През тази зима снегът в централната част на Русия е малко. На места е валял, разбира се, но през януари можеше да се очаква някаква по-мразовита и снежна атмосфера. Унылата сивота и неприятната киша пречат да усетим радост от обичайните зимни забавления. Затова Cloud4Y предлага да добавим малко сняг в живота си, говорейки за... снежинките.
Смята се, че снежинките са само от два типа. И един от учените, когото понякога наричат „баща“ на физиката на снежинките, има нова теория, обясняваща причината за това. — това е удивителен човек, който е готов посред зима да напусне загрята от слънце Южна Калифорния, за да отиде до Фэрбенкс (Аляска), да облече топло яке и да седне на замразено поле с камера и парче полистирол в ръцете си.
Защо? Той търси най-сияйните, най-текстурирани и най-красиви снежинки, които природата може да създаде. Според него, най-интересните образци имат тенденция да се образуват на най-студените места — прочутия Фэрбенкс и в заснежената северна част на Ню Йорк. Най-добрият сняг, който Кенет някога е наблюдавал, е валял в Кокрейн, малко селце на североизток от Онтарио, където слабият вятър е завъртял снежинките, падащи от небето.
Очарован от стихията, Либбрехт упорито изучава своя полистиролова дъска. Ако там има нещо интересно, погледът му непременно ще се спре на него. Ако не, снегът се изтърсва от дъската и всичко започва отначало. И това продължава с часове.
Либбрехт е физик. По забавна случайност, неговата лаборатория в Калифорнийския технологичен институт се занимава с изследване на вътрешната структура на Слънцето и дори е разработила съвременни устройства за откриване на гравитационни вълни. Но през последните 20 години истинската страст на Либбрехт е снегът — не само неговият външен вид, но и какво го кара да изглежда така. „Въпросът какви обекти падат от небето, как се случва и защо изглеждат така, ме терзае непрекъснато“, признава Кенет.
Дълго време за физиците беше достатъчно да знаят, че сред множеството малки снежинки могат да се откроят два преобладаващи типа. Единият е плоска звезда с шест или дванадесет лъча, всеки от които е украсен с невероятно красиви дантели. Другият е вид миниатюрна колона, понякога притисната между плоски "капачета", а понякога наподобяваща обикновен болт. Тези форми могат да се видят при различна температура и влажност, но причината за образуването на всяка форма остава загадка. Години наблюдения на Либбрехт помогнаха да се разбере по-добре процесът на кристализация на снежинките.
Резултатите на Либбрехт в тази област помогнаха за създаването на нова модел, който обяснява защо снежинките и другите снежни кристали образуват това, което ние свикнахме да виждаме. Според неговата теория, в интернет през октомври 2019 година, описва движението на водните молекули близо до точката на замръзване (кристализация) и как конкретните движения на тези молекули могат да породят съвкупност от кристали, които се образуват при различни условия. В своята с обем 540 страници, Либбрехт описва всичките знания за снежните кристали.
Шестиконечни звезди
Сигурно знаете, че е невъзможно да се видят две еднакви снежинки (освен в етапа на образуване). Този факт е свързан с начина, по който кристалите се формират в небето. Снягът е съвкупност от ледени кристали, образуващи се в атмосферата и запазващи формата си при падане на Земята. Те се образуват, когато атмосферата е достатъчно студена, за да предотврати сливането или топенето и превръщането им в мокър сняг или дъжд.
В рамките на едно облако могат да се зафиксирват множество температури и нива на влажност, но за една снежинка тези променливи ще останат постоянни. Ето защо снежинката често расте симетрично. От друга страна, всяка снежинка е подложена на въздействието на вятъра, слънчевата светлина и други фактори. По същество, всеки кристал се подчинява на хаоса на облака и затова приема различни форми.
Според изследването на Либбрехт, най-ранните размишления върху тези деликатни форми са записани през 135 г. пр.н.е. в Китай. „Цветята на растенията и дърветата обикновено са петолъки, но цветята на снега винаги са шестолъки“, пише ученът Хан Ин. А първият учен, който се опитал да разбере защо е така, вероятно е Йоханес Кеплер, немски учен и ерудит.
