آشنایی با برف - جلسه اول

مقدمه

در این جلسه سعی خواهیم کرد شما را بیشتر با برف و زیبایی های خلقت آن آشنا سازیم و به سوال هایی که شاید همیشه در ذهنتان درباره برف بوده است پاسخ دهیم.

برف از آب و یخ تشکیل شده است و جز مواد معدنی جامد به شمار می رود. برف منبع بسیار مهمی برای تأمین آب آشامیدنی به شمار می رود. به دلیل این که برف در حالت جامد است و به مرور زمان به آب تبدیل می شود، به عنوان منبع آبی ارجحیت خاصی به باران دارد. چون برف حاوی مقداری هواست عایق خوبی برای گرما محسوب می شود و بنابراین پوشش برفی محافظ خوبی برای درختان و مزارع سبزیجات است. اسکیموها نیز به همین دلیل خانه هایشان را به پوشش برفی مجهز می کنند تا هوای گرم خانه به بیرون منتقل نشود. همچنین بعضی از تفریحات انسان ها در صورت وجود برف حاصل می شود مانند اسکی و هاکی روی یخ. با این وجود، برف علاوه بر همه ی مزایا گاهی مضراتی هم برای زندگی انسان ها به همراه دارد. برای مثال حمل و نقل در برف سخت تر انجام می شود. ترافیک و تصادفات رانندگی در روزه های برفی هم افزایش می یابد.

سۆال: برف چگونه تشکیل می شود؟

جواب: وقتی هوای گرم بخار آب را با خود به ارتفاعات می برد، در ارتفاعات بخار آب سرد شده و قطرات آب شکل می گیرند و مقداری از ذرات بخار آب به بلورهای ریز یخ تبدیل می شوند و با جذب کردن قطرات آب سرد، بلورهای ریز یخ بلورهای بزرگتری از یخ را تشکیل می دهند که همان ذرات ریز برف هستند و هنگامی که سنگین می شوند به زمین می آیند یا به اصطلاح برف می بارد. هر دانه برف زیبایی خاص خود را دارد و گفته می شود که هیچگاه دو دانه برف دقیقا شبیه هم نیستند. بسیاری از ساختارهای بلوری که در طبیعت یافت می شوند مانند دانه های برف، ارتباط نزدیکی با علم ریاضی دارند.

سوال : آیا می دانید چرا دانه های برف به شکل شش وجهی هستند؟

جواب: شکل شش وجهی دانه های برف به خاطر ساختار مولکولی یخ است. همان طور که در بالا نیز گفته شد دانه های برف از بلورهای یخ تشکیل شده اند که یخ نیز از مولکول های آب تشکیل شده است. شکل زیر یک دانه برف را نشان می دهد. حال می خواهیم بدانیم چرا دانه برف به این شکل در می آید.

شکل1: تصویر یک دانه برف شش وجهی

همان طور که می دانیم یک مولکول آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است که دو اتم هیدروژن به اتم اکسیژن مانند شکل زیر متصل هستند و به دلیل وجود نیروهای الکترومغناطیسی مولکول های آب تقریبا ساختار V شکلی به خود می گیرند.

شکل2: تصویر یک مولکول آب

همان طور که آب یخ می زند، مولکول های آب مجبور می شوند برای ایجاد یک ساختار خاص جهت گیری کنند. بنابراین تقارن شش وجهی دانه های بلوری برف را می توان با تقارن شش وجهی بلور یخ به خوبی مرتبط ساخت. در شکل زیر اتم های قرمز رنگ مولکول های اکسیژن هستند. بیشتر دانه های برف دارای هسته های سنگین هستند و یا به عبارت ساده تر در مرکز دانه های برف ذرات گرد و غبار قرار دارد.

