Снег как природное явление
Снег как природное явление
Снег – хрупкие кристаллики воды. Вес одной снежинки не превышает 1-3 мг. Несмотря на малый размер, снежные осадки легко накрывают огромные территории толстым мягким слоем. Вес этого снежного покрытия способен оказать влияние на скорость вращения Земли.
Описание явления
Снег относится к одному из видов атмосферных осадков, состоит из крошечных ледяных кристаллов, появляется внутри облака и выпадает на земную поверхность из слоисто-дождевых облаков в холодное время года. Он состоит из отдельных снежинок в форме шестиугольников.
Как образуется
Снег падает с неба в виде замёрзшего дождя чаще всего в зимний период года.
Образование снега происходит при температуре не выше 0 ºС. Крошечные капельки воды, образующие дождевое облако, замерзают. Такова основная причина образования данного вида осадков. Молекулы воды принимают шестиугольную форму, а ледяной кристаллик по мере роста становится шестигранником. При 15 градусах по Цельсию кристаллик льда превращается в тонкую пластину. При 8 градусах образуются полые колонны. При 2,5 градусах получается то, что в представлении каждого является классической снежинкой.
Также снег формируется путём испарения. Наблюдать это явление можно на примере высыхания мокрой ткани на морозе. Сначала ткань замерзает и быстро становится твёрдой – вода в ткани превратилась в лёд. Потом лёд начинает испаряться – крошечные льдинки отрываются от ткани и поднимаются к атмосфере. Процесс испарения занимает несколько дней. Когда лёд полностью испарится и улетит в виде снежинок, ткань становится мягкой.
Классификация
Снег – это не просто замёрзшая вода, а осадки в виде кристаллов льда. Из-за особого строения молекул воды кристаллы при замерзании приобретают форму гексагональной призмы. Падая, сформированные кристаллы образуют следующие виды явления:
Иногда хлопья могут достигать 30 см. Одним из первых людей, которых заинтересовало происхождение снега, был Уинсон Бентли. Начиная с 1880 года он фотографировал снежинки через микроскоп. Он сделал больше 5,5 тысяч фотографий. К его удивлению все снежинки были разные и нельзя было найти хотя бы пару идентичных.
Помимо формы снег можно классифицировать по разным критериям. По механизму выпадения он бывает следующих типов:
Если классифицировать снег по критерию цвета, то помимо белого встречается розовый снег (также его называют кровавый или арбузный). Наблюдать такое уникальное явление с запахом арбуза можно в Гренландии и Сьерра Неваде, а также в Альпах, Арктике, на Кавказе и Северном Урале. Арбузный снег можно увидеть только весной и летом, когда солнце чуть пригревает толстый снежный покров. Чем больше снег подмокает, тем ярче его окраска, которая становится похожа больше на кровь, проступающую изнутри.
Феномен кровавого снега впервые встречается в работах Аристотеля. А в 1818 году один английский капитан привёз этот снег из Гренландии к себе на родину. Большинство учёных не смогли определить причину необычного цвета осадков, и только предположение шотландского ботаника Роберта Брауна оказалось верным. Браун полагал, что некие водоросли вызывают покраснение снега. Как бы невероятно не звучало его предположение, оно оказалось верным. Спустя сто лет учёные с помощью микроскопа определили, что розовый цвет вызван жизнедеятельностью крошечных одноклеточных водорослей хламидомонады (Chlamydomonas nivalis). Несмотря на низкую температуру эти водоросли интенсивно размножаются. При контакте с кислородом водоросли источают приятный аромат арбуза. Некоторые утверждают, что и вкус такого снега похож на арбуз.
Выпадение снега из облаков – это снегопад. Такое явление природы отличается интенсивностью и продолжительностью и скоростью падения снежных хлопьев.
По интенсивности различают следующие виды снегопадов:
Длительность, интенсивность и скорость снегопада определяют количество выпадающего снега. Если ветра нет, снегопад считается спокойным. Снегопад в ветреную погоду носит название «верховая метель».