През 1611 година Кеплер подари новогодишен Geschenk на своя покровител, император Рудолф II от Свещената Римска империя: малък с наименование „За шестоъголните снежинки“.
„Прехвърлям моста, мъчен от срам – оставих те без новогодишен подарък! И в този момент ми се предоставя удобен случай! Водната пара, кондензирана от студа в сняг, пада като снежинки на дрехите ми, всички, като една, шестоъгълни, с пухкави лъчи. Кълна се в Херакъл, ето нещо, което е по-малко от капка, има форма и може да служи за дългоочакван новогодишен подарък на любител на Нищо и е достойно за математика, който притежава Нищо и получава Нищо, понеже пада от небето и носи в себе си подобие на шестоъгълна звезда!“.
„Трябва да има причина, поради която снегът има формата на шестоъгълна звездица. Не може да бъде случайно“, беше уверен Йоханес Кеплер. Може би си спомни писмо от съвременника си Томас Харриот, английски учен и астроном, който също успя да работи като штурман за изследователя сър Уолтър Роли. Около 1584 година Харриот търсеше най-ефективния начин за подредба на пушечните топки на палубите на корабите на Роли. Харриот откри, че хексагоналните модели изглеждат като най-добрия начин за разположение на сфери и обсъждаше този въпрос в кореспонденция с Кеплер. Кеплер се запитваше, дали подобно нещо се случва при снежинките и откъде произлизат и се задържат тези шест лъча.
Формите на снежинките
Може да се каже, че това беше начален разбирател на принципите на атомната физика, за която ще заговорят едва след 300 години. Всъщност, молекулите на водата с техните два атома водород и един кислород имат тенденция да се свързват заедно, образувайки хексагонални масиви. Кеплер и неговите съвременници дори не си представяха колко е важно това.
Както казват физиците, благодарение на водородните връзки и взаимодействията между молекулите можем да наблюдаваме отворена кристална структура. Освен способността да отглеждаме снежинки, шестоъгълната структура прави леда по-малко плътен в сравнение с водата, което оказва огромно влияние върху геохимията, геофизиката и климата. С други думи, ако ледът не плуваше, животът на Земята щеше да бъде невъзможен.
Но след трактата на Кеплер наблюдението на снежинките беше по-скоро хоби, отколкото сериозна наука. През 1880-те години американският фотограф Уилсън Бентли, живеещ в малкото, вечно снежно градче Иерихон (щат Вермонт, САЩ), започна да прави снимки на снежинки с помощта на фотопластини. Той успя да създаде над 5000 фотографии, преди да умре от пневмония.
По-късно, през 1930-те години, японският изследовател Укичиро Накая започна систематично изследване на различни видове снежни кристали. В средата на века Накая отглеждаше снежинки в лаборатория, използвайки отделни косми от заек, поставени в охладено помещение. Той експериментираше с настройките на влажността и температурата, отглеждайки основни видове кристали, и събра своя оригинален каталог на възможните форми. Накая установи, че снежинките-звезди имат тенденция да се образуват при -2 °C и при -15 °C. Колоните се образуват при -5 °C и приблизително при -30 °C.
Тук е важно да се отбележи, че при температура около -2 °C се появяват тънки пластинковидни форми на снежинките, при -5 °C те създават тънки колони и игли, а когато температурата спадне до -15 °C, те стават наистина тънки пластини, а при температура под -30 °C се връщат в по-дебели колони.
В условия на ниска влажност снежинките-звезди образуват няколко клона и наподобяват хексагонални пластини, но при висока влажност стават по-завързани и дантелени.
Според Либбрехт причините за появата на различни форми на снежинките станаха по-разбираеми благодарение на работата на Накая. Установено е, че снежните кристали се преобразуват в плоски звезди и пластини (а не триизмерни структури), когато краищата бързо растат навън, а границите растат бавно нагоре. Тънките колони растат по различен начин, с бързо растящи граници и по-бавно растящи краища.
