- 15189 - Управление качеством в сфере

Книга 7.
Замораживание жидкостей.
Снежинки.
V.4.
Колтовой Николай Алексеевич
koltovoi@mail.ru
Москва
2015
Аннотация.
Описываются процессы, происходящие при кристаллизации различных жидкостей и растворов
путем замораживания. Рассматривается замораживание коллоидных растворов. Описываются
процессы, происходящие при замораживании сложных растворов. Особо подробно
рассматривается вопрос кристаллизации воды и образование снежинок. Описываются
различные варианты описания и классификации снежинок.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------N. Koltovoy. Book 7. Freezing liquids.
Abstract.
Describes the processes occurring during crystallization of various liquids and solutions by freezing.
Considered freezing colloidal solutions. Describes the processes occurring during the freezing of
complex solutions. Specifically detail the question of water of crystallization and the formation of
snowflakes. Describes the various options for the description and classification of snowflakes.
Глава 1 Замораживание различных жидкостей. 3
1.1 Замораживание чистых веществ. 3
1.2 Замораживание растворов. 3
1.3 Замораживание многокомпонентных растворов. 4
1.4 Замораживание чистой воды. 5
1.5 Замораживание раствора NaCl (морской воды). 5
1.6 замораживание спиртосодержащих напитков. 12
1.7 замораживание воды с антифризом. 16
1.8 Замораживание нефтепродуктов. 17
1.9 Замораживание пищевых продуктов. 20
1.10 Замораживание растений. 22
1.11 Замораживание молока. 23
1.12 Замораживание мочи. 32
1.13 Очистка воды путем перекристаллизации. 34
1.14 Определение соотношения свободной и связанной воды в жидкости путем замораживания.
34
1.15 Активация воды путем замораживания. 36
1.16 Замораживание клеток. 37
1.17 Замораживание капли сыворотки крови. 41
1
Глава 2. Кристаллическая структура льда. 45
2.1 Кристаллическое строение льда. 45
2.2 Правильные кристаллы льда. 47
2.3 Выращивание монокристаллов льда. 51
2.4 Центры по изучению кристаллов льда. 59
-Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова-Россия 60
-Hokkaido University-Япония. 62
Глава 3. История изучения снежинок. 65
3.1 Снежинки. 65
3.2 История изучения снежинок. 67
3.3 Современные зарубежные фотохудожники, фотографирующие снежинки. 98
3.4 Современные Российские фотохудожники, фотографирующие снежинки. 102
Глава 4. Образование снежинок. 105
4.1 Влияние температуры и влажности на форму снежинок. 105
4.2 Процесс образования снежинок. 109
4.3 Причины образования скелетных кристаллов-снежинок. 114
4.4 Почему снежинка плоская и симметричная. 115
4.5 Перекристаллизация снежинок. 117
4.6 Структура границы раздела фаз воды (твердой и газообразной). 118
4.7 Моделирование роста снежинок. 119
4.8 Восстановление различных фаз роста снежинки, решение обратной задачи. 120
4.9 Классификация снежинок. 123
4.9.1 История создания классификации снежинок. 123
4.9.2 Классификация снежинок на основе последовательности фаз роста. 127
4.9.3 Классификация снежинок по степени сложности. 129
4.9.4 Классификация снежинок по способу образования. 129
4.10 Антиснежинки. 130
4.11 Оптические явления, связанные со снежинками. 133
Глава 5. Различные условия кристаллизации воды. 136
5.1 Узоры на окнах, двумерная кристаллизация воды на плоскости. 136
5.2 Иней, трехмерная кристаллизация воды на поверхности. 140
Глава 6. Различные исследователи кристаллизации воды.
143
1976-Lee Lorenzen-USA. 143
1994-Масару Эмото-Япония. 143
2
Глава 1. Замораживание различных жидкостей.
1.1 Замораживание чистых веществ.
Одним из методов изучение свойств жидкостей является изучение процесса
кристаллизации. С помощью калориметра определяют температуру фазовых переходов при
охлаждении жидкости.
Рис. 1-1-1. Диаграмма состояния однокомпонентного вещества. Зависимость температуры
раствора от времени при охлаждении вещества. Излом на кривой соответствует температуре
кристаллизации.
Процессы,
происходящие
при
замораживании,
исследуют
с
помощью
дифференциальной калориметрии (DSC-differential scanning calorimetry). При этом измеряется
разность тепловых потоков между исследуемым образцом и эталоном.
1.2 Замораживание растворов.
При охлаждении растворов различных веществ в воде происходит кристаллизация
чистой воды из раствора. Температура замерзания растворителя (воды) всегда ниже
температуры замерзания чистого растворителя (воды), так как парциальное давление пара
растворителя над раствором всегда меньше, чем давление пара над чистым растворителем при
той же температуре.
Криоскопия изучает температуру замерзания растворов.
Температура замерзания раствора в зависимости от концентрации растворенного вещества
определяется законом Рауля, понижение температуры замерзания раствора пропорционально
молярной концентрации растворенного вещества. Раствор кристаллизуется не при какой-то
фиксированной температуре, а в некотором интервале температур. Температура начала
кристаллизации-температура, при которой начинается образование кристаллов растворителя.
При выпадении растворителя в виде кристаллов повышается концентрация растворенного
вещества, и понижается температура кристаллизации.
3
1.3 Замораживание многокомпонентных растворов.
Раствор, содержащий несколько растворенных веществ, может иметь несколько
эвтектических точек. Каждая такая эвтектика имеет определенное количество воды и
растворенного вещества или нескольких растворенных веществ. Поскольку замерзание каждой
эвтектики сопровождается уменьшением количества воды в растворе, концентрация
остаточного раствора постоянно возрастает, пока не достигнет концентрации самой
низкотемпературной точки эвтектики. После этого остаточная вода вымерзает полностью.
При замерзании многокомпонентных растворов солей происходит поэтапное вымораживание
различных компонент в соответствии с растворимостью компонент. В первую очередь
выпадают в осадок слаборастворимые компоненты, потом более растворимые компоненты и
так далее. Соли CaSO4 осаждаются раньше, чем соль NaCl. Вымораживание аналогично
высаливанию.
Рис. 1-3-1. Диаграмма растворимости тройной системы NaCl-KCl-H2O.
I-10 градусов, II-70 градусов.
0-чистая вода,
1-чистый раствор NaCl,
3-чистый раствор KCl,
Под кривой-ненасыщенный раствор NaCl и K Cl.
4
1.4 Замораживание чистой воды.
Чистая вода замерзает (кристаллизуется) при температуре 0 градусов. Процессы
замораживания воды и образования льда в природе изучает наука-гляциология.
При очень быстром замораживании (со скоростью порядка 1000000 градусов в сек) (за
несколько миллисекунд) чистая вода застекловывается и получается аморфный лед
(стеклообразная вода), который не имеет кристаллической структуры. Молекулы воды не
успевают сформировать кристаллическую решетку. Температура стеклования для воды-137
градусов.
1936-Альтберг В.Я., Возникновение твердой фазы из жидкой, Природа, 1936. № 4, с.14-20.
1940-Альтберг В.Я. Лавров В. В., О природе ядер кристаллизации воды, ЖЭТФ, 10, вып. 2, 1460
(1940).
Активация воды путем замораживания.
Замораживать воду надо следующим образом. Вы помещаете воду в холодильник и
ждете, когда появится первый тонкий ледок на поверхности, снимаете его и выбрасываете.
Потом вода продолжает замораживаться. Но ни в коем случае не давайте ей замораживаться до
конца. То, что недомерзло, сливайте. Кусок льда, который остался, должен растаять, и эту
талую воду можно пить. Она легко усваивается организмом.
С помощью данной методики замораживания из воды удаляются две крайние фракции воды.
Первая фракция-это не структурированная вода, которая не является полезной. Последняя
фракция-это различные примеси, которые вымораживаются при кристаллизации воды.
1986-Бланк А.Б. Анализ чистых веществ с применением кристаллизационного
концентрирования. М. Химия. 1986. 184с. Рассматриваются вопросы выделения различных
компонент путем кристаллизации.
1.5 Замораживание раствора NaCl (морской воды).
При повышении температуры растворимость увеличивается. Это можно объяснить тем,
что при повышении температуры кинетическая энергия молекул воды возрастает, и в гидратной
оболочке ионов содержится меньше молекул воды. Значит, больше ионов может раствориться.
Таблица 1-1. Зависимость растворимость соли в воде от температуры:
Температура,
0
10
20
25
30
40
60
80
100
140
180
градусы
Растворимость, 356
357 358
359
361 364
371
391
г/л
Концентр
26,28
26,39
26,68 27,07 27,55 28,15 29,63 30,99
насыщ раств %
Таблица 1-2. Зависимость температуры замерзания раствора соли от концентрации:
Концентрация
Концентрация
Температура
Плотность
г/л
%
замерзания
При 25 град
0
0
1,000
15
-0,9
1,010
20
2
-1,2
1,011
25
-1,35
30
-1,8
1,020
35
-1,9
40
4
-2,45
1,025
5
45
50
60
250
356
6
8
10
12
14
16
18
20
22
23,3
24
26
-2,6
-3,1
-3,75
-5,11
-6,62
-8,28
-10,00
-11,90
-14,00
-16,30
-19,00
-21,20
-21,20
-21,20
-21,20
1,030
1,039
1,053
1,068
1,083
1,099
1,113
1,129
1,145
1,160
1,176
1,193
Концентрация хлорида натрия NaCl в морской воде-27,2 г/л, или 2,7%, или 0,5
моль/литр, так как молярная масса NaCl равна 58 г.
Концентрация соли в сыворотке крови равна 9г/л, или 0,9%, или 0,14 моль/л.
Концентрация соли 0,9% называется изотоническим раствором. При введении изотонического
раствора в организм осмотическое давление равно осмотическому давлению в клетках, и не
происходит нарушения функционирования клеток. При введении гипотонического раствора
(концентрация менее 0,9%) происходит проникновение воды в клетку, что приводит к
набуханию клеток. При введении гипертонического раствора (концентрация более 0,9%)
происходит движение воды из клетки.
При повышении концентрации соли температура замерзания раствора уменьшается. Это
можно объяснить тем, что при растворении соли образуются гидраты (ионы соли, окруженные
гидратными оболочками). Для замораживания воды необходимо затратить дополнительную
энергию для того, чтобы вырвать молекулы воды из гидратных оболочек.
Замерзание морской воды.
Морская (соленая) вода замерзает при более низкой температуре, чем чистая вода. При
солености 35 грамм/литр (соленость океана) температура замерзания составляет-1,9 градусов.
При замораживании морской воды в некотором объеме, образуется лед, состоящий из чистой
воды. В оставшемся растворе повышается концентрация соли. При понижении температуры в
начале кристаллизуется растворитель (вода). Образуются изолированные кристаллы льда в
окружении воды. При дальнейшей кристаллизации растет количество кристаллов льда и их
размер. Затем образуется сплошной массив кристаллов льда с прослойками
концентрированного раствора соли. При достижении критической точки (эвтектической точки)
происходит затвердевание всего раствора в сплошную массу, образуется твердый раствор, в
котором тонкие прослойки льда разделены твердым растворенным веществом. Прослойки
могут иметь размер от нескольких микрон до нескольких сантиметров.
Структура льда существенным образом зависит от условий образования.
1-Образование льда на поверхности пресной воды (реки, озера). Образование льда начинается с
образования тонкой корочки льда на поверхности воды. В дальнейшем лед нарастает с нижней
поверхности практически в равновесных условиях. В результате в структуре льда образуются
более правильные кристаллы (без прослойки соленой воды).
2-Образование льда на поверхности соленой воды (морской лед). В принципе образование льда
на поверхности соленой воды не отличается от образования льда на поверхности пресной воды.
При образовании льда соль вымораживается, и кристаллизуется чистая вода.
3-Образование льда из соленой воды при быстром замораживании в неглубоких водоемах.
6
7
Рис. 1-5-1. Фазовые диаграммы состояния раствора соли NaCl в воде.
8
При температуре ниже +0,15 градусов соль кристаллизуется в виде кристаллогидрата
NaClx2H2O (дигидрат хлористого натрия). Выше этой температуры образуется безводная соль.
При понижении температуры ниже +0,15 градусов ранее выпавшая соль переходит в
кристаллогидрат. При повышении температуры выше +0,15 градусов происходит распад
кристаллогидрата на безводную соль и воду. Ниже линии ЕС находится твердый раствор
молекул воды с молекулами соли.
-эвтектическая точка-температура--21,20 градусов, концентрация NaCl-23,3%,
-кристаллогидратная точка-температура +0,15 градусов, концентрация NaCl-26,3%
-точка кипения-температура кипения насыщенного раствора +108,8 градусов, концентрация
28,9%.
При температуре от +0,15 до-21,2 градуса дигидрат кристаллизуется. При медленной
кристаллизации образуются тонкие иглы. При быстрой кристаллизации образуются хорошо
ограненные и развитые моноклинно-призматические кристаллы с плотностью 1,6 г/см3. Иногда
кристаллогидрат кристаллизуется в виде прозрачных шестигранных пластинок.
При охлаждении раствора соли происходит вымерзание воды. Концентрация соли повышается.
Температура замерзания понижается.
ОС-кривая, ниже которой в растворе происходит вымерзание воды, и образуются кристаллы
льда в растворе.
СМ-кривая, ниже которой происходит кристаллизация соли, и образуются кристаллы соли в
растворе.
Кривые ОС и СМ-называются равновесными кривыми.
Точка Е называется эвтектической точкой, и характеризуется эвтектической
температурой (21,2 градуса) и эвтектическим составом (23,3%).
Рис. 1-5-2. Растворение соли NaCl в воде.
9
При растворении кристалла соли ионы переходят в раствор окруженные гидратными
оболочками. В насыщенном растворе все ионы соли окружены гидратными оболочками, и все
молекулы воды находятся в гидратных оболочках. При добавлении в раствор новой порции
соли она уже не растворяется (нет свободных молекул воды) и выпадает в осадок. Это кривая
СМ на диаграмме растворимости.
Таблица 1-3. Температура замерзания водных растворов некоторых солей:
NaCl
ТемпераКонцентура затрация,
мерзания,
%
о
С
5
-3,1
10
-6,7
15
-11,0
20
-16,5
23,3
-21,2
KCl
Концентрация,
%
5
10
15
19.7
-
Na2CO3
Температура замерзания,
о
С
-2,4
-4,9
-7,6
-10,6
-
Концентрация,
%
5,8
-
K2CO3
Температура замерзания,
о
С
-2,1
-
Концентрация,
%
5
10
15
20
40,8
Точка эвтектики для некоторых солей (концентрация-температура замерзания):
NaCl-29,6%-21,2 градуса,
KCl-19,74%--10,7 градуса,
Na2CO3-5,8%--2,1 градуса,
K2CO3-40,8 %--36,6 градусов
CaCl2-29,6%--51 градус,
MaCl2-21%--33,5 градусов,
Рис. 1-5-3. Растворимость некоторых солей в воде.
10
Температура замерзания,
о
С
-1,7
-3,6
-5,9
-8,9
-36,5
Таблица 1-4. Содержание различных солей в морской воде.
Хлорид Хлорид Сульфат Сульфат Карбонат Бромид
Наименование соли
натрия магния кальция магния кальция магния
Формула
NaCl
MgCl2 CaSO4
MgSO4
CaCO2
MgBr2
Содержание в воде, г/кг
27,2
3,8
1,6
0,1
0,1
1,3
Содержание солей в морской воде:
NaCl-77,8%, MgCl2-10,9%, MgSO4-4,7%, KCl-2,5%, K2SO4-2,5%, CaCO3-0,3%, Ca(HCO3)20,3%, другие соли-0,3%.
Концентрация хлорида натрия NaCl в морской воде-27,2 г/л, или 2,7%, или 0,5
моль/литр, так как молярная масса NaCl равна 58 г.
Карбонат кальция, СаСО3
Карбонат кальция-основная соль, которая кристаллизуется на стенках трубопроводов.
Карбонат кальция имеет обратную зависимость растворимости от температуры-при увеличении
температуры растворимость карбоната кальция уменьшается.
Аммоний, NH4
Рис. 1-5-4. Фазовая диаграмма раствора аммония в воде.
11
1.6 Замораживание спиртосодержащих напитков.
Температура замерзания спиртсодержащих напитков зависит от процентного
содержания спирта (этанола). Крепость напитка-отношение объема растворенного спирта к
объему всего напитка.
Таблица 1-5. Температуры замерзания раствора спирта в воде в зависимости от концентрации
спирта.
Содержание
Температура
Плотность, г/см3
Спирта, %
Замерзания, град
0
0,00
1,000
2,5
-1,00
0,9936
4,8
-2,00
0,9897
6,8
-3,00
0,9866
10
-4,00
11,3
-5,00
0,9801
13,8
-6,10
0,9767
16,4
-7,50
0,9733
17,5
-8,70
0,9719
18,8
-9,40
0,9702
20,3
-10,6
0,9682
22,1
-12,2
0,9658
24,2
-14,0
0,9628
26,7
-16,0
0,9591
29,9
-18,9
0,9540
33,8
-23,6
0,9472
39,0
-28,7
0,9372
46,3
-33,9
0,9219
56,1
-41,0
0,9001
71,9
-51,3
0,8631
-Температура замерзания пива (3-6% спирта)-3-4 градуса,
-Температура замерзания вин (9-20% спирта)-5-12 градусов,
-Температура замерзания водки (40% спирта)-27 градусов, при такой температуре образуется
ледяная корочка. Окончательное замораживание водки происходит при температуре-35
градусов.
Этанол-ethanol-этиловый спирт-спирт питьевой-формула С2Н5ОН-(СН3СН2ОН)
Плотность-0,7893 г/см3,
Молярная масса-46,069 г/моль,
Температура плавления (замерзания)-114,3 градуса,
Температура кипения-78,4 градуса,
Растворимость в воде-неограниченная,
Показатель преломления-1,3611.
12
Рис. 1-6-1. Фазовая диаграмма растворимости этанола в воде.
Рис. 1-6-2. Диаграмма растворимости этанола (С2Н5ОН) в воде.
13
Рис. 1-6-3. Фазовая диаграмма раствора этанола в воде.
Имеется четыре критических температуры:-65,-69,-74,5,-124,5 градусов. Первые три
температуры соответствуют плавлению гидратов. Метастабильные фазы очень стабильны из-за
высокой вязкости водно-спиртовых растворов при низкой температуре. В первую очередь
кристаллизуется метастабильная фаза. В жидкой фазе существуют три соединения
-Эх2Н2О-температура разложения-65,0 градусов,
-Эх3Н2О-температура разложения-69,0 градусов,
-Эх4,75Н2О-температура разложения-74,5 градусов.
Четвертая температура 124,5 градусов-это эвтектика гидрата Эх2Н2О и этанола.
Зеленин Ю.М. Влияние давления на клатратообразование в системе вода-этанол. Журнал
структурной химии. 2003. том 44, №1, с.155-161.
В своей работе («О соединении спирта с водой») Дмитрий Иванович Менделеев
установил, что наибольшему сжатию отвечает раствор с концентрацией спирта около 46 % (по
весу). Это означает, что при данном весовом соотношении компонентов происходит предельное
уменьшение объёма смешиваемых жидкостей (взаимное растворение воды и этанола друг в
друге уменьшает объём исходно взятых ингредиентов), то есть, при найденном Менделеевым
соотношении, конечный объём раствора минимален.
-Менделеев Д.И. Растворы. М. Издательство АН СССР. 1959. 785 с.
Водка — это водно-спиртовый раствор, где этиловый спирт и вода смешиваются по весу —
60 частей воды и 40 частей спирта, 1000 грамм воды и 950 грамм спирта дают водку 40%.
При смешивании спирта с водой происходит образование нового вещества-гидрат
спирта. Молекула гидрата спирта занимает меньший объем, чем сумма объемов молекул спирта
и воды. Существуют различные гидраты спирта, обладающие различными свойствами.
14
Высокая растворимость спиртов объясняется образованием водородных связей между
молекулами спирта и воды, образованием гидратов.
Динамика замерзания водно-спиртовых растворов. При понижении температуры
начинается кристаллизация воды, образуются льдинки, повышается концентрация спирта,
понижается температура замерзания. Необходимо различать температуру начала замерзания и
температуру окончания замерзания (переход из гелеобразной фазы в твердую). Например, при
концентрации спирта 40% начало замерзания происходит при температуре-22,5 градусов.
Температура перехода в твердую фазу составляет-29 градусов.
Структура водно-спиртовых растворов существенным образом зависит от концентрации
спирта. Можно выделить три типа областей: вода, водно-спиртовая, спирт. Млекулы спирта
легко внедряются в структуру спирта, а молекулы спирта легко внедряются в структуру воды.
Таблица 1-6. Удельный вес раствора этилового спирта (по Менделееву).
15
1.7 Замораживание воды с антифризом.
Температура замерзания воды в зависимости от концентрации антифриза
(этиленгликоля). Смесь, содержащая 60% этиленгликоля и 40% воды не замерзает при
температуре до-45 градусов. При 70% этиленгликоля температура замерзания около-70
градусов. Для автомобилей антифризы стали использовать в 20-х годах прошлого века. Делали
их почему-то на основе глицерина, поэтому обладали они высокой вязкостью и отвратительной
текучестью. Ощутимая часть небольшого количества лошадиных сил автомобильных
двигателей того времени тратилась на «прокачку» этой смеси по каналам системы охлаждения
и трубкам радиатора. Позднее к глицерину стали добавлять этанол, от чего водители,
нанюхавшись вредных паров, неадекватно вели себя за рулем. И лишь в 1930 г. с развитием
конструкции
автомобилей,
наконец,
обратились
к уже активно
применяющемуся
в промышленности этиленгликолю.
При охлаждении раствор антифриза замерзает в несколько этапов. Вначале при
температуре начала кристаллизации начинают образовываться кристаллы льда. При
дальнейшем понижении температуры увеличивается количество кристаллов льда в растворе, и
повышается концентрация раствора. При температуре застывания (-80 градусов) происходит
полный переход из жидкого в твердое состояние.
Рис. 1-7-1. Диаграмма состояния двойной системы: этиленгликоль-вода.
16
Температура замерзания (кристаллизации) водного раствора пропиленгликоля.
Таблица. Влияние концентрации пропиленгликоля на температуру замерзания (начала
кристаллизации) водного раствора. Значения (величины) плотности раствора при температуре
20°C.
1-Концентрация пропиленгликоля, %
2-Температура замерзания (начала кристаллизации), t°C
3-Плотность при 20°C
31% -15 °C 1,023
36% -20 °C 1,028
42% -25 °C 1,032
45% -30 °C 1,035
50% -35 °C 1,038
55% -45 °C 1,040
60% -55 °C 1,042
65% -57 °C 1,043
70% -58 °C 1,044
1.8 Замораживание нефтепродуктов.
Нефть представляет собой сложную смесь углеводородов с различной молекулярной
массой. Плотность нефти от 0,65 до 1,05 г,см3 (плотность ниже 0,83-легкая нефть, 0,83-0,86средняя, выше 0,86-тяжелая). Температура кристаллизации нефти от-60 до +30 градусов, и
зависит в основном от концентрации парафина.
В зависимости от состава и температуры плавления различают: жидкие (Т<27 градусов),
твердые (28<T<70 градусов), микрокристаллические-церезины (Т>70 градусов).
При замораживании нефтепродуктов происходит кристаллизация парафинов. Это явление
создает серьезные трудности при эксплуатации горючесмазочных материалов в условиях
низких температур, вызывая образование пробок в топливопроводах, забивание фильтров, что
приводит к отказам в работе двигателей. Нефтепродукт при этом мутнеет.
Чем ниже температура, тем выше скорость зарождения центров кристаллизации, но
меньше скорость роста кристаллов. Поэтому обычно при относительно высоких температурах
образуется небольшое число крупных кристаллов, а при низких температурах — много мелких.
Температура кристаллизации углеводородов, как правило, повышается по мере увеличения их
молекулярной массы и температуры кипения. Наиболее высокая температура кристаллизации
наблюдается у углеводородов с симметричным строением молекул. Сильно разветвленные
алканы, а также содержащие несколько алкильных заместителей (моноциклические
циклоалканы, арены и гомологи нафталина), не кристаллизуются, а переходят в аморфное
состояние.
Кристаллизация парафинов и церезинов наступает при более высокой температуре, чем
те, при которых нефтепродукт теряет подвижность. Это объясняется тем, что структура
образуемых кристаллов еще не прочная.
Структура нефти определяется фазовым состоянием асфальтенов, которые образуют
нанокластеры.
17
Рис. 1-8-1. Зависимость относительной плотности нефти от концентрации асфальтенов.
Рис. 1-8-2. Диаграмма состояния асфальтенов нефти.
18
Парафин.
Парафин-это смесь предельных углеводородов (алканов) от С16Н36 до С35Н72.
Молекулярная масса от 300 до 450. Температура плавления-40-65 градусов. Плотность 0,8800,915 г/см3.
Рис. 1-8-3. Диаграмма зависимости растворения парафинов от температуры.
Кристаллы парафинов имеют пластинчатое строение.
Рис.1-8-4. Последовательные этапы кристаллизации парафинов.
19
1.9 Замораживание пищевых продуктов.
При замораживании пищевых продуктов происходит кристаллизация содержащейся в
них воды.
Рис. 1-9-1. Кривые замораживание-1-медленное, 2-быстрое, 3-сверхбыстрое.
Вначале происходит охлаждение продукта (AS), В точке S начинается кристаллизация
воды. Из-за выделения теплоты при кристаллизации температура возрастает (точка В). ВСзамерзание оставшейся части воды.
Кривые замораживания (зависимость температуры от времени) характеризуют процессы,
притекающие при замораживании.
Скорость движения фронта области замораживания составляет-при медленном
замораживании-0,1-1 см/ч, при обычном-1-5 см/ч, при быстром-5-20 см/ч.
Максимальное количество льда (полное замерзание воды) образуется при достижении
эвтектической точки, которая обычно составляет от-55 до-70 градусов.
Таблица 1-7. Зависимость от температуры количества вымерзающей воды для различных
продуктов.
