авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

Государственный университет имени М.В.Ломоносова

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

кафедра кристаллографии и кристаллохимии

_

КУРСОВАЯ РАБОТА Кристаллография снежинок Добрецова Е.А.

Студентка. Научный руководитель.

доцент Дорохова Г.И.

.

МОСКВА 2008 г.

Введение Наиболее распространенным минералом земной коры можно считать лед (снег), покрывающий значительную часть ее поверхности в виде ледников, занимающих около 11% площади всей суши, или в виде вечной мерзлоты (~14%). Если сюда добавить сезонный снег и лед, морские льды, то окажется, что этот минерал присутствует повсеместно. Его большая роль в формировании климата нашей планеты и жизнедеятельности человека объясняет необходимость знания строения данного минерала и его кристаллических особенностей.

С давних времен лед привлекал внимание исследователей как распространенный природный объект. Достаточно упомянуть, что слово "кристалл" в переводе с греческого языка означает "лед", понятие "дендрит" (кристалл древовидной формы) впервые появилось для обозначения формы именно ледяного кристалла и т.д. Одной из первых средневековых работ по кристаллизации и симметрии был труд И.Кеплера "О шестиугольных снежинках", опубликованный в 1611 г. Лед изучали М.Фарадей, лорд Кельвин и многие другие выдающиеся естествоиспытатели. Исследованию свойств природных и искусственных льдов посвящено огромное количество научных работ;

например, морскими льдами занимаются океанологи, материковыми - гляциологи и т.д. В 40-е годы из гляциологии выделилась самостоятельная область - физика льда. Она изучает атомно-молекулярную структуру льда, особенности водородных связей, динамику решетки, кинетику фазовых переходов, распространение электромагнитных и акустических волн во льде и ряд других проблем.

К настоящему времени установлено, что лед обладает уникальными физическими свойствами. В твердом состоянии вода насчитывает, по последним данным, структурных модификаций. Есть среди них кристаллические (их большинство), есть аморфные, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами, в природе мы встречаем только одну — лед.

Цель моей работы – собрать информацию о снежных кристаллах: их симметрии, классификации, условиях образования.

Обычный лед имеет гексагональную решетку, в которой атомы кислорода выстроены упорядочено, образуя правильные шестиугольники, а атомы водорода расположены хаотично. Это весьма нетривиальная ситуация для традиционной физики конденсированных сред - ведь в зависимости от условий получения твердое тело должно находиться либо в кристаллическом (когда атомы упорядочены), либо в аморфном (когда атомы образуют случайную сетку) состоянии. Во льде порядок и хаос сосуществуют вместе!

1. Лед – кристаллическая структура Н2О.

1. 1. Необычность свойств "обычного" льда Необычность свойств "обычного" льда по сравнению с другими твердыми телами проявляется, например, в том, что он легче расплава (воды), имеет на поверхности тончайший, толщиной около микрона, квазижидкий слой, физические характеристики которого отличаются от объемных характеристик и льда, и воды.

Температура плавления льда понижается с ростом давления, поэтому он плавится под действием механической нагрузки (это объясняет явление режеляции - спекание кусков льда или снежинок в монолит).

Лед - полупроводник, носителями заряда в котором служат протоны в водородных связях;

протонная проводимость льда возрастает с ростом температуры по экспоненциальному закону.

Во льде обнаружено уникальное сочетание свойств, характерных для полупроводников и диэлектриков: термоэлектрический, фотопластический, псевдопьезоэлектрический и ряд других эффектов.

Кристаллы льда отличаются необычайной чистотой и не содержат солей даже в случае, если их рост происходит в морской воде. Лед самоочищается в процессе кристаллизации, что объяснятся невозможностью захвата структурой льда посторонних веществ. Лед является редким соединением, в структуре которого реализуются исключительно водородные, поэтому трудно найти примесное вещество подобной природы, т. е. лед практически нельзя окрасить.

Следует отметить существование в природе «тяжелого» льда, содержащего тяжелый водород 2Н и 3Н и тяжелый кислород 17 Ои О, имеющие большую массу. Присутствие нестабильного изотопа трития Н во льду позволяет датировать ледники и ледяные покровы.

Лед можно рассматривать как породообразующий минерал, находящийся в горных породах, особенно в зонах вечной мерзлоты (занимающих более половины площади РФ), в виде отдельных кристаллов, линз, больших масс. В последнем случае лед можно считать мономинеральной горной породой, и, поскольку образование и развитие таких мерзлых пород связано с различными физико-химическими процессами, происходящими в толще льда, исследователям-мерзлотоведам, гляциологам и др. – необходимо знание свойств, а соответственно и особенностей кристаллической структуры льда.

1. 2. История изучения кристаллов льда Многие ученые в разных странах мира на протяжении веков размышляли о тайне кристаллов снега - каковы они, почему они сформированы в многоликие формы, каков механизм образования причудливых узоров? Ниже приведены лишь некоторые основные вехи в изучении кристаллов снега.

1611 г. – Иоган Кеплер Впервые на прекрасные снежинки как на кристаллы строгой формы обратил внимание Иоганн Кеплер. О своих наблюдениях и выводах он рассказал в 1611 г. в трактате «О шестиугольных снежинках», который Вернадский называл первой научной работой по кристаллографии. Кеплер полагал, что процессом жизни на Земле правит формообразующая сила. Она «сама по себе едина и всюду одна и та же», но, действуя в отдельных телах (минералах, растениях, животных) строит в них ту или иную внешнюю форму в зависимости от их вещества. В случае с образованием снежинок носителем этой упорядочивающей силы является пар. Когда пар, содержащий в себе эту силу, сталкивается с фронтом холодного воздуха, он разбивает пространство на отдельные маленькие ячейки, имеющие шестиугольную форму. Именно потому, что правильные шестиугольники оптимальным образом заполняют плоскость. В этих «сотах»

и образуются снежинки, отражающие порядок, присущий формообразующей силе. Это блестящее исследование, написано в полушутливой форме письма к Иоганну Вакенфельсу, советнику императора Рудольфа II.

1635 г. – Рене Декарт Декарт (Descartes) Рене (латинизированное имя — Картезий;

Renatus Cartesius) [31.3.1596, Лаэ (Турень), — 11.2.1650, Стокгольм], французский философ и математик.

Происходил из старинного дворянского рода. Образование получил в иезуитской школе Ла Флеш в Анжу. В начале Тридцатилетней войны служил в армии, которую оставил в 1621;

после нескольких лет путешествий переселился в Нидерланды (1629), где провёл двадцать лет в уединённых научных занятиях. В 1635 году Рене Декарт занялся описанием видов снежинок, разглядывая их невооруженным глазом. Он писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Его особенно поразила найденная им в середине снежинки "крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля, которым пользовались, чтобы очертить ее окружность". Декарт также впервые нашел и описал достаточно редкую двенадцатиконечную снежинку. До сих пор двенадцатиконечная снежинка считается большой редкостью, так до конца и неясно, где и при каких условиях она образуется. Считается, что снежинок с 4, 5 и 8 гранями не бывает, а вот с тремя увидеть можно.

