Снегът в централната част на Русия тази зима е малко. Няколко места получиха снег, разбира се, но през януари можеше да се очаква нещо по-студено и снежно. Унылата сивота и неприятната киша пречат да усетим радостта от обичайните зимни забавления. Поради това Cloud4Y предлага да добавим малко снег в живота си, като поговорим за... снежинките.
Счита се, че снежинките са само от два типа. Един от учените, когото понякога наричат "баща" на физиката на снежинките, е разработил нова теория, обясняваща причината за това. е удивителен човек, който е готов да напусне затоплената от слънцето Южна Калифорния посред зима, за да стигне до Феъбенк, Аляска, да облече топло яке и да седне в замръзнало поле с камера и парче стиропор в ръка.
Защо? Той търси най-бляскавите, най-текстурирани и най-красиви снежинки, които природата може да създаде. Според него, най-интригуващите образци обикновено се образуват на най-студените места — прочутия Феъбенк и в заснежената северна част на Ню Йорк. Най-добрият сняг, който Кенет някога е наблюдавал, е валял в Кокрейн, малко място на североизток от Онтарио, където слабят вятър е завивал снежинките, падащи от небето.
Очарован от стихията, Либбрехт с упоритостта на археолог изследва своята стиропорна дъска. Ако там има нещо интересно, погледът му задължително ще се закачи за него. Ако ли не — снегът се изтрива от дъската и всичко започва отново. И това продължава часове.
Либбрехт е физик. По забавна случайност, неговата лаборатория в Калифорнийския технологичен институт се занимава с изследвания на вътрешната структура на Слънцето и дори е разработила съвременни уреди за откриване на гравитационни вълни. Но през последните 20 години истинската страст на Либбрехт е снегът — не само неговият вид, но и това, което го кара да изглежда така. "Въпросът за това какви обекти падат от небето, как става това и защо изглеждат така, все още ме измъчва," признава Кенет.
Дълго време за физиците беше достатъчно знанието, че сред множеството малки снежни кристали могат да се откроят два преобладаващи типа. Единият е плоска звезда с шест или дванадесет лъча, всеки от които е украсен с удивително красиви дантели. Другият е нещо като миниатюрна колона, понякога притисната между плоски "капачки", а понякога приличаща на обикновен винт. Тези форми могат да се видят при различна температура и влажност, но причината за образуването на този или онзи вид остава загадка. Години наблюдения на Либбрехт помогнаха за по-доброто разбиране на процеса на кристализация на снежинките.
Научните разработки на Либбрехт в тази област помогнаха за създаването на нова модель, която обяснява защо снежинките и другите снежни кристали образуват това, което сме свикнали 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 набор от кристали, които се образуват при различни условия. В своята с обем от 540 страници Либбрехт описва всичкото знание за снежните кристали.
Шестиконечни звезди
Разбира се, знаете, че е невъзможно да се видят две еднакви снежинки (освен в стадий на зародиш). Този факт е свързан с начина, по който кристалите се формират в небето. Снягът е струпване на ледени кристали, които се образуват в атмосферата и запазват формата си, когато всички заедно падат на Земята. Те се образуват, когато атмосферата е достатъчно студена, за да не позволи сливане или топене и превръщане в мокър сняг или дъжд.
Въпреки че в пределите на едно облако могат да се фиксират множество температури и нива на влажност, за една снежинка тези променливи ще бъдат постоянни. Затова снежинката често расте симетрично. От друга страна, всяка снежинка е под въздействието на вятъра, слънчевата светлина и други фактори. По същество, всеки кристал подчинява на хаоса на облака, и затова приема различни форми.
Съгласно изследването на Либбрехт, най-ранните размисли за тези деликатни форми са документирани през 135 г. пр.н.е. в Китай. "Цветята на растенията и дърветата обикновено са петолистни, но цветята на снега винаги са шестолистни," пише ученият Хан Инь. А първият учен, който се опитва да разбере защо е така, вероятно е Йоханнес Кеплер, германски учен и ерудит.
През 1611 година Кеплер поднася новогодишен подарък на своя покровител, императора на Светата Римска империя Рудолф II: малък с заглавие "За шестолистните снежинки."
"Прекарвам моста, измъчван от срам - оставих те без новогодишен подарък! И тук ми се представя удобен случай! Водните пари, сгъстявайки се от студа, падат снежинки на дрехата ми, всички, като една, шестолистни, с пухкави лъчи. Заклевам се в Херкулес, ето нещо, което е по-малко от всяка капка, има форма, може да служи като дългоочакван новогодишен подарък за любителя на Нищото и е достойно за математик, който притежава Нищото и получава Нищо, тъй като пада от небето и крие в себе си подобие на шестолистна звезда!".
"Трябва да има причина, поради която снегът има формата на шестолистна звезда. Това не може да е случайност," уверено заявява Йоханнес Кеплер. Вероятно му е дошло на ум писмо от съвременника му Томас Харриот, английски учен и астроном, който също е работил като штурман за изследователя сър Уолтър Роли. Около 1584 година Харриот търси най-ефективния начин за подреждане на топовни ядра на палубите на корабите на Роли. Харриот открива, че хексагоналните модели изглеждат като най-добрия начин за разположение на сфери и обсъжда този въпрос в кореспонденция с Кеплер. Кеплер се запитва дали нещо подобно се случва и в снежинките и благодарение на кой елемент се образуват и задържат тези шест лъча.
