevandatakse Jakuutias. See kaunis dekoratiivne mineraal kannatab suurenenud taustkiirguse all. Seega näitab mu kivi kiirgusfooni ületatud 23 mikronit tunnis. Mõõtsin seda kodumasina abil, mis mõõdab taustkiirgust. Hiljem panin selle kivi üheks päevaks lumme ja siis mõõtsin ainult lund. Seade näitas 20 mikronit. kell üks. Enne seda kokkupuudet näitas lumi 16 mikronit. kell üks. Millest võime järeldada, et lumi (vesi) neelab radioaktiivse kiirgusega kokkupuutel kiirgust.

Muidugi hakkasin pärast seda talve lumest palju rohkem teadma, kui varem ette kujutasin. Ja nüüd teab kogu mu pere, kui raske on lumehelbeid pildistada, kui neil on kokku külmunud vähemalt 8 sõrme. Isegi õnnetu LED-ekraaniga digimikroskoop nõustus külmas töötama vaid viis minutit, misjärel lülitus välja. See uurimus köitis aga meid kõiki nii, et jätkame seda kindlasti ka edaspidi. Pealegi on jääkristallidel endiselt tohutult palju saladusi.

jääkristallid

Alternatiivsed kirjeldused

Atmosfääri nähtus

Sademete tüüp

Talvine kunstniku maalimine ühe värviga

härmatis

Õhuniiskuse kristalne kondensaat

ilmastikunähtus

Hallid juuksed puul

Sinine, sinine, juhtmetel lamamine (laul)

Jääkristallide kiht jahtunud pinnal

Jahutuspinnal tekkis aurustumisel õhuke jääkristallide kiht

Õhuke lumekiht jahutaval pinnal

Õhus olevast veeaurust moodustuvad jääkristallid

. "tuim" kaste

Vene külmiku kaubamärk

Aurustumise tõttu tekkis õhuke lumekiht

Sademed

Sinine diivanikartul juhtmetel

. "ja mitte lund ega jääd, vaid hõbedaga eemaldab ta puid" (mõistatus)

Valge sade

Härmatis juhtmetel

Sademed puudel

Katab talvel puid

Talveriiete puu

lumekaste

Lumine niiskus

Talvine rüüsteretk kuuskedele

Lumivalged sademed

Pitsi pakane

Lumesadu

Lumesadu

Talvine reid

. "valgedus" puudel

Talvised sademed

Mähib talvel puid

Külmunud aurud

Sinine diivanikartul (laul)

Külmutatud aur

Puude talveriietus

Valge talvine narmas

Sini-sinine juhtmetele maha pandud

. "kaste" talvel

Lumekaste

Sademed juhtmetel

Talvel puude otsas

Sinine juhtmetele maha pandud

Õhuke lumekiht

Okstel ja juhtmetel lumi

. "ja kuusk läbi... muutub roheliseks"

Sinine diivanikartul (laul)

Puidu hõbedamine

Sademed talvel

Sinine sade juhtmetel (laul)

Teine nimi pakase jaoks

Külm sisuliselt

. "Niipea kui lävele sisenete, kõikjal..."

Härmatis lühidalt

Külma öö järel pakane

. "külmahunnik"

Peaaegu lumi

Lumeäär

külmunud kaste

Peaaegu sama mis pakane

Hommikul peaaegu lund

Laulus härmatis juhtmetel

Talvine äär põõsastel

külmunud aur

talvine kaste

Talvine põõsaste tekk

. "hallid juuksed" okstel

. "külmas kohev"

Õhuke jääkiht

Õhuke lumekiht

Talvine "hallid juuksed"

Põõsaste talvine kate

See, mis juhtmetel lebas

Jää okstel

Puudel härmatis

Puudel talvine hõbe

Goncharova maal

Mida sa pead sügisel auto küljest lahti kiskuma

talvine pakane

külmunud aur

Atmosfääri nähtus

Jahutuspinnal tekkis aurustumisel õhuke jääkristallide kiht

. "Ja kuusk läbi... läheb roheliseks"

. "Niipea kui lävesse sisenete, kõikjal..."

. "Külma hunnik"

. "Härmas kohev"

. "Külmunud" kaste

. "Kaste" talvel

. "Hallid juuksed" okstel

. "Sinine sinine... heida juhtmetele pikali"

. "ja mitte lund ega jääd, vaid hõbedaga eemaldab ta puid" (mõistatus)

. "Valgedus" puudel

Talvine "hallid juuksed"

Külmunud aurud, õhuniiskus, mis sadestub õhust külmematele objektidele ja külmub neile, mis juhtub pärast tugevaid külmasid. Hingamisel satub habemele ja kaelarihmale härmatis. Puudel paks härmatis, kurzha, kolb. Viljadel härmatis, higine tuhmus. Kohev pakane ämbrisse. Suur härmatis, lumevallid, sügavkülmunud maa, teravilja tootmiseks. Talv suur pakane, tervisele raske suvi. Prohvet Haggai ja Taanieli peal on pakane, soe jõuluaeg ja detsember. Gregory of Nikia jaanuar) härmatis heinakuhjadel - märjaks aastaks. Härmas, kaetud härmatisega; härmas üle; rikkalik pakane. Härmas, härmas, aga vähemal määral. Härmaga kaetud puuoksad, mis on härmatise raskuse tõttu murdunud. Härmatis või härmatis, härmatis, härmatis?, härmatisega kaetud. Onni nurgad on jääs ja härmas, lähevad härmas

külmunud kaste

Sinine-sinine, juhtmetele maha pandud

. "Sinine-sinine... heida juhtmetele pikali"

Jää tähtsust elu toetamisel meie planeedil ei saa alahinnata. Jääl on suur mõju taimede ja loomade elutingimustele ning erinevatele liikidele majanduslik tegevus inimene. Vee katmine, jää oma väikese tiheduse tõttu mängib looduses ujuva ekraani rolli, kaitstes jõgesid ja veehoidlaid edasise külmumise eest ning säilitades veealuste elanike elu. Säilitamiseks ja jahutamiseks kasutatakse looduslikku jääd toiduained, bioloogilised ja meditsiinilised preparaadid, mille jaoks seda spetsiaalselt toodetakse ja valmistatakse ning jää sulamisel valmistatud sulavett kasutatakse rahvameditsiinis ainevahetuse suurendamiseks ja toksiinide eemaldamiseks organismist. Artikkel tutvustab lugejale jää uusi vähetuntud omadusi ja modifikatsioone.