1665 г. – Роберт Гук Гук, (Hooke) Роберт (18.7.1635, о. Уайт, — 3.3.1703, Лондон), английский естествоиспытатель, член Лондонского королевского общества (1663). В 1653 поступил в Оксфордский университет, где впоследствии стал ассистентом Роберта Бойля. С профессор Лондонского университета, в 1677—83 секретарь Лондонского Королевского общества. Разносторонний учёный и изобретатель. В 1665 Роберт Гук издал большой труд под заглавием «Micrographia», который содержал эскизы практически всех форм кристаллов, которые он смог увидеть с помощью только что изобретенного микроскопа.

Работы Гука впервые показали сложность, и запутанность симметрии кристаллов снега.

Следует отметить, что с помощью усовершенствованного им микроскопа Гук. наблюдал структуру не только снежинок, но и растений. Первым дал чёткий рисунок, впервые показавший клеточное строение пробки (термин «клетка» был введён Гуком), а также описал строение клеток бузины, укропа, моркови и других растений.

1931 г. – Вильсон Бентли Вильсон Бентли (1865-1931) был американским фермером и занимался микрофотографией снежных кристаллов. «Я обнаружил, что снежинки – это чудесное воплощение красоты, - писал Бентли, - и мне показалось стыдным, что эту красоту не увидят и не оценят другие. Каждый кристалл был образцом великолепного узора, и ни один узор не повторялся дважды. Когда снежинка таяла, узор пропадал навсегда. Так, как будто навсегда уходила красота, не оставив после себя никакого следа».

В 1885 году, после множества проб и ошибок, Бентли (имевший прозвище «Снежинка») получил первую удачную фотографию снежинки под микроскопом. Он занимался этим сорок шесть лет, сделав более 5000 уникальных снимков. На основе его работ было доказано, что не существует ни одной пары абсолютно одинаковых снежинок (что впоследствии существенно дополнило теорию кристалла).

В 1931 году Бентли издал альбом своих фотографий снежинок (рис. 1). А после его смерти в 1935 году вышел в свет составленный им атлас «Снежные кристаллы» с двумя тысячами снимков. До настоящего времени он является одним из основных источников знаний о снежинках.

Рис. 1. Фрагменты иллюстраций из книги В. Бентли.

1954 г. – Укичиро Накая Укичиро Накая был первым, кто сделал систематическое изучение кристаллов снега.

Будучи ядерным физиком, в 1932 г Накая был назначен на должность профессора в Хоккайдо, где не было никаких условий и средств для ядерных исследований.

Неутомимый ученый заинтересовался кристаллами снега, проделал ряд превосходных детальных наблюдений всех типов снеговых осадков, предложил их классификацию. В отличие от Бентли, Накая фотографировал не только самые красивые и симметричные кристаллы, но и необычные. Основная часть работ Накая была издана в 1954 в виде красивой книги с названием «Кристаллы Снега: Естественные и Искусственные».

1.3. Полиморфные модификации кристаллов льда В твердом состоянии вода насчитывает, по последним данным, 14 структурных модификаций. Есть среди них кристаллические (их большинство), есть аморфные, но все они отличаются друг от друга взаимным расположением молекул воды и свойствами.

Правда, все, кроме привычного нам льда, образуются в условиях экзотических — при очень низких температурах и высоких давлениях, когда углы водородных связей в молекуле воды изменяются и образуются системы, отличные от гексагональной.

Например, при температуре ниже –110°С водяные пары выпадают на металлической пластине в виде октаэдров и кубиков размером в несколько нанометров — это так называемый кубический лед. Если температура чуть выше –110°, а концентрация пара очень мала, на пластине формируется слой исключительно плотного аморфного льда.

Две последние модификации льда — XIII и XIV — открыли ученые из Оксфорда совсем недавно, в 2006 году. Предсказание 40-летней давности о том, что должны существовать кристаллы льда с моноклинной и ромбической решетками, было трудно подтвердить: вязкость воды при температуре –160°С очень велика, и собраться вместе молекулам сверхчистой переохлажденной воды в таком количестве, чтобы образовался зародыш кристалла, трудно. Помог катализатор — соляная кислота, которая повысила подвижность молекул воды при низких температурах. В земной природе подобные модификации льда образовываться не могут, но их можно поискать на замерзших спутниках других планет.

Из 14 известных на сегодняшний день форм твердой воды в природе мы встречаем только одну — лед. Остальные образуются в экстремальных условиях и для наблюдений вне специальных лабораторий недоступны. Самое интригующее свойство льда — это удивительное многообразие внешних проявлений. При одной и той же кристаллической структуре он может выглядеть совершенно по-разному, принимая форму прозрачных градин и сосулек, хлопьев пушистого снега, плотной блестящей корки фирна на снежном поле или же гигантских ледниковых масс.

Таблица 1. Полиморфные модификации кристаллов льда Модифи Сингония Фёдоровская Углы О-О кация группа О в тетраэдрах I Гексагональная P63/mmc 109, Ic Кубическая F43m 109, II Тригональная R3 80- III Тетрагональная P41212 87- V Моноклинная A2/a 84- VI Тетрагональная P42/nmc 76- VII Кубическая Im3m 109, VIII Кубическая Im3m 109, IX Тетрагональная P41212 87- 1.4. Структура льда Разгадка структуры твердой воды кроется в строении ее молекулы. Н2О можно представить себе в виде тетраэдра. В центре находится кислород, в двух вершинах — по водороду, точнее — протону, электроны которых задействованы в образовании ковалентной связи с кислородом. Две оставшиеся вершины занимают пары валентных электронов кислорода, которые не участвуют в образовании внутримолекулярных связей, отчего их называют неподеленными.

При взаимодействии протона одной молекулы с парой неподеленных электронов кислорода другой молекулы возникает водородная связь, менее сильная, чем связь внутримолекулярная, но достаточно могущественная, чтобы удерживать рядом соседние молекулы. Каждая молекула может одновременно образовывать четыре водородные связи с другими молекулами под строго определенными углами, которые не позволяют при замерзании создавать плотную структуру. Этот невидимый каркас из водородных связей располагает молекулы в виде ажурной сетки с полыми каналами. Стоит лед нагреть, как кружево рушится: молекулы воды начинают проваливаться в пустоты сетки, приводя к более плотной структуре жидкости, — вот почему вода тяжелее льда (рис. 2).

