لا يوجد ما يكفي من الثلوج في الجزء الأوسط من روسيا هذا الشتاء. لقد سقط في بعض الأماكن بالطبع، ولكن في شهر يناير كان من الممكن توقع المزيد من الطقس البارد والثلجي. يمنعك اللون الرمادي الباهت والطين غير السار من الشعور بفرحة متعة الشتاء المعتادة. لهذا السبب يقترح Cloud4Y إضافة القليل من الثلج إلى حياتنا من خلال الحديث عن... رقاقات الثلج.
ويعتقد أن هناك نوعين فقط من رقاقات الثلج. وأحد العلماء، الذي يُطلق عليه أحيانًا "أبو" فيزياء ندفة الثلج، لديه نظرية جديدة تشرح سبب ذلك. هو شخص رائع مستعد لمغادرة جنوب كاليفورنيا الذي تدفئه الشمس في منتصف الشتاء للوصول إلى فيربانكس (ألاسكا)، وارتداء سترة دافئة والجلوس في حقل متجمد حاملاً كاميرا وقطعة من الرغوة في يديه .
لماذا؟ إنه يبحث عن رقاقات الثلج الأكثر تألقًا والأكثر جمالًا والتي يمكن أن تخلقها الطبيعة. ووفقا له، فإن العينات الأكثر إثارة للاهتمام تميل إلى التشكل في أبرد الأماكن - فيربانكس سيئة السمعة والجزء الشمالي الثلجي من نيويورك. أفضل ثلج شاهده كينيث على الإطلاق كان في كوكرين، وهو مكان في شمال شرق أونتاريو، حيث تسببت الرياح الخفيفة في تساقط رقاقات الثلج من السماء.
مفتونًا بالعناصر، يدرس ليبرشت لوح الرغوة الخاص به بإصرار عالم آثار. إذا كان هناك شيء مثير للاهتمام هناك، فمن المؤكد أن العين ستلفت انتباهه. إذا لم يكن الأمر كذلك، فسيتم إزالة الثلج من اللوحة، وسيبدأ كل شيء من جديد. ويستمر هذا لساعات.
ليبرخت عالم فيزياء. وبمحض الصدفة المسلية، يقوم مختبره في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بإجراء أبحاث حول البنية الداخلية للشمس، بل إنه قام بتطوير أدوات حديثة للكشف عن موجات الجاذبية. لكن على مدار العشرين عامًا الماضية، كان شغف ليبرخت الحقيقي هو الثلج، وليس مظهره فحسب، بل ما يجعله يبدو بهذه الطريقة. يعترف كينيث: "إن السؤال عن نوع الأشياء التي تسقط من السماء، وكيف يحدث ذلك ولماذا تبدو هكذا، يعذبني طوال الوقت".
لفترة طويلة، كان يكفي أن يعرف الفيزيائيون أنه من بين العديد من بلورات الثلج الصغيرة، يمكن التمييز بين نوعين سائدين. إحداها عبارة عن نجمة مسطحة ذات ستة أو اثني عشر ذراعاً، كل منها مزين بدانتيل جميل مذهل. والآخر عبارة عن نوع من العمود المصغر، يقع أحيانًا بين "أغطية" مسطحة، وأحيانًا يشبه الترباس العادي. ويمكن رؤية هذه الأشكال في درجات حرارة ورطوبة مختلفة، لكن سبب تكوين شكل معين لا يزال لغزا. ساعدت سنوات ملاحظات ليبرخت على فهم عملية تبلور رقاقات الثلج بشكل أفضل.
وقد ساعد عمل ليبرخت في هذا المجال في إنشاء نموذج جديد يشرح لماذا تشكل رقاقات الثلج وبلورات الثلج الأخرى ما اعتدنا على رؤيته. ووفقا لنظريته، على الإنترنت في أكتوبر 2019، يصف حركة جزيئات الماء بالقرب من نقطة التجمد (التبلور) وكيف يمكن لحركات محددة لهذه الجزيئات أن تؤدي إلى مجموعة من البلورات التي تتشكل في ظل ظروف مختلفة. في في 540 صفحة، يصف ليبرشت كل المعرفة حول بلورات الثلج.