Jää on vee kristalne vorm, millel on viimastel andmetel neliteist struktuurimuutust. Nende hulgas on kristallilisi (looduslik jää) ja amorfseid (kuubikujää) ja metastabiilseid modifikatsioone, mis erinevad üksteisest jää kristallvõre moodustavate vesiniksidemetega ühendatud veemolekulide omavahelise paigutuse ja füüsikaliste omaduste poolest. Kõik, välja arvatud see, millega oleme harjunud looduslik jää Kuusnurkses võres kristalliseeruvad I h tekivad eksootilistes tingimustes - kuiva jää ja vedela lämmastiku väga madalatel temperatuuridel ja tuhandete atmosfääride kõrgel rõhul, kui veemolekulis muutuvad vesiniksidemete nurgad ja muud kristalsed süsteemid kui kuusnurksed. moodustuvad. Sellised tingimused sarnanevad kosmosetingimustega ja neid Maal ei esine.

Looduses on jää esindatud peamiselt ühe kristallilise variatsiooniga, mis kristalliseerub kuusnurkses võres, mis meenutab teemandi struktuuri, kus iga veemolekuli ümbritseb neli lähimat molekuli, mis asuvad sellest võrdsel kaugusel, võrdne 2,76 angströmiga ja asetatakse korrapärase tetraeedri tippudes. Madala koordinatsiooniarvu tõttu on jää struktuur retikulaarne, mis mõjutab selle madalat tihedust, mis ulatub 0,931 g/cm 3 .

Jää kõige ebatavalisem omadus on selle hämmastav väliste ilmingute mitmekesisus.. Sama kristalse struktuuriga võib see välja näha täiesti erinev, võttes läbipaistvate rahekivide ja jääpurikate, koheva lumehelveste, tiheda läikiva jääkooriku või hiiglaslike liustikumasside kujul. Jää esineb looduses mandrilise, ujuva ja maa-alune jää, samuti lume ja pakase näol. See on laialt levinud kõigis inimasustuse piirkondades. Suures koguses kogumisel moodustavad lumi ja jää erilised struktuurid, mille omadused erinevad põhimõtteliselt üksikute kristallide või lumehelveste omadustest. Looduslik jää moodustub peamiselt sette-metamorfse päritoluga jääst, mis on tekkinud atmosfääri tahketest sademetest järgneva tihenemise ja ümberkristalliseerumise tulemusena. Loodusliku jää iseloomulik tunnus on teralisus ja ribalisus. Teralisus on tingitud ümberkristallimisprotsessidest; Iga liustikujää tera on ebakorrapärase kujuga kristall, mis külgneb tihedalt teiste jäämassi kristallidega nii, et ühe kristalli eendid sobivad tihedalt teise kristalli süvenditesse. Seda tüüpi jääd nimetatakse polükristalliliseks. Selles on iga jääkristall kõige õhemate lehtede kiht, mis kattuvad suunaga risti põhitasandil. optiline telg kristall.

Kogu jäävaru Maal on hinnanguliselt umbes 30 miljonit. km 3 (Tabel 1). Suurem osa jääst on koondunud Antarktikasse, kus selle kihi paksus ulatub 4-ni km. Samuti on tõendeid jää olemasolu kohta planeetidel Päikesesüsteem ja komeetides. Jää on meie planeedi kliima ja sellel leiduvate elusolendite elupaiga jaoks sedavõrd oluline, et teadlased on määranud jää jaoks spetsiaalse keskkonna - krüosfääri, mille piirid ulatuvad kõrgele atmosfääri ja sügavale maapõue.

Tabel 1 . Jää kogus, jaotus ja eluiga.

Leviala

Keskmine kontsentratsioon, g/cm 2

Kaalutõusu kiirus, a/a

Keskmine eluiga aastal

miljonit km 2

maa-alune jää

merejää

Lumikate

Jäämäed

Atmosfääri jää

Jääkristallid on ainulaadsed oma kuju ja proportsioonide poolest. Iga kasvav looduslik kristall, sealhulgas jääkristall, püüab alati luua ideaalse korrapärase kristallvõre, kuna see on kasulik tema sisemise energia miinimumi seisukohalt. Teatavasti moonutavad igasugused lisandid kristalli kuju, seetõttu ehitatakse vee kristalliseerumisel kõigepealt võre sisse veemolekulid ning võõraatomid ja lisandimolekulid surutakse vedelikku välja. Ja alles siis, kui lisanditel pole kuhugi minna, hakkab jääkristall neid oma struktuuri integreerima või jätab need õõnsate kapslite kujul koos kontsentreeritud mittekülmuva vedeliku - soolveega. Seetõttu on merejää värske ning ka kõige mustemad veekogud on kaetud läbipaistva ja puhta jääga. Kui jää sulab, tõrjub see lisandid soolveesse. Planeedi mastaabis mängib vee külmumise ja sulamise nähtus koos vee aurustumise ja kondenseerumisega hiiglasliku puhastusprotsessi rolli, mille käigus vesi Maal end pidevalt puhastab.

Tabel 2 . Mõned jää füüsikalised omadused I.