Лед Вода Рис. 2 Крисиаллическая структура льда и структура жидкой воды Лед, который образуется при атмосферном давлении и плавится при 0°С, — самое привычное, но все еще не до конца понятное вещество. Многое в его структуре и свойствах выглядит необычно. В структуре льда атомы кислорода выстроены упорядоченно, образуя правильные шестиугольники, а вот атомы водорода занимают самые разные положения вдоль связей. Такое поведение атомов вообще-то нетипично — как правило, в твердом веществе все подчиняются одному закону: либо все атомы расположены упорядоченно, и тогда это — кристалл, либо случайно, и тогда это — аморфное вещество.

Лед трудно расплавить, как бы ни странно это звучало. Не будь водородных связей, сцепляющих молекулы воды, он плавился бы при –90°С. При этом, замерзая, вода не уменьшается в объеме, как это происходит с большинством известных веществ, а увеличивается — за счет образования ажурной структуры льда.

К «странностям» льда относят и генерацию электромагнитного излучения его растущими кристаллами. Давно известно, что большинство растворенных в воде примесей не передается льду, когда он начинает расти, проще говоря, вымораживается. Поэтому даже на самой грязной луже пленка льда чистая и прозрачная. Примеси скапливаются на границе твердой и жидкой сред, в виде двух слоев электрических зарядов разного знака, которые вызывают значительную разность потенциалов. Заряженный слой примесей перемещается вместе с нижней границей молодого льда и излучает электромагнитные волны. Благодаря этому процесс кристаллизации можно наблюдать в деталях. Так, кристалл, растущий в длину в виде иголки, излучает иначе, чем покрывающийся боковыми отростками, а излучение растущих зерен отличается от того, которое возникает, когда кристаллы трескаются. По форме, последовательности, частоте и амплитуде импульсов излучения можно определить, с какой скоростью замерзает лед и какая при этом получается ледовая структура.

2. Классификация кристаллов льда 2.1а. Наиболее распространенные формы кристаллов льда Большинство снежинок имеют каноническую форму шестиугольной призмы, что объясняется молекулярной структурой воды, и тем как молекулы выстраиваются в кристаллическую решетку льда. Как уже отмечалось, выше шестиугольная призма включает два основных вида – она может быть «пластинчатой» или «столбчатой».

Наблюдение во время снегопада, с микроскопом небольшого увеличения или с увеличивающей линзой, демонстрирует большое разнообразие кристаллов, включая основные пластинчатые формы (рис. 3) а б в Рис. б. Древовидная в. Подобный папоротнику а. Простая шестигранная шестилучевая звездный дендрит. [T.

снежинка. пластинка. [T. Kobayashi and T. Kuroda, in [T. Kobayashi and T. Kuroda, Kobayashi and T. Morphology of Crystals, Part in Morphology of Crystals, Kuroda, in Morphology B (I. Sunagawa, ed.) (Terra Part B (I. Sunagawa, ed.) of Crystals, Part B (I. Scientific 1987)].

(Terra Scientific 1987) Sunagawa, ed.) (Terra Scientific 1987)].

основные подобные столбикам формы, а так же иглы.

2.1. Классификация по Большой Советской энциклопедии.

Существует несколько различных схем классификации естественные кристаллов снега. Как будет показано ниже, все схемы различают две основные формы снежных кристаллов - пластинчатые и столбчатые, но отличаются по числу вариаций данной формы. В большинстве случаев названия подвидов пластинчатых и столбчатых кристаллов произвольны, но полезны для наблюдателя в плане отнесения изучаемых кристаллов к какой-либо категории в полевых условиях. Согласно Большой Советской Энциклопедии к первым (пластинчатые) относятся шестиугольные пластинки и звёзды с 3, 6, 12 лучами (рис.4), ко вторым — шестигранные столбики и иглы, а также комплексы столбиков («ежи»). Часто наблюдаются снежные кристаллы неправильной формы. В зависимости от физических условий образования и роста снежных кристаллов (прежде всего от температуры и влажности воздуха) их размеры и формы весьма разнообразны. С ростом температуры увеличиваются размеры снежных кристаллов и доля пластинчатых форм. Чаще всего встречаются снежные кристаллы в виде звёзд и ежей. Звёзды с игольчатыми лучами достигают в поперечнике 6—8 мм, звёзды с пластинчатыми лучами — 4—5 мм, ежи — 2—3 мм, пластинки — 1—2 мм;

длина столбиков 1—2 мм, игл 3— мм. Крупные снежные кристаллы, выпадающие из облаков, среди которых преобладают звёзды, называются снежинками. Усложнение форм обычно начинается при достижении кристаллами размеров 0,1—0,2 мм. При сильных ветрах снежные кристаллы дробятся до 0,1 мм и менее. При падении снежных кристаллов через облако, содержащее переохлажденные капли воды, образуется снежная крупа.

Рис. 4. Типичные формы снежных кристаллов: 1 — пластинка;

2 — столбик;

3 — иглы;

4 — звезда с 6 пластинчатыми лучами;

5 — звезда с 6 игольчатыми лучами;

6 — звезда с 12 лучами;

— пластинка сложного строения;

8 — комплекс столбиков («ёж»).

2.2. Классификация международной комиссии по льду и снегу.

Довольно простая и широко используемая классификация для твердых атмосферных осадков, предложена в 1951 международной Комиссией по Снегу и Льду. Эта схема определяет семь основных типов кристаллов снега такие как пластины, звездообразные кристаллы, столбики, иглы, пространственные дендриты, сросшиеся столбики, и нерегулярные формы. К ним добавляются три дополнительных типа снеговых осадков:

мокрый град (мягкий), ледовая крупа, и град. (рис. 5).

Рис 5. Классификация международной комиссии по льду и снегу.

2.3. Классификация Накая (Nakaya).

Накая идентифицировал так же семь главных групп кристаллов снега, которые разделил далее на 41 индивидуальный морфологический тип [U. Nakaya, Snow Crystals:

Natural and Artificial (Harvard University Press, 954).].(рис. 6) Рис 6. Классификация ледяных кристаллов по Накая.

2.4. Классификация Магоно и Ли (Magono & Lee).

Самая сложная схема классификации – является расширенной таблицей Накая, предложенна Магоно и Ли в 1966 [E. R. LaChapelle, Field Guide to Snow Crystals (University of Washington Press, 1969]. (рис.7) Рис.7. Классификация Магоно и Ли.