النجوم السداسية
أنت بالطبع تعلم أنه من المستحيل رؤية رققتين ثلجيتين متطابقتين (إلا في مرحلة البداية). هذه الحقيقة لها علاقة بكيفية تشكل البلورات في السماء. الثلج عبارة عن مجموعة من بلورات الجليد التي تتشكل في الغلاف الجوي وتحتفظ بشكلها عندما تتساقط معًا على الأرض. وتتشكل عندما يكون الجو باردًا بدرجة كافية لمنعها من الاندماج أو الذوبان في الصقيع أو المطر.
على الرغم من أنه يمكن تسجيل العديد من درجات الحرارة ومستويات الرطوبة داخل سحابة واحدة، إلا أن هذه المتغيرات ستكون ثابتة بالنسبة لندفة ثلج واحدة. هذا هو السبب في أن ندفة الثلج غالبًا ما تنمو بشكل متناظر. ومن ناحية أخرى، تتعرض كل ندفة ثلج للرياح وأشعة الشمس وعوامل أخرى. في الأساس، تخضع كل بلورة لفوضى السحابة، وبالتالي تأخذ أشكالًا مختلفة.
وفقًا لبحث ليبرخت، فإن أول تفكير حول هذه الأشكال الدقيقة تم تسجيله في عام 135 قبل الميلاد. في الصين. كتب الباحث هان يين: "عادة ما تكون أزهار النباتات والأشجار خماسية الأطراف، لكن زهور الثلج تكون دائمًا سداسية الأطراف". وربما كان العالم الأول الذي حاول معرفة سبب حدوث ذلك هو يوهانس كيبلر، وهو عالم ألماني وموسوعي.
في عام 1611، قدم كيبلر هدية رأس السنة لراعيه، الإمبراطور الروماني المقدس رودولف الثاني: عبارة عن قطعة صغيرة من بعنوان "حول رقاقات الثلج السداسية".
"أعبر الجسر ويعذبني العار - لقد تركتك بدون هدية رأس السنة الجديدة! " ثم جاءت الفرصة في طريقي! بخار الماء، الذي يتكاثف من البرد إلى ثلج، يتساقط مثل ندف الثلج على ملابسي، كلها كواحدة، سداسية، ذات أشعة رقيقة. أقسم بهركليز، هذا شيء أصغر من أي قطرة، له شكل، يمكن أن يكون بمثابة هدية رأس السنة التي طال انتظارها لمحبي لا شيء، ويستحق أن يكون عالم رياضيات لا يملك شيئًا ولا يتلقى شيئًا، لأنه يسقط من السماء ويخفي في داخله شبه نجم سداسي!
"يجب أن يكون هناك سبب يجعل الثلج على شكل نجمة سداسية. كان يوهانس كيبلر متأكداً من أن هذا لا يمكن أن يكون مجرد حادث. ربما كان يتذكر رسالة من معاصره توماس هاريوت، العالم الإنجليزي وعالم الفلك الذي تمكن أيضًا من العمل كملاح للمستكشف السير والتر رالي. حوالي عام 1584، كان هاريوت يبحث عن الطريقة الأكثر فعالية لتكديس قذائف المدفع على أسطح سفن رالي. وجد هاريوت أن الأنماط السداسية تبدو أفضل طريقة لترتيب المجالات، وناقش هذه المسألة في مراسلاته مع كيبلر. تساءل كيبلر عما إذا كان هناك شيء مماثل يحدث في رقاقات الثلج وما هو العنصر المسؤول عن تكوين هذه الأشعة الستة والحفاظ عليها.
أشكال ندفة الثلج
يمكننا القول أن هذا كان الفهم الأولي لمبادئ الفيزياء الذرية، والتي سيتم مناقشتها بعد 300 عام فقط. في الواقع، تميل جزيئات الماء، التي تحتوي على ذرتي هيدروجين وأكسجين واحد، إلى الارتباط معًا لتكوين مصفوفات سداسية. ولم يكن لدى كيبلر ومعاصريه أي فكرة عن مدى أهمية ذلك.
كما يقول الفيزيائيون، بفضل الروابط الهيدروجينية وتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض، يمكننا ملاحظة بنية بلورية مفتوحة. وبالإضافة إلى قدرته على نمو رقاقات الثلج، فإن بنيته السداسية تسمح للجليد بأن يكون أقل كثافة من الماء، وهو ما له تأثيرات كبيرة على الكيمياء الجيولوجية والجيوفيزياء والمناخ. وبعبارة أخرى، إذا لم يطفو الجليد، فإن الحياة على الأرض ستكون مستحيلة.