Kinnisvara

Tähendus

Soojusmaht, cal/(g °C)

Temperatuuri langedes väheneb oluliselt

Sulamissoojus, cal/g

Aurustumissoojus, cal/g

Soojuspaisumistegur, 1/°C

9,1 · 10 -5 (0 0 C)

Polükristalliline jää

Soojusjuhtivus, cal/(cm sek °C)

Polükristalliline jää

Murdumisnäitaja:

Polükristalliline jää

Elektrierijuhtivus, oomi -1 cm -1

Näiv aktiveerimisenergia 11 kcal/mol

Pinnapealne elektrijuhtivus, oomi -1

10 -10 (-11 0 C)

Näiv aktiveerimisenergia 32 kcal/mol

Youngi elastsusmoodul, dyn/cm2

9 10 10 (-5 0 C)

Polükristalliline jää

Vastupidavus, MN/m 2:

purustamine

Polükristalliline jää

Polükristalliline jää

Polükristalliline jää

Dünaamiline viskoossus, tasakaalukus

Polükristalliline jää

Aktiveerimisenergia deformatsiooni ja mehaanilise lõdvestuse ajal, kcal/mol

Suureneb lineaarselt 0,0361 kcal/(mol 0 C) 0 kuni 273,16 K

Märge: 1 cal/(g °C)=4,186 kJ/(kg K); 1 ohm -1 cm -1 =100 sim/m; 1 dyne = 10-5 N; 1 N= 1 kg m/s²; 1 dyne/cm = 10-7 N/m; 1 cal/(cm·s°C)=418,68 W/(m·K); 1 puis = g/cm s = 10 -1 N sek/m 2 .

Jää laialdase leviku tõttu Maal mängib paljudes looduslikes protsessides olulist rolli jää füüsikaliste omaduste erinevus (tabel 2) teiste ainete omadustest. Jääl on palju muid elu toetamiseks kasulikke omadusi ja kõrvalekaldeid – anomaaliaid tiheduses, rõhus, mahus, soojusjuhtivuses. Kuid seda ei juhtu veemolekulide vaheliste vesiniksidemete olemasolu tõttu. Veest väiksema tiheduse tõttu moodustab jää veepinnal ujuva katte, mis kaitseb jõgesid ja veehoidlaid põhja külmumise eest, kuna selle soojusjuhtivus on palju madalam kui vee oma. Samal ajal täheldatakse madalaimat tihedust ja mahtu +3,98 °C juures (joonis 1). Vee edasine jahutamine 0 0 C-ni viib järk-järgult mitte selle mahu vähenemiseni, vaid suurenemiseni peaaegu 10%, kui vesi muutub jääks. Selline vee käitumine viitab kahe tasakaalufaasi - vedela ja kvaasikristallilise - samaaegsele olemasolule vees, analoogselt kvaasikristallidega, mille kristallvõre ei ole mitte ainult perioodilise struktuuriga, vaid sellel on ka erinevat järku sümmeetriateljed, mille olemasolu varem vastuolus kristallograafide ideedega. See teooria, mille esitas esmakordselt kuulus vene teoreetiline füüsik Ya I. Frenkel, põhineb eeldusel, et mõned vedelikumolekulid moodustavad kvaasikristallilise struktuuri, ülejäänud molekulid aga on "gaasitaolised", mis liiguvad vabalt kogu ruumala ulatuses. . Molekulide jaotumisel mis tahes fikseeritud veemolekuli väikeses läheduses on teatud järjestus, mis meenutab mõnevõrra kristalset, kuigi lõdvem. Sel põhjusel nimetatakse vee struktuuri mõnikord kvaasikristalliliseks või kristallilaadseks, st sellel on aatomite või molekulide suhtelises paigutuses sümmeetria ja järjekord.

Teine omadus on see, et jää voolu kiirus on otseselt võrdeline aktivatsioonienergiaga ja pöördvõrdeline absoluutse temperatuuriga, nii et temperatuuri langedes läheneb jää oma omadustelt absoluutselt tahkele kehale. Keskmiselt on jää voolavus sulamislähedasel temperatuuril 10 6 korda suurem kui kivimitel. Oma voolavuse tõttu ei kogune jää ühte kohta, vaid liigub pidevalt liustike kujul. Voolukiiruse ja pinge vaheline seos polükristallilise jää puhul on hüperboolne; kui seda ligikaudu kirjeldatakse võimsusvõrrandiga, suureneb eksponent pinge kasvades.

Nähtavat valgust jää praktiliselt ei neela, kuna valguskiired läbivad jääkristalli, kuid on blokeeritud ultraviolettkiirgus ja suurem osa päikese infrapunakiirgusest. Nendes spektripiirkondades näib jää täiesti must, kuna valguse neeldumistegur nendes spektripiirkondades on väga kõrge. Erinevalt jääkristallidest ei neeldu lumele langev valge valgus, vaid murdub jääkristallides mitu korda ja peegeldub nende nägudelt. Seetõttu paistab lumi valge.

Jää (0,45) ja lume (kuni 0,95) väga suure peegelduvuse tõttu on nendega kaetud ala keskmiselt umbes 72 miljonit km aastas. km 2 mõlema poolkera kõrgetel ja keskmistel laiuskraadidel - võtab vastu päikesesoojus 65% tavalisest vähem ja on võimas maapinna jahutamise allikas, mis määrab suuresti tänapäevase laiuskraadilise kliimavööndi. Suvel on polaaraladel päikesekiirgus suurem kui ekvatoriaalvööndis, kuid temperatuur jääb madalaks, kuna märkimisväärne osa neeldunud soojusest kulub jää sulamisele, millel on väga kõrge sulamissoojus.

Jää muud ebatavalised omadused hõlmavad elektromagnetilise kiirguse tekitamist selle kasvavate kristallide poolt. On teada, et enamik vees lahustunud lisandeid ei kandu jääle, kui see hakkab kasvama; need on välja külmunud. Seetõttu on jääkile ka kõige mustemal lompil puhas ja läbipaistev. Sel juhul kogunevad lisandid tahke ja vedela keskkonna piirile kahe erineva märgiga elektrilaengute kihina, mis põhjustavad märkimisväärse potentsiaalide erinevuse. Laetud lisandite kiht liigub koos alumise piiriga noor jää ja kiirgab elektromagnetlaineid. Tänu sellele saab kristalliseerumisprotsessi üksikasjalikult jälgida. Seega kiirgab nõela kujul pikkuseks kasvav kristall teistmoodi kui külgprotsessidega kaetud kristall ning kasvavate terade kiirgus erineb kristallide pragunemisel tekkivast. Kiirgusimpulsside kuju, järjestuse, sageduse ja amplituudi järgi saab määrata, millise kiirusega jää külmub ja milline jäästruktuur tekib.