3. Образование кристаллов льда 3.1. Образование ледяных кристаллов в атмосфере Ледяные кристаллы могут образоваться в атмосфере различными путями: во-первых, путем непосредственной сублимации водяного пара и, во-вторых, в результате замерзания (кристаллизации) переохлажденных капель. Процесс сублимации имеет много общего с конденсацией, поэтому все сказанное выше об условиях, необходимых для конденсации, полностью относится и к переходу воды в кристаллическое состояние. Особенность сублимации в атмосфере заключается в том, что в пересыщенном паре в отсутствие твердой фазы должны возникать зародыши, имеющие кристаллическое строение. В опытах, проведенных в лабораторных условиях и в облаках, было обнаружено появление большого числа мельчайших ледяных кристаллов при соприкосновении влажного воздуха с любыми поверхностями, имеющими очень низкую температуру (ниже —700С). В качестве охлаждающих веществ применялась твердая углекислота (СО2)с t =—78° С, жидкий воздух и т. д. Ледяные кристаллы появляются и в камере Вильсона, образование тумана происходит при температуре ниже —40°. Во всех этих опытах никаких особых ядер сублимации не было обнаружено. И хотя сейчас нельзя еще дать полного теоретического объяснения указанным фактам, можно, однако, утверждать, что в образовании зародышей ледяных кристаллов основную роль играет охлаждение воздуха, создающее огромное пересыщение — в сотни и тысячи процентов. Очевидно, что при температуре ниже —40° и больших пересыщениях любые частички могут выполнять роль ядер сублимации. Сторонники гипотезы об атмосферных ядрах сублимации указывали в качестве примера, что такими ядрами могут являться частички кварцевого песка. Это предположение также не оправдалось;

кристаллическое строение кварца значительно отличается от льда, и кварцевый песок, как показали опыты, при температурах выше — 400С сублимации не вызывает. Наиболее близкое к кристаллическому строению льда имеют такие вещества, как йодистое серебро (AgJ) и йодистый свинец (PbJ2).

Действительно, распыление этих веществ при отрицательной температуре в тумане, состоящей из переохлаждённых капель приводит к появлению ледяных кристаллов. Но йодистые соединения в атмосфере не обнаружены. Таким образом, гипотеза об атмосферных ядрах сублимации отпадает.

В связи с образованием ледяных кристаллов отметим еще одно обстоятельство, существенное для их дальнейшего роста. Упругость пара над льдом меньше, чем над переохлажденной водой. Поэтому, если при одинаковых размерах ядра конденсации и кристаллов льда (в частности, замерзших капель) упругость пара над гигроскопическими частичками (ядрами) меньше, чем над кристаллами льда, то, очевидно преимущество принадлежит конденсации;

если, наоборот, над кристаллами упругость меньше, то — сублимации. Эффективность тех или других частичек можно найти из сравнения упругости пара над незамерзшими каплями и над кристаллами льда.

3.2. Условия, влияющие на рост кристаллов льда определенной формы Рост кристаллов льда и снега - частный случай фазовых переходов воды. Этот процесс определяется как внутренней структурой вещества, так и химизмом, строением и термодинамическим состоянием окружающей среды. Ввиду сложностей процессов возникновения реальных кристаллов и трудностей учета всех особенностей кристаллического анизотропного состояния, до настоящего момента отсутствует «универсальная» теория роста кристаллов. Каждая из существующих теорий (термодинамическая, молекулярно-кинетическая, адсорбционная, диффузионная, дислокационная и др.) объясняет лишь одну из сторон многообразных процессов кристаллизации). Здесь будут приведены наиболее важные положения из этих теорий.

Кристаллизация возможна лишь в пресыщенной среде и сопровождается выделением энергии кристаллизации. Согласно второму закону термодинамики (закону роста энтропии в изолированных системах при данном термодинамическом состоянии все тела в природе стремятся перейти в то состояние, которое отвечает минимуму их энергии. В соответствии с этим кристалл, находящийся в равновесии с собственным раствором, должен иметь форму, которая отвечает минимуму его суммарной поверхностной энергии при постоянном объеме (термодинамическая теория Гиббса). Поверхностная энергия кристалла есть энергия ненасыщенных молекулярных связей на его поверхности, поэтому она обратно пропорциональна ретикулярной плотности, т.е. плотности упаковки молекул на кристаллической поверхности. При кристаллизации наблюдается изменение во времени соотношения размеров различных граней, имеющих изначально неодинаковую ретикулярную плотность. Согласно правилу Браве, кристалл, стремящийся к равновесию со средой, покрывается гранями с большой ретикулярной плотностью, так как грани с меньшей плотностью, а следовательно, с большей поверхностной энергией, нарастают быстрее предыдущих и постепенно выклиниваются. Если кристалл попадает в среду, не удовлетворяющую условию Гиббса, то он будет регенерировать (самоограняться) и постепенно примет устойчивую для данных условий форму. Это положение было позднее подтверждено работами П. Кюри и Г.В. Вульфа, поэтому получило название закона Гиббса – Кюри - Вульфа. Сюда же примыкает известный закон плоскогранности, гласящий, что кристалл покрывается гранями с малой скоростью нарастания, причем углы между двумя любыми гранями растущего кристалла остаются постоянными.

В кристаллах льда ретикулярная плотность призматических и пирамидальных граней выше, чем базисных, поэтому в равновесных условиях должен преобладать рост по главной оси, что определяет столбчатый облик ледяного кристалла.

Термодинамическая теория Гиббса предполагает также скачкообразный рост кристаллов. Последний сводится каждый раз к возникновению двумерных зародышей (цепочки мельчайших частиц кристаллизующегося вещества). Эти зародыши образуются на грани только при значительных пересыщениях, между тем как новый слой разрастается по грани весьма быстро и даже при меньших пересыщениях, чем в начале. Все эти закономерности наблюдаются лишь в условиях, близких к равновесию при бесконечно медленном росте кристаллов. Они не свойственны процессам возникновения так называемых форм роста, где при повышенной скорости кристаллизации преобладает стремление индивидов к наибольшей быстроте завершения процесса кристаллизации в результате образования бесконечно развитой кристаллической поверхности. В последнем случае возникает термодинамические неравновесные формы кристаллов.

Выращивая кристаллы снега в лаборатории при управляемых условиях, каждый исследователь находит, что образуются различные типы кристаллов снега, форма которых зависит главным образом от температуры и влажности воздуха. Такая зависимость иллюстрируется "морфологической диаграммой (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость форм кристаллов от атмосферных условий Из этой диаграммы мы видим, что на очень низких уровнях пересыщения, скажем меньше чем несколько процентов относительно льда, кристаллы растут главным образом в виде простых шестиугольных призм. С понижением температуры происходит образование сначала пластин (-2 C), столбиков (-5 C), затем в обратном порядке пластики (-15 C), и снова столбики (-30 C). С ростом перенасыщения кристаллы становятся более структурированными;

так, например при -15 C мы наблюдаем правильные шестигранные. В небе уровень перенасыщения - обычно близок к уровню насыщенности воды или ниже его (отмечена линией на диаграмме);

в облаках уровень перенасыщения устанавливается вблизи значения для воды, так как облако содержит очень много маленьких переохлажденных капелек. В соответствии с этим трудно ожидать увидеть звездные дендриты в естественном снегопаде, в действительности же мы наблюдаем их. Решение этого парадокса – в том что кристаллы снега в атмосфере, находятся в постоянном хаотическом движении, в результате которого с поверхности снежинок частично испаряется вода, поднимая эффективный уровень перенасыщения, при котором возможно образование дендритов.