شکل3: جهت گیری مولکول های آب برای تشکیل شش وجهی

تکلیف:

آیا می توانید با توجه به شکل 3 به این سوال پاسخ داد که چرا حجم یک قطعه یخ افزایش می یابد؟ چرا یک قطعه یخ می تواند بر روی آب شناور بماند؟(راهنمایی: مقایسه چگالی(جرم تقسیم بر حجم ) یخ و آب)

سۆال: چرا دانه های برف اشکال متفاوتی دارند؟

جواب: برف با تغییر شرایط دما و میزان رطوبت هوا در شکل های متنوعی ظاهر می شوند. معمولاً دانه های برف با ساختار شش وجهی در ابرهایی که در ارتفاع بالاتر قرار دارند و دانه های برف با ساختار سوزنی و شش ضلعی در ابرهای میانی و دانه های برف با ساختار متنوعی از اشکال شش گوشه در ابرهایی با ارتفاع کم ایجاد می شوند. در دماهای پایین نوک شش وجهی ها در بلور یخ نوک تیزتر می شود و همچنین ممکن است منجر به شاخه ای شدن (منشعب شدن از بازو های شش وجهی) دانه های برف شود. در حالی که رشد دانه های برف در دماهای بالاتر با فرآیند آرام تری انجام می شود و بنابراین شکل های خیلی پیچیده ای ندارند.

شکل 4: تصویری از اشکال مختلف برف

شکل دانه های برف از لحاظ دمایی به صورت زیر دسته بندی می شوند:

1. 32^oF - 25^oF: صفحات شش وجهی باریک.

2. 25^oF - 21^oF: سوزنی شکل.

3. 21^oF - 14^oF: ستون های حفره ای.

4. 14^oF - 10^oF: صفحات قطاعی یا کمانی ( شش وجهی منشعب شده).

5. 10^oF - 3^oF: صفحات شش وجهی تور مانند.

تذکر: دسته بندی بالا بر حسب دمای فارنهایت می باشد، و درجه ی فارنهایت و سلسیوس از طریق معادله ی زیر بدست می آید:

سۆال: با توجه به این که دانه های برف از آب و یخ شفاف بی رنگ تشکیل شده اند، چرا دانه های برف سفید رنگ هستند؟

جواب: دانه های برف دارای صفحات زیادی هستند و می توانند تمامی طیف رنگی نور را منعکس می کنند و بنابراین سفید به نظر می رسند.

تکلیف:

در اینجا می خواهیم شما را با چند روش ساده برای اندازه گیری برف باریده شده آشنا کنیم. در مواقع بارش برف شما نیز می توانید به راحتی این آزمایشات را انجام دهید و میزان بارش برف را در محل سکونت خود اندازه گیری کنید.

ا. استفاده از یک تخته ی سفید چند لایه ای: این تخته به مدت 6 ساعت در معرض بارش برف قرار می گیرد و بعد از 6 ساعت مقدار برف آن اندازه گیری شده و برای بدست آوردن میزان بارش برف در مدت یک شبانه روز، این میزان را در عدد 4 ضرب می کنند.

شکل 5: اندازه گیری میزان بارش برف به وسیله ی تخته

2. استفاده از باران سنج ها: این روش از متداول ترین روش های اندازه گیری میزان برف است. این وسیله دارای لوله ای است برف باریده شده در آن جمع می شود و گاهی برای آب شدن برف ها و جلوگیری از یخ زدن آن درون لوله مقداری ضد یخ هم در لوله می ریزند. مقدار مایع درون لوله پس از اتمام بارش برف اندازه گیری می شود.

شکل 6: تصویر باران سنج که برای اندازه گیری برف بکار رفته است

روش های دیگری نیز برای اندازه گیری برف وجود دارد. مانند استفاده از خط کش هایی که مخصوص این کار طراحی شده اند. البته باید توجه داشت این خط کش ها را باید به صورت کاملاً عمودی بر سطح زمین قرار داد تا اندازه گیری دقیق باشد.

تصویر 7: خط کش مخصوص اندازه گیری برف

مطالب مرتبط:

آشنایی با برف - جلسه دوم

بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان - تهیه: سارا قیصری

تنظیم: فاطمه گودرزی