Kuid kõige hämmastavam asi jää struktuuri juures on see, et vee molekulid on sees madalatel temperatuuridel ja kõrgel rõhul. süsinik-nanotorud võib kristalliseeruda kaksikheeliksi kujul, mis meenutab DNA molekule. Seda tõestasid hiljutised arvutikatsed Ameerika teadlaste poolt eesotsas Xiao Cheng Zengiga Nebraska ülikoolist (USA). Selleks, et vesi moodustaks simuleeritud katses spiraali, asetati see nanotorudesse läbimõõduga 1,35–1,90 nm kõrge rõhu all, mis varieerus 10–40 000 atmosfääri ja temperatuuriga –23 °C. Loodeti näha, et vesi moodustab igal juhul õhukese torukujulise struktuuri. Mudel näitas aga, et nanotoru läbimõõduga 1,35 nm ja välisrõhul 40 000 atmosfääri olid jäästruktuuris olevad vesiniksidemed painutatud, mis viis kahekordse – sise- ja välisseinaga – spiraali tekkeni. Nendes tingimustes osutus sisesein keerdunud neljakordseks spiraaliks ja välissein koosnes neljast kaksikheeliksist, mis sarnanes DNA molekuliga (joonis 2). See asjaolu võib kinnitada seost olulise DNA molekuli struktuuri ja vee enda struktuuri vahel ning et vesi toimis DNA molekulide sünteesi maatriksina.

Veel üks olulisemaid vee omadusi, mis on viimasel ajal avastatud, on see, et veel on võime meeles pidada teavet mineviku mõjude kohta. Seda tõestasid esmakordselt jaapani teadlane Masaru Emoto ja meie kaasmaalane Stanislav Zenin, kes oli üks esimesi, kes pakkus välja vee struktuuri klastriteooria, mis koosneb mahulise hulktahulise struktuuri tsüklilistest kaaslastest - klastritest. üldine valem(H 2 O) n, kus n võib viimastel andmetel ulatuda sadade ja isegi tuhandete ühikuteni. Tänu klastrite olemasolule vees on veel infoomadused. Teadlased pildistasid vee jäämikrokristallideks külmumise protsesse, mõjutades seda erinevate elektromagnetiliste ja akustiliste väljade, meloodiate, palve, sõnade või mõtetega. Selgus, et kaunite meloodiate ja sõnade näol positiivse info mõjul jää jäätus korrapärasteks sümmeetrilisteks kuusnurkseteks kristallideks. Kus kõlas rütmiline muusika, vihane ja solvavad sõnad, vesi, vastupidi, külmus kaootilisteks ja vormituteks kristallideks. See on tõestus, et veel on eriline struktuur, mis on tundlik väliste infomõjude suhtes. Arvatavasti on inimese ajul, mis koosneb 85-90% veest, tugev vett struktureeriv toime.

Jää struktuuri ja selle omaduste võti peitub selle kristalli struktuuris. Kõikide jää modifikatsioonide kristallid on ehitatud H 2 O veemolekulidest, mis on ühendatud vesiniksidemetega kolmemõõtmelisteks võrgusilmadeks, millel on spetsiifiline vesiniksidemete paigutus. Veemolekuli võib lihtsalt ette kujutada tetraeedrina (kolmnurkse alusega püramiidina). Selle keskel on hapnikuaatom, mis on sp 3 hübridisatsiooni olekus, ja kahes tipus vesinikuaatom, mille üks 1s elektronidest osaleb kovalentse H-O sideme moodustamises hapnikuga. Ülejäänud kaks tippu on hõivatud paaritute hapnikuelektronide paaridega, mis ei osale molekulisiseste sidemete moodustamises, mistõttu neid nimetatakse jagamata. H 2 O molekuli ruumiline kuju on seletatav vesinikuaatomite ja tsentraalse hapnikuaatomi jagamata elektronpaaride vastastikuse tõrjumisega.

Vesinikside on oluline molekulidevaheliste interaktsioonide keemias ja seda põhjustavad nõrgad elektrostaatilised jõud ja doonori-aktseptori interaktsioonid. See tekib siis, kui ühe veemolekuli elektronidefitsiitne vesinikuaatom interakteerub naaberveemolekuli hapnikuaatomi üksiku elektronpaariga (O-H...O). Vesiniksideme eripäraks on selle suhteliselt madal tugevus; see on 5-10 korda nõrgem kui keemiline kovalentne side. Energia osas on vesinikside vahepealsel positsioonil keemilise sideme ja van der Waalsi interaktsioonide vahel, mis hoiavad molekule tahkes või vedelas faasis. Iga jääkristalli veemolekul võib samaaegselt moodustada neli vesiniksidet teiste naabermolekulidega rangelt määratletud nurkade all 109°47", mis on suunatud tetraeedri tippude poole, mis ei võimalda vee külmumisel luua tihedat struktuuri ( Joonis 3). Jäästruktuurides I, Ic, VII ja VIII on see tetraeedr II, III, V ja VI jää struktuurides märgatavalt moondunud , võib eristada kahte ristuvat vesiniksidemete süsteemi. See nähtamatu vesiniksidemete raamistik mahutab võrgu kujul olevad veemolekulid, mille struktuur meenutab õõnsate sisekanalitega kuusnurkset kärgstruktuuri hävib: veemolekulid hakkavad langema võrgusilma tühimikesse, mille tulemuseks on tihedam vedel struktuur – see seletab, miks vesi on jääst raskem.

Sulavees säilib jää struktuurile omane vesiniksidemete ja molekulidevaheliste interaktsioonide spetsiifilisus, kuna jääkristalli sulamisel hävib vaid 15% kõigist vesiniksidemetest. Seetõttu ei rikuta seost iga veemolekuli ja nelja jääle omase naabermolekuli vahel ("lühiajaline järjestus"), kuigi täheldatakse hapniku raamistiku võre suuremat hägustumist. Vesiniksidemed võivad säilida ka siis, kui vesi keeb. Ainult veeaurus puuduvad vesiniksidemed.

