Daar is nie genoeg sneeu in die sentrale deel van Rusland hierdie winter nie. Dit het natuurlik plek-plek geval, maar in Januarie kon ’n mens nog ysige en sneeuweer verwag. Dowwe grysheid en onaangename slyp verhoed dat jy die vreugde van die gewone winterpret voel. Daarom stel Cloud4Y voor om 'n bietjie sneeu in ons lewens te voeg deur te praat oor ... sneeuvlokkies.
Daar word geglo dat daar net twee soorte sneeuvlokkies is. En een van die wetenskaplikes, wat soms die "vader" van sneeuvlokfisika genoem word, het 'n nuwe teorie om die rede hiervoor te verduidelik. is 'n wonderlike mens wat gereed is om die sonverwarmde Suid-Kalifornië in die middel van die winter te verlaat om Fairbanks (Alaska) te kom, 'n warm baadjie aan te trek en in 'n bevrore veld te gaan sit met 'n kamera en 'n stuk skuim in sy hande .
Vir wat? Hy soek die skitterendste, mees tekstuur, mooiste sneeuvlokkies wat die natuur kan skep. Volgens hom is die interessantste monsters geneig om op die koudste plekke te vorm – die berugte Fairbanks en die sneeubedekte noordelike deel van New York. Die beste sneeu wat Kenneth nog gesien het, was in Cochrane, 'n plek in die noordooste van Ontario, waar ligte winde sneeuvlokkies warrel soos hulle uit die lug geval het.
Gefassineerd deur die elemente bestudeer Libbrecht sy skuimbord met die vasbyt van 'n argeoloog. As daar iets interessants daar is, sal die oog dit beslis vasvang. Indien nie, word die sneeu van die bord af gevee, en alles begin weer. En dit duur vir ure.
Libbrecht is 'n fisikus. Deur 'n amusante toeval is sy laboratorium by die California Institute of Technology besig met navorsing oor die interne struktuur van die Son en het selfs moderne instrumente ontwikkel om gravitasiegolwe op te spoor. Maar vir die afgelope 20 jaar was Libbrecht se ware passie sneeu—nie net sy voorkoms nie, maar wat dit so laat lyk. “Die vraag watter soort voorwerpe uit die lug val, hoe dit gebeur en hoekom hulle so lyk, pynig my heeltyd,” erken Kenneth.
Vir 'n lang tyd was dit genoeg vir fisici om te weet dat daar tussen die baie klein sneeukristalle twee oorheersende tipes onderskei kon word. Een van hulle is ’n plat ster met ses of twaalf arms wat elkeen met duiselingwekkende mooi kant versier is. Die ander een is 'n soort miniatuurkolom, soms tussen plat "deksels" vasgedruk en soms soortgelyk aan 'n gewone bout. Hierdie vorms kan by verskillende temperature en humiditeit gesien word, maar die rede vir die vorming van 'n spesifieke vorm was 'n raaisel. Libbrecht se jarelange waarnemings het gehelp om die kristallisasieproses van sneeuvlokkies beter te verstaan.
Libbrecht se werk in hierdie area het gehelp om 'n nuwe model te skep wat verduidelik hoekom sneeuvlokkies en ander sneeukristalle vorm wat ons gewoond is om te sien. Volgens sy teorie, aanlyn in Oktober 2019, beskryf die beweging van watermolekules naby die vriespunt (kristallisasie) en hoe spesifieke bewegings van hierdie molekules aanleiding kan gee tot 'n versameling kristalle wat onder verskillende toestande vorm. In sy In 540 bladsye beskryf Libbrecht al die kennis oor sneeukristalle.
Sespuntige sterre
Jy weet natuurlik dat dit onmoontlik is om twee identiese sneeuvlokkies te sien (behalwe in die beginstadium). Hierdie feit het te doen met hoe kristalle in die lug vorm. Sneeu is 'n versameling yskristalle wat in die atmosfeer vorm en hul vorm behou wanneer hulle saam aarde toe val. Hulle vorm wanneer die atmosfeer koud genoeg is om te verhoed dat hulle saamsmelt of smelt in ys of reën.
Alhoewel baie temperature en humiditeitsvlakke binne 'n enkele wolk aangeteken kan word, sal hierdie veranderlikes konstant wees vir 'n enkele sneeuvlok. Dit is hoekom 'n sneeuvlok dikwels simmetries groei. Aan die ander kant word elke sneeuvlokkie aan wind, sonlig en ander faktore blootgestel. In wese is elke kristal onderworpe aan die chaos van die wolk, en neem dus verskillende vorms aan.
Volgens Libbrecht se navorsing word die vroegste denke oor hierdie delikate vorms in 135 vC opgeteken. in Sjina. "Die blomme van plante en bome is gewoonlik vyfpuntig, maar die blomme van sneeu is altyd sespuntig," het geleerde Han Yin geskryf. En die eerste wetenskaplike wat probeer uitvind hoekom dit gebeur het, was waarskynlik Johannes Kepler, 'n Duitse wetenskaplike en polimaat.