Форми на снежинките
Може да се каже, че това е било начално разбиране на принципите на атомната физика, за която ще говорят едва след 300 години. В действителност 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 са могли да си представят колко важно е това.
Както казват физиците, благодарение на водородните връзки и взаимодействието на молекулите помежду им, можем да наблюдаваме отворената кристална структура. Освен способността да отглеждаме снежинки, шестоъгълната структура прави леда по-малко плътен в сравнение с водата, което оказва огромно влияние на геохимията, геофизиката и климата. С други думи, ако леда 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 студеното, вечно заснежено малко градче Иерихон (щат Вермонт, САЩ), започна да прави снимки на снежинки с помощта на фотопластини. Той успя да създаде повече от 5000 фотографии, преди да умре от пневмония.
По-късно, през 1930-те години, японският изследовател Укичиро Накая започна систематично проучване на различните типове снежни кристали. В средата на века Накая отглеждаше снежинки в лаборатория, използвайки отделни косми от заек, поставени в охладена стая. Той експериментираше с настройки за влажност и температура, отглеждайки основни типове кристали, и събра оригиналния си каталог на възможните форми. Накая откри, че снежинките-звезди имат тенденция да се образуват при -2 °C и при -15 °C. Стълбовете 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 пластинкови форми на снежинките, при -5 °C те създават тънки стълбчета и игли, а когато температурата падне до -15 °C, те стават наистина тънки пластини, а при температура под -30 °C те се връщат към по-дебели колони.
При условия на ниска влажност снежинките-звезди образуват няколко клона и приличат на хексагонални пластини, но при висока влажност стават по-сложни и дантелени.
Според Либбрехт причините за появата на различни форми снежинки станаха по-разбираеми именно благодарение на работата на Накая. Установено е, че снежните кристали се превръщат в плоски звезди и пластини (а не в триизмерни структури), когато краищата растат бързо навън, а граните растат бавно нагоре. Тънките колони растат по различен начин, с бързо растящи грани и по-бавно растящи краища.
В същото време основните процеси, които влияят на това, дали снежинката ще стане звезда или колона, остават незасегнати. Може би тайната се крие в температурните условия. И Либбрехт се опитваше да намери отговор на този въпрос.
Рецепта за снежинката
Заедно с малкия си екип от изследователи Либбрехт се опитваше да измисли рецепта за снежинка. Тоест, определен набор от уравнения и параметри, които могат да бъдат заредени в компютър и да получат от ИИ великолепно разнообразие от снежинки.
Изследванията си Кенет Либбрехт започва преди двадесет години, когато научава за екзотичната форма на снежинка, наречена затворена колона. Тя наподобява катушка за конец или две колела и ос. Рожден на север от страната, той е шокиран от факта, че никога не е виждал такава снежинкa.
Впечатлен от безкрайните форми на снежните кристали, той се заема на тяхната природа, създавайки лаборатория за отглеждане на снежинки. Резултатите от многогодишните наблюдения помогнаха да се създаде модел, който самият автор смята за пробивен. Той предлага идеята за молекулярна дифузия на базата на повърхностната енергия. Тази идея описва как растежът на снежния кристал зависи от началните условия и поведението на молекулите, които го формират.
Представете си, че молекулите на водата са разположени свободно, когато водните пари само започват да замръзват. Ако можеше да се озовеш вътре в малка обсерватория и да наблюдаваш този процес, можеше да видиш как замръзналите водни молекули започват да образуват здрава решетка, където всеки атом кислород е заобиколен от четири атома водород. Тези кристали растат, като включват молекули на вода от заобикалящия въздух в тяхната структура. Те могат да растат в две основни посоки: нагоре или навън.
Тонък плосък кристал (пластинчат или звездообразен) се образува, когато краищата растат по-бързо, отколкото двете лица на кристала. Растящият кристал ще се разширява навън. Въпреки това, когато лицата му растат по-бързо от краищата, кристалът става по-висок, образувайки игла, куха колона или стержен.
Редки форми на снежинките
Един момент. Обърнете внимание на третата снимка, направена от Либбрехт в северно Онтарио. Това е кристал с «закрити колони» — две пластини, прикрепени към краищата на дебел стълбовиден кристал. В този случай всяка пластина е разделена на две много по-тънки пластини. Огледайте краищата, ще видите как пластината се разделя на две. Краищата на тези две тънки пластини са приблизително толкова остри, колкото ножче за бръснене. Общата дължина на ледовата 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, като кара 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 така, за да отговаря на наблюдаваното, 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 надежда, че идеите на Либбрехт ще послужат като основа за всеобхватен модел на динамиката на растежа на леда, който може да бъде детализиран чрез по-подробни измервания и експерименти.
Не трябва да си мислите, че тези наблюдения са интересни само на ограничен кръг учени. Подобни въпроси възникват в физиката на кондензираните среди и в други области. Молекулите на лекарства, полупроводникови чипове за компютри, слънчеви клетки и много други области разчитат на вискокачествени кристали, и цели групи се занимават с въпроса за тяхното отглеждане. Така че обичаните от Либбрехт снежинки могат да послужат за доброто на науката.
Какво още полезно може да се прочете 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 анкетата за желаещите са на нашия сайт:
Източник: habr.com
