雪花的结构探究

雪花的结构探究一．实验预先准备及具体设计1．标本及制作方法设计：1.材料：（1）a-氰基丙烯酸乙酯(502)（2）a-氰基丙烯酸乙酯(101)（3）载玻片，盖玻片（4）便携式保温箱（5）风向计2.备品（1）集邮平头镊子（2）相机，MP5（3）纸胶带，圆珠笔（4）便携式气压计，温度计（5）放大镜（6）湿度计3.标本制作初步假设（1）树脂的选用：①实验对象：本着以经济实惠，易于购买等方面，我们此次选用聚乙烯环氧树脂，两种氰基丙烯酸乙酯（502，101）和单组份聚氨酯（E600）进行实验，以选出最适合雪花结构保存的树脂。②抗冻性实验:将上述四种树脂调和好并放入冰箱中，开启速冻按钮，30分钟后取出，聚乙烯环氧树脂流动性明显减弱，两种a-氰基丙烯酸乙酯无明显变化，单组份聚氨酯（E600）流动性减弱，综上所述，不选用单组份聚氨酯（E600）与聚乙烯环氧树脂。③固化实验：101树脂常温干燥条件为1~2s，502树脂常温干燥条件为15s，此项实验中可以看出101树脂的条件较好，但有放热情况发生④放热实验：在空气中水分较高的情况下，放热较多。总结：应在温度较低且干燥的情况下选用两种a-氰基丙烯酸乙酯交替使用，取新鲜雪花放到冷冻过的载玻片上，滴加零度以下的树脂，盖上盖玻片，并将标本立即放入保温箱内低温保存8小时左右，以便于树脂完全干燥，使雪花的结构完全保存下来。2．实验过程设计（1）选择无树林遮挡，风向顺畅（无高大建筑物挡风），环境安全，交通方便，人员流动少的地点进行实验（首先选择温德游园临近松花江边，其次选择组长家小区）。（2）将盖玻片，载玻片，树脂，镊子冷冻备用（3）拍摄当天云层状态（4）记下气压计，温度计示数（5）戴手套用镊子取载玻片，取雪花样本到载玻片上（6）滴上冷冻过的树脂，轻微调整，立即盖上盖玻片（7）用纸胶带和油笔记下采集时间（年，月，日，分，秒）当天气压，温度，湿度状态，风向（8）放入保温箱冷冻8小时后取出并先粗略用放大镜观察形态（9）照片拍摄，记录具体信息并进行总结3．研究意义：更加具体地探究雪花晶体结构与自然因素的各种关系，比如雪花的形成与构造与气压，温度，湿度状态，风向的关系，绘制统计图并进行特殊个体排查，从而得到初步结论。二．资料引用及理论支持1.雪花种类细分（图片来自百度日报）稀有雪花种类：（十二柱状晶体：这种雪花是由两片雪花组合而成的，其中一片相对于另外一片旋转30度）（三角晶状雪花:在温度接近零下2摄氏度时，雪花晶体生长成被截去尖角的三角形，三角形状晶体非常罕见。）（空心柱状雪花：这种雪花是一个六角形柱体，两端呈尖锥形柱状，空心柱状雪晶的个头很小，需要用放大镜才能看到两边的空心区域）（针状雪花：针状雪花是一种身材苗条的晶体，它大约在零下五摄氏度时形成，当温度发生变化时，晶体便会由扁平的盘状变成细长的针状。）（冠柱状雪花：这种晶体首先长成短而粗的柱状，随后进入云层中长成了盘状，最后一个薄薄的晶体在一个冰柱的两端生长。）（霜晶状雪花：云由无数小水滴构成，有时候，这些小水滴与晶体发生碰撞并凝结在一起。这种冻结的水滴被称之为霜。）普通晶体：（树枝星状雪花：树枝星状雪花树干生有大量边枝，看起来很像蕨类植物，是所有雪花中个头最大的，其直径经常可达到5mm，尽管形状较大，可它依然是一个单独的晶体。由水分子首尾相连而成）（星形松针雪花：直径2到4毫米，很容易用肉眼观察）（扇盘状雪花：扇盘状雪花也是一种星盘状雪花，所不同的是，在相邻的棱柱面之间长有独特的脊，指向边角。）（星盘状雪花：这条盘状的雪花有六条粗壮的支干，形成与星星类似的形状，他的面上经常装饰有对称性的花纹，星盘状雪花在零下2摄氏度或零下15摄氏度时形成。）（普通棱柱状雪花：这种雪花与六棱柱的雪花较为相似，不同的是，他的面上装饰着各种各样的凹痕与褶皱。）2.雪花形成原因空中的云朵便包含了水的物理变化形态。云可以由小水滴或小冰晶或混合组成，雨滴和雪花便是小水滴和小冰晶增长变大而成的。下雪的云朵中，由于气温原因而存在很多小冰晶。这些小冰晶在相互碰撞时，冰晶表面会增热而有些融化，并且会互相沾合又重新冻结起来。这样重复多次，冰晶便增大了。另外，在云内也有水汽，所以冰晶也能靠凝华继续增长。冰晶的增长完全是由完美力学而控制（共价键的作用），因此在显微镜下的冰晶会出现各种各样的形态。最有利于降雪的便是混合云。混合云是由小冰晶和过冷却水滴共同组成的。当一团空气对于冰晶说来已经达到饱和的时候，对于水滴说来却还没有达到饱和。这时云中的水汽向冰晶表面上凝华，而过冷却水滴却在蒸发，这时就产生了冰晶从过冷却水滴上吸附水汽的现象。在这种情况下，冰晶增长得很快。当过冷却水滴和冰晶相碰撞的时候，就会冻结沾附在冰晶表面上，使它迅速增大。当小冰晶增大到能够克服空气的阻力和浮力时，便落到地面，这就是雪花。（以上来自于百度经验）国外文献引用-JenniferE.Lawson在较温暖的云层的气溶胶粒子或“冰核”必须是存在于（或接触）的液滴，以充当一个核。这使得相比于原子核时，液体云滴形成冰核是非常罕见的颗粒;然而，是什么使它们如此有效率还是个谜。粘土，沙漠灰尘和生物颗粒可能是起到作用的原因，[3]尽管到什么程度还不清楚。人造凝结核包括碘化银和干冰颗粒，并且这些用于刺激云层的形成。一旦液滴已经冻结，它生长在过饱和的环境中，也就是空气相对过冰点的时候会处于饱和状态。他们在被收集的地方通过空气中的水分子沉积生长。由于其庞大的丰富程度所以水滴比冰晶多得多，晶体可以在水滴的凝结过程中生长至几百微米或毫米的尺寸。这一过程被称为韦格纳-伯杰龙-Findeisen过程。水蒸气的相应耗尽导致液滴蒸发，这意味着冰晶生长过程中有的‘液滴代价’。这些大晶体沉淀的有效来源，是因为他们的质量使得他们通过大气落下，碰撞中可能碰撞和粘在一起的形成簇，或聚集体。这些聚集物通常是冰颗粒的类型,吉尼斯世界纪录列出了世界上最大的雪花（总）那些1887年1月在基奥堡，蒙大拿;据称一个测得的15英寸（38厘米）以下宽。