Jää, mis tekib atmosfäärirõhul ja sulab temperatuuril 0 °C, on kõige levinum, kuid siiski mitte täielikult mõistetav aine. Suur osa selle struktuurist ja omadustest näeb välja ebatavaline. Jää kristallvõre kohtades paiknevad veemolekulide tetraeedrite hapnikuaatomid korrapäraselt, moodustades korrapäraseid kuusnurki, nagu kuusnurkne kärgstruktuuri, ja vesinikuaatomid hõivavad vesiniksidemetel, mis ühendavad molekule, erinevaid positsioone. hapnikuaatomid (joonis 4). Seetõttu on võimalik kuus samaväärset veemolekulide orientatsiooni nende naabrite suhtes. Mõned neist on välistatud, kuna kahe prootoni samaaegne esinemine samal vesiniksidemel on ebatõenäoline, kuid veemolekulide orientatsiooni osas on endiselt piisavalt ebakindlust. Selline aatomite käitumine on ebatüüpiline, kuna tahkes aines järgivad kõik aatomid sama seadust: kas aatomid on paigutatud korrapäraselt ja siis on see kristall või juhuslikult ja siis on see amorfne aine. Sellist ebatavalist struktuuri saab realiseerida enamikes jää modifikatsioonides - Ih, III, V, VI ja VII (ja ilmselt ka Ic) (tabel 3) ning jää II, VIII ja IX struktuuris on veemolekulid orientatsiooniliselt järjestatud. . J. Bernali järgi on jää hapnikuaatomite suhtes kristalne ja vesinikuaatomite suhtes klaasjas.

Teistes tingimustes, näiteks Kosmoses kõrgel rõhul ja madalal temperatuuril, kristalliseerub jää erinevalt, moodustades teisi kristallvõresid ja modifikatsioone (kubikujulised, trigonaalsed, tetragonaalsed, monokliinsed jne), millest igaühel on oma struktuur ja kristallvõre (tabel). 3). Erinevate modifikatsioonidega jää struktuurid arvutasid välja Venemaa teadlased dr Sc. G.G. Malenkov ja Ph.D füüsikas ja matemaatikas. E.A. Želigovskaja Füüsikalise Keemia ja Elektrokeemia Instituudist. A.N. Frumkina Vene akadeemia teadused. II, III ja V modifikatsiooni jääd säilivad pikka aega atmosfäärirõhul, kui temperatuur ei ületa -170 °C (joonis 5). Jahutatuna umbes -150 °C-ni muutub looduslik jää kuupjääks Ic, mis koosneb kuubikutest ja mitme nanomeetri suurustest oktaeedritest. Jää I c tekib mõnikord vee kapillaarides külmumisel, mida ilmselt soodustab vee koostoime seinamaterjaliga ja selle struktuuri kordumine. Kui temperatuur on veidi kõrgem kui -110 0 C, tekivad metallsubstraadile tihedama ja raskema klaasja amorfse jää kristallid tihedusega 0,93 g/cm 3. Mõlemad jäävormid võivad spontaanselt muutuda kuusnurkseks jääks ja mida kiiremini, seda kõrgem on temperatuur.

Tabel 3 . Mõned jää modifikatsioonid ja nende füüsikalised parameetrid.

Märge. 1 Å = 10 -10 m

Samuti on kõrgsurvejääd – II ja III trigonaal- ja tetragonaalsed modifikatsioonid, mis on moodustunud kuusnurksetest gofreeritud elementidest moodustatud õõnsatest kärgedest, mis on üksteise suhtes kolmandiku võrra nihkunud (joon. 6 ja joon. 7). Need jääd stabiliseeritakse väärisgaaside heeliumi ja argooni juuresolekul. Jää V monokliinse modifikatsiooni struktuuris on naaberhapniku aatomite vahelised nurgad vahemikus 86 0 kuni 132 °, mis erineb väga veemolekuli sideme nurgast, mis on 105 ° 47 '. Tetragonaalse modifikatsiooni jää VI koosneb kahest üksteisesse sisestatud raamist, mille vahel puuduvad vesiniksidemed, mille tulemusena moodustub kehakeskne kristallvõre (joonis 8). Jää VI struktuur põhineb heksameeridel – kuuest veemolekulist koosnevatel plokkidel. Nende konfiguratsioon kordab täpselt stabiilse veekogumi struktuuri, mis on antud arvutustega. Kuubikujulise modifikatsiooni jää VII ja VIII, mis on jää VII madala temperatuuriga järjestatud vormid, on sarnase struktuuriga, kusjuures jää I raamid on üksteisesse sisestatud. Järgneva rõhu tõusuga väheneb jää VII ja VIII kristallvõres hapnikuaatomite vaheline kaugus, mille tulemusena moodustub jää X struktuur, milles hapnikuaatomid paiknevad korrapärases võres ja prootonid on tellitud.

Jää XI moodustub jää sügaval jahutamisel I h leelise lisamisega alla 72 K normaalrõhul. Nendes tingimustes tekivad hüdroksüülkristallide defektid, mis võimaldavad kasvaval jääkristallil oma struktuuri muuta. Jääl XI on ortorombiline kristallvõre koos prootonite järjestatud paigutusega ja see moodustub samaaegselt paljudes kristallisatsioonikeskustes kristalli hüdroksüüldefektide läheduses.

Jääde hulgas on ka metastabiilseid vorme IV ja XII, mille eluiga on sekundeid ja millel on kõige ilusam struktuur (joon. 9 ja joon. 10). Metastabiilse jää saamiseks on vaja vedela lämmastiku temperatuuril suruda jääd I h rõhuni 1,8 GPa. Need jääd tekivad palju kergemini ja on eriti stabiilsed, kui ülejahutatud raske vesi on surve all. Teine metastabiilne modifikatsioon – jää IX tekib ülejahutuse käigus jää III ja on sisuliselt selle madalatemperatuuriline vorm.