Количество
вымерзающей воды (% к Количество
Водосодержание, начальному содержанию) невымерзающей воды,
Образец
при температур, °С
%
(%
к
начальному
содержанию)
—
— — —
—5
10
15 20 30
Тощая говядина
74
74
82
85
87
88
12
Щука
83,5
80
87
89
91
92
8
Треска
80,5
77
84
87
89
91
9
20
Судак
79
89
84,5
—
89
90
10
Яйцо
74
85
89
91
92
93
7
Яичный желток
50
80
85
86
87
87
13
Яичный белок
86,5
87
91
93
94
94
6
Пшеничный хлеб
40
15
45
53
54
54
46
Дрожжи
72
68
80
85
88
89
11
Фруктовый сок
88
72
85
90
93
96
(3)
Яблоки, персики
84
-
83
-
92
95
5
Черешня
83
-
70
-
86
92
8
Концентрированный
фруктовый сок
58
0
20
-
61
77
23
Зеленый горошек
76
64
80
86
89
92
(7)
Шпинат
90
88
93
95
96
97
(2)
Таблица 1-8. Температура замерзания различных продуктов.
Количество
вымерзающейводы(в%по
Точка
Водосо отношению
к
Продукт
замерзани держа начальномуводосодержанию)
я, С
ние, % при температуре, °С
Невымерзаюшаявода
—5 —10
—20 —30 —40
кг/кг
%
к
сухого
начально
материа
й массе
ла
Тощая говядина
—1
74
73
78
82,5 88,5 88,5
0,35
9,1
Щука
—1
83,5
80
87
90,5 92
92
0,39
6,4
Треска
—1
80,5
77
84
89
90
90,5
0,39
7,6
Судак
—1
79
78
84,5
89
90
90
0,39
8,2
Яйца
— 0,53
74
85
89
92
93
93
-
-
Яичный желток
— 0,62
50
80
85
88
90
-
0,40
-
Яичный белок
— 0,45
86,5
87
91,5
93,5 94
94
0,40
5,4
Земляничный сок
— 1,1
90
-
90
95
97
-
-
-
Яблоки, персики
— 2,0
84
-
83
92
95
-
-
-
Черешня
— 2,0
83
-
70
86
92
-
-
-
Концентрированн
ый
— 8,0
58
0
20
61
77
-
-
-
фруктовый сок
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Пшеничный хлеб
-
46
32
57
66
66
66
0,31
16,7
Примечание. Невымерзающее количество воды относится к температурам;от —40 до —70° С.
21
1.10 Замораживание растений.
1968-Абецедарская Л.А., Мифтахутдинова Ф.Г., Федотов В.Д. О состоянии воды в живых
тканях (результаты исследований методом ЯМР-спиновое эхо). Биофизика, 1968, т.13, с.630636.
1969-Федотов В.Д., Мифтахутдинова Ф.Г. Применение метода ЯМР--спинового эха к изучению
состояния воды в живых тканях. В сб.: Водный режим сельскохозяйственных растений M.
Наука, 1969, с.370-377.
1976-Мифтахутдинова Ф.Г. Анисимов А.В. Исследование незамерзающей воды растительных
тканей методом ядерного магнитного резонанса. Физиология растений, 1976, т.23, с.799-804.
1983-Степонкус П.Л., Вист С.К. Изменения плазмалеммы в результате закаливания и
замораживания. В сб.: Холодостойкость растений М. Колос, 1983, с.64-78.
1985-Грузия, Тбилиси, Институт физики, отдел радиоспектроскопии.
Баркладзе Н.Г. член-корреспондент.
1980-Бакрадзе Н.Г., Моисцрапишвили К.М., Кешелашвили Л.В. Кристаллизация воды в
растительных объектах. Биофизика, 1980, т.25, с.54-58.
1981-Бакрадзе Н.Г., Балла Ю.И., Метревели И.М. 0 возможном механизме процесса
кристаллизации воды в тканях растений. Биофизика, 1981, т.26, с.719-723.
1981-Бакрадзе Н.Г., Моисцрапишвили К.М., Кешелашвили Л.В. 0 процессе кристаллизации
воды в тканях растений. Биофизика, 1981, т.26, с.119-123.
1983-Бакрадзе Н.Г., Моиецрапишвили К.М., Кешелашвили Л.В. О процессе кристаллизации
внутриклеточной воды в тканях виноградной лозы при замораживании. Биофизика, 1983, т.28,
с.888-890.
1983-Бакрадзе Н.Г., Балла Ю.И. О кристаллизации внутриклеточной воды в тканях растений.
Биофизика, 1983, т.28, с.119-121.
1985-Балла Юрий Игоревич. Исследование состояния воды и процесса её кристаллизации в
тканях растений методом ЯМР. Диссертация кандидата физико-математических наук. Тбилиси.
1985. 129с. В результате исследования температурных зависимостей относительных
изменений количества воды в образце, полученных методами стационарного и импульсного
ЯМР, установлено наличие трех этапов ее кристаллизации в отдельных растительных тканях.
-В интервале температур 5-10°С кристаллизуется межклеточная водная фракция,
-затем наблюдается выход воды из клеток
-далее, в специфическом для каждой ткани интервале температур (-23 *-35 °С для сердцевины
и-15 *-25 °С для ксилемы) наблюдается кристаллизация внутриклеточной водной фракции.
22
1.11 Замораживание молока.
1.11.1 Замораживание молока.
Точка замерзания молока —0,5°С. Она имеет очень небольшой естественный разброс.
Поэтому, например, по повышению температуры замерзания молока можно судить о
количестве добавленной туда воды.
Таблица 1-10. Температура замерзания молока в зависимости от количества добавленной воды:
Добавлено воды, %
0
5
10
15
20
25
Температура замерзания, -0,533 -0,523 -0,495
-0,468
-0,440
-0,413
градусы
Криоскопический метод (определение температуры замерзания) является основным
методом определения качества молока (количества добавленной воды).
Замораживание молока происходит неравномерно. Вначале замерзает слой чистой воды на
границе раздела фаз (на стенках, вверху и на стенках сосуда).
При медленном замораживании незамерзшими остается вся связанная вода (3-3,5%) и часть
свободной воды молока. При температуре замораживания-10 градусов остается незамерзшей 77,5% воды. В оставшейся жидкой части концентрируются компоненты молока. При
льдообразовании из коллоидных частиц белка может удаляться гидратационная вода,
происходит обезвоживание и денатурация белковых молекул, они теряют стабильность.
При быстром замораживании молока при температуре ниже-22 градусов остается незамерзшей
около 3-4% воды. Практически вся свободная вода переходит в лед, а в жидком состоянии
остается только связанная вода.
При температурах замораживания-5-10 градусов может разрушаться жировая эмульсия. В
процессе охлаждения жировые шарики отвердевают, их форма становится угловатой.
Происходит частичная дестабилизация жировой фазы с выделением свободного жира. Быстрое
замораживание молока при низких температурах (ниже-22 градуса) предотвращает нарушение
жировой эмульсии.
Вместо измерения температуры замерзания молока с помощью ртутных термометров в
настоящее время применяют криоскопы с с датчиками температуры на основе
полупроводниковых термометров сопротивления. Криоскопы фирм-Advanced milk
Cryoscope (Adv. Instr, США); Fisko Cryoscope ( Fiske Ass. США); Cryo-Star ( Fiinke-Gerber,
Германия).
Кирсанов В.И. Метод криоскопии для оценки качества сырого молока и молочных продуктов.
Молочная промышленность. 2001. №6. с.45-48.
Кристаллизация секрета молочных желез (молока) происходит при замораживании.
Вопросы кристаллизации молока и молочных продуктов рассматривают при изучении пищевых
продуктов (кристаллизация коровьего молока).
Женское молоко содержит 89% воды, 1,5% белков, 3,3% жиров.
Коровье молоко содержит 88% воды, 3,2 % белков, 3,25% жиров, 5,2% углеводов.
Таблица 1-11. Состав молока (%):
Вода
Сухих
веществ
Жир
Белок
казеин
человек
корова
дельфин
3,76
3,9
43,7
0,91
2,1-2,8
23
87,4
11,9
13
51,2
Белок
Альбумин
глобулин
1,23
0,5
-
Молочный Минер
сахар
вещества
6,29
4,7
-
0,31
0,7
0,5
кит
северный
олень
коза
37,6
33,8
22,2
18,7
8,2
8,3
3,8
2,0
1,8
3,6
1,7
1,4
13,4
4,3
3,0
0,6
4,5
0,8
Физические свойства женского молока:
-плотность-1,026-1,036 г/см3
-рН-6.9-7,5.
-поверхностное натяжение молока равно 0,05 н/м.
Молоко представляет собой коллоидно-дисперсный раствор. Размер частиц в молоке:
жир (100-10000 нм)-образует эмульсию жировых шариков в плазме,
казеин (30-300 нм)-образует мицеллы,
альбумин (5-15 нм)-образует коллоидный раствор.
Сыворотка молока.
Сыворотка молока представляет собой раствор различных веществ, содержащихся в
молоке.
Молочный жир.
Рис. 1-11-1. Строение жировых шариков: 1-ядро, 2-протеин, 3-фосфолипиды и холестерин, 4триглицериды.
24
Молочный жир в молоке находится в виде эмульсии, состоящей из жировых капель, или
жировых шариков. Жировые шарики — это жировые ядра с окружающими их оболочками.
Диаметр жировых шариков-2,5—5,0 мкм (от 0,5 до 20 мкм). В 1 мл молока находится от 2 до 6
млрд. жировых шариков. Непосредственно за жировым ядром, которое состоит из
триглицеридов, радиально располагается слой фосфолипидов, углеродные цепи которых
сцеплены с жировой фазой. В состав фосфолипидов входят: лецитин, кефалин, сфингомиелин и
цереброзиды. В слое фосфолипидов находится также холестерин, который погружен в
гидрофильные группы окружающей их белковой оболочки таким же образом, как и
фосфолипиды в гидратную оболочку наружной белковой мембраны. В слое фосфолипидов
содержится большая часть каратиноидов. Белки оболочки, которая окружает слой
фосфолипидов, придают молочному жиру хорошие эмульгирующие качества и коллоиднохимическую стабильность. В белковом слое оболочки, обращенной к водной фазе, находятся
ферменты и минеральные вещества, связанные с белками.
Жировые шарики в неснятом молоке образуют эмульсию, в которой они окружаются
абсорбированной липопротеиновой пленкой (мембраной). По мере вымерзания воды система
растворенных и диспергированных компонентов молока изменяется. Защитная мембрана,
окружающая особенно большие жировые шарики, повреждается, разрывается и дает им
слипнуться вместе, образуя видимые глазом жировые капли.
При медленном замораживании молока происходит нарушение структуры жировых
шариков. Агрегаты жировых шариков образуют конгломераты, которые поднимаются на
поверхность.
Размораживание молока и сливок, которые были медленно замороженные, приводит к
образования свободной жировой фракции и синтез белковых хлопьев.
При быстром замораживании молоко и сливки сохраняют свою однородность. Если это молоко
быстро разморозить, то натуральные свойства и структура молока существенно не изменится.
Рис. 1-11-2. Молоко в микроскопе при большом увеличении.
25
Чекулаева Л.В. Кристаллизация лактозы при различных способах охлаждения сгущенного
молока с сахаром. Диссертация кандата технических наук. Вологда, 1952.
Белки.
Макромолекулы белков свернуты в компактные глобулы, имеющие отрицательный
заряд и очень прочные гидратные оболочки. Они обладают большой устойчивостью. Растворы
белков относят к истинным растворам, их считают однофазными гомогенными системами.
Однако, свертывание макромолекул глобулярных белков в водном растворе в компактные
глобулы можно считать частным случаем перехода гомогенного истинного раствора в
двухфазный коллоидный раствор. Поэтому частицы белков молока можно рассматривать как
коллоидные частицы, а их устойчивые обратимые водные растворы— как гидрофильные
коллоидные растворы.
Казеин-один из основных белков молока, составляет 78-87% белков в коровьем молоке и
40% белков в человеческом молоке. Казеин-это группа гетерогенных фосфопротеидов, которые
образуют мицеллы в присутствии кальция, цитратов и фосфатов. Казеин в молоке присутствует
в связанном виде как соль кальция (казеинат кальция). 95% казеина содержится в виде мицелл,
и 5% казеина казеин в молоке содержится в виде мономеров (так называемый растворимый
казеин). Мицеллы казеина обладают свойствами гидрофильного золя, который при
определенных условиях может перейти в гель. Структура мицелл казеина. Известно несколько
моделей структур казеина. Сейчас получила свое признание модель пористой структуры
мицелл. Мицеллы казеина имеют почти сферическую форму, средний диаметр от 70 до 100 нм
с колебаниями от 40 до 300 нм, молекулярная масса 6·108 (с колебаниями от 26·107 до 5·109).
Мицеллы казеина состоят из нескольких сотен субмицелл диаметром 10-15 нм и молекулярной
массой 250. 000-300. 000. В состав субмицелл и мицелл не входит-казеин, он находится в
свободном состоянии. Субмицеллы представляют собой агрегат из 10-12 субъединиц—
основных фракций казеина ( ), соединенных между собой гидрофобными, электростатическими
и водородными связями и кальциевыми мостиками. Соотношения между фракциями могут
быть различными (3: 2: 1; 2: 2: 1), и т.д. но с уменьшением размера субмицелл и мицелл
увеличивается относительное содержание в них казеина. Полипентидные цепи фракций казеина
свертываются в субмицелле таким образом, что большинство гидрофобных групп составляют
основное ядро, а гидрофильные располагаются на поверхности субмицелл. Гидрофильная часть
(оболочка) содержит отрицательно заряженные кислотные группы глютаминовой,
аспарагиновой и фосфорной кислот. Усиливают гидрофильные свойства субмицелл и мицелл,
ориентированные наружу гликомакропептиды-казеина, которые располагаются на поверхности
субмицелл. Известно, что пептитдная часть гликомакропептидов содержит большое количество
оксиаминокислот (серина и треонина), глютаминовой и аспарагиновой кислот, а углеводная—
свободные карбоксильные группы сиаловой кислоты. Соединения субмицелл в устойчивые
мицеллы происходит с помощью коллоидного фосфата кальция, и возможно за счет цитрата
кальция и гидрофобных взаимодействий.
Структypa мицеллы казеина окончательно не установлена, несмотря на интенсивное ее
изучение. Предложены два принципиальных типа модели мицеллы казеина: каркасная
(скелетная) и субмицеллярная. Согласно каркасной модели мицелла казеина представляет
непрерывную трехмерную сетку свернутых полипептидных цепей αs1-казеина, с которыми
посредством мицеллярного фосфата кальция связывается æ-казеин; β-казеин удерживается на
каркасе слабыми гидрофобными связями и может легко покидать мицеллу и снова в нее
входить.
Субмицеллярная модель полагает, что мицеллы составлены из сотен дискретных частицсубмицелл диаметром 10-20 нм, в которых молекулы казеинов гидрофобно связаны друг с
другом. Существуют два типа субмицелл: F2 и F3 (Ono & Tagaki, 1986; Ono & Obata, 1989; Aori,
1989). Субмицеллы F2 состоят из αs1-и æ-казеина, их диаметр равен 20 нм; субмицеллы F3
диаметром 10 нм состоят из α-и β-казеинов. Субмицеллы удерживаются в составе мицелл,
26
главным образом, коллоидным фосфатом кальция (ККФ). Средний диаметр мицелл казеина
составляет 120 нм (0,12 мкм).
Рис. 1-11-3. Строение мицелл казеина из сферических субмицелл, связанных коллоидным
фосфатом кальция.
При рН свежего молока 6,6…6,7 казеин имеет отрицательный заряд. Равенство
положительных и отрицательных зарядов (изоэлектрическое состояние белка) наступает в
кислой среде при рН 4,6…4,7
Фосфат кальция.
Коллоидный фосфат кальция малорастворим в воде и в молоке образует типичную
неустойчивую коллоидную систему с гидрофобной дисперсной фазой. Его растворимость
повышается под влиянием казеина, вместе с которым он входит в состав мицелл. Таким
образом, мицеллы казеина представляют собой коллоидную фазу смешанного состава,
обладающую свойствами гидрофильного и гидрофобного золя.
Процесс замораживания молока.
При охлаждении молока происходит отвердевание и кристаллизация молочного жира в
жировых шариках. При дальнейшем замораживании начинается кристаллизация воды.
Кристаллизация происходит не равномерно по объему. Вначале замерзает молоко у стенок.
Молоко замерзает при температуре ниже-0,54 градуса. Начальная криоскопическая
температура, при которой начинает вымерзать вода, составляет для молока-0,33 градуса, для
молочной сыворотки-0,6 градусов. Эвтектическая температура, соответствующая полному
замерзанию влаги молока, равна-55…-60 градусов. Процесс замораживания молока происходит
неравномерно — по мере вымораживания воды концентрация раствора повышается.
Повышение концентрации раствора сопровождается снижением температуры замерзания. В
интервале температур от-0,55"С до-3,5°С в лед превращается основная часть свободной воды
молока (80..85%). При температуре-10 градусов в молоке остается незамерзшей воды около 7%,
при-20′С-4,5%. Процесс льдообразования практически заканчивается при температуре-30°С.
При этой температуре не замерзает лишь связанная вода, которая не вызывает денатурации и
коагуляции белков.
27
Рис. 1-11-4. Интенсивность вымораживания воды в молоке при разных температурах (по
Мьюрту). 1-обеэжиренное молоко, 2-сгущенное обезжиренное молоко.
Рис. 1-11-5. Изменение рН молока при замораживании с различной скоростью (по Ван ден
Бергу): 1-быстрое замораживание, 2-средняя скорость замораживания, 3-медленное
замораживание.
При этом скорость замораживания влияет на скорость образования и размер кристаллов
льда. При медленном замораживании формируются крупные кристаллы, при высокой скорости
понижения температуры — мелкие.
Большим преимуществом обладает процесс замораживания молока тонким слоем.
Замороженное таким образом молоко после оттаивания ни по составу, ни по физическим
свойствам не отличалось от нормального молока. Благодаря быстрому процессу замораживания
жировые шарики не успевают отстаиваться, собираться в кучки и соединяться в комочки, а
потому после оттаивания молока остаются в молоке в виде тонкой суспензии.
Для хранения натуральных свойств молока замораживать его следует в слое в 1 см за 8 минут.
Такую скорость можно достичь, если замораживать молоко рассолом с температурой 15С. Еще
лучшие достижения при замораживании слоя в 1-2мм молока при температуре 20С.
28
Замораживание коллоидных растворов.
Коллоидные растворы под действием замораживания страдают большей частью от
необратимых, но частично и от обратимых физических изменений. Такими изменениями может
быть дезагрегация, а иногда и агрегация коллоидных частиц.
В жидких растворах наступает главным образом дезагрегация, а в концентрированных
растворах — агрегация частиц. Установлено также, что однополярные коллоиды при
замораживании в неполярных растворителях агрегируют, а в полярных растворителях
дезагрегируют. Дезагрегация обратима.
Гетерополярные коллоиды в полярных растворителях могут показать оба этих физических
изменения. Агрегация возникает под действием сил Ван-дер-Ваальса, а дезагрегация — под
действием электростатических и дипольных сил. В продуктах коллоидного характера имеет
место обычно процесс агрегации. Однако в то же время увеличение активности ферментов при
замораживании объясняется явлением дезагрегации.
1.11.2 Кристаллизация молока
5.2.1 Открытая капля. Радом с каплей на поверхности стекла имеется большое количество
мелких структур в виде продолговатых кристаллов. Аналогичные кристаллы имеются внутри
воздушных пузырьков. С наружной стороны капли имеется тонкое прозрачное кольцо без
частиц, или тонкое кольцо их белых агрегатов в виде хлопьев. Высохшая капля представляет
собой неоднородный аморфный слой, состоящий из просветлений и потемнений, которые
отражают структуру течений в капле при дегидратации. Белковый валик имеется, но
небольшой. С наружной стороны имеется тонкая внешняя кольцевая зона, состоящая из
крупных агрегатов. В центральной зоне имеется утоньшение и просветление. В средней зоне
имеются радиальные неоднородности-впадины на ровной и гладкой поверхности высохшей
капли. Эти неоднородности аналогичны строению «червей»-границ ячеек, в которые
происходили конвекционные течения.
5.2.2 Закрытая капля. Воздушные пузыри заполнены густой сетью толстых дендритных
структур. Особо четкую структуру имеет зона границы между воздухом и белком-структура
вложенных дендритов. Кристаллическая картина молока существенно проще, чем картина
сыворотки крови. Имеются следующие типы кристаллов:
-огромные светло серые дендриты с плоскими ветками,
29
Рис. 1-11-6. Дендрит плоский. Поляризованный свет. Поле зрения 1мм.
-дендриты в виде отдельных листьев, которые переходят в плоские дендриты,
-ветвистые дендриты,
Рис. 1-11-7. Дендрит ветвистый. Поляризованный свет. Поле зрения 0,5мм.
30
Дендриты обычно расположенные в краевой зоне, растут от границы покровного стекла.
-небольшие очень яркие дендриты с тонкими ветвями,
-длинный прямой кристалл с прямолинейными дендритными ветвями,
-звездообразный дендрит с тремя типами компонент:
а-длинный прямолинейный кристалл,
б-звездчатый кристалл и короткими иглами из одного центра,
в-двойной треугольный кристалл, отходящий в две стороны от прямолинейного кристалла.
Рис. 1-11-8. Звездообразный дендрит. Поляризованный свет, поле зрения 3мм.
-игольчатые кристаллы,
2003-Москва-МОНИКИ
Плаксина Г.В. Комолова Г.С. Машков А.Е. Рустамьян Ю.Л. Пыхтеев Д.А.
Стабилизирующий эффект ангиогенина из молока на кристаллическую структуру
биологических жидкостей. Бюллетень экспериментальной биологии и медицин. 2003. т.136.
№10. с.406.
1.11.3 Хроматографический метод контроля качества молока.
2013-Германия-Берлин-Технический Университет
Daniela Abel. Evaluation of picture forming methods compared to standard analytical methods for
detection of structural changes caused by different thermal and non-thermal treatments of raw bovine
milk. 2013. 116 p.
Рассматривается метод контроля качества молока с помощью круговой
хроматографии (circular chromatographi).
31
1.12 Замораживание мочи.
2009-Залеский Михаил Григорьевич. Способ формирования группы риска с заболеваниями
почек. Патент 2402769. 2010.+
Метод «холодовая проба мочи».
Изобретение относится к области медицины, а именно к лабораторной диагностике. Для
формирования группы риска с заболеваниями почек исследуют пробы мочи. Утреннюю
порцию мочи охлаждают в пробирке при t° от +1° до +7°С. При t° +3°C охлаждают пробу мочи
в течение 2 часов. При t° +7°C охлаждают пробу мочи в течение 11 часов. При t° 0 +1°С
охлаждают пробу мочи в течение 1 часа. При t° +5°C охлаждают пробу мочи в течение 7 часов.
При выявлении в моче гелеобразного осадка при визуальном осмотре диагностируют скрытые
патологические процессы в почках. Способ упрощает процесс лабораторных исследований,
позволяет выявлять в моче повышенный уровень уромукоидов и своевременно осуществлять
прогнозирование заболеваний почек.
Рис. 1-12-1. Пробы исследуемой мочи после охлаждения до +5 градусов в течение 7 часов (во 2
и 7 пробирках выпал гелеобразный осадок-«холодовая проба мочи»-положительная, в 1, 3, 4, 5,
6, 8, 9, 10 пробирках проба отрицательная).
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Замороженная моча. Концентрировать мочу можно не только с помощью упаривания,
но и путем замораживания. Замораживание мочи производят в морозильной камере
холодильника. Ставят туда кастрюльку с накопленной за день мочой и замораживают до тех
пор, пока в ней не останется 1/2, 1/3 или 1/4 часть жидкой, а остальное превратится в лед.
Чтобы в холодильной камере не было запаха, кастрюльку можно обернуть в целлофан и плотно
завязать. В результате замораживания у вас получится то или иное количество льда. Чтобы
концентрация мочи была достаточной, надо, чтобы замерзло от 1/2 до 3/4 воды. Замерзшую
воду (лед) выбрасывают-это чистая легко замерзающая вода, а оставшаяся часть насыщена
минералами и органическими веществами. Это и будет концентрированная путем замерзания
моча. Хранить ее можно в холодильнике очень долгое время. При нулевой температуре она
будет сохраняться неограниченно долго.
Медленное частичное замораживание мочи приведет к образованию чистого льда и
отделяемого от него рассола. Он является по сути сгущенной мочой, в которой, в отличие от
упаренной мочи, не должны необратимо денатурировать многие сложные биомолекулы. К тому
32
же, сгущение мочи замораживанием более удобно в бытовом плане, особенно зимой,
сравнительно с ее упариванием.
1902-Букинич С.М., Мелких С.М.
О криоскопическом методе исследования мочи в применении к клинике. СПб. 1902.
1902-Ускова С.П..
Криоскопия мочи как клинический метод исследования. СПб. 1902 г.
1903-Богрова С.Л..
Современные взгляды на криоскопию мочи. М. 1903
1908-Макарычев А.П.
Материалы к криоскопии мочи и крови. Диссертация на степень доктора медицины. СПб.1908.
560с. Выводы: Криоскопический метод исследования мочи лишен почти всякой почти всякого
диагностического и прогностического значения.
Уринотерапия. Проводились экспериментальные и клинические исследования.
Используя новейшие достижения науки, на основе тщательных клинических наблюдений,
советские медики пытались изучить механизм лечебного действия уротерапии, создавали новые
лекарственные препараты из мочи беременных. Широко освещала вопросы уротерапии
медицинская печать: в медицинской газете, в специальных журналах, в сборниках
публиковались статьи об эффективности уротерапии при коклюше (Б. Н. Зильберман), сыпном
тифе (Б. П. Цынкаловский), гриппе и других инфекционных заболеваниях, при лечении
внутренних органов успешно применял мочу беременных К. Ф. Михайлов, при заболеваниях
уха, горла, носа — киевский институт им. Коломийченко. Издавался специальный журнал
«Бюллетень урогравиданотерапии». В 1932 году в Москве был создан институт
урогравиданотерапии-У.Г.Т. В 1937 году он был неожиданно закрыт. Уротерапия была предана
забвению. В последние годы среди научных работников вновь проявляется интерес к
уротерапии. Проводятся экспериментальные и клинические исследования лечебных свойств
мочи. В «Медицинской газете» появляются статьи призывающие возродить этот незаслуженно
забытый лечебный метод. В нашей стране, как и в странах Западной Европы, США, Японии,
Англии в официальной фармакопее изготавливаются препараты из мочи, мочевины, мочи
беременных. Эти препараты продаются в аптеках по рецептам и используются как для
наружного применения, так и для внутривенных, подкожных введений и внутрь.
33
1.13 Очистка воды путем перекристаллизации.
1996-Новосибирск, Институт химической кинетики и горения
Лаврик Н.Л.
1996-Лаврик Н.Л. Дульцева Г.Г. Изучение Эффективности Очистки Воды От Альдегидов
Методом Перекристаллизации. Химия в интересах устойчивого развития. 1996. т.4. №1. с.45-48.