Несмотря на то, что снегопады обычно прогнозируются, а жителей районов возможного бедствия предупреждают, чрезвычайная ситуация зачастую неминуема.
Длительность снегопадов может составлять несколько дней. Жизнь замирает даже в самых больших городах. На дорогах и в населённых пунктах образуются заносы, прекращается энергоснабжение. Снегопады могут приводить к жертвам.
Скопление снега в горах приводит к формированию лавин. Движущаяся лавина захватывает камни, сносит всё на своём пути.
Последствия снегопада – это человеческие жертвы и разрушения коммуникаций. На Кавказе и в Швейцарии были случаи, когда при сходе лавин полностью разрушались вековые селения. Объём лавины может составлять два миллиона кубометров, а скорость – 100 метров в секунду. Ударная воздушная волна при сходе лавины способна сбросить железнодорожный вагон и снести здание.
Знание путей прохождения и мест остановки потенциальной снежной лавины поможет защитить свою жизнь. Чтобы избежать катастрофических последствий на карте и на местности необходимо обозначить границу территории с опасностью схода лавины.
Таяние снега
Одним из свойств снега является его таяние при температуре выше 0 о С. Обычно это происходит с наступлением весны. Под воздействием солнечных лучей снег может таять и при отрицательных температурах. В этом случае происходит испарение ледяных кристаллов без превращения в воду.
Если на улице грязно, таяние снега происходит быстрее. Поэтому в лесу данный вид осадков сохраняется дольше, чем на улицах города. Под воздействием соли снег тает быстрее – его кристаллы разрушаются, а затем превращаются в воду.
При таянии меняется и плотность снега – он становится плотнее. Когда его плотность достигает 0,99 т на куб. метр, он превращается в воду.
Роль снега невозможно переоценить. Укрывая землю, снежный покров держит тепло и позволяет растениям и мелким зверькам пережить зиму. Без снега не выживут озимые зерновые, не вырастет урожай. За его счёт растения при пробуждении получают необходимую влагу.
Природа всегда разумна – зимний снег весной превращается в воду, давая жизнь флоре и фауне. Жизнь на Земле существует за счёт превращений, которые происходят с водой в течение года.
Снег как природное явление
Снег – неотъемлемый атрибут зимы. В России он выпадает почти во всех регионах, плотным слоем покрывая землю. В районах Крайнего Севера ложится в сентябре и нередко полностью сходит только к июню.
Что такое снег
Снег – это явление природы, вид атмосферных осадков, характерный для холодного времени года, когда устанавливаются отрицательная температура. Формируется в слоисто-дождевых облаках. Представляет собой крошечные ледяные кристаллы весом не более 3 мг. Каждая снежинка имеет уникальную форму, выглядит, как шестиугольная звезда. Выпадая на землю, миллиарды снежинок создают плотный покров или попросту – сугробы.
Изучением атмосферного явления ученые занимались еще в XVII веке. Точнее, их интересовало строение и форма снежинки. А в 1885 году американцу Уилсону Бентли удалось сделать первую фотографию отдельного кристаллика. Он занимался изучением снежинок почти полвека и успел сделать более пяти тысяч снимков.
Снег идет только зимой, появляется при температуре ниже 0 градусов. Зимой этот вид атмосферных осадков заменяет дождь. Больше всего снега в Антарктиде, высота снежного покрова на континенте достигает 3 метров. Обильные осадки называют снегопадом. Когда их выпадает слишком много, в горах появляются лавины, сход которых приводит к чрезвычайным ситуациям, а нередко и к трагедиям.
Как образуется снег
Причина происхождения твердых атмосферных осадков – замерзание микроскопических капель воды в атмосфере. Образуясь в облаках, частицы влаги проходят холодные потоки воздуха, превращаются в кристаллы. Во время падения они обрастают другими кристалликами, получается снежинка. Снег состоит из воды и воздуха. Шестиугольная форма кристаллов объясняется тем, что молекула воды имеет такую же конфигурацию. На землю они опускаются со скоростью 0,9 километров в час.