Казалось бы, изучая снежинки, можно исследовать слои атмосферы, через которые они пролетели, как распределены температурные фронты, влажность и загрязненность воздуха на разных высотах. Более того, учитывая, что облака за время образования в них снежинок, проходят большой путь, появляется возможность на зимнее время резко сокращать количество метеорологических станций в отдаленных и труднодоступных районах мира. Снег становился в буквальном смысле чистым листом, на котором сохраняется информация о состоянии атмосферы на всем пути движения тучи.

Однако в действительности все оказалась значительно более сложно. Потребовались мощнейшие компьютеры, которые должны были проводить анализ и сопоставление приходящего материала. Зачастую итоги вычислений приходилось ждать месяцами.

(Попутно выяснилось, что в разных районах Земли выпадают совершенно особенные, присущие только данному месту, формы снежинок.) Оснащение вычислительных центров суперкомпьютерами позволило снизить время анализа до приемлемого уровня. Но самая большая неприятность была впереди.

Ученые столкнулись с тем, что только небольшая часть снежных кристалликов доходит до земли без повреждений. Сталкиваясь по дороге друг с другом, подвергаясь ветровым нагрузкам, снежинки теряют наиболее важную и ценную для анализа часть внешнего покрова, а зачастую и просто ломаются. Поиск средств для вылавливания в общем хаосе действительно целых снежинок превратился в самостоятельную сложнейшую техническую задачу. Ее решение не принесло облегчения. Оказалось, что облака поставляют очень мало неискаженной информации. Пожалуй, только в тихие вечера, когда на снежинки не оказывают влияния ни ветер, ни солнце, удавалось реально получать корректную и полную информацию о том, что творится в атмосфере.

Удалось решить и эту проблему. Мощная вычислительная техника, учитывающая сотни и тысячи факторов показала, что существуют определенные зависимости, связанные не с одной снежинкой, а с их группами. Выяснилось, что наборы снежинок, взятые по определенной процедуре, обладают неким общим для данной климатической ситуации свойством. Разные каждая сама по себе, снежинки несли некую общую информацию о ситуации, в которой они были созданы! Все было прекрасно, но метод работал только во время снегопадов. А это, увы, происходит не всегда.

Конечно, такие результаты не могли удовлетворить практические потребности, и гляциометеорология постепенно стала наукой академической.

4. Причины многообразия снежных кристаллов Типичной и наиболее распространенной формой снежных кристаллов является пластинчатая шестигранная призма, что обусловлено особенностью строения молекул воды и их взаимным расположением в кристаллической структуры льда. Молекула воды значительно более сложна, чем например электрон, и не все молекулы воды строго одинаковы. Если мы ограничимся молекулами воды, которые содержат два обычных протона и один обычный атом кислорода O, то можно сказать о том, что все такие молекулы воды будут одинаковы. Однако в действительности не все так просто.

Приблизительно одна молекула естественной воды из каждых 5000 будет содержать атом дейтерия вместо одного из протонов, и каждая 500-ая будет содержать изотоп кислорода 18 O вместо обычного O. Если принять, что среднестатистический кристаллик снега содержит 10 молекул воды, оказывается, что приблизительно 1015 из этих молекул будут отличаться от основной массы. Эти необычные молекулы будут беспорядочно рассеяны всюду по кристаллу снега, давая уникальную и неповторимую структуру. Вероятность, что два кристалла снега имели бы точно то же самое расположение этих молекул, очень, и очень мала. даже если мы ограничимся изотопически чистыми молекулами воды, это не значит, что все кристаллы снега будут подобны. Во время роста кристалла, молекулы не складываются вместе с совершенной регулярностью, и обычный кристалл льда содержит огромное число дислокаций и дефектов, которые так же располагаются в объеме кристалла случайным способом.

Другой причиной многообразия кристаллов льда является тот факт, что рост всякого кристалла является чрезвычайно чувствительным к внешним условиям. Во время роста кристалла снега, внешние условия постоянно изменяются, снег падает, и его заключительная форма отражает «историю» изменения этих условий роста. Большой красивый образец формируется, когда кристалл снега имеет длинную сложную «историю»

роста. Чем более сложная «история» роста, тем более маловероятно, что любые два кристалла испытают точно ту же самую «судьбу».

5. Необычные формы кристаллов льда При попытке понять и описать сложное явление, часто полезно смотреть не только на самые общие закономерности, но также обращать внимание на исключения. В случае снежных кристаллов, наряду с обычными формами мы можем наблюдать весьма необычные образования кристаллов. С некоторыми из них мы ознакомимся ниже.

Трехгранные пластины Существует достаточно много дендритов существования простых пластинчатых кристаллы снега, форменные подобно треугольникам, часто с обрезанными подсказками{чаевыми}, в отличие от намного более распространенных шестиугольников.

Изображение взято из книги [W. Tape, Atmospheric Halos, Antarctic Research Series, Vol. 64, (American Geophysical Union, 1994)], дополнительные примеры могут быть найдены в книгах Бентлея и Накая [W. A. Bentley and W. J. Humphreys, Snow Crystals (Dover, 1962-) The original book was published by McGraw-Hill in 1931, U. Nakaya, Snow Crystals: Natural and Artificial (Harvard University Press, 1954)]. Трехгранные кристаллы довольно легко получаются искусственно, например при росте в условиях свободного падения. Причина образования таких трехгранных пластин неизвестна.

Пирамидальные Кристаллы В книге W. Tape описывается другая необычная форма снежных кристаллов (рис. 9).

Эти кристаллы демонстрируют пирамидальный тип в дополнение к обычному основному типу призмы, и иногда наблюдаются в больших количествах в естественных снегопадах.

Условия, при которых они растут, до конца не ясны, но отмечается, что они формируются только в очень низких температурах и супернасыщенности.

Рис. 9. Пирамидальные кристаллы Двенадцатилучевые снежные звезды Довольно часто встречаются в естественном снеге. Полагается, что эти кристаллы представляют собой вращательных близнецов нормальных шестилучевых кристаллов (рис. 10) Рис. 10. Двенадцатилучевые снежные звезды Необычные дендриты Существенное число естественных кристаллов снега образуют форму пространственных дендритов (тип P5a оп классификации Накая). Угол между соседними компонентами этих поликристаллов составляет около 700 [T. Kobayashi and T. Kuroda, in Morphology of Crystals, Part B (I. Sunagawa, ed.) (Terra Scientific 1987).]. Комбинации Bullet Combos (тип C2a по классификации Накая) также часто формируются с углом в 700 между различными иглами (рис. 11).