2001-Лаврик Н.Л. Исследование Эффективности Очистки Воды От частиц Дисперсной Фазы
Методом Полного Замораживания. Химия в интересах устойчивого развития. 2001. №.9. с.727730.
2003-Лаврик Н.Л. Возможность Очистки Воды От Примесей СаСО3 С Помощью Метода
Перекристаллизации При-17оС. Химия в интересах устойчивого развития. 2003. т.11. с.863-867.
2004-Лаврик Н.Л. Очистка Воды От Растворённых Органических Примесей Методом
Замораживания. Химия в интересах устойчивого развития. 2004. т.12. с.61-65.
2007-Лаврик Н.Л. Талая вода с позиций физической химии. Экологическая химия. 2007. т.16.
№4. с.233-237
2008-Лаврик Н.Л. Талая вода с позиций физической химии. Химия в интересах устойчивого
развития. 2008. т.16. №3. с..313-317
2008-Лаврик Н.Л. Борискин В.В. Данилов К.Л. Бреднев В.А. Изучение эффективности очистки
воды от фенола методом неполного замораживания. Химия в интересах устойчивого развития.
2008. т.16. №3. с.307-312.
2009-Лаврик Н.Л. Борискин В.В. Данилов К.Л. Бреднев В.А. Изучение эффективности очистки
воды от сульфатов металлов методом неполного замораживания. Химия в интересах
устойчивого развития. 2009. т.17. вып.1.
2009-Ряжских В.И. Данилов К.Л. Лаврик Н.Л. Фокин Г.А. Кинетика распределения примесей
между твердой и жидкой фазами дисперсионной среды в процессе фронтальной
кристаллизации. Вестник ВГТУ. 2009. т.5. №12. с.244-252.
2010-Данилов К.Л., Акулов Л.А., Калниньш К.К., Лаврик Н.Л., Фокин Г.А. Влияние динамики
замораживания водной среды на каталитическую активность талой воды // Вестник
Международной академии холода. 2010. Вып. 2. С.34-40.
2012-Лаврик Н.Л. Инновации в производстве аппаратов для получения перекристаллизованной
(талой) питьевой воды. Сборник «Экология Российской Федерации: обзор проблем, динамики,
текущего состояния и перспектив». Тульский Гос. Университет. Тула, 2012. с.89-92.
1.14 Определение соотношения свободной и связанной воды в жидкости путем
замораживания.
Свободная и связанная вода сильно различаются по своим свойствам. Связанная вода
имеет более низкую температуру замерзания, меньшую теплоемкость, повышенную плотность.
Свободная вода вымерзает при температуре немного ниже 0 °С. Связанная вода вымерзает при
температуре минус 20 °С.
Из теории растворов известно, что понижение температуры замерзания раствора по отношению
к температуре замерзания чистого растворителя пропорционально числу растворенных частиц,
независимо от их природы (размера, заряда, формы), т.е. осмолярности. Осмолярность раствора
представляет собой общую концентрацию растворенных частиц-количество частиц в 1 кг
раствора (осмолярность) или в 1 кг воды (осмоляльность). Отсюда следует, что чем ниже
температура замерзания, тем больше частиц, тем меньше свободной воды. Осмометр
(криоскоп)-прибор для измерения температуры замерзания растворов.
34
Рис. 1-14-1. Стадии замерзания биоматериалов.
Рис. 1-14-2. Зависимость количества не замороженной воды (%) от температуры
замораживания.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------35
1966-Институт физики АН ГрузССР, Тбилиси, Грузия.
1966-Андроникашвили Э.Л. Мревлишвили Г.М. Привалов П.Л. Доклады АН СССР. 171. 5.
1966.
1967-Привалов П.Л. Мревлишвили Г.М. Биофизика. 12. 1. 1967.
1970-Андроникашвили Э.Л. Ройнишвили Е.Ю. Хечинашвили Н.Н. Калориметрическое
исследование возможности фазовых превращений в биологических тканях при низких
температурах. Биофизика. 1970. т.15. №3 с.484-487.+
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1988-Смоленск, СГМА.
1988-Фаращук Н.Ф. Устройство для определения свободной и связанной воды в биологических
тканях. Патент 1442186. 1988.+
Для этого применяют устройство, которое состоит из прозрачной емкости, упругой
пробки с воронкообразным дном и впаянного в нее суживающегося изогнутого стеклянного
капилляра для отвода рабочей жидкости из емкости. Пробка имеет форму упругого цилиндра,
перемещаемого вдоль оси емкости. Последовательно взвешивают дилатометр с тканью и
дилатометр с тканью и рабочей жидкостью, вымораживают свободную воду при-9 градусов в
одной морозильной ванне, затем взвешивают дилатометр с тканью и рабочей жидкостью и
рассчитывают содержание свободной воды. Высушиванием ткани определяют количество
общей воды и по разности количеств общей и свободной воды вычисляют количество
связанной.
1997 Фаращук Н.Ф. Коляно С.Д. Цепов Л.М. Петрова Е.В. Николаев А. Способ оценки
выраженности воспалительного процесса в тканях пародонта. Патент 2089908. 1997.
В ротовой жидкости пародонтологического больного определяют содержание фракций
воды, рассчитывают коэффициенты гидратации, и по его величине судят о выраженности
воспалительного процесса в тканях пародонта.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Москва, НИИ экологии человека и гигиены окружающей среды им. А Н Сысина РАМН
Лаборатории гигиены питьевого водоснабжения и санитарной охраны водоемов.
2007-Савостикова О.Н. Стехин А.А. Яковлева Г.В. Михайлова Р.И. Кирьянова Л.Ф. Оценка
содержания структурированное фазы воды криофизическим методом. Гигиена и санитария.
2007. №6. с.46-50.
2007-Савостикова О.Н. Стехин А.А. Яковлева Г.В. Михайлова Р.И. Кирьянова Л.Ф.
Определение структурированности воды криофизическим методом. Вестник СанктПетербургской ГМА им. И.И. Мечникова. 2007. №3.
2008-Савостикова Ольга Николаевна
Гигиеническая оценка влияния структурных изменений в воде на ее физико-химические и
биологические свойства. Диссертация кандидата медицинских наук. Москва. 2008.
1.15 Активация воды путем замораживания.
Замораживать воду надо следующим образом. Вы помещаете воду в холодильник и
ждете, когда появится первый тонкий ледок на поверхности, снимаете его и выбрасываете.
Потом вода продолжает замораживаться. Но ни в коем случае не давайте ей замораживаться до
конца. То, что недомерзло, сливайте. Кусок льда, который остался, должен растаять, и эту
талую воду можно пить. Она легко усваивается организмом.
С помощью данной методики замораживания из воды удаляются две крайние фракции воды.
Первая фракция-это не структурированная вода, которая не является полезной. Последняя
фракция-это различные примеси, которые вымораживаются при кристаллизации воды.
1986-Бланк А.Б. Анализ чистых веществ с применением кристаллизационного
концентрирования. М. Химия. 1986. 184с. Рассматриваются вопросы выделения различных
компонент путем кристаллизации.
36
1.16 Замораживание клеток.
При замораживании биообъектов большое значение имеет скорость замораживания.
Можно выделить четыре скорости:
1-При очень медленном замораживании (менее 1 градус/мин) имеется достаточно времени для
перестройки молекул и образуются правильные гексагональные кристаллы льда.
2-При медленном замораживании (от 1 до 10 градус/мин) образуются дендритные (скелетные)
кристаллы.
3-При быстром замораживании (от 10 до 5000 град/мин) образуются сферолиты с радиально
идущими лучами из центра кристаллизации.
4-При сверхбыстром замораживании (более 5000 град/мин) молекулы воды не успевают
перестроиться и происходит стеклование. Возникают аморфные структуры. Сверхбыстрое
замораживание обычно осуществляется при замораживании в тонких пленках.
Чем ниже конечная температура замораживания и чем медленнее приозводится
охлаждение-тем большее количество воды переходит в замерзшее состояние.
В клетке свободная вода составляет 95% всей воды, и 5%-связанная вода. В организме
содержание воды зависит от возраста. В эмбрионе 90-95% воды. С возрастом процент
содержания воды уменьшается.
В различных тканях содержание воды различно, и связано с уровнем метаболической
активности. В сером веществе мозга содержание воды достигает 85%, в белом веществе-78%. В
костях-20% воды, в эмали зуба-10% воды.
1.16.1 Криопротекторы.
Глицерин (glycerin).
Глицериновые кристаллы имеют орторомбическую форму и облада­ют высокой
гагроскопичностью, В результате резкого переохлаждения глицерина при температурах-70 "г110 °С происходит образование стек­ловидного вещества, Причем в результате глубокого
переохлаждения гли­церина происходит изменение некоторых его физических свойств,
Таблица 1-8. Зависимость температуры замерзания глицерина от концентрации раствора:
Конц 10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
%
темп -3
-8
-14,5 -29
по
по
по
по
по
+18,18
Обозначение «по»-свойство раствора переохлаждаться.
Таблица 1-9. Температура замерзания раствора глицерина.
Глицерин %
Вода %
5
95
10
90
1
85
20
80
25
75
30
70
35
65
40
60
45
55
50
50
55
45
60
40
37
Температура
-0,6
-1,6
-3,1
-4,8
-7,0
-9,5
-12,2
-15,4
-18,8
-23,0
-28,2
-34,7
64
64,7
65
65,6
66
66,7
67,1
67,3
70
75
80
85
90
95
100
36
35,3
35
34,4
34
33,3
32.9
32,7
30
25
20
15
10
5
0
-41,5
-42,5
-43,0
-44,5
-44,7
-46,5
-45,5
-44,5
-38,9
-29,8
-20,3
-10,9
-1,6
7,7
17,0
Таблица. Температура эвтектической кристаллизации глицерина.
Массовая доля воды, %
Темп. Начала крист градусы С Темап эвтектической крист
0
18,0
1,8
17,3
2,8
16,9
5.5
5,7
17,0
9,5
18,8
9,1
-27,7
26,5
4,8
35,1
-1,3
-27,7
46,0
-4,3
-27,7
58,0
-14,7
-28,0
66,4
-18,5
-28,0
85,0
-21,0
-28,2
90
-7,5
-28,0
100
0
Таблица. Температура замерзания водных растворов глицерина.
38
Рис. 1-16-1. Фазовая диаграмма растворимости глицерина в воде.
1976-Кулешова Л.Г., Моисеев В.А., Иткин Ю.А. Кристаллизация водных растворов некоторых
криопротекторов. В сб.: Криобиология и криомедицина. Киев: Наукова думка, 1976, вып.2,
с.27-31.
2008-Осецкий А.И. Повреждение охлаждаемых биообъектов за счет
криоколлоидных фракций. Проблемы криобиологии. Х., 2008. т.18. №2. с.169.
образования
2013-Севастьянов С.С. Осецкий А.И. Дифференциальная сканирующая тензодилатометрия в
изучении процессов кристаллизации и плавления криопротекторных растворов. Проблемы
криобиологии и криомедицины. Х., 2013. т.23, №2. с.171.
2013-Севастьянов С.С. Очецкий А.И. Повреждение криоконсервируемых биообъектов в
процессе кластерной кристаллизации криопротекторных растворов. Проблемы криобиологии и
криомедицины. Х., 2014. т.24. №2. с.165.
2014-Севастьянов С.С. Повреждение криоконсервируемых биообъектов в процессе кластерной
кристаллизации криопротекторных растворов. Проблемы криобиологии и криомедицины. Х.,
2014. т.24. №2. с.165.
39
1.16.2 Заморажикание клеток.
1973- Bank H, Mazur P. Visualization of freezing damage. J Cell Biol. 1973 Jun; 57(3): p.729-742.
Замораживание-Раскалывание может быть использован в качестве прямого зонда для изучения
ультраструктуры изменения биологического материала при замораживании. Мы исследовали
тезис, что, по меньшей мере два фактора, которые противоположно зависит от скорости
охлаждения, определения выживаемости клеток, подвергнутых замораживанию. Когда клетки
охлаждают
со
скоростью,
превышающей
критическую
скорость,
уменьшение
жизнеспособности вызвана наличием внутриклеточного льда; но клетки охлаждают со
скоростью менее этой критической скорости не содержат значительные количества
внутриклеточного льда и погибают при длительном воздействии на раствор, который
изменяется при наличии льда. В качестве проверки этой гипотезы мы рассмотрели
замораживанием перелом реплики дрожжей Saccharomyces Cerevisiae после суспензии,
охлажденной в размере от 1,8 до 75 000 градусов С / мин. Некоторые из замороженных
образцов расщепляли и воспроизведены сразу же, чтобы минимизировать артефакты из-за
образец обработки. Другие образцы были глубоко травления или были согреть до -20 градусов
С и охлаждают до репликации. Дрожжевые клетки охлаждают на уровне или выше скорости,
необходимой, чтобы сохранить максимальную жизнеспособность (приблизительно 7 градусов
С / мин), содержащиеся внутриклеточный лед, а клетки охлаждают до температуры ниже этой
скорости не показал никаких признаков внутриклеточного льда.
40
1.17 Замораживание капли сыворотки крови.
Задачи замораживания биологических объектов изучаются в криобиологии.
Биологические объекты замораживаются с целью длительного хранения. При этом необходимо,
чтобы после размораживания структура и свойства биообъектов максимально сохранились.
Основные направления:
1-замораживание пищевых продуктов для хранения,
2-замораживание крови для хранения,
3-замораживание яйцеклеток для хранения,
4-замораживание человека для хранения.
5-замораживание клеток для исследования с помощью электронного микроскоп.
Основное направление исследований-процессы, происходящие при замораживании
сложных объектов.
При быстром замораживание не происходит кристаллизации, а вещество переходит в
стеклообразное состояние.
Исследователь Тамман показал, что легче переходят в стеклообразное состояние
жидкости, содержащие гидроксильные группы (ОН)-, спирты, альдегиды, оксикислоты.
Гидроксильные группы образуют водородные связи, которые препятствуют свободному
движению молекул в жидкости, и они не успевают переместиться для образования
кристаллической решетки.
При замораживании свойства сыворотки изменяются. Можно рассмотреть два вида
замораживания
-медленное замораживание (поместить сыворотку в морозильник),
-быстрое замораживание (поместить пробирку с сывороткой в жидкий азот).
По предварительным данным свойства сыворотки при замораживании меняются
незначительно.
Температура кристаллизации сыворотки крови равна-0,56 градусов. Если охладить
каплю сыворотки крови на предметном стекле до температуры меньше 0 °С, то в начальный
момент капля не меняется. Происходит переохлаждение жидкости. При достаточно сильном
переохлаждении наступает вторая фаза процесса-возникает центр кристаллизации, и из этого
центра за 2 секунды во все стороны распространяется фронт кристаллизации воды. Капля
становится мутной, молочного цвета, как капля молока. При кристаллизации воды образуются
мелкие кристаллы чистой воды, и различные вещества между ними. Известно, что при
кристаллизации морской воды образуется лед из пресной воды. Лед не содержит солей. При
образовании морского льда между ледяными кристаллами, состоящими из чистой воды,
задерживаются мелкие капельки морской воды (рассол), обусловливающие его солёность. С
течением времени рассол стекает вниз, и соленый морской лед опресняется, и в нём появляются
пузырьки воздуха, создающие его пористость. Установлено, что при замерзании воды на
границе между льдом и водой возникает разность электрических потенциалов, достигающая
десятков вольт.
С проблемой кристаллизации биожидкостей связана проблема криоконсервирования
клеток, крови, плазмы крови. Важно понять процессы, происходящие при кристаллизации
воды, которая составляет основную массу биожидкостей. Важно понять, какие свойства
биожидкостей сохраняются при замораживании, а какие свойства теряются при замораживании.
Изучение структур высушенной капли до и после замораживания позволяет выявить степень
нарушения структурных свойств плазмы крови в процессе замораживания. Это позволяет
выбрать оптимальные методы замораживания, которые в минимальной степени влияют на
изменение свойств плазмы крови. В книге (Кидалов В.Н. Хадарцев А.А. 2009) имеется
специальная глава, посвященная оценке влияния охлаждения и замораживания плазмы на
структуру тезиограмм.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------41
1991-Новиков А.Н. (Харьков, Институт проблем криобиологии) Механизм роста кристаллов
льда в сложных биологических системах. Биофизика. 1991. т.36, №1. с.122-127.
Новиков А.Н., Пичугин Ю.И., Линник Т.П.
Влияние криопротекторов и ряда органических добавок на процесс рекристаллизации льда в
модельных системах. Проблемы криобиологии, 1992, №2.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2003-Москва, НИИ комплекс хирургии крови
Сергеев А.И. Гаврилов А.О. Сергеева Д. А. Особенности самоорганизации замороженной
плазмы в зависимости от длительности хранения. Всероссийский научно-практический
симпозиум с международным участием «Бескровная хирургия». Сочи.2003.
Акимова О.С. Арендаренко А.К. Гаврилов О.А. Дауменов М.Д. Сагатбаева Н.А. Сейдинов
Ш.М. Особенности изменений морфологической структуры сыворотки крови при ее
длительном хранении в условиях низких температур. Вестник службы крови России. 2004. №4.
с.3-8.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2004-Нижний Новгород, РГМА
Потехина Ю.П. Щербатюк Т.Г. Исследование методом клиновидной дегидратации плазмы
крови при длительном хранении и при различных воздействиях in vitro (сообщение II).
Нижегородский медицинский журнал. 2004. №1.+
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2004-Казахстан, Шымкент, Южно-Казахстанский центр крови.
Акимова О.С. Арендаренко А.К. Гаврилов О.А. Дауменов М.Д. Сагатбаева Н.А. Сейдинов
Ш.М. Особенности изменений морфологической структуры сыворотки крови при ее
длительном хранении в условиях низких температур. Вестник службы крови России. 2004. №4.
с.3-8. При исследовании сыворотки крови доноров после ее хранения в течение 60 и 120 суток
при температуре ниже-30°С во всех образцах обнаруживаются изменения, носящие характер
аморфизации, с нарушением симметричности структур, хаотичным расположением трещин,
неоформленных конкреций, разрывами в краевой зоне.
Дауменов Марат Дюсенханович. Некоторые особенности агрегатного состояния крови доноров
Южного Казахстана и динамика изменений морфологической структуры сыворотки крови в
условиях ее длительного хранения при низких температурах. Диссертация кандидата
медицинских наук. Москва. 2005. 187с.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2006-Харьков, Институт проблем криобиологии и криомедицины НАН Украины
Дюбко Т.С. Морозова Т.Ф. Липина О.В. Ромоданова Э.А.
Влияние замораживания на плазму крови. Вестник ХНУ. Серия Биология. 2006. с.128-132.+
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2007-Красноярск, СГАУ
Петров М.Н. Петров И.М.
Способ диагностики состояния организма. Патент 2312606. 2007.
Проводят замораживание и исследование биологических жидкостей человека и
животных при-5°С под микроскопом на наличие кристаллических структур. Образовавшиеся
кристаллы для установления диагноза состояния организма исследуют по следующим
диагностическим показателям: форме кристаллов, и/или структуре граней кристаллов, и/или
цвету кристаллов, и/или прозрачности кристаллов. В качестве биологической жидкости
исследуют кровь и/или мочу, и/или слюну, и/или пот, и/или гнойные выделения, и/или слезную
жидкость и/или выделения животных, например слизь.
42
Петров И.М. Петров М.Н.
Способ диагностики состояния организма. Патент №2366949. 2009.+
Проводят замораживание и исследование биологических жидкостей человека, животных
и растений, сначала при температуре +1 ÷ +3°С отделяют кристаллы «тяжелой воды» и
исследуют образовавшиеся структуры кристаллов. Оставшуюся жидкость доводят до
температуры менее-5°С и также исследуют на наличие кристаллических структур.
Образовавшиеся кристаллы для установления диагноза состояния организма исследуют по
следующим диагностическим показателям: форме кристаллов, и/или структуре граней
кристаллов, и/или цвету кристаллов, и/или прозрачности кристаллов. Кристаллы «тяжелой
воды» исследуют отдельно. В качестве биологической жидкости исследуют кровь, и/или мочу,
и/или слюну, и/или слезную жидкость и т.д. выделения животных и растений, например слизь.
И в случае, если форма кристаллов приобретает неправильные очертания, искривляются грани,
окраска кристаллов изменяется, кристаллы теряют прозрачность, то делают вывод о наличии
заболевания.
Петров М.Н. Петров И.М.
Анализ структур кристаллов замороженной биологической жидкости в 3D-формате. Успехи
современного естествознания. 2011. №4. с.62-65.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2009-Тула, ТГУ.
Кидалов В.Н. Хадарцев А.А. Тезиография крови и биологических жидкостей. Тула. Тульский
полиграфист. 2009. 244с.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2014-Шульга Н.Н. Рябуха В.А. Шульга И.С. Дудкина Д.В.
Способ приготовления и применение концентрированных сывороточных препаратов в
эксперименте. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. М. 2014. т.158. №7. с.122124. Концентрирование нативных сывороток крови животных с помощью замораживания
эффективнее проводить путем медленного охлаждения до температуры-8°С в течение 18-24 ч
со скоростью 0.1-0.5°С/ч. При этом режиме может быть достигнуто концентрирование
исходной сыворотки крови в 2-6 раз. Применение концентрированной сыворотки крови
снижает заболеваемость гастроэнтеритами в постнатальный период развития организма
животных, увеличивает их выживаемость.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Замораживание капли сыворотки крови. Замораживание удобно проводить в
морозильном отделении холодильника (температура-8 °С). Замораживание происходит
довольно быстро, ориентировочно 10 минут. Единственная трудность состоит в том, что при
доставании замороженной капли из холодильника она очень быстро оттаивает. Поэтому
изучение капли под микроскопом желательно проводить в охлаждаемом боксе, или на
микроскопе с охлаждаемым столиком и обдуваемым холодным воздухом.
Кристаллизация капли сыворотки крови при замораживании принципиально отличается от
кристаллизации путем испарения воды. При испарении воды кристаллизуются вещества,
растворенные в воде, а при замораживании кристаллизуется сама вода, так как вода составляет
90% сыворотки. При кристаллизации воды наблюдается эффект вымораживания. Вода
кристаллизуется в виде кристаллов чистой воды, а растворенные вещества концентрируются в
оставшейся жидкой части воды.
При замораживании сыворотки в пробирке происходит образование желтоватой непрозрачной
массы. Пропадает прозрачность сыворотки. Это означает, что в сыворотке образуется большое
количество мелких кристалликов воды, между которыми находится более концентрированная
сыворотка в жидком состоянии.
При кристаллизации капли сыворотки на предметном стекле при-18 °С, происходит изменение
формы капли. Предметное стекло, на котором находится капля, охлаждается. Кристаллизация
жидкости начинается снизу на границе капли со стеклом. Капля принимает плоско-выпуклую
форму. На относительно плоском замерзшем основании находится затвердевшая капля.
43
Рис. 1-17-1. Замороженная капля сыворотки. 1-плоское основание. 2-цетрльная зона.
Рис. 1-17-2. Структуры замороженной капли. Боковое освещение. Поле зрения 8мм.
Структура замороженной капли имеет следующее строение:
1-Тонкое прозрачное внешнее кольцо без трещин.
2-Широкая краевая зона, которая имеет плоский вид, и покрыта густой сетью трещин. Краевая
зона содержит волнообразные структуры, неоднородности, расположенные концентрически.
Скорее всего данные структуры образовались в процессе затвердевания капли.
3-Центральная зона, которая представляет собой прозрачную выпуклую каплю аморфного
строения с включениями пузырьков воздуха.
Информативными признаками являются ширина внешнего прозрачного кольца, ширина
краевой зоны и диаметр центральной зоны.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2012- Stefan Jung, Manish K. Tiwari, N. Vuong Doan& Dimos Poulikakos. Mechanism of
supercooled droplet freezing on surfaces. Nature Communications. 2012. January.+
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------44
Глава 2. Кристаллическая структура льда.
2.1 Кристаллическое строение льда.
При замерзании воды образуется лед-твердая фаза воды. При различных значениях
температуры и давления лед имеет различную структуру. В настоящее время известно 16
различных фазовых состояний. При нормальном давлении и температуре лед находится в
основном кристаллическом состоянии-гексагональной сингонии (лед Ih). В этом случае каждая
молекула воды окружена четырьмя ближайшими к ней молекулами, находящимися на
одинаковых расстояниях от нее, равных 2,76 ангстрема, и размещенных в вершинах
правильного тетраэдра.
Молекулярный радиус молекулы воды-1,4 ангстрема. При плотнейшей укладке шаров
радиуса 1,4 ангстрема с молекулярной массой 18 плотность вещества равняется 1,92 г/см3.
При 0 градусов плотность льда-0,9167 г/см3, у воды-0,9998 г/см3.
Объем льда на 10% превышает объем замороженной воды.
Рис. 2-1-1. Кристаллическая структура льда.
Рис. 2-1-2. Строение гексагональной решетки льда, вид сверху.
45
Рис. 2-1-3. Строение гексагональной решетки льда, вид сбоку.
Замерзший лед имеет кристаллическое строение, однако лед не является
монокристаллом. Лед состоит из множества мелких кристалликов. Когда лед начинает
плавиться, то процесс плавления начинается на границе микрокристалликов. Так как объем
образовавшейся воды больше объема растаявшего льда, то происходит растрескивание льда.
Лед при таянии трещит.
Характерная особенность ледникового льда — зернистость. Зернистость обусловлена
процессами рекристаллизации; каждое зерно ледникового льда представляет собой кристалл
неправильной формы, тесно примыкающий к другим кристаллам в ледяной толще таким
образом, что выступы одного кристалла плотно входят в углубления другого. Такой лед
получил название поликристаллического. Каждый кристалл льда представляет собой стопку
тончайших листочков, налегающих друг на друга в базисной плоскости, перпендикулярной к
направлению оптической оси кристалла. Поэтому в направлении базисной плоскости
кристаллы льда деформируются гораздо легче (листочки льда скользят один относительно
другого), чем в любом другом направлении.
Главную роль в увеличении размеров кристаллов в ледниках играет время, что позволяет
по размерам кристаллов приближенно судить о возрасте льда (разумеется, при прочих равных
условиях). В ледниках разных размеров и типов размеры кристаллов колеблются от долей
миллиметров до десятков сантиметров в поперечнике.
Лед пропускает видимую часть спектра, но задерживает УФ и ИК часть спектра. В ИК
области спектра лед выглядит черным.
46
2.2 Правильные кристаллы льда.
Рис. 2-2-1. Строение кристалла льда (Wolff, 1957).