Падая, снежинки могут таять. В этом случае на поверхность земли проливается дождь. Реже происходит другое явление, когда растаявшие кристаллы, превратившиеся в микроскопические капли, снова попадают в холодный фронт и вновь кристаллизуются. Так происходит образование льдинок или града. Он сыпется с неба, как снежная крупа. Иногда отдельные градины достигают крупных размеров. В 2010 году в одном из штатов Индии прошел град, и были зафиксированы градины диаметром 61 сантиметр.
Схема образования явления
Виды снега
Изучая природное метеорологическое явление, ученые классифицировали твердые атмосферные осадки по механизму выпадения, форме, интенсивности, длительности и даже цвету. В зависимости от того, сколько времени идет снег, определяется длительность снегопада. Иногда осадки длятся несколько дней и засыпают целые города.
По интенсивности снегопад бывает слабым, средним, сильным. Когда на 1 куб воздуха приходится более ста снежинок, говорят, что идет сильный снег. Последствия сильных снегопадов приводят к транспортным коллапсам.
Сильный снегопад затрудняет движение транспорта
Определив механизм выпадения, синоптики предупреждают жителей городов о таких явлениях, как:
Но самая интересная классификация по цвету. Все считают, что снег белый и это – правда. Дело в том, что солнечные лучи, попадая в грани снежинки, преломляются на 90 процентов, весь спектр цветов преобразуется в белый. Но иногда он имеет другой оттенок. Это происходит из-за вкраплений примесей, которые витают в воздухе.
В Гренландии, Альпах, на Северном Урале наблюдается феноменальное явление – весной и летом там выпадает розовый снег. Его еще называют кровавым, так как под лучами солнца при подтаивании верхний слой подмокает и окраска становится интенсивной.
Явление впервые было описано еще Аристотелем. Впоследствии его изучали многие ученые, пытавшиеся выяснить причину феномена. Понадобилось целое столетие, чтобы убедиться и доказать – необычный цвет вызывают водоросли Chlamydomonas nivalis. Они обладают интересным свойством источать аромат арбуза, контактируя с кислородом. Отсюда появилось название арбузный снег.
Процесс таяния снега
В природе все циклично и закономерно. При повышении температуры воздуха выше 0 градусов, происходит таяние твердых кристалликов. Это постепенный процесс, зависящий от уровня потепления. Период таяния снега обычно приходится на весну, но в Северных регионах он начинается ближе к лету.
В городах таяние начинается раньше, чем в лесах из-за грязи и реагентов на улицах. Кристаллики имеют свойство таять и при низких температурах при ярких лучах солнца. Таяние – процесс, который дает новую жизнь флоре и фауне после длительного холодного периода.
Снег как природное явление
Содержание
Образование кристаллов
Снег образуется, когда микроскопические капли воды в облаках притягиваются к пылевым частицам и замерзают. Появляющиеся при этом кристаллы льда, не превышающие поначалу 0,1 мм в диаметре, падают вниз и растут в результате конденсации на них влаги из воздуха. При этом образуются шестиконечные кристаллические формы. Из-за структуры молекул воды между лучами кристалла возможны углы лишь в 60° и 120°. Основной кристалл воды имеет в плоскости форму правильного шестиугольника. На вершинах такого шестиугольника затем осаждаются новые кристаллы, на них — новые, и так получаются разнообразные формы звёздочек-снежинок.
При высокой термике кристаллы неоднократно вертикально передвигаются в атмосфере, частично тая и кристаллизуясь заново. Из-за этого нарушается регулярность кристаллов и образуются смешанные формы. Кристаллизация всех шести лучей происходит в одно и то же время, в практически идентичных условиях, и поэтому особенности формы лучей снежинки получаются столь же идентичны.
Снежинки
Белый цвет происходит от заключённого в снежинке воздуха. Свет всевозможных частот отражается на граничных поверхностях между кристаллами и воздухом и рассеивается. Снежинки состоят на 95 % из воздуха, что обуславливает низкую плотность и сравнительно медленную скорость падения (0,9 км/ч).