Kaks viimast jää modifikatsiooni - monokliinilise XIII ja ortorombilise konfiguratsiooniga XIV - avastasid Oxfordi (Ühendkuningriik) teadlased üsna hiljuti - 2006. aastal. Eeldust, et monokliiniliste ja rombiliste võretega jääkristallid peaksid eksisteerima, oli raske kinnitada: vee viskoossus temperatuuril -160 0 C on väga kõrge ja puhta ülejahutatud vee molekulidel on raske sellises koguses kokku tulla, et moodustavad kristalli tuuma. See saavutati katalüsaatori - vesinikkloriidhappe abil, mis suurendas veemolekulide liikuvust madalatel temperatuuridel. Sellised jää modifikatsioonid ei saa tekkida Maal, kuid need võivad eksisteerida Kosmoses jahtunud planeetidel ning külmunud satelliitidel ja komeetidel. Seega võimaldavad Jupiteri ja Saturni satelliitide pinnalt tuleva tiheduse ja soojusvoogude arvutused väita, et Ganymedesel ja Callistol peab olema jäine kest, milles vahelduvad jääd I, III, V ja VI. Titaanil moodustavad jääd mitte kooriku, vaid vahevöö, mille sisemine kiht koosneb jääst VI, teistest kõrgsurvejäädest ja klatraathüdraatidest ning peal asub jää I h.

Kõrgel Maa atmosfääris madalatel temperatuuridel kristalliseerub vesi tetraeedritest, moodustades kuusnurkse jää Ih. Jääkristallide moodustumise keskmeks on tahked tolmuosakesed, mille tuul tõstab atmosfääri ülemistesse kihtidesse. Selle embrüonaalse jää mikrokristalli ümber kasvavad kuues sümmeetrilises suunas üksikutest veemolekulidest moodustunud nõelad, millel kasvavad külgmised protsessid – dendriidid. Lumehelbe ümber oleva õhu temperatuur ja niiskus on samad, seega on see esialgu sümmeetrilise kujuga. Lumehelveste moodustumisel langevad need järk-järgult atmosfääri madalamatesse kihtidesse, kus temperatuur on kõrgem. Siin toimub sulamine ja nende ideaalne geomeetriline kuju moondub, moodustades mitmesuguseid lumehelbeid (joonis 11).

Edasisel sulamisel hävib jää kuusnurkne struktuur ja moodustub klastrite tsükliliste assotsiatsioonide, samuti vee tri-, tetra-, penta-, heksameeride (joon. 12) ja vabade veemolekulide segu. Saadud klastrite struktuuri uurimine on sageli märkimisväärselt keeruline, kuna vesi on tänapäevaste andmete kohaselt segu erinevatest neutraalsetest klastrite (H 2 O) n ja nende laetud klastrite ioonidest [H 2 O] + n ja [H 2 O ] - n, mis on omavahel dünaamilises tasakaalus elueaga 10 -11 -10 -12 sekundit.

Klastrid suudavad üksteisega suhelda väljapoole väljaulatuvate vesiniksideme pindade kaudu, moodustades keerukamaid hulktahulisi struktuure, nagu heksaeedr, oktaeedr, ikosaeedr ja dodekaeedr. Seega seostatakse vee ehitust nn platooniliste tahkete ainetega (tetraeedr, heksaeedr, oktaeedr, ikosaeedr ja dodekaeedr), mis on saanud nime need avastanud Vana-Kreeka filosoofi ja geomeetria Platoni järgi, mille kuju määrab kuldlõike. (joonis 13).

Mis tahes ruumilise hulktahuka tippude (B), tahkude (G) ja servade (P) arvu kirjeldab seos:

B + G = P + 2

Korrapärase hulktahuka tippude arvu (B) suhe selle ühe tahu servade arvu (P) on võrdne sama hulktahuka tahkude arvu (G) ja servade arvu suhtega ( P), mis väljub ühest selle tipust. Tetraeedri puhul on see suhe 4:3, heksaeedri (6 tahku) ja oktaeedri (8 tahku) puhul on see 2:1 ning dodekaeedri (12 tahku) ja ikosaeedri (20 tahku) puhul 4:1.

Vene teadlaste arvutatud mitmetahuliste veeparvete struktuurid said kinnitust tänapäevaste analüüsimeetoditega: prootoni magnetresonantsspektroskoopia, femtosekundiline laserspektroskoopia, röntgen- ja neutrondifraktsioon veekristallidel. Veekogude avastamine ja vee võime teavet salvestada on 21. aastatuhande kaks kõige olulisemat avastust. See tõestab selgelt, et loodust iseloomustab jääkristallidele omane sümmeetria täpsete geomeetriliste kujundite ja proportsioonide näol.

KIRJANDUS.

1. Beljanin V., Romanova E. Elu, veemolekul ja kuldne proportsioon // Teadus ja elu, 2004, 10. kd, nr 3, lk. 23-34.

2. Shumsky P.A., Struktuurse jääteaduse alused. - Moskva, 1955b lk. 113.

3. Mosin O.V., Ignatov I. Teadlikkus veest kui eluainest. // Teadvus ja füüsiline reaalsus. 2011, T 16, nr 12, lk. 9-22.

4. Petryanov I.V. Kõige erakordsem aine maailmas - Moskva, Pedagoogika, 1981, lk. 51-53.

5 Eisenberg D, Kautsman V. Vee struktuur ja omadused. - Leningrad, Gidrometeoizdat, 1975, lk. 431.

6. Kulsky L. A., Dal V. V., Lenchina L. G. Tuttav ja salapärane vesi. – Kiiev, Rodjanbski koolkond, 1982, lk. 62-64.

7. Zatsepina G. N. Vee ehitus ja omadused. – Moskva, toim. Moskva Riiklik Ülikool, 1974, lk. 125.

8. Antonchenko V. Ya., Davydov N. S., Ilyin V. V. Veefüüsika alused - Kiiev, Naukova Dumka, 1991, lk. 167.

9. Simoniit T. Süsinik-nanotorude sees "nähtud" DNA-laadset jääd // New Scientist, V. 12, 2006.

10. Emoto M. Sõnumid veest. Jääkristallide salakoodid. - Sofia, 2006. Lk. 96.

11. Zenin S.V., Tyaglov B.V. Hüdrofoobse interaktsiooni olemus. Orienteerumisväljade tekkimine aastal vesilahused// Journal of Physical Chemistry, 1994, T. 68, nr 3, lk. 500-503.