Рис. 2-2-2. Координатные оси в гексагональной кристаллической решетке. Обозначение
узловых плоскостей.
47
Для обозначения узловых плоскостей в кристаллической решетке гексагональной
сингонии применяют так называемые индексы Миллера-Браве. При этом вводятся четыре
координатные оси. Базисная плоскость имеет и индекс (0001). Боковые плоскости имеют
индексы (1100), (1010), (0110) в зависимости от направления оси.
Рис. 2-2-3. Кристаллическая решетка правильных кристаллов.
Рис. 2-2-4. Правильные кристаллы льда.
48
Первичный кристалл воды имеет форму тонкой гексагональной пластинки с размером
грани L и высотой H. Затем пластинка начинает расти. О закономерностях роста пластинки
можно узнать, если на плоскости с координатами (L,H) отложить точки, соответствующие
реальным наблюдаемым снежинкам.
Оказывается, что распределение снежинок по размерам является не унимодальным, а
бимодальным. Существует две области в пространстве (h,d), соответствующие размерам
реальных снежинок. Это означает, что существует два способа кристаллизации:
1-преимущественный рост в длину (h), образуются иглы и столбики,
2-преимущественный рост в ширину (d), образуются тонкие и толстые пластинки.
Введем обозначения для этих двух способов кристаллизации:
D-рост кристалла в длину, увеличивается h.
E-рост кристалла в ширину, увеличивается d.
Тогда получаем, что
D = N1a-иголка
DE = C1e-призма
E = C1g-тонкая шестигранная пластина.
Таблица 2-1. Правильные кристаллы воды.
Название Elementary Long solid Solid
Needle
Column
Column
Название простая
Длинный Сплошной
игла
сплошной столбик
столбик
Обознач. N1a
N1e
C1e
Форма
Фото
h-высота
мкм
dдиаметр
мкм
h/d
Solid thick
Plate
Сплошная
толстая
пластина
C1g
Hexagonal plate
Гексагональная
пластина
P1a
100-1000
100-200
280-430
10
320-550
100-1000
320-650
5-20
2-5
0,2-0,5
0,01-0,2
49
Рис. 2-2-5. Распределение снежинок по размерам.
Снежинки образуются из правильных кристаллов. Основной вопрос-являются ли
снежинки монокристаллами (скелетными кристаллами), или являются дендритами, состоящими
из отдельных кристаллов.
50
2.3 Выращивание монокристаллов льда.
Воду легко заморозить, например, поместив чашку с водой в морозильное отделение
холодильника. Сложно вырастить одиночные кристаллы воды-монокристаллы.
При медленном охлаждении капли воды кристаллизация происходит путем образования
зародыша внутри капли. Рост зародышей происходит в виде лучей. Постепенно происходит
заполнения всего объема ледяными кристаллами. При быстром замораживании капли
кристаллизация начинается с поверхности и распространяется внутрь. Затвердевание воды
внутри капли часто сопровождается образованием выпуклостей на поверхности и взрывом
капли.
Таблица 2-2. Организации, в которых исследуется кристаллизация воды.
Год
Страна
Организация
Способ
Объем Темп
1936 Япония У.Накайя
На нити
До
-45
1952 Россия Малкина А.Д. Центральная
На нити
Аэрологическая
Обсерватория
1953 Англия Mason B.J.
Imperial College
На нити
0,01
-60
м3
1958 Россия
Главная
Камера
0,006 20
Геофизическая
«Капля»
м3
-30
Обсерватория
На нити
1959 Россия Глики Н.В.
На нити
1985 Япония K.Kikuchi
Hokkaido University
На стекле
-70
1994 Япония Масару
Капля воды
Эмото
в
чашке
Петри
2000 Россия Шибков А.А. Тамбовский
На тонкой
государственный
пленке воды
университет
2001 США
К. Либбрехт
камера
2009 США
Т. Кнепп
2012 Россия Михайлова
Рос.Гос
Капля
на 230
-12
Д.С.
гидрометеорологичес предметном
-25
кий университет
стекле
2013 Россия
Аква-Система
Капля
в
чашке Петри
51
1932-Укихиро Накайя, Япония, первый вырастил искусственную снежинку.
В городе Саппоро он создал лабораторию с холодильной камерой для выращивания снежинок.
Первая снежинка выращена им 12 марта 1936 года. Это первая искусственная снежинка. Теперь
на месте лаборатории разбит парк и воздвигнут монумент в память об этом событии.
Рис. 2-3-1. Укихиро Накайя.
Выращивание кристаллов льда производилось на тонкой шелковинке или обезжиренном
волосе кролика, которые помещались в камеру холода. Температуру можно было понижать до45 градусов. Пересыщение создавалось перемешиванием теплого (влажного) и холодного
воздуха при нагревании электрической печкой установленного на дне камеры сосуда с водой.
Величину пересыщения можно было регулировать изменением температуры воды. Скорость
роста кристаллов составляла 4,6мм/час.
Рис. 2-3-2. Установка для выращивания снежинок, созданная Накайя.
52
1952-Центральная Аэрологическая обсерватория-Россия-Долгопрудный
Малкина А.Д. Зак Е.Г. Механизм замерзания капель жидкости. Тр. ЦАО. Вып. 9. 1952.
Изучалось замерзание капель воды и растворов, подвешенных на нитях внутри постепенно
охлаждаемой камеры.
1953-Imperial College-London-Англия
Зависимость формы образующихся кристаллов льда от температуры исследовались Б. Месоном
в диффузной камере туманов, охлаждаемой снизу. Возможно изменение температуры и
влажности. Получена фазовая диаграмма зависимости формы снежинок от температуры и
влажности.
Холлет (Hallett John) и Мэйсон (Mason) предложили современную теорию гексагонального
строения снежинок.
-Mason B.J. A crirical examination of theories of charge generation in thunderstorms. Tellus. V.5.
No.4. 1953.
-Hallett, J. and Mason B.J. 1958. The influence of temperature and supersaturation on the habit of ice
crystals grown from the vapour. Proceedings of the Royal Society of London, Series A. 247 (1251):
440.
-Мейсон Б. Дж. Физика облаков. Л. Гидрометеоиздат. 1961. 342 с.
-Mason B.J. The Physics of Clouds, Oxford University Press, (Clarendon), London,1971.
-Mason B.J. Production of ice crystals by riming in slightly supercooled cumulus. Q.J.R. Meteorol.
Soc. 101. p.675-679. 1975.
Рис. 2-3-3. Установка созданная Mason и Hallett.
53
1958-Главная Геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, Санкт-Петербург.
Первые лабораторные установки были созданы в 1930-е годы.
В 2008 году исполнилось 50 лет отделу физики облаков, который был создан в 1958 году. В
отделе имеется восемь установок для моделирования процессов происходящих в облаках. БКТ
(110 м3, +20-23 градуса), Холод (0,3 м3, +20-26 градусов).
Камера «Капля» имеет рабочий объем 0,006 м3 и предназначена для изучения процесса
замерзания капель. Диапазон температур-от 20 до-30 градусов. Капля подвешивается на
стеклянной нити. Имеется окно для наблюдения с помощью микроскопа. Измеряется
температура капли и воздуха, заряд капли.
Шишкин Н.С. Облака, осадки и грозовое электричество. 1954.
1959-Институт кристаллографии АН СССР-Москва
Глики Н.В. закончил кафедру кристаллографии и кристаллохимии МГУ в 1949 году.
Исследовался процесс замерзания капель, подвешенных на стеклянной нити в термостате.
Наблюдение проводилось в поляризованном свете.
Глики Н.В. Изменение габитуса искусственных кристаллов льда в процессе их роста. ДАН
СССР. Т.126, №6. 1959.
Глики Н.В. Елисеев А.А. Марченко Н.М. Образование монокристальной гранулы льда при
замерзании переохлажденной капли воды. ДАН СССР, т.135, №3, 1960.
Глики Н.В. Севастьянов Л.Г. Холодильная термостатируемая установка для лабораторных
исследований. Заводсая лаборатория. Вып. 1. 1961.
Глики Н.В. Елисеев А.А. Марченко Н.М. О превращении облачных капель в кристаллы льда.
ДАН СССР, 1943, №5, 1962.
Глики Н.В. Елисеев А.А. Марченко Н.М. Рост шаровидных кристаллов льда. Кристаллографии,
М. Наука, т.7, вып. 4. 1962. с.609-612.
Глики Н.В. Громова Т.Н. Красиков П.Н. О механизме кристаллизации переохлажденного
тумана под влиянием растворов льдообразующих веществ. В кн. Исследования по физике
облаков и активным воздействиям на погоду. М. Гидрометеоиздат. 1967. с.244-250.
1961-Плауде Н.О. Молоткова И.А. К вопросу о происхождении снежных кристаллов путем
замерзания переохлажденных капель воды. Сб. Исследования облаков, осадков и грозового
электричества. Изд. АН СССР. М. 1961.
1953-Ленинградский Гидромеоролоргический институт-Ленинград
-Качурин Л.Г. Вероятность образования ледяных кристаллов в переохлажденной воде. ДАН
СССР. Т.43. №2. 1953.
-Качурин Л.Г. Кристаллизация тонких пленок жидкости. Труды III совещания по росту
кристаллов. М. Изд. АН СССР. 1965.
-Качурин Л.Г. Морачевский В.Г. Кинетика фазовых переходов воды в атмосфере. Л. ЛГУ. 1965
1979-ГГО и Институт экспериментальной метеорологии
Гирс С.П. Каменцев В.Н. Микроинтерференционная установка для исследования фазовых
переходов воды на льдообразующих подложках. Тр. ГГО, 1979, вып. 420, с.57-62.
54
1985-K.Kikuchi-Hokkaido University-Japan
Японские ученые KatsuhiroKikuchi и Hiroshi Uyeda (фотограф) из Hokkaido University
исследовали морфологию снежинок различного типа. В 1985 году они создали установку для
моделирования роста снежинок при очень низких температурах (ниже-20 градусов).
Рис. 2-3-4. Схема установки K. Kikuchi для выращивания снежинок при низких температурах.
-Kikuchi K. On snow crystals of bullet type. J. Meteor. Soc. Japan, 46,(1968) p.128-132.
-N.Sato, K. Kikuchi. Formation mechanisms of snow crystals at low temperature. Annals of
Glaciology. 6. 1985. p.232-234.
-H. Uyeda K. Kikuchi. Remeasurement of the Axial Angle between Spatial Branches of Natural
Polycrystalline Snow Crystals. Journal of the Faculty of Science, Hokkaido University. Ser. VII.
(Geophysics), Vol. V. No.1, 1976, p. 21-28.
-Kikuchi, K. 1987. The Discovery of Eighteen-Branched Snow Crystals. J. Meteor. Soc. Japan, 65,
p.309-311.
55
2001-Кеннет Либбрехт, США.
Рис. 2-3-5. Первая установка для создания и фотографирования снежинок, 1997 год.
Рис. 2-4-6. Более совершенная установка для создания и фотографирования снежинок.
56
2009-Трэвич Кнепп, США.
В 2009 году Трэвис Кнепп (Travis Knepp) из Department of Chemistry Purdue University (USA) в
специальной морозильной камере моделировали условия образования снежинок в интервале
температур от 0 до-80 градусов и при различной влажности. В работе показано, что на
поверхности снежинок при отрицательной температуре существует квазижидкий слой, который
определяет рост и форму снежинок. При увеличении влажности образуются сильно
разветвленные снежинки. При температуре от-35 до-35,5 градусов образуются пластинчатые
кристаллы. При температуре от-25,5 до-32,5 градусов образуются игольчатые призмы.
Knepp, T. N. Renkens, T. L. and Shepson, P. B.: Gas phase acetic acid and its qualitative effects on
snow crystal morphology and the quasi-liquid layer, Atmos. Chem. Phys. 2009. 9, 7679-7690.
2000-Тамбовский Государственный Университет им. Г.Р. Державина-Россия-Тамбов
Кафедра теоретической и экспериментальной физики, Лаборатория «Физика льда»
Шибков Александр Анатольевич-заведующий лабораторией, дфмн,
Шибков А.А. Желтов М.А. Королев А.А. Собственное электромагнитное излечение растущего
льда. Российская наука. Сборник статей. 2000. с.113-127.
Создали установку для изучения и видеосъемки процесса роста ледяных кристаллов.
Кристаллизация проводилась в тонкой пленке переохлажденной воды толщиной 100 мкм,
натянутой на проволочную петлю. Площадь петли 30мм2 выбиралась так, чтобы пленка не
разрывалась во время кристаллизации.
Рис. 2-3-7. Рост кристаллов льда в переохлажденной воде.
57
Рис. 2-3-8. Схема установки для выращивания снежинок. 1-пленка воды в виде мембраны, 2термопара, 3-электронагреватель, 4-источник света, 5-поляроиды, 6-микроскоп, 7-видеокамера,
16-морозильная камера.
2007-Санкт-Петербург-Российский
государственный
гидрометеорологический
университет
В РГГМУ на кафедре экспериментальной физики атмосферы (Кузнецов А.Д.-зав каф. дфмн,
проф) под руководством кфмн, доцента Чукина Владимира Владимировича выполнено ряд
работ по исследованию кристаллизации воды.
2007-Павленко Евгения Александровна. Исследование процессов кристаллизации капель
раствора. Дипломный проект. 2007. 70с.+
2012-Михайлова Д.С. Фрактальный анализа структуры кристаллов льда. Российский
государственный гидрометеорологический университет. Дипломный проект. 2012. 62 с.
В работе исследуется кристаллизация воды на покровном стекле. Кристаллизация производится
с помощью морозильной камеры Frostor F200C. Объем камеры-230 литров, температура-от-12
до-25 градусов.
2013-Садыкова А.Ф. Экспериментальное исследование кристаллизации переохлажденных
капель водных растворов. Дипломный проект. 2013. 51 с.
Рис. 2-3-9. Схема установки для выращивания кристаллов льда.
58
2.4 Центры по изучению кристаллов льда.
Изучением вопросов образования кристаллов льда занимаются в различных центрах в
разных странах. Рассмотрим некоторые направления исследований:
1-Создание установки для выращивания снежинок
2-Фазовая диаграмма зависимости формы снежинки от температуры и влажности
3-Создание классификации снежинок
4-Создание атласа снежинок
Таблица 2-3. Организации, в которых исследуется кристаллизация воды.
Организация
Страна 1234-Атлас
Установка Зависимость Классиф
ГГО
1940
Вейнберг
Б.П.
ГГО
1949
ГГО
1955
Заморски
й А.Д.
9 классов
Институт
Россия
1960
прикладной
Обнинс
Клинов
геофизики
к
Ф.Я.
ГГО-Главная
Россия
1958
1958
2005
Геофизическая
СанктДовгалюк Ю.А.
обсерватория им. Петер
Першина Т.А.
А.И. Воейкова
бург
600 фото
Центральная
Россия
1952
Аэрологическая
Долгоп Малкина
обсерватория
рудный А.Д.
Россия
1910
Шушкев
ич И.Б.
Россия
1959
Глики Н.В.
Тамбовский Гос Россия
2000
2000
университет
Тамбов Шибков
Шибков
А.А.
А.А.
Рос
Гос Россия
2012
гидрометеоро
СанктМихайлова
логический
Петер
Д.С.
университет
бург
Аква-Система
Россия
2013
Япония
Hokkaido
University
-Ukichiro Nakaya
Япония
Hokkaido
University
Япония
1936
1954
59
1938
21 тип
1954
42 типа
1966
80 типов
1833
Doi Toshitsura
97 рисунков
1954
-Magono Lee
Hokkaido
University
-K.Kikuchi
Hokkaido
University
-Kobayashi T.
Imperial College
Япония
1985
2013
121 тип
Япония
1957
Англия
1947
Weickman H.
Англия
1953
B. Mason
1820
Scoresby
96 рисунков
1958
B. Mason
США
США
Purdue University
США
2001
K.Libbrecht
2009
T. Knepp
1931
W.Bentley
2500 фото
2003
K.Libbrecht
2001
K.Libbrecht
2009
T. Knepp
Канада
1951
Междун
классиф
7 типов
Первые фазовые диаграммы были построены Кампе, Вейкманом.
1849-1924-Главная физическая обсерватория, основана в 1849 году
С 1924-Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург)
http://www.voeikovmgo.ru/ru
1909-Вейнберг Б.П.
Вейнберг Борис Петрович (1871-1942)-физик, гляциолог, занимался изучением свойств льда.
Был директором Главной физической обсерватории в Санкт-Петербурге.
-Вейнберг Б.П. Снег, иней, град, лед и ледники. Mathesis. Одесса. 1909. 127с. В книге имеется
специальная глава о снеге, и подробно рассматривается вопрос о форме и закономерностях
роста снежинок.
-Вейнберг Б.П. Снег, иней, град, лед и ледники. 2-е издание. М. ОНТИ. 1936, 231 с.
-Вейнберг Б.П. Лед. М.-Л. Гидрометеоиздат. 1940. 148с. В книге приводится расширенная
классификация снежинок.
В 1949 году Главная географическая обсерватория имени А.И. Воейкова (СанктПетербург) подготовила большой атлас снежинок, но его так и не издали из-за некоторых
сложностей. В 1949 году обсерватория праздновала 100-летие со дня основания.
В 2005 году вышла книга Довгалюк Ю.А. Першина Т.А. Атлас снежинок (снежных
кристаллов). СПб. Гидрометеоиздат. 2005. 140с. Книга написана сотрудниками отдела физики
облаков и активных воздействий Главной геофизической обсерватории Довгалюк Юлией
Александровна (заведующая лабораторией «физика облаков», кфмн) и Першиной Тамарой
Александровной. В книге собрано и систематизировано более 500 фотографий снежинок.
Снимки сделаны Першиной Тамарой Александровной и Башкировой Галиной Михайловной в
период экспедиций на Северо-Запад, в Сибирь и другие районы.
60
Рис. 2-4-1. Довгалюк Ю.А. Першина Т.А. Атлас снежинок, 2005.
В Обсерватории имеется широкий набор камер для исследования процессов образования
снежинок. Работы по исследованию процессов образования снежинок в облаках и в
лабораторных условиях проводили Башкирова Г.М. Першина Т.А. Никандров В.Я. Шишкин
Н.С. Довгалюк Ю.А. Ивлев Л.С.
-Башкирова Г.М. Першина Т.А. Некоторые данные наблюдений за формами снежинок. Труды
ГГО. 1956. вып. 57 (119) с.19-34.
-Башкирова Г.М. Першина Т.А. О массе снежинок и скорости их падения. Труды ГГО. 1964.
вып. 156. с.83-101.
-Никандров В.Я. Искусственные воздействия на облака и туманы. Л.: Гидрометиздат, 1959.
-Шишкин Н.С. Облака, осадки и грозовое электричество. Л.: Гидрометиздат, 1964.
-Довгалюк Ю.А. Ивлев Л.С. Физика водных и других атмосферных аэрозолей. СПб: изд. СПб
Университета, 1998.
61
Hokkaido University, Japan, Sapporo.
Institute of Low Temperature Science, основан в 1941 году.
сайт-http://www.lowtem.hokudai.ac.jp/en/index.html
1932-Ukichiro Nakaya, Hokkaido University, Japan.
Рис. 2-4-2. Ukichiro Nakaya.
В 1932 году физик Укихиро Накайя (Ukichiro Nakaya) (1900-1962), профессор
университета в Хоккайдо, занялся выращиванием искусственных снежных кристаллов. В
городе Саппоро он создал лабораторию с холодильной камерой для выращивания снежинок.
Первая снежинка выращена им 12 марта 1936 года. Это первая искусственная снежинка. Теперь
на месте лаборатории разбит парк и воздвигнут монумент в память об этом событии.
Исследования позволили создать первую классификацию снежинок и выявить зависимость
формы и величины снежинок от температуры и влажности воздуха. В отличие от Бентли,
Укичиро Накайя фотографировал и изучал все попавшиеся кристаллы, включая не очень
красивые и несимметричные. Благодаря настойчивому труду и научному подходу к работе
Накайя сумел составить детальный каталог типов снежинок. Итогом нескольких лет работы
ученого стала книга «Снежные кристаллы: естественные и искусственные» изданная в 1954
году
-U. Nakaya: Quart. J. R. Met. Soc. 1938, 64, p.619.
-Nakaya U. Sekido I. Allgemeine Klassifikation der Sneekristalle und die Haufigkeif ihres
Vorkommens. Mitteilungen der Deutschen Academi der Luftfahrforschung. 1943. D.2, №1.
-Nakaya U. Snow Crystalls: Natural and Artificial. Cambridge. Harvard University Press. 1954. 510 p.
Укихиро Накайя-фотографировал снежинки (более 3000 фотографий), написал книгу,
выращивал снежинки, изучал зависимость формы снежинок от температуры и влажности,
составил классификацию снежинок, изучал отрицательные кристаллы льда.
В 1939 году он основал Японское общество снега и льда.
В Японии на западном берегу острова Хонсю в городе Кага (Ishikawa Pref.) в 1994 году
открылся Музей снега и льда, который носит имя Укихиро Накайя (Nakaya Ukichiro Museum of
Snow and Ice). Этот музей выстроен в виде трех шестиугольников. В музее хранятся первые
снимки снежинок и установка для получения снежинок.
http://www.kagashi-ss.co.jp/yuki-mus/en_facilities.html
62
Рис. 2-4-3. Музей снега.
1957-Kobayashi T. Hokkaido University, Japan.
В 1960 году Кобаяси Тэйсаку (Kabayashi T.) (小林禎昨), профессор физики низких температур
университета Хоккайдо, изучил текст атласа Дои и провел сравнительный анализ рисунков
снежинок периода Эдо и фотографий натуральных снежинок, полученных учеными к середине
20 в. Он издал эти материалы в виде монографии в 1960 г. Кобаяси исследовал не только
естественнонаучные аспекты, но и то, как японцы воспринимают снег и снежинки, как снег
описывается в литературе и каким образом он использован в качестве мотива орнамента.
В 1957 году Kabayashi построил фазовую диаграмму зависимости формы снежинок от
температуры и влажности.
-T. Kobatashi. 1957. Experimental researches on the snow crystal habit and growth by means of a
diffusion cloud chamber. J. Meteor. Soc. Japan. 35. p.1-20.
-T. Kobayashi: in Physics of Snow and Ice, Part 1, ed. H. Oura, Inst. Low Temp. Sci. Hokkaido
University, Sapporo, 1967, 95.
-T. Kobayashi and T. Kuroda: in Morphology of Crystals, Part B, Chapter 10, ed. I. Sunagawa, Tera
Sci. Pub. Tokyo, 1987, 645.
1981-Норикадзу Маэно-профессор Hokkaido University, заведующий отделом Института
низкотемпературных исследований широко известен работами по физике снега, написал книгу,
переведенную на русский язык.
-Маэно Н. Наука о льде. Мир. 1988. 231с.
1999-Tsuneya Takahashi-Hokkaido University-Japan
Norihko Fukuta, Tsuneya Takahashi (1999). The Growth of Atmospheric Ice Crystals: A Summary of
Findings in Vertical Supercooled Cloud Tunnel Studies Journal of the Atmospheric Sciences, 56,
1963-1979.
63
2013-Hokkaido University, Japan.
Working group for new classification of snow crystals
Ученые из рабочей группы по классификации кристаллов снега (Япония) предложили
расширенную классификацию снежинок. В отличие от классификации Magono and Lee (1966) в
новой классификации содержится не 80 а 121 тип снежинок.
Kikuchi K. Kameda T. Higuchi K. Yamashita A. A global classification of snow crystals, ice crystals,
and solid precipitation based on observations from middle latitudes to polar regions. Atmospheric
Research. 2013.vol.132-133. p.460-472.
2013-Yoshinori Furukawa, Japan.
В Institute of Low Temperature Science Hokkaido University Sapporo исследованием кристаллов
льда и фотографированием снежинок занимается Yoshinori Furukawa.
-Furukawa Y. : Morphology of snow and ice, Handbook of Crystal Growth (The Japanese Association
for Crystal Growth ed.) p. 226-228, Kyouritsu, Tokyo (1995)
64
Глава 3. История изучения снежинок.
3.1 Снежинки.
-вес снежинки-от 0,0001 до 0,003 г.
-размер снежинок-от долей миллиметра до нескольких миллиметров,
-весной 1944 года в Москве выпали хлопья снега размером 10 см.
-в Сибири наблюдались хлопья размером 30 см,
-самая маленькая снежинка состоит из шести молекул воды.
-самая большая снежинка была зафиксирована в книге рекордов Гиннеса (Guiness World
Records) 28 января 1887 года во время снегопада в Fort Keogh, in Montana, USA. Диаметр
снежинки составил 38 см, а толщина-20 см.
Снежинки изучает наука-снеговедение, часть науки гляциологии-науки о природных льдах во
всех их разновидностях на поверхности земли, в атмосфере, гидросфере и литосфере.
Перевод слова снежинка на разные языки:
По английски-snow-flake (ice crystals) означает хлопья снега.
По немецки-schneeflocke
По французски-cristal de neige, flocon de neige-кристалл снега
По итальянски-copo de nieve, fiocco di neve
По китайски-два иероглифа, первый из которых означает снег,
Рис. 3-1-1. Китайский иероглиф, обозначающий снег.
На первый взгляд снежинки кажутся совершенными и симметричными. Однако, оказывается,
что абсолютно симметричных снежинок не бывает. У каждой снежинки симметрия нарушена в
большей или в меньшей степени.
При взгляде на фотографию снежинки все люди восхищаются ее красотой и изяществом,
но разные специалисты воспринимают (оценивают, анализируют) снежинку по разному:
-художник-анализирует композицию и цвет,
-фотограф-анализирует качество фотоснимка,
-оптик-анализирует способ подсветки и оптические неоднородности снежинки,
-математик-анализирует степень симметрии снежинки и определяет, в каких местах симметрия
нарушается,
-историк-оценивает насколько фотография лучше рисунков снежинок, которые рисовали
раньше,
-физик-оценивает насколько более детальное изображение снежинки можно получить с
помощью электронного микроскопа,
-гляциолог-оценивает какие процессы происходили в облаке при образовании снежинки,
-кристаллограф-оценивает снежинку как скелетный кристалл молекул воды и анализирует ее
кристаллическую структуру.
65
В изучении снежинок можно выделить несколько направлений.
А-Описательный этап-наблюдение снежинок, и составление атласа снежинок.
Этот этап состоит из нескольких подэтапов:
1-наблюдение и зарисовка снежинок невооруженным глазом,
IV тысячи лет до нашей эры-наскальные рисунки снежинок,
1555-Олаус Мангус-Швеция-первая зарисовка снежинок.