Самая крупная снежинка была засвидетельствована 28 января 1887 года во время снегопада в Форт-Кео, Монтана, США; она имела диаметр в 15 дюймов (около 38 см), опубликовано в Monthly Weather Review, 1915, 73. [1]. Обычно же снежинки имеют около 5 мм в диаметре при массе 0,004 г.
Разнообразие снежинок
Снег как погодное явление
Снег является одним из непременных атрибутов зимы. Несмотря на то, что возможны низкие зимние температуры и при отсутствии снега, одно из основных условий климатической зимы — наличие устойчивого (постоянного) снежного покрова, который лежит в течение всей зимы непрерывно или с небольшими перерывами.
Вместе с тем, в некоторых особо тёплых регионах планеты (например, на Аравийском полуострове) такое погодное явление, как снег, отсутствует или наблюдается только один раз в несколько десятилетий.
В России постоянный снежный покров устанавливается на большей части страны. Сроки его установки варьируют от года к году и от сроков наступления климатической зимы. В северо-восточных районах (Республика Коми, Красноярский край, Чукотка, Якутия), где климат наиболее суров, снег ложится уже в начале октября и держится местами до начала июня. В средней полосе России первый снег обычно выпадает в конце октября — начале ноября, снежный покров устанавливается во второй половине ноября, а сходит полностью в конце марта. В равнинной части южных областей европейской части России (особенно в Причерноморье) долговременный снежный покров (дольше 2-3 недель) устанавливается только в особо суровые зимы, и не везде.
Виды снегопадов
Кроме типичных, существуют особые снегопады, связанные с внетропическими циклонами, озёрами и горной местностью.
Часто приходящий с циклонами холодный воздух может приводить к эффектам полос выпадения снега над большими водоёмами: крупные озера эффективно аккумулируют тепло, что приводит к значительной разнице температур (более 13 °C) между поверхностью воды и воздухом выше, [8] из-за этой разности температур, тепло и влага перемещаются вверх, уплотняясь в вертикально ориентированных облаках, которые производят снег. Чем сильнее понижение температуры с высотой, тем гуще образующиеся облака, и чем интенсивней снегопады. [9]
В горных районах сильные снегопады идут, когда воздух вынужден подниматься в горы и, охлаждаясь, отдавать лишнюю атмосферную влагу, выпадающую в холодных условиях высокогорий на их наветренных склонах в виде снега. Из-за особенностей горного ландшафта, прогнозирование сильных снегопадов остается здесь серьёзной проблемой. [10]
Типы снега
Типы снега можно обозначить через форму хлопьев, скорость накопления и способы скопления его на земле. Виды снежных осадков, которые, из-за циклов таяния и замораживания, падают в виде шариков, а не хлопьев, известны как крупа. [11] [12] После того как снег оказывается на земле, он может быть классифицирован как порошкообразный когда он ещё пушистый, гранулированный, когда он прошёл цикл плавления и замораживания, и в конце концов — как превращённый в плотный лёд после уплотнения и дрейфа вниз в многократных циклах таяния и замораживания. Лыжники и сноубордисты разделяют выпавший снег на целяк, круд, наст, снежную кашу и лёд. Когда снег порошкообразный, то он под воздействием ветра может создавать снежные заносы вдали от места, первоначального выпадения, [13] формируя высокие сугробы или снежные ямы глубиной в несколько метров. [14] Снегозащитные заграждения созданы, чтобы управлять снегом, дрейфующим около дорог, повышая безопасность дорожного движения. [15] Снег, выпавший на горных склонах может превратиться в снежную плиту, которая может скатиться по крутому склону в виде лавины. Замороженный эквивалент росы, известный как иней, образует формы снежного покрова на охлаждённых предметах, когда ветры слабые. [16]
Интенсивность снегопада определяется по видимости. Когда видимость составляет более 1 км, снег считается лёгким. Как умеренный снег описывается снегопад, ограничивающий видимость 0,5-1 км. Сильным снегопад называют, когда видимость составляет менее 0,5 км. [17] Устойчивый снег значительной интенсивности, часто называют «метелью» (снежный шторм). [18] Когда снег различной интенсивности и малой продолжительности, он описывается как «ливневой снег». [19]
История
Исследования
Астроном Иоганн Кеплер в 1611 году издал научный трактат «О шестиугольных снежинках», в котором подверг чудеса природы рассмотрению со стороны жёсткой геометрии.