Рис. 11. Необычные дендриты Двойные призмы Призмы близнецы (двойные призмы) состоят из двух отдельных призм в суперпозиции, с общей осью соприкосновения. Это образование на первый взгляд казалось бы вполне обычным, если бы не углубление, которое появляется, во время испарения или роста кристалла (рис. 12) Рис. 12. Двойные призмы 6. Симметрия снежинок.

Форма любой снежной звездочки может быть описана строго кристаллографически при помощи реберных и вершинных форм (если имеется возможность установить гранные формы, то необходимо назвать их).

Прежде чем приступить к ознакомлению с вершинными и реберными формами, необходимо ввести еще одно понятие, касающееся положительных и отрицательных форм кристаллов.

Каждая форма реального кристаллического многогранника может проявиться с точки зрения ее материальности в двух видах: либо в виде заполненного веществом многогранника (положительный кристалл), либо в виде пустотелого отрицательного кристалла, окруженного твердой монокристаллической средой (отрицательный кристалл).

Итак, существуют положительные и отрицательные кристаллографические формы. С этой точки зрения число известных нам простых кристаллографических форм следует умножить на два (общее число материальных простых гранных форм равно 47(+) и 47(-)).

6.1. Учение о гранных, реберных и вершинных формах.

Вершинные формы.

А. Плоские вершинные формы.

Простая вершинная форма отвечает совокупности вершин кристалла, выводящихся друг из друга с помощью элементов симметрии. Плоские вершинные формы выводятся элементарно просто, исходя из десяти плоскостных кристаллографических элементов симметрии: L1=-(1);

L2(2);

L3(3);

L4(4);

L6(6);

L11P=P(m);

L22P(mm);

L33P(3m);

L44P(4mm);

L66P (6mm) (рис. 13) Рис.13. Десять видов плоскостной кристаллографической симметрии:

1 - L1=-(1);

2 - L2(2);

3 - L3(3);

4 - L4(4);

5 - L6(6);

6 - L11P=P(m);

7 - L22P(mm);

8 L33P(3m);

9 - L44P(4mm);

10 - L66P (6mm).

Задавая точки во всевозможных положениях относительно осей и плоскостей симметрии для вышеупомянутых десяти видов и размножая такие точки с помощью этих элементов симметрии, можно получить все возможные здесь простые вершинные формы.

Число геометрически различных простых плоских вершинников – 9. Девять положительных плоских вершинников дублируются девятью отрицательными их разновидностями.

Примерами плоских вершинных форм являются утолщения на концах веточек у снежинок. Большинство из них относится к шестивершинникам, или вершинным гексагонам, но встречаются среди них и вершинные дитригоны и дигексагоны.

Аналогичные образования на «ледяных цветах», или «цветах Тиндаля», отрицательных (полых) звездочках внутри льда, отвечают отрицательным вершинным формам (рис.11).

Рис. 14. Девять плоских простых вершинных форм:

1 – одновершинник;

2 – двувершинник;

3 – вершинный тригон;

4 – вершинный тетрагон;

– вершинный гексагон;

6 – вершинный прямоугольник;

7 – вершинный детригон;

8 – вершинный дитетрагон;

9 – вершинный дигексагон Но рассматривать реальные вершинники в виде совокупностей точек («точечников») можно лишь в порядке грубого приближения. На самом деле, каждая такая «точка»

отвечает либо маленькому многоугольнику или многограннику, либо утолщенному концу кристаллической ветки. Для того, чтобы охарактеризовать их с точки зрения симметрии, надо принять во внимание симметрию телесных углов, с вершинами которого и совпадают «точки».

Б. Пространственные вершинные формы. Вывод пространственных простых вершинников легко осуществить с помощью стереографических проекций 32 видов симметрии. Различно ориентированные относительно элементов симметрии точки и дадут возможные трехмерные простые вершинники. Проекции их будут совпадать с гномостереографическими (точечными) проекциями граней различных простых форм.

Следовательно, число пространственных простых вершинных форм. Их всего 47. Следует лишь различать 47 положительных и 47 отрицательных разновидностей этих форм.

Для характеристики и номенклатуры простых вершинных форм слово «вершинник»

снабжается определяющим прилагательным, производным от названия соответственной простой гранной формы. Таким образом получаются моноэдрический, пинакоидный, диэдрический и т.д. вершинники (рис. 15, 16).

Рис.15 А – пинакоидальный вершинников Рис. 16. Комбинация геасаэдрического и октаэдрического вершинников Б – ромбоэдрический вершинник Реберные формы.

А. Плоские реберные формы. Простой реберной формой называется совокупность ребер, выводящихся друг из друга с помощью элементов симметрии. Здесь опять-таки надо различать плоские и пространственные формы.

Плоские реберные формы выводятся на основе десяти видов плоскостной кристаллографической симметрии. Задавая ребра (отрезки прямых), различно ориентированные на плоскости относительно осей и плоскостей симметрии, и исчерпав все возможные случаи, можно вывести 27 реберных форм.

Различаются плоские реберники в виде пучков (т.е. расходящихся лучей) и в виде замкнутых многоугольников – рамок.

Вывод пучков осуществляется заданием прямых линий (ребер), исходящих из центральной точки последовательно во всех десяти видах плоскостной симметрии. В результате получаем девять простых плоских реберных пучков с одним исходным центром.

Путем задания прямых, не проходящих через центральную точку проекции и вместе с тем не образующих замкнутые контуры, получаются пять новых форм, объединенных в группу «разорванных пучков».

Для вывода замкнутых плоских реберных форм не проходящие через центр проекции отрезки подвергаются действию элементов симметрии. Учитывая только те случаи, которые дают выпуклые многоугольники, можно получить в результате семь замкнутых выпуклых плоских реберных форм. Важно подчеркнуть, что группа рамок, состоящая из десяти форм (семи только что выведенных и трех, выведенных ранее и встречающихся также среди других групп плоских реберников), отвечает плоским реберным формам, оконтуривающих грани монокристаллов.

Особо выделяется небольшая группа «звезд» - замкнутых плоских реберных форм с входящими углами. Они могут встречаться как на скелетных формах, так и на закономерных кристаллических сростках. К ним примыкают три «разорванные звезды»

(рис.17).