ولكن بعد أطروحة كيبلر، أصبحت مراقبة رقاقات الثلج مجرد هواية أكثر من كونها علمًا جادًا. في ثمانينيات القرن التاسع عشر، بدأ مصور أمريكي يُدعى ويلسون بنتلي، كان يعيش في بلدة أريحا الصغيرة الباردة والمغطاة بالثلوج دائمًا (فيرمونت، الولايات المتحدة الأمريكية)، في التقاط صور لرقاقات الثلج باستخدام لوحات فوتوغرافية. تمكن من التقاط أكثر من 1880 صورة قبل وفاته بسبب الالتهاب الرئوي.
وحتى في وقت لاحق، في ثلاثينيات القرن العشرين، بدأ الباحث الياباني أوكيشيرو ناكايا في دراسة أنواع مختلفة من بلورات الثلج بشكل منهجي. وفي منتصف القرن، قام ناكايا بزراعة رقاقات ثلجية في المختبر باستخدام شعر أرنب فردي تم وضعه في غرفة مبردة. لقد عدل إعدادات الرطوبة ودرجة الحرارة، وزرع أنواعًا أساسية من البلورات، وقام بتجميع كتالوجه الأصلي للأشكال المحتملة. اكتشف ناكايا أن نجوم ندفة الثلج تميل إلى التشكل عند -1930 درجة مئوية وعند -2 درجة مئوية. تتشكل الأعمدة عند درجة حرارة -15 درجة مئوية وعند درجة حرارة -5 درجة مئوية تقريبًا.
من المهم أن نلاحظ هنا أنه عند درجة حرارة حوالي -2 درجة مئوية تظهر أشكال رقيقة تشبه رقاقات الثلج، وعند -5 درجة مئوية فإنها تشكل أعمدة وإبرًا رفيعة، وعندما تنخفض درجة الحرارة إلى -15 درجة مئوية تصبح رقيقة جدًا الألواح، وعند درجات حرارة أقل من -30 درجة مئوية تعود إلى أعمدة أكثر سمكًا.
في ظروف الرطوبة المنخفضة، تشكل رقاقات الثلج النجمية عدة فروع وتشبه الصفائح السداسية، ولكن في الرطوبة العالية تصبح أكثر تعقيدًا وشريطية.
ووفقا لليبريشت، أصبحت أسباب ظهور أشكال مختلفة من رقاقات الثلج أكثر وضوحا بفضل عمل ناكاي. لقد وجد أن بلورات الثلج تتطور إلى نجوم وصفائح مسطحة (بدلاً من هياكل ثلاثية الأبعاد) عندما تنمو الحواف بسرعة إلى الخارج وتنمو الوجوه ببطء إلى الأعلى. تنمو الأعمدة الرقيقة بشكل مختلف، مع حواف سريعة النمو وحواف بطيئة النمو.
وفي الوقت نفسه، تظل العمليات الأساسية التي تؤثر على تحول ندفة الثلج إلى نجم أو عمود غير واضحة. ربما يكمن السر في ظروف درجة الحرارة. وحاول ليبرخت العثور على إجابة لهذا السؤال.
وصفة ندفة الثلج
حاول ليبرخت، بالتعاون مع فريقه الصغير من الباحثين، التوصل إلى وصفة لندفة الثلج. أي مجموعة معينة من المعادلات والمعلمات التي يمكن تحميلها على جهاز كمبيوتر والحصول على مجموعة رائعة من رقاقات الثلج من الذكاء الاصطناعي.
بدأ كينيث ليبرشت بحثه منذ عشرين عامًا بعد أن تعرف على شكل ندفة ثلج غريبة يُطلق عليها اسم العمود المغلق. يبدو وكأنه بكرة من الخيط أو عجلتين ومحور. ولد في شمال البلاد، وقد صدم من حقيقة أنه لم ير مثل هذه ندفة الثلج من قبل.