In 1611 het Kepler 'n Nuwejaarsgeskenk aan sy beskermheer, Heilige Romeinse Keiser Rudolf II oorhandig: 'n klein getiteld "Oor seshoekige sneeuvlokkies".
“Ek gaan oor die brug, gepynig deur skaamte - ek het jou sonder 'n nuwejaarsgeskenk gelos! En toe kom 'n geleentheid oor my pad! Waterdamp, verdik van die koue tot sneeu, val soos sneeuvlokkies op my klere, almal, as een, seskantig, met donsige strale. Ek sweer by Hercules, hier is 'n ding wat kleiner is as enige druppel, 'n vorm het, kan dien as 'n langverwagte Nuwejaarsgeskenk aan 'n liefhebber van Niks en waardig is vir 'n wiskundige wat Niks het en Niks ontvang nie, aangesien dit val uit die lug en verberg in homself die gelykenis van 'n seskantige ster!
“Daar moet 'n rede wees waarom sneeu soos 'n seskantige ster gevorm is. Dit kan nie 'n ongeluk wees nie,” was Johannes Kepler seker. Miskien het hy 'n brief onthou van sy tydgenoot Thomas Harriot, 'n Engelse wetenskaplike en sterrekundige wat ook daarin geslaag het om as 'n navigator vir die ontdekkingsreisiger sir Walter Raleigh te werk. Omstreeks 1584 was Harriot op soek na die doeltreffendste manier om kanonskoëls op die dekke van Raleigh-skepe te stapel. Harriot het gevind dat seskantige patrone die beste manier was om die sfere te rangskik, en hy het hierdie kwessie in korrespondensie met Kepler bespreek. Kepler het gewonder of iets soortgelyks in sneeuvlokkies gebeur en watter element daarvoor verantwoordelik is dat hierdie ses strale geskep en in stand gehou word.
Sneeuvlokvorms
Ons kan sê dat dit die aanvanklike begrip van die beginsels van atoomfisika was, wat eers 300 jaar later bespreek sal word. Inderdaad, watermolekules, met hul twee waterstofatome en een suurstof, is geneig om saam te voeg om seskantige skikkings te vorm. Kepler en sy tydgenote het geen idee gehad hoe belangrik dit was nie.
Soos fisici sê, danksy waterstofbinding en die interaksie van molekules met mekaar, kan ons 'n oop kristallyne struktuur waarneem. Benewens sy vermoë om sneeuvlokkies te laat groei, laat die seskantige struktuur ys toe om minder dig as water te wees, wat groot uitwerkings op geochemie, geofisika en klimaat het. Met ander woorde, as ys nie dryf nie, sou lewe op aarde onmoontlik wees.
Maar ná Kepler se verhandeling was die waarneming van sneeuvlokkies meer 'n stokperdjie as 'n ernstige wetenskap. In die 1880's het 'n Amerikaanse fotograaf genaamd Wilson Bentley, wat in die koue, altyd sneeuagtige klein dorpie Jerigo (Vermont, VSA) gewoon het, foto's van sneeuvlokkies begin neem met fotografiese plate. Hy het daarin geslaag om meer as 5000 XNUMX foto's te skep voordat hy aan longontsteking gesterf het.
Selfs later, in die 1930's, het die Japannese navorser Ukichiro Nakaya stelselmatig verskillende soorte sneeukristalle begin bestudeer. In die middel van die eeu het Nakaya sneeuvlokkies in die laboratorium gekweek deur individuele konynhare wat in 'n verkoelde kamer geplaas is. Hy het met humiditeit- en temperatuurinstellings gepeuter, basiese soorte kristalle gekweek en sy oorspronklike katalogus van moontlike vorms saamgestel. Nakaya het ontdek dat sneeuvloksterre geneig is om teen -2°C en by -15°C te vorm. Kolomme vorm by -5 °C en by ongeveer -30 °C.
Dit is belangrik om hier op te let dat by 'n temperatuur van ongeveer -2 °C dun plaatagtige vorms van sneeuvlokkies verskyn, by -5 °C skep dit dun kolomme en naalde, wanneer die temperatuur daal tot -15 °C word dit regtig dun plate, en by temperature onder - By 30 °C keer hulle terug na dikker kolomme.
In lae humiditeit toestande vorm ster sneeuvlokkies verskeie takke en lyk soos seskantige plate, maar in hoë humiditeit word hulle meer ingewikkeld en kant.
Volgens Libbrecht het die redes vir die verskyning van verskillende vorme van sneeuvlokkies duideliker geword danksy Nakai se werk. Daar is gevind dat sneeukristalle in plat sterre en plate ontwikkel (eerder as driedimensionele strukture) wanneer die rande vinnig na buite groei en die vlakke stadig opwaarts groei. Dun kolomme groei anders, met vinnig groeiende rande en stadiger groeiende rande.