Рис. 17. Двадцать семь простых реберных форм:

Пучки: 1 – монореберник;

2 – тригональный реберный пучок;

3 – тетрагональный реберный пучок;

4 – гексагональный реберный пучок;

5 – диреберник;

6 – дидигональный реберный пучок;

7 – дитригональный реберный пучок;

8 – дитетрагональный реберный пучок;

9 – дигексагональный ребетный пучок;

10 – парареберник;

11 – удвоенный диреберник;

12 - удвоенный тригональный реберный пучок;

14 – удвоенный гексагональный реберный пучок.

Рамки: 15 - реберный тригон ;

16 – реберный тетрагон;

17 – реберный гексагон;

18 – реберный ромб;

19 – реберный дитригон;

20 – реберный дитетрагон;

21 – реберный дигексагон.

Звезды: 22 – тригональная реберная звезда;

23 – тетрагональная реберная звезда;

24 – гексагональная реберная звезда.

Разорванные звезды: 25 – разорванная тригональная реберная звезда;

26 – разорванная тетрагональная реберная звезда;

27 – разорванная гексагональная реберная звезда Б. Трехмерные реберные формы.

Среди трехмерных реберных форм следует различать реберники в виде трехмерных пучков и замкнутые (или полузамкнутые) реберные каркасы (трехмерные рамки). Простой трехмерный реберный пучок отвечает совокупности ребер, связанных элементами симметрии и перенесенные параллельно самим себе в одну исходную точку.

Такие пучки можно опять-таки вывести с помощью стереографических проекций видов симметрии. Задавая точки на проекции, будем считать их стереографическими проекциями ребер, входящих в состав пучка. Само собой разумеется, их будет (стереографические проекции ребер являются аналогами гномостереографических проекций граней, а число простых гранных форм, как известно, 47) (рис. 18).

Рис. 18. Пространственный реберный пучок Реберные пучки могут быть с успехом использованы для описания пирамид роста внутри кристаллов. Соответствующие им отрицательные формы встречаются в виде пересекающихся полых каналов. внутри кристаллических тел, лучей удара и т. п.

Замкнутые или частично замкнутые реберные формы образуют каркасы (трехмерные рамки).

Под простой каркасной реберной формой мы подразумеваем совокупность реберна поверхности кристалла, связанных элементами симметрии последнего (рис. 19).

Рис. 19. Простые каркасные реберные формы:

а – две реберные формы на пентагон-додекаэдре;

б – две реберные формы на ромбоэдре;

в – две реберные тригональные призмы Гранные формы.

Постой гранной формой называется совокупность граней, входящих друг в друга с помощью элементов конечной кристаллографической симметрии. Сюда относятся обычных гранных форм, характеризующих лишь выпуклые плоскостные монокристаллические многогранники.

Следует, помимо выпуклых плоскогранных форм, отличающихся отсутствием входящих углов, учесть также формы с входящими углами. К ним прежде всего принадлежат отрицательные аналоги 47 кристаллографических простых форм.

Далее следует выделить серию гранных пучков. Гранным пучком назовем совокупность граней кристалла, перенесенных параллельно самим себе в некоторую точку пространства (например, в центр проекций).

Кроме положительных гранных пучков, имеются и соответствующие им отрицательные аналоги. Примером могут служить пространственные совокупности спайных трещинок, пересекающихся в одной точке.

Общее число гранных пучков отвечает числу обычных гранных форм, т.е. равно (при учете и положительных, и отрицательных разновидностей это число удваивается).

К числу гранных форм следует отнести также телесные многогранники с входящими углами, столь характерные для скелетных образований и кристаллических сростков – как параллельных, так и двойниковых (рис. 20) Рис. 20. Разновидности кристаллографических призм (сечения, перпендикулярные главной, вертикальной оси) 6. 2. Описание снежинок.

Разберем в качестве примера 8 основных типов снежинок по У. Накайа. Конечно, следует учитывать, что лучи (ветви) снежинок не представляют собой идеальных геометрических прямых, которыми характеризуются пучки. Строго говоря, они являются чем-то вроде телесных столбиков и должны точнее описываться формами группы разорванных пучков. Однако в тех случаях, когда толщина лучей снежинок чрезвычайно мала по сравнению с длиной, ею можно пренебречь (как и при описании гранных форм, кристаллически реальные формы здесь приходится идеализировать).

Ниже приводятся строго кристаллографические описания всех восьми снежинок, изображенных на рис. 21.

Рис. 21. Восемь основных снежинок (по У. Накая) А. Одна простая гранная форма – базопинакоид {0001} (плоскость шестиугольной пластинки). Одна простая реберная форма: гексагональная рамка (контур пластинки).

Одна простая вершинная форма: вершинный гексагон (по углам шестиугольной пластинки).

Б. Одна простая гранная форма – плоскость {0001}, развитая в виде шести отдельных секторов. Две простые реберные формы: гексагональный пучок (прямые, сходящиеся в центре) и гексагональная рамка (для того, чтобы целиком восстановить контуры такой рамки, надо продолжить составляющие ее прямые до взаимного соприкосновения. Таким приемом, как известно, пользуются при определении простых гранных форм в комбинациях, продолжая грани одной простой формы до взаимного их пересечения). Три простые вершинные формы: одновершинник (в центре), вершинный гексагон (на выступающих углах секториальных пластинок), вершинный гексагон (на остальных двенадцати углах пластинок).

В. Одна простая гранная форма – плоскость {0001}, в виде шести узких полосок – лучей. Две простые реберные формы: удвоенный гексагональный реберный пучок (лучи) и гексагональная рамка. Две простые вершинные формы: вершинный гексагон (на вогнутых концах) и вершинный дигексагон.

Г. Одна простая гранная форма – {0001}. Две простые реберные формы: удвоенный гексагональный пучок (стороны входящих углов) и гексагональная рамка (стороны выпуклых углов). Три простые вершинные формы: два вершинных гексагона (на выступающих и входящих углах) и вершинный дигексагон (остальные двенадцать углов).

Д. Одна простая гранная форма – {0001} (плоскость шестиугольной пластинки). Три простые реберные формы: гексагональная рамка (контур шестиугольника), гексагональный пучок (выступающие лучи) и гексагональная звезда (ответвления на лучах). Четыре простые вершинные формы: три вершинных гексагона (углы шестиугольника, точки пересечения лучей с ответвлениями, концы лучей) и один вершинный дигексагон (концы ответвлений).

Е. Пять простых реберных форм: гексагональный пучок (основные лучи), гексагональная рамка и три гексагональные звезды (ответвления на лучах).. Девять простых вершинных форм: один одновершинник (центр звездочки), четыре вершинных гексагона (точки пересечения лучей с ответвлениями, концы лучей).

Ж. Семь простых реберных форм: гексагональный пучок (основные лучи), две гексагональные рамки (шестиугольники вокруг центра) и четыре гексагональные звезды (ответвления на лучах). Одиннадцать простых вершинных форм: один одновершинник (центр звездочки), шесть вершинных гексагона (углы шестиугольников, точки пересечения лучей с ответвлениями, концы лучей) и четыре вершинных дигексагона (концы ответвлений).