12. Pimentel J., McClellan O. Vesinikside - Moskva, Nauka, 1964, lk. 84-85.

13. Bernal J., Fowler R. Vee ja ioonlahuste struktuur // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 1934, T. 14, nr 5, lk. 587-644.

14. Khobza P., Zahradnik R. Intermolekulaarsed kompleksid: Van der Waalsi süsteemide roll füüsikalises keemias ja biodistsipliinides. – Moskva, Mir, 1989, lk. 34-36.

15. Pounder E. R. Jää füüsika, tlk. inglise keelest - Moskva, 1967, lk. 89.

16. Komarov S. M. Kõrgsurve jäämustrid. // Keemia ja Elu, 2007, nr 2, lk 48-51.

17. E. A. Želigovskaja, G. G. Malenkov. Kristalliline jää// Uspekhi khimii, 2006, nr 75, lk. 64.

18. Fletcher N. H. Jää keemiline füüsika, Cambreage, 1970.

19. Nemukhin A.V. Klastrite mitmekesisus // Russian Chemical Journal, 1996, T. 40, nr 2, lk. 48-56.

20. Mosin O.V., Ignatov I. Vee struktuur ja füüsiline reaalsus. // Teadvus ja füüsiline reaalsus, 2011, T. 16, nr 9, lk. 16-32.

21. Ignatov I. Bioenergeetiline meditsiin. Elusaine päritolu, “veemälu”, bioresonants, biofüüsikalised väljad. - GayaLibris, Sofia, 2006, lk. 93.

Pilvedes olevad jääkristallid eksisteerivad mitmel erineval kujul, millest on hästi teada ainult lumehelbed, kuigi on ka plaate (paksud ja õhukesed), sambad (õõnsad ja tahked), nõelad ja püramiidsed jne. Jää (vee) molekulid on kujundatud Sel viisil moodustavad need kuusnurkse kristallvõre, nii et tavaliselt kasvavad jääkristallid kuusnurkseks.

Kuid ülaltoodud joonisel näidatud "plaatide" ja "sammaste" ideaalset kuju õhus olevate jääkristallide jaoks praktiliselt ei eksisteeri, kõik on palju keerulisem. Kristalli kuju määravad tingimused (temperatuur ja õhuniiskus), milles see tekkis ja kasvas, vaata “morfoloogilist diagrammi” veebisaidilt SnowCrystals.com:


Jääkristallide kuju sõltuvalt temperatuurist ja niiskusest.

Halo moodustumise uurimiseks on seni kasutatud ainult kahte lihtsaimat kristallivormi, kuid viimasel ajal on väga haruldaste halode arvutamiseks kasutatud püramiidvorme. Praegu sellest piisab (peaaegu saja loomiseks erinevat tüüpi halo), kuigi on veel mõned halod, millel puudub rahuldav teooria.

Jääkristallide põhivormid:

  • kuusnurkne korrapärane
    • lamedad prismad (aluse suurus on suurem kui kõrgus) - "plaadid" (plaat)
    • sambakujuline (pikkus-kõrgus suurem kui alus) - "veerud" (veerg)
  • kuusnurkne ebakorrapärane kuju
    • kaldus, ebakorrapärase kujuga
    • pritsmetega, sisemiste struktuuridega taldrikud kaunistatud plaadid
  • püramiidne
    • plaat, lame püramiid
    • sammas, sammaspüramiidne
  • teised (mõnikord modelleerivad nad halo, kasutades muid kujundeid, näiteks kuupkujulisi või mitut kuusnurkset, mis on kokku liimitud)

Lisaks kristallide kujule on halo moodustamisel oluline nende paiknemine õhus:
juhuslikult või korrapäraselt, ujuvad või pöörlevad.

Kokkuvõttes, võttes arvesse kuju ja orientatsiooni, eristatakse halo moodustamiseks järgmisi põhitingimusi:

  • Järjestamata kristallid
    • Juhuslikult orienteeritud kuusnurksed kristallid
    • Juhuslikult orienteeritud püramiidkristallid
  • Tellitud kristallid
    • Horisontaalselt orienteeritud sammaskujulised kristallid
    • Horisontaalselt orienteeritud lamedad prismad
    • Orienteeritud tasapinnalised püramiidkristallid
    • Orienteeritud sammaskujulised püramiidkristallid
  • Keeruliselt järjestatud kristallid (kahekordne orientatsioon)
    • Parry orientatsioon (horisontaalselt orienteeritud sambakujulised kristallid lisatingimusega - horisontaalsed küljepinnad)
    • Lowitzi orientatsioon (horisontaalselt orienteeritud "plaadid" koos vertikaaltelje ümber pöörlemise lisatingimusega)

Vaadeldes võib üks pilv sisaldada sama kujuga kristalle (kui pilv tekkis samades tingimustes korraga) või palju erineva kujuga kristalle (näiteks 10% plaatidest, 89% sammastest ja 1% püramiidplaadid). Lisaks saavad kõik kristallid üksteisest täiesti sõltumatult lennata, keerutada ja planeerida. Erinevate halokujude heleduse põhjal saate hinnata teatud kristallivormide ligikaudset olemasolu ja proovida simulaatori abil simuleerida taevas nähtut.

Näide

Allpool on arvutused vaatluste tegemiseks, kui õhus on mitut tüüpi ja orientatsiooniga kristalle.

1) päikese kõrgus - 15 kraadi, juhuslikud tavalised ja püramiidkristallid, need esinevad ka sambakujulisena ja lamedate prismade kujul, Parry ja Lowitzi orientatsioonis:

2) samadel tingimustel on skeemi keskpunkt seniit:

3) samad tingimused, päikese kõrgus - 35 kraadi:

4) päikese kõrgus 55 kraadi:

Teist tüüpi kristallid on kõigile teada. Need kristallid katavad tohutuid Maa avarusteid peaaegu kuus kuud (ja polaaraladel aastaringselt), lebavad mägede tippudel ja libisevad neist alla liustikes ning hõljuvad nagu jäämäed ookeanides. Need on külmunud vee kristallid, see tähendab jää ja lumi.