Terselfdertyd bly die basiese prosesse wat beïnvloed of 'n sneeuvlok 'n ster of 'n kolom word, onduidelik. Miskien lê die geheim in die temperatuurtoestande. En Libbrecht het probeer om 'n antwoord op hierdie vraag te vind.
Sneeuvlok resep
Saam met sy klein span navorsers het Libbrecht ’n resep vir ’n sneeuvlok probeer uitdink. Dit wil sê, 'n sekere stel vergelykings en parameters wat in 'n rekenaar gelaai kan word en 'n wonderlike verskeidenheid sneeuvlokkies van die KI kry.
Kenneth Libbrecht het twintig jaar gelede met sy navorsing begin nadat hy geleer het van 'n eksotiese sneeuvlokvorm wat 'n geslote kolom genoem word. Dit lyk soos 'n garingspoel of twee wiele en 'n as. Gebore in die noorde van die land, was hy geskok oor die feit dat hy nog nooit so 'n sneeuvlok gesien het nie.
Verbaas oor die eindelose vorms van die sneeukristalle het hy begin hul aard deur 'n laboratorium vir die kweek van sneeuvlokkies te skep. Die resultate van baie jare se waarnemings het gehelp om 'n model te skep wat die skrywer self as 'n deurbraak beskou. Hy het die idee van molekulêre diffusie op grond van oppervlak-energie voorgestel. Hierdie idee beskryf hoe die groei van 'n sneeukristal afhang van die aanvanklike toestande en die gedrag van die molekules wat dit vorm.
Stel jou voor dat die watermolekules losweg geleë is aangesien die waterdamp net begin vries. As jy binne 'n piepklein sterrewag kon wees en na hierdie proses kyk, kan jy sien hoe bevrore watermolekules 'n rigiede rooster begin vorm, waar elke suurstofatoom deur vier waterstofatome omring word. Hierdie kristalle groei deur watermolekules uit die omliggende lug in hul struktuur in te sluit. Hulle kan in twee hoofrigtings groei: opwaarts of uitwaarts.
’n Dun, plat kristal (lamellêr of stervormig) word gevorm wanneer die rande vinniger as die twee vlakke van die kristal vorm. Die groeiende kristal sal na buite versprei. Wanneer sy gesigte egter vinniger as sy rande groei, word die kristal langer en vorm 'n naald, hol pilaar of staaf.
Skaars vorme van sneeuvlokkies
Nog 'n oomblik. Let op die derde foto, geneem deur Libbrecht in die noorde van Ontario. Dit is 'n "geslote kolom" kristal - twee plate wat aan die punte van 'n dik kolom kristal geheg is. In hierdie geval word elke bord in 'n paar baie dunner plate verdeel. Kyk mooi na die rande, jy sal sien hoe die bord in twee gedeel is. Die rande van hierdie twee dun plate is omtrent so skerp soos 'n skeermeslem. Die totale lengte van die yskolom is ongeveer 1,5 mm.
Volgens Libbrecht se model gaan waterdamp eers by die hoeke van die kristal neer en versprei (diffuseer) dan langs die oppervlak óf na die rand van die kristal óf na sy vlakke, wat veroorsaak dat die kristal uitwaarts of opwaarts groei. Watter van hierdie prosesse “wen” hang hoofsaaklik van temperatuur af.
Daar moet kennis geneem word dat die model "semi-empiries" is. Dit wil sê, dit is gedeeltelik gestruktureer om ooreen te stem met wat gebeur, en nie om die beginsels van sneeuvlokgroei te verduidelik nie. Die onstabiliteite en interaksies tussen die tallose molekules is te kompleks om ten volle te ontrafel. Die hoop bly egter steeds dat Libbrecht se idees as basis sal dien vir 'n omvattende model van die dinamika van ysgroei, wat deur meer gedetailleerde metings en eksperimente uiteengesit kan word.
Mens moenie dink dat hierdie waarnemings van belang is vir 'n nou kring van wetenskaplikes nie. Soortgelyke vrae ontstaan in gekondenseerde materie fisika en in ander velde. Geneesmiddelmolekules, halfgeleierskyfies vir rekenaars, sonselle en 'n magdom ander nywerhede maak staat op hoëgehalte-kristalle, en hele spanne is toegewyd om dit te laat groei. Libbrecht se geliefde sneeuvlokkies kan dus die voordeel van die wetenskap dien.
Wat kan jy nog op die blog lees?
→
→
→
→
→
Teken in op ons -kanaal sodat jy nie die volgende artikel mis nie! Ons skryf nie meer as twee keer per week nie en slegs vir besigheid. Terloops, as jy nie reeds weet nie, kan beginners $10 000 van Cloud4Y ontvang. Voorwaardes en aansoekvorm vir belangstellendes kan op ons webwerf gevind word:
Bron: will.com