بدأ يتعجب من الأشكال التي لا نهاية لها لبلورات الثلج طبيعتها من خلال إنشاء معمل لزراعة رقاقات الثلج. ساعدت نتائج سنوات عديدة من الملاحظات في إنشاء نموذج يعتبره المؤلف نفسه بمثابة اختراق. واقترح فكرة الانتشار الجزيئي على أساس الطاقة السطحية. تصف هذه الفكرة كيف يعتمد نمو بلورة الثلج على الظروف الأولية وسلوك الجزيئات التي تشكلها.
تخيل أن جزيئات الماء موجودة بشكل غير محكم حيث بدأ بخار الماء في التجمد. إذا كان بإمكانك أن تكون داخل مرصد صغير وتنظر إلى هذه العملية، فيمكنك أن ترى كيف تبدأ جزيئات الماء المتجمد في تشكيل شبكة صلبة، حيث تكون كل ذرة أكسجين محاطة بأربع ذرات هيدروجين. تنمو هذه البلورات عن طريق دمج جزيئات الماء من الهواء المحيط في بنيتها. يمكن أن تنمو في اتجاهين رئيسيين: للأعلى أو للخارج.
تتشكل بلورة رقيقة ومسطحة (صفائحية أو على شكل نجمة) عندما تتشكل الحواف بشكل أسرع من وجهي البلورة. سوف تنتشر البلورة المتنامية إلى الخارج. ومع ذلك، عندما تنمو وجوهها بشكل أسرع من حوافها، تنمو البلورة بشكل أطول، وتشكل إبرة أو عمودًا مجوفًا أو قضيبًا.
أشكال نادرة من رقاقات الثلج
لحظة أخرى. لاحظ الصورة الثالثة التي التقطتها ليبرخت في شمال أونتاريو. هذه بلورة "عمود مغلق" - لوحتان متصلتان بأطراف بلورة عمودية سميكة. في هذه الحالة، يتم تقسيم كل لوحة إلى زوج من لوحات أرق بكثير. انظر عن كثب إلى الحواف، وسترى كيف يتم تقسيم اللوحة إلى قسمين. حواف هاتين الصفيحتين الرفيعتين حادة مثل شفرة الحلاقة. يبلغ الطول الإجمالي لعمود الجليد حوالي 1,5 ملم.
وفقًا لنموذج ليبرخت، يستقر بخار الماء أولاً في زوايا البلورة ثم ينتشر (ينتشر) على طول السطح إما إلى حافة البلورة أو إلى وجوهها، مما يؤدي إلى نمو البلورة للخارج أو للأعلى. أي من هذه العمليات "يفوز" يعتمد بشكل أساسي على درجة الحرارة.
وتجدر الإشارة إلى أن النموذج "شبه تجريبي". أي أنها مصممة جزئيًا لتتوافق مع ما يحدث، وليس لشرح مبادئ نمو ندفة الثلج. إن عدم الاستقرار والتفاعلات بين الجزيئات التي لا تعد ولا تحصى معقدة للغاية بحيث لا يمكن حلها بالكامل. ومع ذلك، يبقى الأمل في أن تكون أفكار ليبرخت بمثابة الأساس لنموذج شامل لديناميات نمو الجليد، والذي يمكن تفصيله من خلال قياسات وتجارب أكثر تفصيلاً.
لا ينبغي للمرء أن يعتقد أن هذه الملاحظات تهم دائرة ضيقة من العلماء. وتنشأ أسئلة مماثلة في فيزياء المادة المكثفة وفي مجالات أخرى. تعتمد جزيئات الأدوية، ورقائق أشباه الموصلات لأجهزة الكمبيوتر، والخلايا الشمسية، ومجموعة من الصناعات الأخرى على بلورات عالية الجودة، وتكرس فرق كاملة جهودها لتنميتها. لذا فإن ندفات الثلج التي يحبها ليبرخت قد تخدم مصلحة العلم.
ماذا يمكنك أن تقرأ في المدونة؟
→
→
→
→
→
اشترك في موقعنا -channel حتى لا تفوت المقالة التالية! نحن لا نكتب أكثر من مرتين في الأسبوع وفي العمل فقط. بالمناسبة، إذا كنت لا تعرف بالفعل، يمكن للشركات الناشئة الحصول على 10 دولار من Cloud000Y. الشروط واستمارة التقديم للمهتمين تجدونها على موقعنا:
المصدر: www.habr.com