Iga jääkristall, iga lumehelves on habras ja väike. Tihti öeldakse, et lund langeb nagu sulgi. Kuid isegi see võrdlus, võib öelda, on liiga "raske": on ju iga lumehelves umbes kümme korda kergem kui sulg. Kümme tuhat lumehelvest kaaluvad sama palju kui üks senti. Kuid suurtes kogustes kombineerituna võivad lumekristallid näiteks rongi peatada, moodustades raudteerööbastele lumehange; nad võivad isegi kive liigutada ja hävitada, nagu laviinid ja liustikud seda teevad.

Lumehelveste kuueharulised tähed on lõputult mitmekesised.

Puudutage sõrmega lumehelvest ja see sulab koheselt teie käesoojusest. Viska lumehelves mantli varrukast - loomulikult ei kuule te selle kukkumist ja võib-olla isegi purunemist. Aga kuula, kuidas äsjasadanud lumi su jalge all krigiseb. Mis see ving on? Miljonid lumekristallid pragunevad ja purunevad. Selge ilmaga lumi sädeleb ja sädeleb, päikese käes “mängides”. Justkui miljonitest tillukestest peeglitest peegelduvad lumekristallide lamedalt servadelt valguskiired.

Tõenäoliselt olete rohkem kui korra imetlenud üksikuid lumekristalle – lumehelbeid.

"Esimene lumi vilgub ja lokid langevad nagu tähed kaldale,"

A.S. Puškin räägib lumest. Tõepoolest, kõik lumehelbed on kuueharulised tähed või mõnikord kuuepoolsed plaadid.


Fotod lumehelvestest Bentley atlasest.

Lihtsaim viis lumehelvestega kontrollida on, et kristallid on tavaliselt korrapärase ja sümmeetrilise kujuga. Lumehelveste kuju on lõputult mitmekesine. Üks loodusteadlane veetis üle viiekümne aasta lumehelbeid mikroskoobi all pildistades. Ta koostas atlase mitmest tuhandest lumehelveste fotost ja kõik need lumehelbed on erinevad. Kuid siiski võime kindlasti öelda, et see atlas ei sisalda kõiki lumehelveste vorme; võiksid neid fotosid teha veel tuhandeid ja ikkagi ei ammendaks lumekristallide kujude tohutut mitmekesisust.

Huvitav on võrrelda tänapäevaseid lumehelveste fotosid joonistusega, mis on võetud muinasrootsi raamatust „Ajalugu põhjapoolsed rahvad» Olaf Magnus. Siin on selged tõendid selle kohta, et inimesed on pikka aega pööranud tähelepanu lumehelveste hämmastavatele vormidele. Aga kui naiivsed on need neljasaja aasta tagused joonistused ja kui vähe meenutavad need tõelisi lumekristallide mustreid!


Lumehelveste joonised Olaf Magnuse 1555. aastal ilmunud raamatust “Põhjarahvaste ajalugu”.

Jõe jääkate, liustiku massiiv või jäämägi ei ole sugugi üks suur kristall. Tihe jäämass on tavaliselt polükristalliline, st koosneb paljudest üksikutest kristallidest; Te ei näe neid alati, sest nad on väikesed ja kõik koos kasvanud. Mõnikord võib neid kristalle märgata jää sulamisel, näiteks kevadel jõel. Siis on selge, et jää koosneb justkui kokku sulatatud “pliiatsidest” ja kõik “pliiatsid” on üksteisega paralleelsed ja seisavad risti veepinnaga; Need "pliiatsid" on üksikud jääkristallid.


Jää mikroskoobi all. Sulamise alguse kohtades on näha sulanud kuusnurksete kristallide piirjooned ja pisikesed veemullid.

On teada, kui ohtlikud on kevad- või sügiskülmad taimedele. Kui mulla- ja õhutemperatuur langeb alla nulli, külmuvad aluspinnase vesi ja taimemahlad, moodustades jääkristallidest nõelad. Need teravad nõelad rebivad õrnad taimekuded, lehed kortsuvad ja muutuvad mustaks ning juured hävivad.

Pärast hommikusi pakaselisi öid metsas ja põllul võib sageli jälgida, kuidas maapinnal kasvab “jäärohi”. Iga sellise muru vars on läbipaistev kuusnurkne või kolmnurkne jääkristall. Jäänõelad ulatuvad 1–2 sentimeetrini ja mõnikord ulatuvad 10–12 sentimeetrini. Muudel juhtudel osutub maapind jääplaatidega kaetud, lamades või seistes püsti. Maa seest välja kasvades tõstavad need jääkristallid pähe liiva, veerisid ja kuni 50-100 grammi kaaluvaid kive. Jäätükid suruvad isegi maa seest välja ja kannavad väikseid taimi ülespoole. Mõnikord ümbritseb taime jääkoorik ja juur paistab läbi jää. Juhtub ka seda, et jäänõelte hari tõstab üles raske kivi, mida üks kristall liigutada ei suuda. Kristalli “jäämuru” sädeleb ja helendab vikerkaarelise säraga, kuid niipea, kui päikesekiired soojenevad, painduvad kristallid päikese poole, langevad ja sulavad kiiresti.

Külastage metsa pakasesel kevad- või sügispäeval varahommikul, kui päike pole veel jõudnud öökülma jälgi hävitada. Puud ja põõsad on kaetud härmatisega. Okste küljes rippusid jäätilgad. Vaata lähemalt, jäätilkade sees on näha õhukeste kuusnurksete nõelte kobaraid – jääkristalle. Härmaga kaetud lehed näevad välja nagu harjad: nagu harjased, on nende peal läikivad kuusnurksed jääkristallide sambad. Metsa kaunistab vapustav kristallide ja kristallimustrite rikkus.