2-наблюдение и зарисовка снежинок с помощью увеличительного стекла,
3-наблюдение и зарисовка снежинок с помощью оптического микроскопа,
1665-Роберт Гук-Англия-первая зарисовка снежинок с помощью микроскопа.
4-фотографирование снежинок с помощью оптического микроскопа.
4.1-первый этап-фотографирование только лучших снежинок, художественная фотография.
1870-Андрей Андреевич Сигсон-Россия-первая фотография снежинок.
Интересно отметить, что фотографировать снежинки с помощью микроскопа стали три
фотографа, которые жили в одно и то же время:
-1870-Андрей Андреевич Сигсон-Россия,
-1885-Wilson Bentley-США,
-1892-Gustav Hellmann и Richard Neuhauss-Германия.
О Бентли очень много информации. И почти никто не знает о Русском фотографе
Сигсоне, который первым начал фотографирование снежинок, и работы которого на Парижской
выставке 1900 года оказались лучше фотографий Гельмана, который так же представил свои
работы на этой выставке.
В настоящее время многие фотографы продолжают фотографировать красивые
снежинки:
2010-Андрей Осокин-Россия-Москва
2011-Алексей Клятов-Россия-Москва
2012-Сергей Кичигин-Россия-Вологда
4.2-второй этап-фотографирование всех возможных вариантов снежинок-научная фотография.
1932-Укихиро Накайя-Япония
5-фотографирование снежинок с помощью электронного микроскопа.
1993-Эрик Эрбе-США-первая фотография снежинок с помощью электронного микроскопа.
Б-Исследование зависимости формы снежинок от условий кристаллизации
(температура и влажность).
1932-Укихиро Накайя-Япония-первый вырастил искусственную снежинку.
1958-Главная Геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова, Санкт-Петербург
2001-Кеннет Либбрехт-США.
2009-Трэвич Кнепп-США.
В-Изучение особенностей кристаллизации и процесса роста снежинок-кристаллография
снежинок.
66
3.2 История изучения снежинок.
В разные времена различные исследователи интересовались снежинками.
IV-II тысячелетие до нашей эры-Россия
На территории России на берегу Онежского озера найдены петроглифы-уникальные памятники
монументального искусства эпохи неолита (IV-II тысячелетие до нашей эры). На этих
петроглифах можно увидеть изображение снежинки. Правда на картинке у снежинки семь
лучей, но это можно объяснить тем, что со счетом в то время были некоторые проблемы.
Однако, у первобытного художника снежинки больше похожи на настоящие, чем у Олауса
Мангуса, нарисовавшего снежинки в 1555 году.
Рис. 3-2-1. Онежские петроглифы.
Рис. 3-2-2. Петроглиф в виде снежинки.
67
135 год до нашей эры, Китай.
Одно из самых ранних упоминаний снежинок относится ко второму веку до нашей эры. В
трактате написанном в Китае в 135 году до нашей эры написано: «Цветы растений и деревьев
обычно имеют пять кончиков, а снежинки всегда шестиконечны…».
Рим, Италия.
В одном из храмов Рима имеется фреска на которой изображен Иисус Христос и снежинки.
Правда в всех десяти снежинок имеется по восемь лучей. Трудно предположить, что в те
времена шел другой снег, и снежинки имели по восемь лучей. Можно предположить, что в
отличие от первобытных людей, в средние века люди уже умели считать. Скорее всего,
художник просто не придал этому значение.
Рис. 3-2-3. Изображение снежинок на иконе.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1250-Magnus-Германия
В 1250 году немецкий священник Albertus Magnus (1206-1280) составил одно из самых ранних
описаний снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1555-Олаус Мангус-Швеция.
В 1555 году шведским церковный деятель и издатель Олаф Мангусом (1490-1557) (Olaus
Magnus) были сделан рисунок с 23 различными типами снежинок в книге Historia de gentibus
septentrionalibus. Снежинки нарисованы весьма условно, и их изображения весьма далеки от
реальности. Только одна снежинка (шести лучевая звезда) похожа на настоящую снежинку. На
соседнем рисунке изображения похожи на морозные узоры на стекле.
Рис. 3-2-4. Рисунок снежинок Мангуса, 1555 год.
68
1611-Иоганн Кеплер-Германия.
В 1611 году астроном Иоганн Кеплер (Johannes Kepler) (1571-1630) написал научный трактат
«О шестиугольных снежинках». Вышла книга Кеплер Иоганн. О шестиугольных снежинках. М.
Наука. 1982. 192с. Кеплер классифицировал снежинки на две группы: снежинки первого рода,
напоминающие по форме градины, и снежинки второго рода, имеющие форму звездочек.
Рис. 3-2-5. Титульный лист первого издания сочинения Иоганна Кеплера «О шестиугольных
снежинках», 1611 год.
69
1637-Рене Декарт-Франция.
В 1637 году французский математик, философ и естествоиспытатель Рене Декарт (Rene
Descartes) (1596-1650) подробно описал форму снежных кристаллов. Наблюдения снежинок он
проводил без помощи микроскопа. Этот материал вошел в написанный им труд «Опыт о
метеоритах». Он описал редко встречающиеся 12-лучевые снежинки, и две снежинки
соединенные столбиком (запонки). Всего он описал 10 типов снежинок.
Рис. 3-2-6. Рене Декарт и его книга.
Рис. 3-2-7. Рисунок снежинок Рене Декарта, 1637 год.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1660-Erasmus Bartholinus в работе De figura nivis dissertatio опубликовал рисунки снежинок.
70
1665-Роберт Гук-Англия.
В 1665 году Роберт Гук (Robert Hook) (1635-1703) опубликовал огромный труд «Микрография»
(“Micrographia”), в котором он описал все, что видел с помощью изобретенного им микроскопа.
В книге содержатся выполненные им самим рисунки снежинок. Он описал 22 типа снежинки.
Рис. 3-2-8. Роберт Гук и созданный им микроскоп.
Рис. 3-2-9. Титульный лист книги Роберт Гук «Микрография». 1665.
71
Рис. 3-2-10. Рисунки снежинок, сделанные Робертом Гуком, 1665 год.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1675-Martens-Германия
В 1675 году немецкий физик Friedrich Marten опубликовал каталог с изображением 24-х
снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1681-Rossetti-Италия
В 1681 году Donato Rossetti в работе La Figura della neve классифицировал различные снежинки.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1778-Martinet-Голландия
В 1778 году голландский теолог Johannes Florentius Martinet нарисовал несколько типов
снежинок.
-Martinet, J.F.: Kateechismus der natuur. Amsterdam: W. Loveringh en Allart, 1778-79. v.4 WB29-34.
Рис. 3-2-11. Изображения снежинок.
72
1779-Швейцария.
В 1779 году в Швейцарии издается Ивердонская Энциклопедия. В томе IX в разделе «Физика»
приведена гравюра с изображением 16 типов снежинок.
Рис. 3-2-12. Изображение снежинок в Ивердонской энциклопедии, 1779 год.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1796-Kokan-Japan
В 1796 году Shiba Kokan (1747-1818) опубликовал изображения снежинок, полученные с
помощью микроскопа.
73
1820-Scoresby-Англия.
Английский ученый-путешественник, первопроходец Арктики и китобой, Уильям Скорсби
(William Scoresby) (1789-1857) в 1820 г. после очередной экспедиции выпустил книгу
«Донесение об Арктических регионах с историей и описанием северного китобойного
промысла»
-William Scoresby. An Account of the Arctic regions with a History and Description of the Northern
Whale-Fishery. 1820.
В книге подробные описания сопровождались многочисленными рисунками, сделанными
Скорсби во время экспедиции. В том числе были помещены изображения снежинок, и автор
отмечал, что их формы и структуры, которые встречаются в наиболее холодных районах за
полярным кругом, гораздо богаче и красивее, чем снежинки в Англии. В своей работе он
привел изображение 96 типов снежинок, что является одним из первых подробных научных
описаний различных форм снежинок.
Рис. 3-2-13. Рисунки снежинок Скорсби, 1820 год.
74
1833-Дои Тосицура-Япония.
1833 год. Четвертый представитель династии правителей Кога-бан в Симоса-но куни (совр.
преф. Ибараки, г. Кога) по имени Тосицура Онаками Дои (Doi Toshitsura) (1759-1848) однажды
приобрел голландский микроскоп и начал проводить наблюдения снежинок. В 1833 году он
издал первое в Японии естественнонаучное исследование о снеге Сэкка дзусэцу (Атлас
снежинок). Он изучал снежинки с помощью микроскопа, купленного у голландцев. С тех пор
Дои Тосицура получил в истории прозвище Князь снега. Альбом с его рисунками, ставший
библиографической редкостью, хранится в Зале почета Института низких температур
Хоккайдского университета. В 1840 году выпустили Сёку Сэкка дзусэцу-«Продолжение Атласа
снежинок». В первой части зарисовано 98 снежинок, а во второй-97 снежинок. Эта коллекция
стала уникальной и бесценной, хранилась в музее древней Японии. В продажу атлас не вышел,
потому что Дои отпечатал его в домашних условиях в малом количестве. Однако скоро эта
работа стала известна всем в Японии. В 1836 г. Судзуки Бокуси (Suzuki Bokushi) перерисовал
снежинки Дои Тосицура и поместил их в своей книге «Рассказы о снеге Хокуэцу» (鈴木 牧之
«北越雪譜» (Хокуэцу сэппу) (Hokuetsu Seppu), которая рассказывала о жизни в снежной стране
горных регионов побережья Японского моря.
Рис. 3-2-14. Снежинки нарисованные Дои Тосицура, 1833 год.
На основе атласа Дои Тосицура были созданы многочисленные фамильные гербы камон.
Поэтому каждая снежинка получила собственное название, например, есть Юкива-снежный
контур, Ямабуки-юки-снежинка в форме цветка, Харукадзэ-юки-весенний снег, Комори-юкиснежинка в виде летучих мышей, Кокумоти-юки-черная снежинка на белом фоне, Санъя-юкиснег горной долины, Ханагата-юки-снежинка в форме цветка, Яма-юки-снежинка с зубцами, Яюки-снежинка из стрел, Цурара-юки-ледяной кристалл и так далее. Названий снежинок у
японцев даже на порядок больше, чем у эскимосов! (У эскимосов существует более двадцати
названий снега).
75
1845-George Harvey-Англия
В 1845 в Англии вышла Encyclopedia Metropolitana, Universal dictionary of knowledge. В
энциклопедии в разделе метеорология была статья о снежинках. Приводится 82 изображения
различных снежинок.
Рис. 3-2-15. Изображение снежинок.
76
1855-Глэшер-Англия
В 1855 году английский метеоролог Глэшер (James Glaisher) сделал много зарисовок снежинок,
которые он наблюдал с помощью микроскопа.
Рис. 3-2-16. Рисунок двух снежинок, соединенных шестигранной осью.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1863-США
Snow-flakes: A chapter from the book of nature. Americal Tract Society. Boston 1863.
В книге приведены рисунки снежинок, которые наблюдались с помощью увеличительного
стекла.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1865-Chickering-США
-Frances E. Chickering. A. Lady. Cloud crystals: a snow-flake album. New York: Appleton, 1865.
Книга содержит 65 стихотворений, рассказов и научных статей о снеге. Книга иллюстрирована
изображениями снежинок.
77
1870-Андрей Сигсон-Россия-Рыбинск.
В 1870 году русский фотограф, один из первых русских фотохудожников Андрей Андреевич
Сигсон (1839-1907), живший в городе Рыбинск, занялся фотографированием снежинок. Он
сделал около 200 фотографий снежинок.
Рис. 3-2-17. Андрей Сигсон.
В 1872 году на Политехнической выставке в Москве Сигсон получил Большую
серебряную медаль за фотографии снежинок. После нескольких лет работы Сигсон
опубликовал результаты в «Журнале Русского физико-химического общества при СанктПетербургском университете» за 1892 год. Часть фотографий была передана физическому
отделению Русского физико-химического общества, часть-экспонировалась на Московской
географической выставке (1892 г.). Работы Сигсона были признаны открытием в области
микрофотографии, большой успех его работы имели на IV фотографической выставке в СанктПетербурге (1894 г.). В 1894 году в Санкт-Петербурге открылась IV фотографическая выставка,
устроенная пятым отделом Императорского русского технического общества с целью выяснить
успехи, сделанные фотографией в течение последних лет.
Фотограф Сигсон-единственный в то время русский фотограф, задавшийся целью
фотографирования натуральных снежинок. Задача тем более почтенная, что с экономической
точки зрения она для профессионального фотографа ничего заманчивого не представляет.
Заслуга экспонента заключается в том, что применявшийся до него способ воспроизведения
кристаллов снежинок-посредством рисования давал не вполне ясное представление о красоте и
строении их, при фотографировании же ускользали многие весьма любопытные подробности.
Способ, придуманный экспонентом, весьма любопытен. Для получения снимков снежинок, он
пользовался микроскопом Цейса, апланатом с увеличением от 15 до 24 раз, и камерой с
большим растяжением. Особенности приемов Сигсона заключаются в следующем. Для
ускорения и упрощения манипуляции и для избегания погрешностей микроскопа, имеющего
часто не вполне выверенный химический фокус, экспонент работает при синем свете.
Покровные стекляшки, в соприкосновении с которыми нарушается целость нежных
кристалликов снега, заменяются особыми сетками в виде паутины, приготовленными из
рассученных волокон шелковинки; сетки приклеиваются по краям отверстия, имеющего форму
покровного стеклышка и вырезанного в картоне. Все металлические части микроскопа должны
быть при этом обязательно зачернены; рельефность рисунка достигается сильным боковым
освещением. Фотографирование производится при возможно низкой температуре, но так как
животная теплота работающего дурно влияет на резкость получаемых очертаний кристалликов,
то для свободного дыхания необходимо устроить респиратор в виде изогнутой трубы для
отклонения выдыхаемого теплого воздуха в сторону. Сам процесс фотографирования Сигсон
78
производил следующим образом. Аппарат устанавливался на чердаке, в значительном
расстоянии от окна и сильно наклонном положении, что весьма удобно для освещения
снежинок. Затем расстилалось сукно с грубым ворсом, для чего фотограф избирал такое место,
куда залетают только отдельные снежинки, легко удерживающиеся на волосинках сукна.
Выбрав, при помощи увеличительного стекла снежинки, наиболее подходящие для снимка, он
приподнимал сукно, приставлял сетку и легким сотрясением переваливал снежинку на сетку.
Таким образом, полученные снимки доставлены экспонентом без ретуши на выставку, где они
вполне заслуженно обращают на себя всеобщее внимание.
С 1892 по 1896 годы прошло 5 выставок, на которых были представлены фотографии снежинок
Андрея Сигсона. Его работы получили широкую известность. Ими интересовались не только
фотографы, но и известные ученые в России и за границей. Зимой 1895-1896 года по
предложению профессора Броунова Андрей Андреевич занялся фотографированием инея,
изморози и снежной крупы. Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде (1896 г.) (на ней
Сигсон впервые представил более 80 снимков инея, изморози, снежной крупы).
Мировую известность Сигсону принесло участие в Парижской всемирной выставке 1900
года, где его работы были признаны лучшими и он получил золотую медаль. При этом он
обошел профессора Гельмана из Германии. После такого успеха рыбинский фотограф получил
ряд заказов от университетов Германии, Франции, Англии, Италии и Испании. Его
микрофотографии также имелись в Киевском, Московском и Санкт-Петербургском
университетах и в Главной физической обсерватории. Его работы были опубликованы в
«Энциклопедическом словаре» Брокгауза и Эфрона, некоторых научных сочинениях, учебных
руководствах. Возникшее в начале 1900-х годов Рыбинское фотографическое общество избрало
Сигсона своим почетным членом. В 2010 году в связи со 100-летием Рыбинского музеязаповедника была организована выставка «Снежное кружево Сигсона». На выставке было
представлено 34 уникальных фотографии снежинок Сигсона.
Рис. 3-2-18. Фотографии снежинок А.А. Сигсона, 1900 год.
79
Рис. 3-2-19. Фотографии снежинок А.А. Сигсона в Энциклопедическом словаре Брокгауз и
Ефрон, 1890 год.
80
Рис. 3-2-20. Фотографии снежинок из книги Вейнберга Б.П. сделанные Сигсоном А.А. 1909 г.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1884-Англия.
The National Encyclopedia 1884. A Dictionary Knowledge. Published by William Mackenziq.
London. 18 vol.
Рис. 3-2-21. Изображения снежинок.
81
1885-Уилсон Бентли-США.
Американский фермер Уилсон Бентли (Wilson Bentley) (1865-1931) жил в Jericho, Vermont,
USA. Ему на день рождения подарили микроскоп. Он сам приделал к микроскопу фотоаппарат.
15 января 1885 года он сделал первую фотографию снежных кристаллов. За 47 лет
исследований от сделал 5381 фотографий снежинок, из которых около 2500 были
опубликованы в 1931 году в его известной книге «Снежные кристаллы». Bentley W.A.
Humphries W.L. Snow Crystals. New York. 1931. Имеется специальный сайт, посвященный
Бентли-http://snowflakebentley.com
Рис. 3-2-22. Уилсон Бентли.
Рис. 3-2-23. Фотография снежинки, сделанная Уилсоном Бентли, 1931 год.
82
Рис. 3-2-24. Книга Уилсона Бентли.
W.A. Bentley. Snowflakes in Photographs.
Bentley, Wilson A. The Guide to Nature (1922)
Bentley, Wilson A. 'The Magic Beauty of Snow and Dew', National Geographic (January 1923)
Bentley, Wilson A.; Humphreys, William J. Snow Crystals (New York: McGraw-Hill, 1931)
Bentley, Wilson A. «Snow», Encyclopedia Britannica: Vol. 20 (14th ed. 1936; pp. 854-856)
В городе Jericho (Vermont, USA) создан музей Jericho Historical Society’s Bentley Exhibit.
(сайт музея http://www.snowflakebentley.com/mill.htm).
В городе Buffalo (New York, USA) в Buffalo Museum of Science имеется экспозиция The
Bentley Snow Crystal Collection.
83
1892-Гельман-Германия.
В 1892 году в Германии снежинки начинают фотографировали профессор Берлинского
университета Гельман (Gustav Hellmann) (1854-1939)-метеоролог и Нейгауз (Richard Neuhauss)фотограф. Гельман утверждал, что снежинки не являются совершенно симметричными, и
имеют отклонения от симметричного строения. Его фотографии снежинок имеются в «Atlas
international des nuages» изданного в 1896 году.
Hellmann G. Schneekrystalle. Berlin. 1893.
Рис. 3-2-25. Фотография снежинки Густава Гельмана, 1893 год.
84
1893-Статья «Наблюдение над снегом». Журнал «Наука и Жизнь» №10. с.156-157.+
Рис. 3-2-26. Рисуно снежинок из статьи.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
85
1894-Германия
В 1894 году в Германии в Bibliographisches Institute Liepzig была сделана гравюра, которая была
напечатана в 1897 году в Meyer Konversations-Lexik и в 1911 году в энциклопедии в Голландии.
Рис. 3-2-27. Изображения снежинок.
86
1894- В 1894 году в Histirical Meteorological была напечатана гравюра с изображением 34
снежинок.
Рис. 3-2-28. Изображение снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1897-Meyer-В 1897 году в Meyer Konversations-Lexik была напечатана гравюра со снежинкой.
Рис. 3-2-29. Изображение снежинок.
87
1900-Аббе, Германия.
Abbe C. Micro-photograph of snow crystals. Mon. Weather Rev. 28(12), 541-542.
В работе использованы фотографии Сигсона.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1900-Новорусский М.В. Россия.
Русский педагог и естествоиспытатель Новорусский Михаил Васильевич (1861-1925) наблюдал
снежинки с помощью лупы и зарисовывал их. Он написал книжку для детей «История
снежинки». В книжке он привел изображение 12 снежинок.
Рис. 3-2-30. Зарисовки снежинок Новорусского М.В.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1902-Holden, США.
В 1902 году в США вышла книга The Science. A reading book for Childrens by Edward S. Holden.
В ней были приведены изображения 12 снежинок.
Рис. 3-2-31. Изображение снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1912-Colman-США
В 1912 году в Нью-Йорке выходит книга Samuel Colman-Nature’s Harmonic Unity/ В книге
приведены чертежи, описывающие форму шестиугольных снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1919-J. Shedd, The evolution of the snow crystal, MonthlyWeather Review 47 (1919), 691-703.
88
1930-Adams-США
Профессор физики Калифорнийского университета (Los Angeles, USA) Joun Mead Adams
опубликовал ряд статей по выращиванию и исследованию снежинок.
Adams J.M. The Polar properties of Single Cryctals of Ice. 1930. Proceedings of the Royal Society, A.
vol.128. pp.588-591. 1930.
Adams J.M. Lewis W. The production of Large Single Crystal of Ice. 1934.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1923-Добровольский-Польша
Антоний Добровольский (Antoni Broneslaw Dobrowolski) (1872-1954)-польский геофизик,
метеоролог, исследователь Антарктики, директор Польского метеорологического института,
является одним из первых ученых, изучавших лед, написал книгу про лед.
-Dobrowolski A.B. Natural history of ice. Warsaw. 1923. 940 c.
-Dobrowolski, A. B.: Historia naturalna lodu (The natural history of ice),Warszawa: Kasa Pomocy im.
Dr. J. Mianowskiego, 940 pp. 1923 (in Polish with French summary, 926-940).
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1933-Касаткин А.Н.-Россия.
В 1933 году старший геофизик полярной станции на Земле Франца-Иосифа Касаткин А.Н.
получил более 300 снимков снежинок разнообразной формы.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1946-Касаткин Л.-Россия.
Касаткин Л. Тайна снежинок. Журнал Техника молодежи. 1946. №2-3. с.12. В статье
описывается способ фотографирования снежинок с помощью фотоаппарата в режиме
макросьемки.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1950-Большая Советская энциклопедия-Россия
В большой Советской Энциклопедии (1950 год) приведены изображения 8 типов снежинок:
Рис. 3-2-32. Снежинки в Большой Советской Энциклопедии. 1-пластинки, 2-столбики, 3-иглы,
4-звезда с шестью пластинчатыми лучами, 5-звезда с шестью игольчатыми лучами, 6-звезда с
12 лучами, 7-пластинка сложного строения, 8-комплекс столбиков («еж»).
89
1952-Quervian-Швейцария
В 1952 году M. de Quevertan et al. Описали основные типы кристаллов снега в журнале
International Union of Geodesy and Geophysics Swiss Federal Institute for Snow and Avalanche
Research.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1956
-Шумский П.А. Энергия оледеления и жизнь ледников. М. Географгиз. 1947.
-Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. Изд-во АН СССР. Москва, 1956 с.113.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1963-Porzing W. Schneekristalle. Zeiss Inf. 1963. 47. p.28-29.
Рис. 3-2-33. Различные типы снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1969-E.R. LaChapelle, Field Guide to Snow Crystals. University of Washington Press. 1969.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1974-Литвинов И.В. Структура атмосферных осадков. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 153с.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1978-Вейкман Х.К. Типы роста атмосферных ледяных кристаллов. В сб.: "Вопросы физики
облаков". Л. Гидрометеоиздат, 1978. с.97-101.
Weickmann H. The ice phase in the atmosphere. 1948.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1978-Pruppacher, H.R. Clett J.D. Microphysics of clouds and precipitation. D. Riedel Publishing
Company, 1978. 714 p.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1985-Дюнин А.К. В царстве снега. Издательство Наука. Новосибирск. 1983. 161с.
В Книге Дюнина Аркадия Константиновича имеется глава «Разнообразие снежных
кристаллов».
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1986-Снег. Справочник. Под ред. Д.М. Грея, Д.Х. Мейла. Л. Гидрометеоиздат. 1986. 751с.
90
1991-В Японии в Asahikawa (Hokkaido) открылся музей кристаллов снега (Snow Crystals
Museum).
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1993-Эрик Эрбе, США.
В 1993 году американский фитопатолог Эрик Эрбе получил изображение снежинок с помощью
электронного микроскопа. Для этого он поместил снежинки на охлажденную медную
пластинку, покрытую раствором метилцеллюлозы-клейкого нертного вещества, не
замерзающего при слабом морозе. Снежинки прилипли. Пластинку со снежинками погрузили в
жидкий азот (-196 градусов). Затем на снежинки напылили платину и поместили на
охлажденный предметный столик электронного микроскопа. Получились удивительные
картинки. Сайт с картинками-http://emu.arsusda.gov/snowsite/default.html.
Рис. 3-2-34. Фотография снежинки, полученная с помощью электронного микроскопа.
91
Low Temperature SEM of Precipitated and Metamorphosed Snow Crystals Collected and Transported
from Remote Sites. Journal of the microscopy society of America. 1996. vol.2 №3.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1994-Японский исследователь Масару Эмото (Masaru Emoto) с 1994 г. изучает структуру
кристаллов воды (снежинок) при различных воздействиях. Структура воды проявлялась в виде
различных форм кристаллизации воды (снежинок).
92
2001-Kenneth Libbrecht, США.
Рис. 3-2-35. Kenneth Libbrecht.
Рис. 3-2-36. Установка для фотографирования снежинок.
93
В 2001 году Kenneth Libbrecht начинал делать фотографии снежинок с фотографом Patrica
Rassmussen, и с ней он выпустил книгу-Kenneth G. Libbrecht. The Snowflake: Winter's Secret
Beauty, with photographer Patricia Rasmussen, Voyageur Press, October 2003
В 2001 году Кеннет Либбрехт (Kenneth Libbrecht) из Калифорнийского технологического
института развил теорию о прямой зависимости уникальной формы снежинок от окружающих
ее внешних факторов среды-показателей влажности и температуры воздуха. Он подтвердил это
в своих экспериментах, поставленных в лабораторных условиях. Для этого он выращивал в
своей лаборатории кристаллы льда, и изучали подробно весь процесс зарождения и роста
снежинок. Кеннет Либбрехт так же фотографировал природные снежинки. Для этого он создал
передвижной комплекс с микроскопом в машине. Для получения красивых изображений
снежиной в микроскопе используется специальный метод подстветки цветными источниками
света. Свой комплекс он называет SnowMaster 9000. В основе комплека-цифровая камера Nikon
D1X и три высококлассных переключаемых объектива с увеличением 2х, 5х и 10х. Обычно
используется объектив 5х. Фотографии Кеннета Либбрехта можно увидеть на сайте
http://www.snowcrystals.com/
Белая магия. Популярная механика. 2008. №1. с.29-45-статья о Кеннет Либбрехте.
Рис. 3-2-37. Фотография снежинки К.Либбрехта, 2006 год.
94
Рис. 3-2-38. Книга Lenneth Libbrecht.