З. Шесть простых реберных форм: гексагональный пучок (основные лучи) и пять гексагональных звезд. Двенадцать простых вершинных форм: один одновершинник, восемь вершинных гексагонов (на входящих и выступающих углах реберных звезд, на точках пересечения лучей с ответвлениями и на концах лучей), три вершинных гексагона (на концах ответвлений).

На всех описанных выше снежинках лучше всего развиты реберные формы.

Упоминания о вершинных формах можно было бы опустить, так как они являются здесь попросту точками пересечения или концами реберных линий. Однако нередко именно в этих точках наблюдаются утолщения и нарастания скелета.

Использование вершинных и реберных форм позволяет строго кристаллографически описывать снежинки.

Существует еще один способ описания форм снежных звездочек, основанный на новых понятиях симметрии подобия, развиваемых А. В. Шубниковым. Операции симметрии подобия представляют своеобразные аналогии трансляций, поворотов вокруг простых и винтовых осей, отражений в простых и скользящих плоскостях, с той разницей, что такие операции связаны с одновременным увеличением или уменьшением масштаба подобных частей фигуры и расстояний между ними. Симметрия подобия осуществляется в законах расположения листьев растений, в спиральной форме раковин, в конической форме многих деревьев, а также в зонах роста и скелетных формах кристаллов.

С этой точки зрения все параллельные друг другу ответвления или концентрические вписанные друг в друга подобные контуры на снежинке принадлежат одной разрастающейся простой форме. Тем самым существенно сократятся описания для снежных звездочек со сложным узорами (само собой разумеется, что описания по прежнему должны целиком основываться на наборе форм).

Приведем описание реберных форм с учетом симметрии подобия для снежинок Е, Ж, З ( описания снежинок А, Б, В, Г, Д останутся без изменений) Е. Три простые реберные формы: один гексагональный пучок (основные лучи), одна гексагональная рамка и одна разрастающаяся гексагональная звезда в виде троекратно повторяющихся ответвлений на лучах.

Ж. Три простые реберные формы: один гексагональный пучок (основные лучи), одна разрастающаяся гексагональная звезда в виде четырехкратно повторяющихся ответвлений на лучах.

З. Две простые реберные формы: один гексагональный пучок (основные лучи) и одна разрастающаяся гексагональная звезда в виде двух звездчатых контуров и трехкратных ответвлений на лучах.

Такие сокращенные описания, быть может, менее наглядны, чем приводившиеся выше развернутые описания, основанные на классических понятиях простых форм, но зато они связывают воедино структурно и генетически сходные детали снежинок, кстати, характеризуемые и одинаковыми кристаллографическими символами.

Заключение.

В ходе ознакомления с литературой составления данной работы я обратила внимание, что практически все классификации ядра носят описательный характер. При этом мы имеем недостаточно кристаллографической информации (за исключением той, что описана в пункте 6.2.). Например, когда я рассматривала изображения необычных кристаллов льда, мне показалось, что кристалл пирамидального типа представляет собой типичный кристалл льда. Чтобы проверить свою догадку, в программе SHAPE я нарисовала теоретический кристалл льда по его структурным характеристикам, введя параметры наиболее значимых простых граней пространственной группы Р63/mmc {1010}, {1011}, {0001}, т. е. грани с максимальной ретикулярной плотностью.

Теоретически идеальный кристалл я реконструировала до сходства с изображенным на фотографии. Как видно из рис. 22, они абсолютно схожи. Следовательно, можно предположить, что в ряде случаев кристаллизуются одиночные кристаллы.

рис. В классификации Магоно и Ли ряд рисунков позволяет сделать вывод, что группа N – это не что иное, как одиночные или сросшиеся кристаллы льда игольчатого облика (рис.

23);

группа С – монокристаллы разной степени дефектности: так С1b можно сопоставить со скипетровидным кристаллом кварца, С1е – не что иное, как футляровидный кристалл, С2а – сложный четверник (в данном случае) кристаллов льда, С2b – двойник прорастания (рис. 24).

Рис. 23. Кристаллы группы N ( по классификации Магоно и Ли) а б в г Рис. 24. Кристаллы льда группы С: C1b (а), С1е (б), С2а (в), С2b (г) В процессе работы я ознакомилась с особенностями кристаллов льда: необычными физическими и химическими свойствами, молекулярным строением, классификациями, кристаллической структурой и условиями образования. Стоит заметить, что данные, использованные в моей курсовой работе, я брала в основном из Интернета, а не из печатных изданий. Думаю, это является признаком того, что проблеме роста кристаллов льда уделяется на данном этапе не так много внимания, как оно того заслуживает, хотя уже долгое время лед применяется в холодильном деле, медицине, быту и технике.

Список используемой литературы 1. Кристаллография и кристаллохимия: учебник / Ю. К. Егоров-Тисменко;

под ред.

Академика В. С. Урусова. – М.: КДУ, 2005.

2. И. И. Шафрановский. Лекции по кристалломорфологии. Издательство «Высшая кола». Москва, 3. Научный журнал «Химия и жизнь», 2007, № 4. www.chemfiles.narod.ru/meteo/snow/snow1.html 5. http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/2932/ 6. http://bse.sci-lib.com/article005746.html.

7. http://wsyachina.narod.ru/physics/ice.html 8. http://nauka.relis.ru/06/0410/06410002.htm 9. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/1074.html 10. http://jsc.che.nsk.su/jsc_rus/Archive/T44_2003/n5/16_Zheligovskaya.pdf 11. http://cube2007.com/puzzles_3.html 12. http://xarhive.narod.ru/Online/chem/voda.html 13. http://wiki.web.ru/wiki/%D0%9B%D1%91%D0%B Оглавление Введение 1. Лед – кристаллическая структура Н2О 1.1. Необычность свойств «обычного» льда 1.2. История изучения кристаллов льда 1.3. Полиморфные модификации кристаллов льда 1.4. Структура льда 2. Классификации кристаллов льда 2.1а. Наиболее распространенные формы кристаллов 2.1. Классификация по Большой Советской энциклопедии 2.2. Классификация международной комиссии по льду и снегу. 2.3 Классификация Накая 2.4. Классификация Магоно и Ли 3. Образование кристаллов льда 3.1. Образование ледяных кристаллов в атмосфере 3.2. Условия, влияющие на рост кристаллов льда определенной формы 4. Причины многообразия снежных кристаллов 5. Необычные формы кристаллов льда 6. Симметрия снежинок 6.1. Учение о гранных, реберных и вершинных формах 6.2. Описание снежинок Заключение Литература

 














 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.