В същото време основните процеси, които определят дали снежинката ще стане звезда или колона, благодарение на температурните условия, остават неясни. Либбрехт се опитваше да намери отговор на този въпрос.
Рецепта за снежинка
Заедно с малкия си екип изследователи, Либбрехт се опитваше да измисли рецепта за снежинка. Тоест, набор от уравнения и параметри, които могат да се заредят в компютър, за да се получи от ИИ великолепно разнообразие от снежинки.
Изследванията на Кенет Либбрехт започнаха преди двадесет години, когато научи за екзотичната форма на снежинката, наречена затворена колона. Тя наподобява бобина за нишка или на две колела и ос. Роден на север в страната, той беше шокиран, че никога не беше виждал такава снежинка.
Потънал в безкрайните форми на снежните кристали, той се зае на тяхната природа, създавайки лаборатория за отглеждане на снежинки. Резултатите от многогодишните наблюдения помогнаха за създаването на модел, който самият автор счита за пробивен. Той предложи идеята за молекулярна дифузия на базата на повърхностна енергия. Тази идея описва как растежът на снежния кристал зависи от началните условия и поведението на молекулите, които го образуват.
Представете си, че молекулите на водата са разположени свободно, тъй като водните пари едва започват да замръзват. Ако можете да се окажете вътре в мъничка обсерватория и да наблюдавате този процес, можете да видите как молекулите на замръзналата вода започват да образуват стегната решетка, където всеки атом кислород е обграден от четири атома водород. Тези кристали растат, като включват молекули вода от заобикалящия въздух в своята структура. Те могат да растат в две основни посоки: нагоре или навън.
Тънък плосък кристал (пластинчат или звездообразен) се формира, когато краищата растат по-бързо от двете грани на кристала. Растящият кристал ще се разширява навън. Въпреки това, когато граните растат по-бързо от краищата, кристалът става по-висок, образувайки игла, куха колона или стержен.
Редки форми на снежинки
Още един момент. Обърнете внимание на третата снимка, направена от Либбрехт в северно Онтарио. Това е кристал с "затворени колони" — две плоскости, прикрепени към краищата на дебел стълбовиден кристал. В този случай всяка плоскост е разделена на двойка много по-тънки плоскости. Види края, ще видите как плоскостта се разделя на две. Краищата на тези две тънки плоскости са приблизително толкова остри, колкото бръснач. Общата дължина на ледяната колона е около 1.5 мм.
Според модела на Либбрехт, водната пара първо се утаява по ъглите на кристала, а след това се разпространява (дифундира) по повърхността или към ръба на кристала, или към неговите грани, принуждавайки кристала да расте навън или нагоре. Кой от тези процеси "печели", зависи главно от температурата.
Трябва да се отбележи, че моделът е "полуемпиричен". Тоест той е частично построен, за да отговаря на случващото се, а не да обяснява принципите на растежа на снежинките. Нестабилностите и взаимодействията между безбройните молекули са твърде сложни, за да бъдат напълно разкрити. Въпреки това, остава надеждата, че идеите на Либбрехт ще служат като основа за всеобхватен модел на динамиката на растежа на лед, който може да бъде детайлизиран с помощта на по-подробни измервания и експерименти.
Не бива да се мисли, че тези наблюдения са интересни само за ограничен кръг учени. Подобни въпроси възникват в физиката на кондензираните среди и в други области. Молекулите на лекарствата, полупроводниковите чипове за компютри, слънчевите елементи и много други индустрии разчитат на висококачествени кристали, а цели групи се занимават с въпроса за тяхното отглеждане. Така че нежно обичаните от Либбрехт снежинки напълно могат да послужат за благото на науката.
Какво още полезно може да прочетете в блога
→
→
→
→
→
Абонирайте се за нашия -канал, за да не пропуснете следващата статия! Пишем не по-често от два пъти седмично и само по същество. Между другото, ако все още не знаете, стартъпите могат да получат $10 000 от Cloud4Y. Условията и формулярът за желаещи — на нашия сайт:
Източник: habr.com