Kenneth Libbrecht. The Little Book of Snowflakes.
Ken Libbrecht’s Field Guide to Snowflakes by Kenneth Libbrecht. Voyageur Press. 2006. 112 p.
Рис. 3-2-39. Vicky Tanusheva за работой.
95
Kenneth G. Libbrecht. Rasmussen P. The Snowflake: Winter's Secret Beauty. Voyageur Press,
October 2003. 112 p.
Kenneth G. Libbrecht. The Little Book of Snowflakes, Voyageur Press, October 2004.
Kenneth G. Libbrecht. The Magic of Snowflakes, Voyageur Press, October 2005.
Kenneth G. Libbrecht. Ken Libbrecht's Field Guide to Snowflakes, Voyageur Press, October 2006.
Kenneth G. Libbrecht. The Art of the Snowflake, Voyageur Press, October 2007.
Kenneth G. Libbrecht. Snowflakes, Voyageur Press, October 2008.
Kenneth G. Libbrecht. The Secret Life of a Snowflake, Voyageur Press, January 2009. 48 p.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2004. Nelson Jon. Branch Growth and Sidebranching in Cnow Crystals. Crystal Growth&Design. 40.
vol.0. No.0. p.1-17.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1983-МГУ, Москва.
Хргиан Александр Христофорович (1910-1993)-доктор географических наук, профессор, с 1980
по 1987 заведовал кафедрой физики атмосферы на физическом факультете МГУ.
Мазин Илья Павлович-дфмн, профессор
-Хргиан А.Х. Физика облаков. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1961. 456 с.
-Мазин И.П. Шметер С.М. Облака. Строение и физика образования. Ленинград.
Гидрометеоиздат. 1983. 279 с.
-Мазин И.П. Хргиан А.Х. Облака и облачная атмосфера. Справочник. Ленинград.
Гидрометеоиздат. 1989. 647 с.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1989-Кабанов А.С. Макроскопическая теория кристаллизации переохлажденных жидкостей и
ее метеорологические приложения. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 72 с.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2005-Jon Nelson. Branch Growth and Sidebranching in Snow Crystals. Crystal Growth & Design.
XXXX. Vol. 0. No. 0. p.1-17. В статье подробно описан процесс роста снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2006-Величкин С. Транковский С. Как снять снежинку. Наука и жизнь. 2006. №2. с.61
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2006-Д. Святский, Т. Кладо Снежинки-чудо природы. Наука и жизнь. 2006. №2. с.97-98.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2013-Гэррет, США.
Ученые из Университета Юты (США) Тим Гэррет (Tim Garret) и Кейл Фолгэттер (Cale
Fallgatter) создали специальную многоракурсную камеру для фотографирования снежинок
(MASC, Multi Angle Snowflake Camera). Система состоит из трех высокоскоростных съемочных
камер, управляемых нфракрасным датчиком. Система позволяет снимать снежинки в полете с
выдержкой одна двадцатипятитысячная секунды. За одну ночь система позволяет получить
десятки тысяч снимков снежинок. Полученные снимки показывают, что в реальности
поведение снежинок существенно отличается от того, как представлялось ранее.
96
Рис. 3-2-40. Фотография снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2013-Beltsville Electron-США
В США в центре микроисследований Beltsville Electron с помощью электронного микроскопа
получили изображение снежинки, увеличенной в 36000 раз.
Рис. 3-2-41. Изображение снежинок, полученное с помощью электронного микроскопа.
97
3.3 Современные зарубежные фотохудожники, фотографирующие снежинки.
На сайте www.flickr.com имеется несколько групп:-snowflakes (group)-снежинки,
-Awesome Snowflakes (group)-снежинки,-ice is nice! (groop)-узоры на окнах.
1997-Mark Cassino-США
Марк Кассино (Mark Cassino) живет в Kalamazoo (Michigan,USA). Он выпустил альбом с
фотографиями снежинок:
“Imperfect Symmetry: Snowflake Photographs.” By Mark C. Cassio.
Особенностью его фотографий является подчеркивание нарушенной симметрии снежинок.
Фотографирует снежинки с 1999 года. Принимает участие в выставках с 2002 года. Сделал 117
фотографий.
http://www.markcassino.com
Рис. 3-3-1. Книга Mark Cassino.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2003-Kinsman-USA
Научных фотограф Ted Kinsman (Rochester, NY, USA) занимается научной фотографией, и в
том числе фотографированием снежинок. В период 2004-2005 он сделал 139 фотографии
снежинок. Сайт http://www.sciencephotography.com
-Krisman. Photographing Snowflakes. Microscopy UK. 2000, February.
Рис. 3-3-2. Фотография снежинки.
98
2006-David Drexler
David Drexler фотографирует с помощью фотоаппарата Canon S2 IS и макрообъектив Raynox.
Сделал 122 фотографии снежинок.
Рис. 3-3-3. Фотография снежинки.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2007-Linden Gledhill
Linden Gledhill сделала 16 фотографий снежинок. Фотографирует снежинки целиком и их
фрагменты.
Рис. 3-3-4. Фотография снежинки.
99
2009-Pam Eveleigh
Pam Eveleigh снимает камерой Nikon D2000. Сделал 149 фотографий.
Рис. 3-3-5. Фотография снежинки.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2013-Peres, США.
Профессор из Нью-Йорка Michael Peres занимается фотографированием снежинок через
микроскоп. В его коллекции 52 фотографии.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2013-Don Komarechka, Канада.
В 2013 году фотограф из Barrie, Ontario, Canada) Don Kanarechka выпустил альбом с
фотографиями снежинок.
Don Komarechka. Sky Crystals. Unraveling the Mysteries of Snowflakes. 304 p.
Рис. 3-3-6. Книга Don Komarechka.
Адрес сайта Don Komarechka-http://www.donkom.ca, http://skycrystals.ca/snowflake-gallery/
100
2013-Yoshinori Furukawa-Japan
В Японии фотографированием снежинок занимается Yoshinori Furukawa. Он работает в Institute
of Low Temperature Science Hokkaido University Sapporo.
Рис. 3-3-7. Фотографии снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2013-Fred W. Widall
Fred Widall фотографирует с помощью фотоаппарата Pentax K-01, объектив EI-Nikkor 50mm.
Сделал 256 фотографий. Фотографирует снежинки целиком и их фрагменты.
101
3.4 Современные Российские фотохудожники, фотографирующие снежинки.
2010-Андрей Осокин, Россия, Москва.
Андрею Осокину 43 года, он увлекается фотографией около 10 лет. «Моей первой камерой
стала Nikon COOLPIX L2, именно она помогла мне я начал научиться снимать макро, затем
были зеркальные камеры: D40, D80, а сейчас D90»-рассказывает он о себе.
Рис. 3-4-1. Фотография снежинки.
102
2011-Алексей Клятов, Россия, Москва.
Алексей Клятов (Alexey Kljatov) фотографирует снежинки на балконе с помощью самодельной
камеры на основе Canon F650 с объективом Гелиос 44М-5 и создает фантастические
макроснимки снежинок. У него нет дорогого оборудования, фотоустановку Алексей собрал
из частей старого фотоаппарата, досок, винтов и скотча. Снежинки он снимает иногда под
углом на шерстяной ткани в естественном свете, но чаще — на стекле, просвечивая
светодиодным фонариком с обратной стороны.
Рис. 3-4-2. Фотография снежинки.
Дополнительные материалы можно найти на сайте
http://chaoticmind75.blogspot.ru/2013/08/blog-post_8462.html
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2012-Сергей Кичигин, Россия, Вологда.
В 2012 году в Вологде состоялась персональная фотовыставка Вологодского фотографа Сергея
Кичигина «Снежное кружево». На выставке было представлено более 20 фотографии снежинок.
Рис. 3-4-3. Фотография снежинки.
103
2009-Nick Fornit
Автор сайта http://www.scorcher.ru псевдоним Nick Fornit разместил галерею своих фотографий
снежино (125 фотографий).
Страница сайта-http://www.scorcher.ru/photo/nan/gallery72/gallery.php
Рис. 3-4-4. Фотография снежинки.
104
Глава 4. Образование снежинок.
4.1 Влияние температуры и влажности на форму снежинок.
Исследование зависимости формы снежинок от условий кристаллизации (температура и
влажность) занимались различные ученые.
-1947-Weickman H.-Англия
-1951-Kampe-1954-Nakaya-Япония-первый вырастил искусственную снежинку.
-1957-Kobatashi-Япония
-1958-Mason B.J.-Англия
-2001-Libbrecht-США.
-2009-Knepp-США.
Weickmann H. 1947. The ice phase in the atmosphere. Reports and translations. No.716 (Volkenrode).
Ministry of Supply. London.
H.J. Kampe, H.K. Weickmann, J.J Kelly. 1951. The influence of temperature on the shape of ice
crystals growin at water saturation. J. Meteor. 8. 168-174.
Bailey M. Hallett J. Growth Rate and Habits of ice crystals between-20 and-70. Journal of atmospheric
sciences. 1 march 2004. p.514-544.
В настоящее время исследования кристаллизации проводятся в различных организациях:
Charles Knight, National Center for Atmospheric Research Dennis Lamb, Jerry Harrington, Penn State
Brian Swanson, Marcia Baker, University of Washington John Hallett, Desert Research Institute
Raymond Shaw, Michigan Technological University Norihiko Fukuta, University of Utah Yoshinori
Furukawa, Hokkaido University (Japan) John Wettlaufer, Yale University
Кристаллизация воды в виде дендритов (снежинок) достаточно хорошо изучена. Форма и
размер снежинок зависит от температуры. При низких температурах возникает много центров
кристаллизации и образуется много мелких сферических крупинок. Чем ближе температура к 0
градусов, тем более крупные и правильные снежинки. При высокой влажности образуются
разветвленные кристаллы. При низкой влажности образуются пластинки.
105
Рис. 4-1-1. Фазовая диаграмма, составленная У.Накайя в 1936 году.
106
Рис. 4-1-2. Зависимость формы снежинок от температуры и влажности.
107
Основная форма ледяного кристалла определяется температурой, при которой он растет,
тогда как скорость роста и вторичные особенности зависят от степени пересыщения. Изменения
формы обусловлены различиями в относительных скоростях роста граней кристалла; кристаллы
могут быть призматическими или пластинчатыми в зависимости от того, какие грани растут
быстрее-боковые или базальные. При температуре от 0 до-4 °С преобладают пластинчатые
кристаллы; от-4 до-10 °С-призмы, спирали и иглы; от-10 до-20 °С-толстые пластинки, дендриты
и гексагональные пластинки, а от-20 до-35 °С-полые столбики. Основные изменения формы
кристаллов отмечаются примерно при температурах-4,-10, и от-20 до-22 °С, при которых
кривые, характеризующие скорость роста базальных и боковых граней, пересекаются.
Таблица 2-4. Зависимость формы снежинок от температуры.
Диапазон температур
Форма снежинок
От-3 до-8
Иглы
От-8 до-25
Пластинки, секторные звезды
От-10 до-20
Звездчатые дендриты
Меньше-20
Призмы, одиночные кристаллы
Меньше-30
Пучки из призм
От 0 до-3-тонкие гексагональные пластинки,
От-3 до-5-иголки,
От-5 до-8-призмы с выемкой,
От-8 до-12-гексагональные пластинки,
От-12 до-16-дендритные кристаллы,
От-16 до-25-пластинки,
От-25 до-50-призмы с полостью
Дендритные кристаллы льда на окнах образуются при не очень низкой температуре из
тонкой пленки воды на поверхности оконного стекла.
Иногда образуются трехмерные дендритные кристаллы. Ветви дендрита отходят под
углом 70 градусов.
Таблица 2-5. Форма снежинок.
Вода
2D кристаллы
Правильные Шестиугольна пластина
P1a
3D кристаллы
Шестиугольная призма
C1e
3D кристалл
Шестигранная
пластина
C1g
Solid thick plate
Скелетный
Простая звезда
1-го порядка P1d
Полая призма
Hollow columns
108
Скелетный
P1e
2-го порядка
Скелетный
3-го порядка
Дендрит
4.2 Процесс образования снежинок.
Существуют различные объяснения того, почему снежинки имеют симметричную
форму. Стандартным объяснением является то, что снежинки растут в свободном пространстве,
и их форма определяется изменениям, происходящими во внешней среде. Так как внешняя
среда со всех сторон одинакова, то и снежинки растут симметрично.
В 1957 году Маклаклан объяснил симметрию роста снежинки наличием термических
акустических стоячих волн в растущей снежинке. Боковые дендритные ветви будут вырастать
на узловых точках стоячих волн в иглах.
McLachlan D. Proc. Natl. Acad. Sci. 43, 143, (1957).
Очень изменчивая форма снежинок объясняется высокой степенью нестабильности
роста снежинки. При малейших изменениях окружающей среды (температура и влажность)
происходит изменение кристаллизации. Прежде всего, происходит изменение скорости притока
кристаллизующегося вещества к растущему кристаллу, и изменяется скорость кристаллизации.
Например, при большой скорости притока вещества растут грани, при малой скорости притока
растут вершины.
109
При наличии микро или наночастиц (пылинки, микробактерии, заряженные ионы) в
воздухе происходит конденсация молекул воды на поверхности частиц. Образование
сферической капли воды. Одним из первых, кто указал на возможность кристаллизации
снежинок на мельчайших частицах, был А. Вегенер в прошлом веке.
В этот момент начинает существенную роль играть зависимость давления насыщенных
паров от радиуса кривизны поверхности. Чем меньше радиус капельки воды-тем интенсивнее
испарение. В связи с этим в случайном множестве образовавшихся капелек большие капельки
начинают расти за счет маленьких капелек.
Рассмотрим случай трехкомпонентной среды-одновременного присутствия в среде
мелких капель воды, очень мелких капель воды и кристалликов льда. На первом этапе
количество очень мелких капель воды будет уменьшаться, а мелкие капли воды и кристаллы
льда будут расти. Когда пропадут все очень мелкие капли, начнут уменьшаться оставшиеся
капли воды и продолжат расти кристаллы льда.
Рис. 4-2-1. Потоки молекул воды между каплями воды и кристаллом льда.
Кристаллизация сферической частицы с образованием правильного кристалла воды в
виде плоской шестигранной пластины.
Рис. 4-2-2. Последовательные этапы образования призматического кристалла воды.
110
При медленной (низкой влажности) кристаллизации из шестигранной пластины
вырастает призматический кристалл.
-при быстрой кристаллизации (высокой влажности) из шестигранной пластины вырастает
шестигранный дендрит. Чем выше влажность, тем более сильный приток вещества, и тем более
разветвленной вырастает снежинка.
Рост снежинки начинается с шестиугольной пластинки. На следующем этапе более
быстро происходит кристаллизация в вершинах шестиугольника. При кристаллизации воды
выделяется скрытая теплота кристаллизации, которая замедляет рост на гранях, и начинают
расти вершины, получается дендрит. Более быстрому росту вершин так же способствует боле
высокая плотность молекул воды, по сравнению с плотностью у граней.
Рис. 4-2-3. Последовательные стадии роста скелетного кристалла снежинки.
Форма и рост снежинка определяется двумя факторами-внутренним и внешним.
Внутренний фактор-это кристаллическая решетка кристалла воды. Этот фактор всегда один и
тот же, он задает общую структуру снежинки-гексагональную структуру. Внешний факторсостояние среды вокруг снежинки. Этот фактор все время изменяется, что и обуславливает
многообразие форма снежинок. Изменения внешнего фактора определяется двумя основными
причинами:
А-плавные изменения состояния среду, связанные с падением капли. При падении капли
уменьшается высота и повышается температура окружающего воздуха. Плавные изменения
определяют общий тип (класс) формы снежинки.
Б-флуктуационные изменения состояния среды вокруг капли. Они определяют тонкую
структуру формы снежинки, конкретное расположение лучей.
111
Рис. 4-2-4. При флуктуации внешних условий происходит образование боковых ветвей.
Обычно состояние среды описывают с помощью двух макропараметров-температура и
влажность. Обычно принято считать, что образование снежинок происходит из газовой фазы.
Однако это не так. Рост снежинок происходит из жидкой фазы-тонкой пленки на поверхности
растущего кристалла. Несмотря на температуру окружающей среды около-18 градусов, вода
находится в жидком состоянии:
-в виде переохлажденной воды в виде капелек (если нет большого числа центров
кристаллизации, пылинок, микробактерий),
-в виде связанной вода на поверхности кристаллов, связанная вода не замерзает при такой
температуре.
На основе этого можно сделать вывод, что влажность важна, но не является
определяющей при формировании конкретной структуры кристалла. Определяющим
параметром является температура, так как с изменением температуры изменяются свойства
воды (фазовое состояние воды) и механизм кристаллизации.
Второй определяющий микропараметр-структура молекул воды вокруг снежинки.
Молекулы воды в воздухе вокруг снежинки могут иметь различную структуру:
А-мономеры-одиночные молекулы воды,
Б-кластеры-молекулярные комплексы, в состав которых могут входить от нескольких единиц
молекул до нескольких сот и тысяч молекул. Размер микрокластеров-нанометры.
В-микрокапельки воды-это уже капельки переохлажденной воды размером в микрометры,
Г-макрокапельки воды-это капельки переохлажденной воды размером в доли миллиметра.
112
При появлении в окружении капли большого числа больших кластеров кристаллизация
становится не молекулярной, а кластерной. К поверхности кристалла присоединяются не
отдельные молекулы, а большие кластеры. Эти кластеры становятся центрами кристаллизации.
Это способствует началу формирования новых боковых ветвей.
Основным физическим параметром, определяющим форму снежинок является
зависимость давления насыщенных паров над поверхностью льда и поверхностью
переохлажденной воды.
Рис. 4-2-5. Давление насыщенных паров над поверхностью льда и воды.
Так как давление насыщенного пара у поверхности воды выше, то молекулы воды в
результате диффузии перемещаются к кристаллам льда. Происходит рост кристаллов льда за
счет капель воды. Отметим, что это не налипание капель воды на кристалл льда, а
перераспределение молекул воды. Температура, при которой разность давлений максимальная
(-12 градусов) назовем критической температурой.
Отсюда следует основной закон формообразования снежинок:
Чем сильнее температура окружающей среды отличается от критической температуры (-12
градусов), тем менее интенсивный массоперенос молекул воды от капель воды к растущим
кристаллам, тем медленнее происходит процесс роста кристаллов льда, и тем более правильная
форма кристаллов образуется.
И наоборот, чем ближе температура окружающей среды к критической температуре (-12
градусов), тем боле интенсивный массоперенос от капель воды к растущим кристаллам льда, и
тем более разветвленными образуются снежинки.
Однако имеется некоторая тонкость. Реальная поверхность растущих кристаллов льда
это не поверхность льда, а поверхность льда, покрытая тонким слоем воды. Значит, получается,
что давление насыщенных паров над поверхностью растущего кристалла льда равняется
давлению насыщенных паров над поверхностью воды, и ничего не получается. Разгадка очень
простая. Пленка воды на поверхности льда является свободная вода, а связанная вода, которая
обладает принципиально другими свойствами, отличными от свойств связанной воды. Чем
сильнее связана вода с поверхностью льда, тем сильнее отличие этих свойств. Так как
молекулы связанной воды сильнее связаны, то давление насыщенных паров будет меньше, чем
у свободной воды. Однако, из-за наличия пленки воды на поверхности кристалла температура,
при которой образуются дендриты льда-снежинки составляет не-12 а-15 градусов.
113
4.3 Причины образования скелетных кристаллов-снежинок.
Скорость роста граней.
Принцип Бравэ, высказанный в 1851 г.-скорости роста различных граней кристалла зависят от
их ретикулярной плотности (числу узлов плоской сетки, приходящихся на единицу
поверхности). Чем выше плотность атомов на грани-тем меньше скорость роста грани. У
кристаллов льда наибольшей плотностью обладает базисная плоскость. Поэтому скорость роста
кристалла в направлении главной оптической оси меньше, чем в направлении боковых
плоскостей. Поэтому образуются плоские шестигранные кристаллы.
При присоединении молекул воды к горизонтальному слою молекул сбоку образуется
три связи, и большой выигрыш энергии. При присоединении молекулы воды сверху к
кристаллическому слою образуется всего одна связь, и малый энергетический выигрыш.
Следовательно, энергетически выгоднее кристаллу расти боковыми гранями.
Во многих работах отмечается, что одним из основных условий образования скелетных
кристаллов является высокое пересыщение. Однако, это причина образования, а не механизм
образования скелетный кристаллов. Физика процесса образования скелетных кристаллов
состоит в следующем принципиальном механизме.
1-При равновесной кристаллизации молекулы вещества имеют возможность несколько
раз присоединиться и отделиться от кристалла. При равновесии от кристалла отделяется
столько же молекул, сколько присоединяется к нему. Поэтому молекулы фиксируются в том
положении, в котором достигается максимальный выигрыш в энергии-в узлах кристаллической
решетки. Образуется правильный кристалл.
2-При неравновесной кристаллизации, при сильном пересыщении, у молекул имеется
всего одна попытка. С ростом пересыщения повышается вероятность захвата молекулы
растущим кристаллом. К кристаллу присоединяется много молекул, а отделяется мало молекул.
Молекулы фиксируются на кристалле в том месте, где имеется наибольшая вероятность
встречи молекулы с поверхностью кристалла. В связи с этим наиболее быстро растут
выступающие части-ребра вершины.
При равновесной кристаллизации грани растут параллельно. При неравновесной
кристаллизации (при сильном пересыщении) в каждый дискретный момент времени на
поверхность кристалла должны сесть молекулы, удаленные от поверхности на некоторое
раастояние L. Количество осевшего вещества (для двумерного кристалла) пропорционально
площади в полосе шириной L от поверхности кристалла. Количество вещества, осевшего на
вершину угла между двумя гранями, гораздо больше, чем количество вещества, осевшего на
грани. Следовательно образуется выступ на вершине. На следующей итерации выступ опять
поглотит больше вещества, и удлиниться гораздо сильнее, чем вырастут грани.
Рис. 4-3-1. Приращение граней при равновесной кристаллизации.
114
Рис. 4-3-2. Скелетный рост при быстрой кристаллизации.
Молекулы воды, находящиеся на вершинах и ребрах граней кристалла имеют больше
ненасыщенных связей, чем молекулы, находящиеся на гранях. Поэтому они являются более
способными к образованию новых зародышей при кристаллизации.
Исходным кристаллом при кристаллизации снежинок является тонкая гексагональная
пластинка, и кристалл представляет из себя плоский двумерный кристалл. Возможны три типа
процесса кристаллизации в зависимости от скоростей кристаллизации:
V1-скорость роста плоской шестиугольной грани,
V2-скорость роста плоской боковой грани (боковое ребро плоского кристалла),
V3-скорость роста вертикального бокового ребра (вершина плоского кристалла).
1-Равновесная кристаллизация. V1>V2>V3. Вырастает снежинка в виде длинной призмы, так
как присоединение к плоской шестигранной грани наиболее выгодно при образовании
правильного кристалла.
2-Пересышение. V1<V3<V2. При пересыщении не растет плоская шестиугольна грань.
Кристалл растет как правильный плоский кристалл-шестиугольная пластина. Данную форму
кристалла можно рассматривать как реберный скелетный кристалл правильного трехмерного
кристалла.
3-Большое пересыщение. V1<V2<V3. Перестают расти боковые ребра и растут только
вершины. Кристалл растет как плоский скелетный кристалл-в виде плоского дендрита.
Следующим сложным вопросом является вопрос: как данный механизм роста скелетного
кристалла реализуется в образовании конкретной формы дендрита скелетного кристалла. Для
этого необходимо рассматривать распределение плотности кристаллизующихся молекул и
плотности примесей (изохоры плотности молекул и примесей) в пространстве вокруг растущего
кристалла. Боковые ветви у скелетного кристалла появляются тот момент, когда меняются
внешние условия, например, в среде появляется много крупных кластеров молекул воды.
Кластеры прилипают к поверхности с служат центрами дальнейшего кристаллообразования
боковых ветвей.
4.4 Почему снежинка плоская и симметричная.
Самым интересным является вопрос-почему снежинка плоская? Почему она не растет во
все стороны? Ответ на этот вопрос простой: форма снежинки определяется потоком внешней
среды.
Если снежинка имеет вид столбика, то она падает вертикально вниз. Поток набегает на
торец призмы. Рост осуществляется с торца.
Обычно снежинка зарождается в виде плоской призмы. В этом случае траектория
движения снежинки является очень сложной, на вращается и скользит по воздуху. Корость
115
падения снежинок составляет от 0,1 м/с до 2 м/с. Но в любом случае составляющая скорости
вдоль плоскости снежинки гораздо выше составляющей скорости перпендикулярной плоскости
снежинки. Таким образом в системе координат снежинки существует набегающий поток
воздуха с торца. В связи с этим поступление молекул воды (кристаллизующегося вещества)
осуществляется с боковой грани, и боковая грань растет быстро. Молекул воды пролетают
параллельно плоской грани снежинки, и поэтому к ней не происходит прилипание. При
движении снежинка вращается, и поэтому она растет симметрично во все стороны. Время
оборота снежинки вокруг оси гораздо меньше скорости изменения окружающей среды.
Поэтому прирастание снежинки со всех сторон одинаковое и снежинка симметрична.
Рис. 4-4-1. Рост снежинки в виде пластинки с торца за счет набегающего потока воздуха (вид
сбоку).
Рис. 4-4-2. Рисунок траектории движения снежинок из книги: Вейнберг Б.П. Снег, иней, град,
лед и ледники. Mathesis. Одесса. 1909.
116
4.5 Перекристаллизация снежинок.
При анализе формы снежинок необходимо иметь в виду то существует несколько
процессов, связанных с образованием снежинок:
1-рост снежинок за счет конденсации воды,
2-уеньшение снежинок за счет сублимации,
3-изменение формы за счет перекристаллизации.
Например, образование провалов на плоских гранях снежинок возможно двумя путями:
они образовались при росте снежинки или они образовались в результате сублимации.
Перекристаллизация-это процесс перестройки кристаллической структуры. Процесс
перекристаллизации происходит в случае, если снежинка находится в изотермических
условиях. В этих случаях происходит перераспределение молекул воды в кристалле из
вогнутых частей кристалла на другие места кристалла. В результате этого процесса происходит
отделение частей снежинки, их округление, и слияние частей.
Рис. 4-5-1. Перекристаллизация снежинок. Цифрой обозначено количество дней, прошедших с
начала перекристаллизации.
-Bader, H. and others. 1939. Del' Schnee und seine Metamorphose, von H. Bader, R. Haefeli, E.