虽然这份由农民提供的报告是值得怀疑的，但是三四寸宽的雪花聚集体已被观察到。单晶一角边的大小都被观察到。在水分子粘贴的过程中的确切细节仍然有争议。可能性包括机械互锁，烧结，静电吸引，以及在晶体表面上的“粘性”液体状层的存在。个体的冰晶经常有六角形对称性。尽管冰的形状是明确的，但是光由晶体小面和凹陷的散射以及缺陷意味着晶体经常出现白色的杂色，这是由于小冰粒以扩散光的整个光谱的反射。雪花的[6]的形状大致通过在其上形成的温度和湿度决定的[5]，在温度-2℃（28°F）左右时，雪花可以形成在三重对称--三角形雪花[7]的最常见雪颗粒是可见的不规则，虽然接近完美的雪花可能会有更常见的照片，但这是因为它们在视觉上更吸引人。任何两个雪花是一样的，这是不可能的。由于大约10的19次方（10百万的三次方）的水分子组成一个典型的雪花，[8]，它以不同的速率和依赖于在大气层内变化的温度和湿度的不同模式的雪花通过不同的成长方式落在的地面。（英文原文：Inwarmercloudsanaerosolparticleoricenucleusmustbepresentin(orincontactwith)thedroplettoactasanucleus.Theparticlesthatmakeicenucleiareveryrarecomparedtonucleiuponwhichliquidclouddropletsform;however,itisnotunderstoodwhatmakesthemefficient.Clays,desertdustandbiologicalparticlesmaybeeffective,althoughtowhatextentisunclear.Artificialnucleiincludeparticlesofsilveriodideanddryice,andtheseareusedtostimulateprecipitationincloudseeding.Onceadroplethasfrozen,itgrowsinthesupersaturatedenvironment,whichisonewhereairissaturatedwithrespecttoicewhenthetemperatureisbelowthefreezingpoint.Thedropletthengrowsbydepositionofwatermoleculesintheair(vapor)ontotheicecrystalsurfacewheretheyarecollected.Becausewaterdropletsaresomuchmorenumerousthantheicecrystalsduetotheirsheerabundance,thecrystalsareabletogrowtohundredsofmicrometersormillimetersinsizeattheexpenseofthewaterdroplets.ThisprocessisknownastheWegener–Bergeron–Findeisenprocess.Thecorrespondingdepletionofwatervaporcausesthedropletstoevaporate,meaningthattheicecrystalsgrowatthedroplets'expense.Theselargecrystalsareanefficientsourceofprecipitation,sincetheyfallthroughtheatmosphereduetotheirmass,andmaycollideandsticktogetherinclusters,oraggregates.Theseaggregatesareusuallythetypeoficeparticlethatfallstotheground.GuinnessWorldRecordslisttheworld'slargest(aggregate)snowflakesasthoseofJanuary1887atFortKeogh,Montana;allegedlyonemeasured15inches(38cm)wide.Althoughthisreportbyafarmerisdoubtful,aggregatesofthreeorfourincheswidthhavebeenobserved.Singlecrystalsthesizeofadimehavebeenobserved.Theexactdetailsofthestickingmechanismremaincontroversial.Possibilitiesincludemechanicalinterlocking,sintering,electrostaticattractionaswellastheexistenceofastickyliquid-likelayeronthecrystalsurface.Theindividualicecrystalsoftenhavehexagonalsymmetry.Althoughtheiceisclear,scatteringoflightbythecrystalfacetsandhollows/imperfectionsmeanthatthecrystalsoftenappearwhiteincolorduetodiffusereflectionofthewholespectrumoflightbythesmalliceparticles.Theshapeofthesnowflakeisdeterminedbroadlybythetemperatureandhumidityatwhichitisformed.Rarely,atatemperatureofarou