Миниатюра «О шестиугольных снежинках» — это раритет науки, документ теоретической кристаллографии и гордость её истории. «Изобилие глубочайших идей, широта подхода при рассмотрении причин образования снежинок, замечательные геометрические обобщения, смелость и остроумие высказанных гипотез поражают и сейчас» — вот авторитетное мнение историка кристаллографии И. И. Шафрановского.
В 1635 году формой снежинок заинтересовался французский философ, математик и естествоиспытатель Рене Декарт, написавший этюд, включённый им впоследствии в «Опыт о метеорах» или просто «Метеоры».
В 1885 году, после множества проб и ошибок, американский фермер Уилсон Бентли (Wilson A. Bentley) по прозвищу «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 двух абсолютно одинаковых снежинок (что впоследствии существенно дополнило теорию кристалла).
В 188?-м году в Санкт-Петербурге действительным членом Русского Географического Общества бароном Николаем Васильевичем Каульбарсом впервые были обнаружены снежинки довольно необычной формы. Из заметки д. чл. барона Н. В. Каульбарса [3] :
Утромъ 28 февраля, совершая свою обычную прогулку въ Юсуповомъ саду въ С.-Петербурге, я быль пораженъ необыкновеннымъ наружнымъ видомъ снежинокъ, падавшихъ на мое пальто. Они состояли по большей части изъ небольшихъ столбиковъ, въ два миллиметра длины, фиг. 2, на обоихъ концахъ которыхъ и въ плоскости перпендикулярной къ ихъ оси прикреплены были диски, диаметромъ около 1 миллиметра.
Такой оригинальной формы снежинокъ мне ранее не доводилось видеть, а потому, вооружившись лупою, я сталъ ближе разсматривать все подробности ихъ строения, которое и старался выразить на фиг. 1. Столбикъ а изъ белаго непрозрачнаго льда казался мне цилиндрическимъ безъ внутренней пустоты. Все столбики были одинаковыхъ размеровъ, около 2 миллиметровъ длины и около 1 /4 миллиметра ширины. Быть можетъ и даже вероятно, что столбики эти были шестигранныя призмы; но на рисунке я не решился этого сделать, такъ какъ, при внимательномъ наблюдении въ лупу несколькихъ десятковъ снежинокъ, столбики казались мне цилиндрическими. То же самое скажу и о двухъ прозрачныхъ ледяныхъ дискахъ, прикрепленныхъ къ обоимъ концамъ столбика. Они также для глаза и въ лупу казались совершенно правильными кружками б б, хотя основаниемъ ихъ формы, вероятно, былъ шестигранникъ, на что указываетъ число спицъ, расположенныхъ радиально внутри кружковъ и колебавшееся почти всегда между числами 6 или 12. Только въ одномъ случае насчиталъ я такихъ спицъ 24. Внутри кружка виднелось круглое основание столбика, образъ котораго представлялъ небольшую непрозрачную точку, окруженную весьма тонкой радиальной шрафировкой, упиравшейся какъ будто въ край столбика. Число этихъ миниатюрныхъ лучей невозможно было сосчитать, но, по-видимому, оно соответствовало числу спицъ кружка. Эти последние мне казались трехгранными, удлиненными пирамидами (фиг. 3) изъ совершенно прозрачнаго льду, упиравшимися основаниемъ на край обреза столбика, а вершиной въ край диска. Пространство между этими пирамидами было выполнено весьма нежными перистыми образованиями формы, изображенной на фиг. 4. Особенно поразило меня въ этихъ снежинкахъ оригинальное образование на наружномъ крае дисковъ, украшенныхъ рядомъ иглъ, вертикально стоявшихъ на самомъ наружномъ крае диска. Число этихъ иглъ, которыя казались мне также трехгранными пирамидами, всегда строго соответствовало числу спицъ диска и притомъ на каждую спицу приходилось по 4 иглы с. У разныхъ авторовъ я нашелъ рисунокъ этого весьма редкаго вида снежинокъ, но везде только въ самыхъ общихъ чертахъ, безъ подробностей. Ни на одномъ, напримеръ, не показаны спицы внутри дисковъ и иглы, расположенныя на ихъ наружномъ крае. Вместе съ описываемыми снежинками падали и снежинки обыкновенной шестигранной формы, но въ весьма ограниченномъ числе.