Buchcr, J. Neher, O. Eckel, C. Thams, P. Niggli. Beitrage zur Geologie der Schweiz. Geotechnische
Serie. Hydrologie, Lief. 3.
-[English translation: U.S. Snow, Ice and Permafrost Research Establishment. Translation 14, 1954.]
-Neggli P. Gesteine und Minerallagerstatten Bd. 1. Basel, Verl. Birkhauser. 1948.
Явление перекристаллизации необходимо отличать от явления оттаивания снежинок,
которое проявляется аналогичным образом. Перекристаллизация-длительный процесс, а
оттаивание-очень быстрый процесс.
117
4.6 Структура границы раздела фаз воды (твердой и газообразной).
Рост снежинки происходит из тонкой пленки воды, покрывающей растущий кристалл.
Можно предположить, что толщина пленки зависит от влажности, а структура воды в пленке
зависит от температуры.
Ледяные кристаллы будут появляться скорее в результате замерзания переохлажденной воды,
чем пара (сублимации), так как поверхностная энергия на границе между твердой частицей и
паром больше, чем у поверхности раздела твердая частица — вода.
Когда температура понижается, структура переохлажденной воды постепенно становится
похожей на структуру льда.
Рис. 4-6-1. График зависимости плотности молекул воды на границе раздела фаз:
1-пар, газовая фаза, нет структуры,
2-вода, жидкая фаза, частичная структура, плотность воды в пленке-2 г/см3,
3-лед, твердая фаза, кристаллическая структура, плотность льда-0,92 г/см3.
Рис. 4-6-2. Зависимость энергии молекулы от положения относительно границы раздела фвз.
118
При наличии большого числа замерзших микрокапелек происходит налипание
микрокапелек на поверхность кристалла.
При наличии в воздухе одновременно кристалла снега (гексагональной пластинки) и
капельки воды молекулы воды будут переходить с капельки на кристалл. Капелька будет
уменьшаться, а кристалл будет расти.
При попадании микрокапельки воды на поверхность кристалла она растекается по
поверхности кристалла. В дальнейшем кристаллизация происходит из тонкой пленки воды,
покрывающей кристалл. Вода на поверхности кристалла является связанной. Структурирование
воды на поверхности распространяется на толщину слоя порядка сотен молекулярных слоев. С
температурой замерзания связанной воды имеются некоторые проблемы. Связанная вода при
понижении температуры до-100 градусов не замерзает, а происходит стеклование воды.
Коэффициент теплового расширения, вязкость и плотность связанной воды так же изменяются.
Поэтому микрокапельки не замерзает сразу при касании с поверхностью кристалла.
При температуре-20 градусов у воды имеется фазовый переход, вода меняет свою структуру.
Если вода ниже 0°С сохраняет не замерзшее состояние, например, будучи мелкодисперсной, то
около-20°С резко увеличивается ее теплоемкость. Это установили американские ученые,
исследуя свойство водных эмульсий, образованных капельками воды диаметром около 5
микрон.
Определить значение криоскопической температуры, при которой начинается
превращение связанной воды в лед, можно на основе изучения теплофизических свойств зерна.
Так, удельная теплоемкость зерна с понижением температуры уменьшается. Но при влажности
выше 15% при некотором значении отрицательной температуры наблюдается повышение
температуры в калориметре (в результате выделения теплоты фазового перехода связанной
воды в лед). Это дает возможность рассчитать криоскопическую температуру.
Таблица 2-6. Зависимость криоскопической температуры от влажности.
Влажность %
27,5
25,0
22,5
20,0
17,5
Криоскопическая 0
-1,5
-3,5
-7,0
-20,0
температура
16,5
-28,5
Температура замерзания воды зависит так же от диаметра капли. Чем меньше диаметртем ниже температура замерзания. При диаметре 1,57мм температура замерзания составляет-6,4
градуса, при диаметре 0,24мм--13,3 градуса, при диаметре 0,06--18 градусов. Однако это можно
объяснить тем, что чем меньше размер капли-тем меньше вероятность образования центра
кристаллизации.
4.7 Моделирование роста снежинок.
Моделированию процесса роста снежинок посвящено много работ. Обычно проводят
моделирование роста кристаллов в стационарной среде при некотором фиксированном
значении параметров (температура, влажность). Но особенность роста снежинок состоит в том,
что при кристаллизации параметры среды все время изменяются. Изменение параметров
производится двумя путями.
1-случайное колебании параметров среды относительно некоторого среднего значения, которое
характеризует общий тип кристалла.
2-плавное изменение среднего значения параметров моделирующих изменение высоты.
Моделирование роста снежинок лучше всего производить на гексагональной дискретной
решетке, которая соответствует строению кристаллической решетки.
119
Рис. 4-7-1. Шестиугольная дискретная решетка.
Матюшев Л.М. Горбич Л.Г. Принцип Кюри и ограниченная диффузная агрегация. Письма в
ЖТФ. 2003. том 29. вып.13. с.36-42.
При разработке модели роста снежинок проф. Джанко Гравнер (Janko Gravner) из
Калифорнийского университета и Дэвид Гриффит (David Griffeath) из университета
Висконсина-Мэдисон смоделировали рост снежинки с помощью модели клеточных автоматов.
Они учитывали температуру, атмосферное давление и плотность водяного пара. Варьируя эти
параметры, ученым удалось смоделировать снежинки естественных форм.
-J. Gravner, D. Griffeath, Modeling snow crystal growth I: Rigorous results for Packard’s digital
snowflakes, Experimental Mathematics 15 (2006).
http://www.metafysica.nl/ontology/general_ontology_29m1a.html
4.8 Восстановление различных фаз роста снежинки, решение обратной задачи.
Анализируя форму снежинки часто можно выделить различные стадии (фазы) роста
снежинки. Задача ставится чисто математически-как из статической картинки восстановить
динамику роста снежинки, восстановить все стадии роста. Это называется решение обратной
задачи. Из статики восстановить динамику.
Основные предположения:
-снежинка представлена в виде дендрита,
-рост ветвей дендрита происходит с одинаковой и постоянной скоростью.
Возможно создание компьютерной программы, которая будет автоматически рассчитывать все
промежуточные стадии кристаллизации снежинки. Для создания такой программы существует
несколько простых правил, на основе которых происходит рост снежинки. Самый простейший
алгоритм восстановления динамики состоит из нескольких этапов.
-На первом этапе на основе фотографии снежинки строится бинарное (черно-белое)
изображение снежинки, фон-черный (0), снежинка-белая (1) (на гексагональной решетке).
-На втором этапе строится скелет бинарного изображения снежинки.
-На третьем этапе при прокручивании времени назад на каждом кванте времени на скелете
снежинки выделяются все концевые вершины и удаляются.
-На следующем шаге опять выделяются все концевые вершины и удаляются. И так далее. На
основе этого простого алгоритма восстанавливается динамика роста снежинки.
120
Рис. 4-8-1. Снежинка с четырьмя фазами роста (формула cbbb):
1-фаза пластинки (на первой фазе было четыре периода с различными скоростями
кристаллизации)
2-фаза ветвей первого порядка,
3-фаза ветвей второго порядка,
4-начало роста ветвей третьего порядка.
О том, что форма снежинок представляет собой запись состояния атмосферы на разных
высотах по пути падения снежинки, писал Вейнберг Б.П. в своей книге в 1909 году. Он писал,
что каждая снежинка представляет собой запись метеорологических данных. Каждая снежинка
представляет собой записыватель метеорологических показателей на пути своего падения,
записывающих эти явления своей плотью и кровью. Но эта запись пока представляет собой
иероглифы, которые пока трудно понять. В настоящее время появилась возможность
расшифровать эти иероглифы.
Рис. 4-8-2. Снежинка с тремя лучами.
121
Рис. 4-8-3. Снежинка с шестью лучами.
Рис. 4-8-4. Снежинка с двенадцатью лучами.
122
4.9 Классификация снежинок.
4.9.1 История создания классификации снежинок.
1910-Шушкевичем И.Б. была составлена одна из первых наиболее подробных классификаций
форм снежинок и описание метеоусловий, при которых они образуются.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1938-Nakaya, U. Sekido, Y. 1938. General classification of snow crystals ad their frequency of
occurrence. J. Fac. Sci. Hokkaido Imperial Univ. Ser. II I-9, 234-264.-21 тип снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1940-Вейнберг Б.П. Лед. М.-Л. Гидрометеоиздат. 1940. 148с. В книге предложена расширенная
классификация снежинок.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1951-Рабочая группа Международной комиссии по снегу и льду под руководством М.ДеКервена приняла довольно простую и получившую широкое распространение классификацию
твёрдых осадков. В 1954 году вышла измененная классификация. National Research Council.
1954.
-The International classification for snow. Int. Assoc. Sci. Hydrol. Tech. Memo. 31, Nat. Res. Counc.
Can. Ottawa, Ontario.
-The international classification for snow (with special reference to snow on the ground). Ottawa,
1954.
-Canada. National Research Council. 1954. The international classification for snow (with special
reference to snow on the ground) issued by the Commission on Snow and Ice of the International
Association of Hydrology. Canada. JVational Research Council. Associate Committee on Soil and
Snow Afechanics. Technical Memorandum No. 31.
-Русский перевод: Международная классификации снега. В книге Материалы гляциологических
исследований, хроника, обсуждения. вып. 10. Москва. Институт географии АН ССР. 1964.
с.254-265.
Международная комиссия по снегу и льду (ICSI-International Commission on Snow and
Ice) в настоящее время преобразована в Международную ассоциацию криосферных наук
(IACS-International Association of Cryospheric Sciences).
В 1985 году была сформирована рабочая группа по классификации снега (Working Group
on Snow Classification), задача которой состоит в подготовке новой классификации снега.
В 1990 году была выпущена новая Международная классификация снега.
В 2009 году рабочей группой по классификации снега была принята ICSSG-“International
Classification for Seasonal Snow on the Ground” в Париже в рамках International Hydrological
Programme.
Согласно классификации 1951 года, 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.
123
Рис. 4-9-1. Классификация снежинок, предложенная международной комиссией по льду и
снегу, 1951 год.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1954-Nakaya Ukichiro. Snow Crystalls: Natural and Artificial. Cambridge. Harvard University Press.
1954. 510 p.-42 тип снежинок.
Рис. 4-9-2. Классификация снежинок, предложенная Накайя в 1954 году.
124
1955-Заморский Александр Дмитриевич (Главная Геофизическая Обсерватория, СанктПетербург) предложил классификацию снежинок.
Заморский А.Д. Атмосферный лед. Иней, гололед, снег и град. М-Л.: Изд-во АН СССР, 1955.
380с.
Он выделил 9 основных форм снежинок: иглы, пластинки, столбики, пушинки, звезды, ежи,
запонки, призмы, групповые. Девять классов разделены на 48 видов, являющихся вариантами,
комбинациями и усложнениями основных форм. Рассматривая вопрос классификации
снежинок Заморский отмечает, что ранее созданные классификации являются
морфологическими, и не отражают причин образования разнообразия форм. Необходима новая
классификация, отражающая генезис форм снежинок.
Заморский А. Д. Снежные формы осадков из зимних ли вневых облаков. Труды ГГО,
вып.7, 1948.
3аморский А.Д. Сублимационный рост снежинок. Труды ГГО, вып.13,1948.
Заморский А.Д. Формы снежинок. Труды ГГО, вып. 13,1948.
3аморский А.Д. Коагуляционный рост снежинок. Труды ГГО, вып.24, 1950.
Заморский А.Д. Иней, изморось, гололед. Л. Гидрометеорологическое изд-тво. 1951. 65с.
Заморский А.Д. Атмосферный лед. Его виды и условия образования. Диссертация доктора
геологических наук. Ленинград. 1951.
Заморский А.Д. Атмосферные явления. Гидрометеоиздат. 1954.
Заморский А. Д. Атмосферный лед. Иней, гололед, снег и град. М-Л. Изд-во АН СССР, 1955.
380с.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1960-Клинов Ф.Я.-Институт Прикладной Геофизики-Россия-Обнинск
Клинов Филипп Яковлевич (Институт Прикладной Геофизики АН СССР) предложил
классификацию снежинок, аналогичную классификации Заморского.
Клинов Ф.Я. Вода в атмосфере при низких отрицательных температурах. Издательство АН
СССР. 1960. 171с.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1966-Hokkaido University-Japan
С. Магоно (Cyoji Magono) и Сю Ли (Lee) предложили расширенную классификацию снежинок
на основе классификации Накая, которая состоит из 80 типов кристаллов.
C. Magono and C. W. Lee, Meteorological Classification of Natural Snow Crystals, Journal of the
Faculty of Science, Hokkaido University, ser. 7 (Geophys.) 1966. №2. p.321-335.
125
Рис. 4-9-3. Классификация снежинок Магона и Ли, 1966 год.
126
2010-Lindqvist H. Muinonen K. Nousiainen T. Ice crystal classification based on silhouettes. Helsinmi
2010. p. 126-129. В статье финские специалисты рассматривают классификацию снежинок на
основе геометрических параметров изображений снежинки: отношение площади снежинки к
площади описанного многоугольника, втянутость снежинки. Исследуются одиночные
кристаллы и агрегаты кристаллов.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2013-Hokkaido University-Japan
Working group for new classification of snow crystals
Kikuchi K. Kameda T. Higuchi K. Yamashita A. A global classification of snow crystals, ice crystals,
and solid precipitation based on observations from middle latitudes to polar regions. Atmospheric
Research. 2013. vol.132-133. p.460-472.-121 тип снежинок.
4.9.2 Классификация снежинок на основе последовательности фаз роста.
Классификация снежинок по фазам роста очень удобна для группировки снежинок по
классам, когда имеется большое количество фотографий снежинок. Обычно, в книгах Бентли и
Либбрехта все фотографии снежинок свалены в общую кучу. Однако все эти фотографии
можно разложить по полочкам, и все снежинки будут аккуратно сгруппированы.
Все снежинки разбиваются на два класса, которые принципиально отличаются способом
кристаллизации: двумерные снежинки и трехмерные снежинки. Возможные этапы
кристаллизации:
-двумерная кристаллизация-образуются дендритные снежинки,
-трехмерная кристаллизация-образуются иглы и призмы,
-трехмерная а затем двумерная кристаллизация-образуются призмы, а затем из них путем
двумерной кристаллизации образуются запонки.
Рассмотрим двумерные кристаллы льда (снежинки в виде дендритов) Классификация
кристаллических форм снежинок в соответствии с их развитием (генезисом) представляет
собой не таблицу, а древовидную структуру-какая форма переходит в какую. Основной
принцип при построении генетической классификации состоит в том, что более сложные
формы образуются из более простых форм. Форма снежинки постепенно усложняется в
процессе роста снежинки. Второе основное предположение состоит в том, что все
многообразие форм двумерных снежинок создается путем комбинации всего нескольких
типов кристаллизации, зависящих от скорости кристаллизации.
Двумерные снежинки образуются из зародыша с помощью нескольких типов
кристаллизации, которые зависят от некоторого параметра К. Этим параметром может быть
скорость роста снежинки, степенью пересыщения.
Биография снежинки-это временная зависимость параметра К. Для каждой снежинки
существует некоторая функция зависимости К от времени. В соответствии со значениями этой
функции и происходит формирование формы снежинки, так как каждое конкретное значение К
соответствует определенному виду кристаллизации.
Обычно зависимость К от времени является ступенчатой. Это значит, что резко
изменяются внешние условия и резко изменяется тип кристаллизации. Иногда значение К
изменяется постепенно, и постепенно изменяется тип кристаллизации.
127
Рис. 4-9-4. Снежинка с пятью фазами роста (формула cbaba): 1-пластинка, 2-широкие ветви
первого порядка, 3-тонкие ветви первого порядка, 4-широкие ветви второго порядка, 5-тонкие
ветви второго порядка.
В процессе образования снежинки можно выделить различные порядки кристаллизации.
Первый
порядок
кристаллизацц-кристаллизация
начинается
в
центре
кристаллообразования и кристалл растет в шести направлениях (пластина или лучи).
Второй порядок кристаллзации-шесть вершин становятся новыми центрами
кристаллообразования, и из шести центров начинается новый рост кристалла снежинки.
Третий порядок кристаллизации-в каждой из шести вершин имеется три вершины,
направленные наружу от центра. Эти вершины становятся новыми центрами кристаллизации и
кристалл начинает расти по 18 = 6х3 новым направлениям.
Четвертый порядок-рост по 54 направлениям.
Рост снежинок может прекратиться в любой момент. Чем дольше растет снежинка, и чем
больше изменений внешних условий-тем сложнее форма снежинки. Снежинок, у которых
процесс роста завершился на первом порядке очень мало. Снежином со вторым и третьим
порядком очень много. Пока не удалось увидель снежинку с четвертым порядком.
128
Имеется три типа кристаллизации:
А-равновесная ристаллизация-растет толстая пластина,
В-быстрая кристаллизация-растет луч и тонкая перепонка между лучами.
С-очень быстрая кристаллизация-растет луч.
Имеется две скорости кристаллизации:
-V1-линейная скорость роста-скорость роста луча в длину,
-V2-боковая скорость роста-скорость роста луча в ширину.
Если V1<V2, то лучи успевает сомкнуться и растет шестигранная пластина, режим А1.
Если V1>V2, то улчи не успевают сомкнуться, и растут только широкие лучи.
При длительном по времени кристаллизации, при длительном первичном этапе,
возможна смена режима кристаллизации. Например, АВ-шестиугольная пластинка, у которой
на некотором расстоянии от центра появляются лучи, идущие к вершинам. В-на некотором
расстоянии от центра пропадают лучи.
Рассмотрим кодировку некоторых типов снежинок в соответствии с кодировкой
классификации снежино по Magono.
P1a = A1/
P1c= A1A2/
P1d = C/
P2a = C/A
P2b = A/B
P2e = AC/C
P2f = A/B
4.9.3 Классификация снежинок по степени сложности.
Введем обозначение-O1-зародыш кристаллизации.
O1-N1a-образуются Needles-иглы, тонкая длинная призма, L>>H.
O1-N1e-образуется длинная призма.
O1-C1e-образуются Columns-столбики, призма, L=H.
O1-C1g-образуется Columns-гексагональная пластина, L<H.
O1-P1a-образуются Plates-тонкая гексагональная пластинка, L<<H.
N1a-N1b, N1a-N1c-N1d, N1c-N2b, N1a-N2a, N1a-N1e-N2c.
P1a-P1c, P1a-P2e, P1a-P2f, P1a-P2g, P1d-P1e-P1f, P2e-P2g.
C1e-C1a, C1e-C1b, C1e-C1c-C1d, C1e-C1f, C1e-C1i, C1g-C1h-CP1a-CP1b.
4.9.4 Классификация снежинок по способу образования.
Таблица 2-7. Кодировка формы снежинок.
Кристалл
Needle
Sheath
Long
Solid
Column
Название
игла
футляр
призма
Solid
Column
Обозначение
Агрегат
Двойник
Скелетный
C1e
?
C2b
?
N1a
N1b
N2a
?
N1c
N1d
N2b
?
N1e
?
N2c
?
129
призма
Solid
Broad
thick
branches
plate
пластина звезда с
широкими
ветвями
C1g
P1c
?
?
?
P4a
C1h
?
Dendritic
дендрит
P1e
?
P4b
?
4.10 Антиснежинки.
Существует аналогия двойственности между ростом и растворением. Рассмотрим
действие лучей света на лед. В результате поглощения фотонов происходит нагревание льда и
начинается плавление. Так как поглощение света сильнее всего происходит на
неоднородностях, то центрами плавления являются неоднородности-пылинки, пузырька
воздуха. В этих центрах происходит поглощение энергии света, лед в этой локальной области
нагревается и начинает таять. Этот эффект аналогичен тому, что центрами кристаллизации так
же являются неоднородности.
Внутри льда вследствие плавления образуются отрицательные кристаллы, так
называемые «ледяные цветы», «водяные цветы», имеющие форму снежинок-антиснежинки.
Впервые такие картины наблюдал английский физик Тиндаль (John Tyndall) в 1855 году при
изучении Альпийских ледников. В честь Тиндаля эти фигуры иногда называют ледяные
звездочки Тиндаля, фигуры Тиндаля, цветы Тиндаля, отрицательные кристаллы.
Антиснежинки описаны в книге:-Маэно Н. Наука о льде. Мир. 1988. 231 с.
Рис. 4-10-1. Отрицательный кристаллы-антиснежинки.
Рис. 4-10-2. Рисунок из книги Тиндаля 1872 года.
130
Рис. 4-10-3. Рисунок из книги Kruger 1955 года.
Рис. 4-10-4. Фотография цветов Тиндаля, сделанная Bentley.
131
Изучением отрицательных кристаллов льда занимался японский исследователь Nakaya
U. в 1956 году.
Рис. 4-10-5. Фотография Nakaya 1956.
Tyndall, J. Proc. Roy. Soc. A, 9, 76 (1858).
Tyndall J. The forms of water in clouds and rivers, ice and glaciers (1872).
Krüger, G. Photographie und Forschung, 8, 3 (1955).
Krüger, G. unpublished report (I), Physikalisches Institut der Technischen Hochschule,Stuttgart
(1956).
U. Nakaya, Properties of single crystals of ice, revealed by internal melting, PIPRE(Snow, Ice and
Permafrost Research Establishment) Research Paper 13 (1956)
Nakaya U. Кагаку. 26, №6, 272 (1956).
Nakaya U. Кагаку. 26, №7, 346 (1956).
Nakaya U. Кагаку. 26, №8, 401 (1956).
Nakaya, U. Res. Paper 13, Snow Ice and Permafrost Research Establishment (1956).
Nakaya, U. Snow Crystals (Harvard Univ. Press, 1954).
Muguruma, J. and Higuchi, K. J. Glaciology, 4, 709 (1963).
Keiji Higuchi. Tyndall Figures formed in Crystallographic Plane Perpendicular to Basal Plane of Ice
Crystals. Nature volume 202, issue 4931. pp. 485-487 (02 may 1964).-Department of Geophysics,
Hokkaido University, Sapporo, Japan.
Shinji Mae. Tyndal Figures at grain boundaries of pure ice. in Nature. Vol. 257. No. 5525. pages 382383. October 2. 1975.
132
4.11 Оптические явления, связанные со снежинками.
Гало-светящееся кольцо вокруг источника света (солнца).
Очень красивым природным явлением является Гало. Гало возникает в виде кругов вокруг
солнца. Появление Гало связано с наличием в воздухе снежинок. Вид наблюдаемого гало
зависит от формы и расположения кристаллов льда.
Рис. 4-11-1. Строение гало.
1-Образование малого круга 22 градуса-а.
Рис. 4-11-2. Образование малого круга (а) в 22 градуса за счет преломления света в ледяных
призмах с преломляющим углом в 60 градусов.
133
Значит, интенсивность кольца вокруг Солнца пропорциональна концентрации
кристаллов льда в виде длинных призм N1e. Если верхняя часть кольца ярче нижней, значит в
верхних слоях концентрация кристаллов выше, и наоборот. Каждая точка на малок круге
соответствует определенной ориентации призматических кристаллов. Так как основная
ориентация призматических кристаллов-вертикальная, то основная интенсивность формируется
в виде ложных солнц-b.
2-Образование ложного Солнца-b.
Ложные солнца (b) возникают из-за кристаллов льда в виде длинных призм n1e, которые
падают вниз и их оси ориентированы вертикально.
3-Образование большого круга 46 градусов-f.
Образуется за счет преломления света на 90-градусных призмах.
Рис. 4-11-3. Образование большого круга (f) в 46 градусов за счет преломления в ледяных
призмах с преломляющим углом в 90 градусов. Значит,
интенсивность
большого
круга
пропорциональна концентрации толстых пластин C1g.
Рис. 4-11-4. Рисунок из книги W. Tape, Atmospheric Halos, Antarctic Research Series, Vol. 64,
(American Geophysical Union, 1994).
R. Greenler, Rainbows, Halos, and Glories (Cambridge University Press, 1980).
Миннарт М. Цвет и свет в природе. М. 1969. 360 с.
134
Световые столбы.
Иногда можно наблюдать вертикальные световые столбы над и под Солнцем. Световые
столбы возникают из-за отражения света от плоских поверхностей снежинок. Чем больше
снежинок в виде дендритов, тем интенсивнее световой столб.
Рис. 4-11-5. Образование световых столбов.
135
Глава 5. Различные условия кристаллизации воды.
5.1 Узоры на окнах, двумерная кристаллизация воды на плоскости.
Снежинка-это одна из форм кристаллизации воды. Можно выделить следующие способы
кристаллизации воды:
1-кристаллизация воды из газовой фазы в облаках-кристаллизация в свободном пространстве,
образуются снежинки.
2-кристаллизация воды на предметах из газовой фазы (кристаллизация на плоской
поверхности):
2.1-двумерная кристаллизация, образуются плоские кристаллы, дендриты-узоры на окнах.
2.2-трехмерная кристаллизация, образуются трехмерные кристаллы-иней.
3-кристаллизация воды из жидкого состояния-трехмерная кристаллизация самой среды,
образуется лед.
Дендритные кристаллы воды (узоры на окнах) изучались гораздо реже, чем снежинки.
Это можно объяснить тем, что снежинки являются гораздо более совершенными созданиями,
чем узоры на окнах.
Дендритные кристаллы воды образуются зимой на окнах. Узоры на окнах по английски
называются Window Frost (мороз на окнах). У немцев ледяные узоры называются «айсблюмен»,
что означает ледяные цветы. У китайцев для узоров есть часто употребляемый иероглиф
«Вень», который буквально означает «небесные знаки».
Ледяные узоры на окнах представляют собой редкое по красоте зрелище. Среди многих видов
морозных узоров чаще других встречаются дендриты (древовидные образования) и трихиты
(волокнистые формы).
Характер кристаллизации воды на стекле во многом зависит от условий охлаждения.
При охлаждении от 0 до-6°C и небольшой исходной упругости водяного пара на поверхности
оконного стекла отлагается однородный слой непрозрачного, рыхлого льда. Для начального
образования тонкого слоя такого льда в качестве затравок кристаллизации известную роль
могут играть дефекты структуры поверхности, царапины. Однако в ходе дальнейшего развития
процесса эти влияния полностью перекрываются общей картиной осаждения льда по всей
охлаждающейся поверхности.
Если охлаждение поверхности оконного стекла начинается при положительной
температуре и более высокой относительной влажности и в процессе охлаждения проходится
точка росы, то на охлаждающейся поверхности сначала отлагается пленка воды, которая уже
при отрицательных температурах закристаллизовывается в виде дендритов. Чаще дендритная
кристаллизация начинается с нижней части оконного стекла, где вследствие действия силы
тяжести накапливается большее количество воды. Размеры дендритных кристаллов зависят от
имеющегося для их образования материала. В нижней части окна, где пленка воды толще,
дендриты обычно имеют большие размеры. По мере перехода к верхней части окна размеры
дендритов уменьшаются. В случае равномерной увлажненности стекла размеры дендритов
примерно одинаковы. Дальнейшее охлаждение способствует отложению между дендритами, а
затем и на дендритах тонких слоев пушистого льда. Быстрые и значительные по величине
переохлаждения дают мелкомасштабную дендритную кристаллизацию. При недостатке влаги
на стекле нарушается сплошной характер кристаллизации: дендриты растут островками, их
формы менее резко выражены, а размеры уменьшены в сравнении с нормальными условиями.
Волокнистые формы (трихиты) образуются у острых краев царапин на поверхности
охлаждающегося твердого тела. При этом вначале кристаллы образуют узкие параллельные
полоски инея, вырождающиеся при дальнейшем охлаждении в достаточно плотные ледяные
волокна, исходящие от основного стебля. В большинстве случаев как основное волокно, так и
прилегающие к нему тонкие полоски инея слегка изогнуты.
136
Рис. 5-1-1. Скелетные кристаллы воды (плоские дендриты) на окнах.
В 1931 году Уилсон Бентли в своей книге опубликовал 63 фотографии различных узоров на
окнах.
Рис. 5-1-2. Страница из книги Бентли с фотографиями узоров на окнах, 1931 год.
137
В 1965 году доктор биологических наук Любищев Александр Александрович (1890-1972)
делает сотни фотографий и пишет статью «О морозных узорах на окнах». В этой статье
Любищев выдвигает две новые отрасли науки: теорию сходства и теорию «симметричных
форм, не заполняющих пространство».
1990-Митрофанов А. О морозных узорах и царапинах на стекле. Квант. 1990. №12. с.18-19.
2001-на сайте Кеннет Либбрехта www.SnowCrystals.com имеется специальный раздел
посвященный узорам на окнах-Guide to Frost и Frost Photos с фотографиями Kenneth Libbrecht.
Рис. 5-1-3. Узор на окнах волокнистого типа (трихиты).
2006-Чайковский И.И. К морфологии ледяных узоров, статья в журнале Горное Эхо. 2006, №4.
В статье подробно разбираются различные типы кристаллов узоров на окнах.
http://ftp.mi-perm.ru/ge06-4/ge2006-04-05.htm
138
2009-Nick Fornit
Автор сайта http://www.scorcher.ru псевдоним Nick Fornit разместил галерею своих фотографий
узоров на стекле. Сайт http://www.scorcher.ru/photo/nan/gallery40/gallery.php
Рис. 5-1-4. Фотография узора на стекле.
Дендриты льда образуются не только на окнах. Иногда они образуются на поверхности
асфальта при замерзании неглубоких луж воды.
Рис. 5-1-5. Дендриты кристаллов воды на асфальте.
139
5.2 Иней, трехмерная кристаллизация воды на поверхности.
Изучению трехмерной кристаллизации воды на поверхности посвящено еще меньше
работ, чем двумерной кристаллизации (узорам на окнах). При трехмерной кристаллизации воды
из газообразной фазы на плоскости образующиеся кристаллы называют инеем или изморозью
(по английски hoar-frost). Особенность кристаллизации на поверхности состоит в том, что
приток кристаллизующегося вещества (вода) происходит с одной стороны, а не со всех сторон,
как при кристаллизации в свободном пространстве.
В 1931 году Уилсон Бентли в своей книге опубликовал 63 различных фотографий инея.
Рис. 5-2-1. Страница из книги Бентли с фотографиями инея, 1931 год.
1951-Заморский А.Д. Иней, изморозь, гололед. Л. Гидрометеорологическое издательство. 1951.
65с. В книге приводится следующая классификация кристаллов льда, образующихся на
плоскости:
140
Рис. 5-2-2. Схематический вид различных кристаллов инея.
На этой схеме рисунок З соответствует частному случаю-двумерной кристаллизации на
плоскости.
-при слабых морозах кристаллы инея имеют форму шестиугольных призм,
-при умеренных морозах-пластинок,
-при сильных морозах-тупоконечных игл.
Форма кристаллов инея определяется направлением потока молекул воды при росте
кристаллов. Поток молекул направлен из внешней среды к поверхности.
Рис. 5-2-3. Направлением потока молекул воды при росте кристалла инея.
141
Разновидности кристаллизации льда на поверхности.
Иней-тонкий неравномерный слой ледяных кристаллов, образующийся на почве, траве и
наземных предметах из водяного пара атмосферы при охлаждении земной поверхности до
отрицательных температур, более низких, чем температура воздуха.
Игольчатый лед-лед, образующийся при спокойной воде на поверхности реки. Игольчатый
лед имеет вид призматических кристаллов с осями, расположенными в горизонтальном
направлении, что придает льду слоистое строение.
Ледяные цветы-это одно из красивейших явлений в Арктике. Так называются кристаллы
высотой в несколько сантиметров, которые образуются на поверхности тонкого свежего слоя
льда. Для образования таких цветов необходимы тонкий слой льда и большая разница между
температурой льда и воздуха.
Рис. 5-2-4. Ледяные цветы.
При температуре воздуха ниже-20 градусов и температуре льда около 0 градусов, и
безветренная погода, то у поверхности льда формируется пересыщенный влагой слой воздуха.
Влага конденсируется на поверхности льда в виде кристаллов. Если толщина льда
увеличивается, то его температура приближается к температуре воздуха, и цветы исчезают.
142
Рис. 5-2-5. Необычная кристаллизация воды.
143
Глава 6. Различные исследователи кристаллизации воды.
Water Crystals.
1976-Lee Lorenzen-USA
Американский биохимик Ли Лорензен (Lee Lorenzen) из University of California Berkeley
в восьмидесятых годах прошлого века доказал, что вода воспринимает, накапливает и
сохраняет сообщаемую ей информацию. Доктор Ли Лорензен (Lee Lorenzen) исследовал
структуру воды, в том числе и родниковую воду. После того как он убедился в целительной
силе весенней родниковой воды, он занялся изучением различий между нею и обычной водой.
В совместной работе с Масару, они изобрели способ быстрого замораживания родниковой воды
с помощью жидкого азота прямо в самом источнике. Когда в лаборатории исследователи
рассмотрели ледяные кристаллы, сформированные из родниковой воды, перед ними
раскрылись впечатляющие, упорядоченные конструкции из геометрических колец,
напоминающие шестигранные снежинки. Доктор Лорензен объясняет, что размер и форма
шестигранников облегчают проникновение их сквозь стенки живой клетки, они вносят в нее
кислород, пищу, белки и ферменты, и, таким образом можно объяснить влияние свежей
родниковой воды на здоровье человека.
Доктор Лорензен выдвинул предположение, что молекулы (кластеры) воды и белков
имею различные частоты резонанса, и спектры. Возможна перестройка молекул воды на
резонансные частоты (полезные частоты). При введении такой воды в организм наблюдается
положительный эффект. Он разработал и запатентовал процесс получения кластерной воды,
который состоит из 14 этапов. Его работы являются одним из направления развития кластерной
структуры воды.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------1994-Япония, Токио, Масару Эмото.
Рис. 6-1-1. Масару Эмото.
Японский исследователь Масару Эмото (Masaru Emoto) родился в 1943 году в Иокогаме.
В 1980-х годах он занялся изучением свойств воды. В 1989 году он встретился с Ли Лорензеном
на симпозиуме, и под влиянием его идей он продолжил исследование структуры воды. Он
арендовал микроскоп и поручил своему сотруднику Kazuya Ishibashi фотографировать
кристаллы воды.
В октябре 1992 года он получил в «Открытом международном университете
альтернативной медицины» (Калькутта) степень доктора альтернативной медицины и лицензию
на врачебную практику. В сентябре 1994 г. После двух месяцев упорных экспериментов ему
удалось научиться получать кристаллы воды (снежинок). Структура воды проявлялась в виде
144
различных форм кристаллизации воды (снежинок). Результаты моих исследований воды
впервые были опубликованы в ноябре 1994 года в книге «Правда о волновых колебаниях». За
несколько лет он сделал более 10.000 снимков.
В июне 1999 года он опубликовал коллекцию фотографий в японской книге под названием
"Послания воды 1". Он издал книгу на личные средства. Но она стала пользоваться большой
популярностью. Затем последовало несколько новых изданий книги.
Книга «Послания воды 2» вышла в 2002 году.
Книга «Послания воды 3» вышла в 2004 году.
Книга «Послания воды 4» вышла в 2008 году.
Книга переведена на многие языки Мира, в том числе и на русский. За время работы он сделал
более 10000 фотографий.
Сайт Масару Эмото-http://www.masaru-emoto.net/english/index.html-английский язык,
http://www.masaru-emoto.net/russian/rusdiary200602.html-русский язык.
Масару эмото исследовал влияние различных факторов на струткру воды. В своих
экспериментах Эмото пытается доказать, что вода способна впитывать, хранить и передавать
человеческие мысли, эмоции и любую внешнюю информацию — музыку, молитвы, разговоры,
события. Чтобы увидеть, как выглядит записанная водой информация, Эмото Масару
фотографирует замороженную воду. Для получения фотографий в чашки Петри диаметром 5 см
помещают по капле воды (просто наливают воду) и резко охлаждают в морозильнике. После 3х часов замораживания при температуре-20 (-25) градусов чашки переносятся в специальный
прибор, состоящий из холодильной камеры, микроскопа и фотоаппарата. Кристаллы воды
рассматриваются при температуре −5 °C с 200—500-кратным увеличением в режиме темного
поля. Делаются снимки наиболее характерных кристаллов. Было сделано более 10000
фотографий. Эмото утверждает, что форма образующихся при этом кристаллов льда
варьируется в зависимости от эмоционального окраса воспринятой информации. Позитивные
мысли и чувства, гармоничные мелодии порождают симметричные «красивые» рисунки,
негативные — хаотичные и бесформенные, с рваными краями, «уродливые».
Рис. 6-1-2. Фотографии снежинок при произнесении различных слов («спасибо» и «ты меня
достал»), сделанные Масару Эмото, 2004 год.
145
Рис. 6-1-3. Фотографирование снежинок.
Масару Эмото. Послания воды. Тайные коды кристаллов льда. София. 2005. 96 с.
Масару Эмото. Энергия воды для самопознания и исцеления. София, 2006. 96с.
Масару Эмото. «Послание воды. Кристаллы жизни». Минск. Попурри. 2006. 144с.
Рис. 6-1-4. Книга Масару Эмото.
146
Masaru Emoto. The Hidden Messages from Water. Beyond Words Pub Co. 2004. 160 p.
Masaru Emoto. Water knows the answer. Vol.2. The Melody of the water crystals, Healing and Prayer.
2003. 219 p.
Masaru Emoto. The Miracle of Water. Atria Books/Beyond Words.
Резонанс.
Эмото приобрел у Ronald J. Weinstock (Magnetic Resonance Diagnosistics Co. and Hado Music
Co.) разработанный им прибор под названием “Bio Cellular Analyzre”. Это прибор он назвал
Magnetic Resonance Analyzer и использовал для биорезонаных исследований. Доктор Эмото
обнаружил, что все вещества и явления имеют свои собственные уникальные поля магнитного
резонанса. Он использовал прибор для контроля воды.
Согласно Эмото, в основе любой сотворенной вещи лежит источник энергии ХАДО
(HADO) — вибрационная частота, волна резонанса. (ХАДО — определенная волна колебаний
электронов атомного ядра). Поле магнитного резонанса всегда присутствует везде, где
существует ХАДО. Таким образом, ХАДО может интерпретироваться непосредственно как
область магнитного резонанса, которая является одним типом электромагнитной волны. М.
Эмото говорит, что все существующее имеет вибрацию, и написанные слова также имеют
вибрацию. Если я рисую круг, создается вибрация круг.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Сложность в интерпретации полученных изображений.
Некоторые исследователи пытались воспроизвести эффект влияния слов на структуру
воды, и получили отрицательные результаты-нет влияния. На самом деле все сложнее.
Необходимо проводить не один эксперимент, а множество экаспериментов по оценке
конкретного воздействия. Получится множество фотографий. Из многих фотографий чисто
субъективно можно выбрать фотографии, которые будут соответствовать и положительному и
отрицательному влиянию. Необходимо произвести количественную оценку изображений
кристаллов на основе некоторого набора параметров. По степени отклонения эначений
прараметров на большом количестве изображений можно судить о том, имеются ли
достоверные различия, или нет.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
147
2003-Фирма Hagalis AG-Германия-Uberlingen
Рис. 6-1-5. Andreas Schulz-директор фирмы Hagalis AG. www.hagalis.de
http://www.hagalis.com/Kristeng/ppframe.htm
Andreas Schulz издал две книги о кристаллах воды, в 2003 году на немецком языке, а в 2005
году на английском языке.
-Andreas Schulz. Wasser Kristall Welten. 2003.
-Andreas Schulz. Water Crystals. Making the Quality of Water Visible. Floris Books Publisher. 2005.
P.192.
В книге описывается метод анализа воды путем кристаллизации. Рассмотрены образцы
воды из Рейна, Дуная, Венеции, Ганга, Байкала, в районе Великих озер, Нила, Новая Зеландия,
Австралия.
Отмечается, что качество воду оказывает существенное влияние на формирование
кристаллов. В чистой воде угол между отдельными лучами кристаллов составляет 60 градусов.
Если качество воды ухудшается, то возникают лучи, расходящиеся под углом 90 градусов.
Исследуются воздействия, улучшающие структуру воды. Под действием солнечного света
структура воды улучшается. Если в графин с водой на ночь поместить кристалл аметиста,
розового кварци или хрусталя, то утром структура воды становится более правильной.
Структура воды улучшается, если в воду поместить кусочек серебра. Структура воды
улучшается под действием музыки. Если вода находится в графине более трех суток, то ее
структура ухудшается, нельзя долго хранить воду.
Рис. 6-1-6. Книга о кристаллах воды, 2003.
148
Рис. 6-1-7. Книга о кристаллах воды 2005.
Кристаллы воды из различных источников. Увеличение в 400 раз.
Рис. 6-1-8. Вода из Новой Зеландии
Рис. 6-1-9. Вода из Парижа
149
Рис. 6-1-10. Водопроводная вода.
Рис. 6-1-11. Кристаллы воды после воздействия музыкой Моцарта.
Рис. 6-1-12. Кристаллы воды.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------150
1961-Германия-Herrischried
Michael Jacobi, Wolfram Schwenk, Andreas Wilrens
Understanding Water: Developments from the Work of Theodor Schwenk. Floris Books Publisher.
2005. 112 p.
В 1961 году Theodor Schwenk (1910-1986) сновал институт для исследования воды
(Institute for Flow Sciences) в Black Forest вГермании. Он разработал Drop Picture Method для
исследования воды. Он так же написал книгу Sensitive Chaos: The Creation of Flowing Forms in
Water and Air. Rudolf Steiner Press. 1965. p.231.
http://www.stroemungsinstitut.de-сайт института.
Рис. 6-1-13. Метод капель для исследования воды.
Рис. 6-1-14. Книга по капельному методу исследования воды.
151
Рис. 6-1-15. Схема установки для получения фотографий течений воды.
Рис. 6-1-16. Динамика формирования течений.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
152
2007-Ernst Braun und Sarah Steinmann-Швейцария-Uttigen
Фотографы Ernst F. Braun и Sarah Steinmann фотографируют кристаллы, образующиеся при
замораживании капли воды из различных источников. Ernst F. Braun создал специальную серию
снимков KUNSt und Mystic.-http://wasserkristall.ch
Рис. 6-1-17. Фотография кристалла воды.
Рис. 6-1-18. Установка для фотографирования кристаллов воды.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------153
2007-Германия
Немкецкий медик Йозеф Номайер развил идея Эмото о свойствах воды. Он дает научно
обоснованные практические советы о том, как правильно выбирать и обрабатывать воду,
которую мы пьем.
Ноймайер Й. Соль, вода, свет: Три кита вашего сознания. София. 2007.
Рис. 6-1-19. Книга Ноймайера.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Коанда Генри Мариа (Henri Coanaa), румынский ученый, лауреат Нобелевской премии,
основатель гидродинамики, основоположник научных исследований, приведших к созданию
микрогидрина. Коанда изучал кристаллы воды у разных снежинок. Его поразило, что
каждая снежинка имеет особый рисунок и обладает собственной неведомой силой в
микропространстве, вызывая неодинаковые возмущения в среде. Столкнувшись с явлением
"жидкости-усилителя" (что связано с процессом превращения воды в снег), ученый обнаружил
в центрах кристаллизации снежинок беспрерывное движение. В тоненьких "трубочках", в
которых вода не замерзала, устанавливалась такая же циркуляция, как в организме животных
или стебле растений.
Отец современной гидродинамики, румынский естествоиспытатель доктор Генри Коанда
более 60 лет потратил в попытках воссоздать в лаборатории воду Хунза. Все свои наработки он
передал Патрику Фланагану, которому потребовалось еще более 30 лет экспериментов, чтобы
расшифровать, а затем воссоздать структуру этой воды. Микрогидрин состоит из мельчайших
154
частиц двуокиси кремния. Одна маленькая капсула Микрогидрина, всего 250 мг, способна
превратить 10 литров водопроводной воды в чистую, живую, полезную для здоровья.
Патрик Фланаган-номинант на Нобелевскую премию в области коллоидной химии за
разработку «Микрокластеров Фланагана ®» (1994), создатель микрогидрина и микрокластерной
технологии, выдающийся учёный, доктор медицины.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Патрик Фланаган, номинант на Нобелевскую премию в области коллоидной химии за
разработку «Микрокластеров Фланагана ®» (1994), создатель микрогидрина и микрокластерной
технологии, выдающийся учёный, доктор медицины. Патрик Фланаган-автор более 200
патентованных изобретений в области альтернативной медицины и биофизики. Самое первое
изобретение было запатентовано в 14 лет. В 17 лет признан одним из 10 наиболее одаренных и
многообещающих молодых учёных США, соратник и преемник дважды Лауреата Нобелевской
премии Д-ра Генри Коанда. В 19 лет-самый молодой сотрудник, когда-либо работавший в
НАСА, консультант космической программы «Джемини». Автор нашумевших книг, в том
числе о космической энергетике великой пирамиды Хеопса (Египет).
Отмечен в Книге рекордов Гиннеса. 35 лет продолжал более чем 50-летний труд своего
учителя, раскрыл тайну воды селения Хунза в Пакистане-легендарного «источника молодости»,
имеющего более низкое поверхностное натяжение и обладающего свойствами, сходными со
свойствами межклеточной жидкости (http://en.wikipedia.org/wiki/Patrick_Flanagan).
Синтезировал вещество, воспроизводящее целебные свойства «живой воды» и
получившее торговую марку «Кристальная энергия»-уникальный катализатор на основе
микрокластерной технологии, позволяющий резко повысить усвояемость пищи и
энергетическую ценность любых обогатителей питания. Несколько капель-и принципиально
улучшается качество любой неочищенной жидкости или продукта питания, обеспечивается
получение кристально чистой, минерализованной воды, обладающей свойствами естественной
воды ледников.
Но ещё более выдающимся открытием (считает сам Патрик Фланаган) является
биологически активная добавка «Микрогидрин»-самый мощный антиоксидант из известных в
настоящее время, направленный на нейтрализацию и обезвреживание свободных радикалов,
образующихся в организме в процессе его жизнедеятельности.
155
Исследования по контролю структуры воды в России.
2004-Фирма Аква-Система, Москва, Россия
Фирмой Аква-Система создано и выпускается устройство «Аквадиск», который
позволяет улучшать структуру воды.
На фирме ООО «Аква-Система» разработан собственный термодинамически равновесный
процесс управления замораживанием исследуемой воды для получения кристаллов. Сайт
фирмы-www.akvadisk.info.
Исследованием свойств воды занимается лаборатория по исследованию структуры воды,
которой руководит генеральный директор фирмы ООО «Аква-Система» Извеков Леонид
Леонидович.
Авторы методикиГарбер Михаил Рувинович, Извеков Леонид Леонидович, Извекова Елена Викторовна.
Гарбер М.Р. Извеков Л.Л. Извекова Е.В. Родниковая вода. Шестой международный конгресс
«Вода: экология и технология» ЭКВАТЕК-2004.
Проведенные исследования показали, что в природной родниковой воде образуются кристаллы
правильной формы с шестью лучами. В водопроводной воде образуются деформированные и
несимметричные кристаллы.
Рис. 6-1-20. Кристалл воды из под крана до и после после воздействия Аквадиском.
Методика оценки качества воды.
Вода замораживается в 10 чашках Петри по 10 мл воды в каждой. Особую роль играет
соблюдение условий термодинамического равновесия при процессе кристаллизации. Например,
100% влажность воздуха, для компенсации поверхностных явлений. Образуются кристаллы
размером от 5 до 30 мкм. Оценивается количество и правильность формы образовавшихся
кристаллов льда (снежинок). Чем больше кристаллов и чем симметричнее форма кристалловтем более качественная вода. Производится количественная оценка качества воды, вычисляется
коэффициент ОКА-общий коэффициент активности. Каждому кристаллу в зависимости от его
формы присваивается определенной количество баллов:
10 баллов-кристалл с 6 лучами,
5 баллов-кристалл с 6 лучами, из которых 1 или 2 луча изломаны,
2 балла-кристалл с 3,4, или 5 лучами неправильной формы,
1 балл-деформированным кристаллам.
156
Вычисляются два коэффициента:
КА6ЛС-коэффициент активности по 6 лучевым кристаллам,
СКА-коэффициент активности по всем кристаллом.
в озонированной воде-4 кристалла, коэффициент 0/10,
в воде после обратного осмоса-коэффициент 0/30
в водопроводной воде-10-15 кристаллов, коэффициент 1/50
в обычной природной, родниковой воде-20-30 кристаллов, коэффициент 15/180,
в воде восстановленной с помощью Аквадиска-коэффициент 29/240,
в воде из источника Сергея Радонежского-коэффициент 33/295,
в воде из озера Байкал-50 кристаллов-это сверхактивная вода.
Вода с коэффициентом 10/100 считается нейтральной. Действие такой воды не ухудшает и не
улучшает деятельность клеток.
Количество образовавшихся кристаллов в воде пропорционально концентрации центров
кристаллообразования. В качестве центров кристаллообразования могут выступать: примесные
частицы, ионы, микро пузырьки воздуха. Наличие данныобъектов в воде повышает ее
структурированность.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ООО Аквасистема. Исследования Влияния устройства СВЕТЛИЦА на кристаллизацию воды.
http://www.energoznanie.net/svet.php?lot=0
На фото представлены кристаллы Байкальской воды до применения Светлицы (слева) и после
применения (справа). Хорошо видно, что мерность отображаемой в кристалле структуры
значительно выше после воздействия Светлицы. В центе кристаллов можно рассмотреть
объемный шарик с множеством направлений кристаллизации, которого в кристаллах обычной
Байкальской воде нет.
Рис. 6-1-21. Кристаллизация воды до (слева) и после (справа) воздействия устройства Светлица.
157
Рис. 6-1-22. Изменение показателя качества воды после воздействия устройства Светлица.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2010-Москва, Московская государственная академия тонкой химической технологии.
Холин Андрей Юрьевич-Устройство для измерения параметров кинетики кристаллизации.
Патент 2406080. 2010.+
Формула изобретения-Устройство для измерения параметров кинетики кристаллизации,
включающее измерительную ячейку, в которую помещают образец с исследуемым веществом,
микроскоп, фокусирующий изображение исследуемого вещества на матрице видеокамеры в
инфракрасном, видимом либо рентгеновском диапазонах, и устройство для записи видеоряда
изображения исследуемого вещества, отличающееся тем, что позволяет синхронно с
видеозаписью регистрировать динамику температуры исследуемого вещества при помощи
датчика температуры, находящегося в измерительной ячейке, и/или при помощи
вышеупомянутого микроскопа для инфракрасного диапазона (тепловизора). С целью
оперативного изменения температуры исследуемого вещества обеспечен тепловой контакт
образца с жидким либо газообразным теплоносителем, который прокачивается через
измерительную ячейку, например, при помощи вентилятора, а для управления температурой
теплоносителя устройство содержит регулятор температуры, который управляет нагревателем
теплоносителя, и/или смесителем горячего и холодного потоков теплоносителей.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2012-Барнаул, Алтайский Государственный технический Университет.
Кафедра информационных технологий.
Пронин Сергей Петрович, зав. кафедрой, д.т.н., проф.
2002-Пронин Сергей Павлович. Оценка качества изображений с помощью амплитудных
растворов в приборах экспериментальной физики. Диссертация доктора технических наук.
Барнаул. 2002.
2012-Пронин С.П., Зрюмова А.Г., Зырянов А.А., Шереметьев М.В. Оптико-электронная система
для исследования процесса кристаллизации воды. ИКИ. 2012. с.77-78.
2012-Зырянов А.А., Шереметьев М.В., Пронин С.П., Зрюмова А.Г. Визуальное исследование
кристаллизации водных растворов. Ползуновский альманах. 2012. №2. с.140-141.
Исследовалась кристаллизация при замораживании капли дистиллированной воды,
хлорида натрия, глюкозы, раствор ионного серебра, водопроводная вода. В растворе хлористого
натрия кристаллы образуют нитевидную структуру.
158
Рис. 6-1-21. Замораживание раствора хлористого натрия.
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------2012-Санкт-Петербург, НИИ промышленной и морской медицины.
Сулин А.В. Кристаллография паров как индикатор структурно-информационного состояния
воды. 2012.
В работе описывается установка для изучения кристаллизации воды. Под микроскопом
установлена охлаждающая панель, на которую установлена чашка Петри. В чашку Петри по
кругу наносятся капли исследуемой воды. Вода испаряется из капель и конденсируется в виде
инея на охлажденной чашке Петри. Регистрируется количество центров инееобразования. Этот
параметр отражает структурные свойства воды.
2011-Веденеев Олег Валентинович. Раскрыта еще одна тайна воды. Водно-информационная
кристаллография и ее возможности для оздоровления человека. Часть 1. Часть 2. ПЕРО. 2011.
48 с.
159
Рис. 6-1-22. Книга Веденеева.
Ссылки на первоисточники, на сайты, посвященные снежинкам.
http://www.snowcrystals.com-сайт Либбрехта.
http://snowflakebentley.com-сайт посвященный W.A. Bentley
http://emu.arsusda.gov/snowsite/default.html-фотографии снежинок, полученные с помощью
электронного микроскопа.
http://www.seppyo.org/front-page-en?set_language=en-Японское общество снега и льда.
160