Погода была пасмурная, при слабомъ S. W. и −5° Реомюра.
В 1951 году Международная комиссия по снегу и льду приняла довольно простую и получившую широкое распространение классификацию твёрдых осадков. Согласно этой системе, существует семь основных видов кристаллов: пластинки, звёздчатые кристаллы, столбцы (или колонны), иглы, пространственные дендриты, столбцы с наконечником и неправильные формы. К ним добавились ещё три вида обледеневших осадков: мелкая снежная крупка, ледяная крупка и град.
В 2001 году свои исследования в области снега начал профессор физики, астроном Кеннет Либбрехт (Kenneth Libbrecht) из Калифорнийского технологического института. В лаборатории профессора Либбрехта снежинки выращиваются искусственно.
Мифы и предания о снеге
«В области, лежащей ещё дальше к северу от земли скифов, — говорит Геродот, — как передают, нельзя ничего видеть, и туда невозможно проникнуть из-за летающих перьев. И действительно, земля и воздух там полны перьев, а это-то и мешает зрению».
В южнославянском фольклоре широко известна легенда о снеге, который белизной и рыхлостью напоминал смолотое зерно, в нём видели падающую с неба муку (Афанасьев 1994/1: 290). Этот мотив отразился в легендах «Когда Господь ходил по земле» и «Грешная женщина», а также в поверье, записанном в области Велеса в Македонии «Почему не падает с неба мука». В них рассказывается о том, что мука перестала падать с неба как снег, потому что одна женщина вытерла нечистоты ребёнка куском теста (Георгиева 1990: 34, 116).
Снег в строительстве
Снег относительно высокой плотности используется в строительстве Иглу
Снег, особенно свежевыпавший — неплохой теплоизолятор — К тп. = 0,1 −0,15 Вт/м*град (на уровне хороших утеплителей). [источник не указан 441 день] Хотя по мере слёживания Ктп вырастает до 0,6-0,7 Вт/м*гр. [источник не указан 441 день]
Скрип (хруст) снега
При сдавливании снег издаёт звук, напоминающий скрип (хруст). Этот звук возникает при ходьбе по снегу, надавливании на свежий снег полозьями саней, лыжами, при лепке снежков и т. п.
Скрип снега слышен при температуре ниже −2 ° [20] (по другим данным, ниже −5 ° [21] ). Выше этой температуры скрип не слышен.
Считается, что есть три основных причины возникновения звуков:
Основной причиной скрипа (хруста) снега считается именно первая (ломанье кристалликов).
Подтаивание снега влияет и на характер трения снежинок друг о друга: смоченные (смазанные водой) кристаллики издают звук, отличный от звука трения сухих снежинок, а при температуре выше некоторой снег вообще перестаёт скрипеть. Это связано с тем, что при определённой температуре снежинки при сдавливании не столько ломаются, сколько начинают подтаивать, энергия сдавливания расходуется не на слом кристалликов, а на таяние снежинок, выделяющаяся вода смачивает снежинки и вместо сухого трения возникает «скольжение снежинок по смоченной поверхности».
На характер звука влияет также и форма снежинок.
Таяние и возгонка
Снег на других планетах и спутниках
На Марсе выпадает как привычный нам снег, так и снег из твёрдой углекислоты (помимо постоянных полярных шапок из обычного льда, на Марсе регулярно образуются сезонные шапки из углекислотного, более известного как «сухой» лёд).