Тази зима в централната част на Русия няма достатъчно сняг. На места падна, разбира се, но през януари може да се очаква още мразовито и снежно време. Тъпата сивота и неприятната киша ви пречат да почувствате радостта от обичайното зимно забавление. Ето защо Cloud4Y предлага да добавим малко сняг в живота си, като говорим за... снежинки.
Смята се, че има само два вида снежинки. И един от учените, понякога наричан „бащата“ на физиката на снежинките, има нова теория, за да обясни причината за това. е невероятен човек, който е готов да напусне загряната от слънцето Южна Калифорния посред зима, за да стигне до Феърбанкс (Аляска), да облече топло яке и да седне в замръзнало поле с камера и парче пяна в ръце .
За какво? Той търси най-блестящите, най-текстурираните, най-красивите снежинки, които природата може да създаде. Според него най-интересните образци са склонни да се формират в най-студените места - прословутия Феърбанкс и снежната северна част на Ню Йорк. Най-добрият сняг, който Кенет някога е виждал, беше в Кокрейн, място в североизточно Онтарио, където леките ветрове въртяха снежинки, падащи от небето.
Очарован от стихиите, Либрехт изучава своя пенокартон с упоритостта на археолог. Ако там има нещо интересно, окото със сигурност ще се хване за него. Ако не, снегът се измита от дъската и всичко започва отначало. И това продължава с часове.
Либрехт е физик. По забавно съвпадение неговата лаборатория в Калифорнийския технологичен институт се занимава с изследване на вътрешната структура на Слънцето и дори е разработила модерни инструменти за откриване на гравитационни вълни. Но през последните 20 години истинската страст на Либрехт беше снегът – не само външният му вид, но и това, което го кара да изглежда по този начин. „Въпросът какви обекти падат от небето, как се случва това и защо изглеждат така, ме измъчва през цялото време“, признава Кенет.
Дълго време за физиците беше достатъчно да знаят, че сред многото малки снежни кристали могат да се разграничат два преобладаващи вида. Една от тях е плоска звезда с шест или дванадесет рамена, всяко от които е украсено с шеметно красива дантела. Другата е вид миниатюрна колона, понякога притисната между плоски „капаци“, а понякога подобна на обикновен болт. Тези форми могат да се видят при различни температури и влажност, но причината за образуването на определена форма е мистерия. Годините наблюдения на Либрехт помогнаха да се разбере по-добре процесът на кристализация на снежинките.
Работата на Либрехт в тази област помогна за създаването на нов модел, който обяснява защо снежинките и другите снежни кристали образуват това, което сме свикнали да виждаме. Според неговата теория, онлайн през октомври 2019 г., описва движението на водните молекули близо до точката на замръзване (кристализация) и как специфичните движения на тези молекули могат да доведат до колекция от кристали, които се образуват при различни условия. В неговия В 540 страници Либрехт описва всички знания за снежните кристали.
Шестлъчеви звезди
Вие, разбира се, знаете, че е невъзможно да видите две еднакви снежинки (освен в началния етап). Този факт е свързан с това как се образуват кристалите в небето. Снегът е колекция от ледени кристали, които се образуват в атмосферата и запазват формата си, когато паднат заедно на Земята. Те се образуват, когато атмосферата е достатъчно студена, за да им попречи да се слеят или стопят в суграшица или дъжд.
Въпреки че много температури и нива на влажност могат да бъдат записани в рамките на един облак, за една снежинка тези променливи ще бъдат постоянни. Ето защо снежинката често расте симетрично. От друга страна, всяка снежинка е изложена на вятър, слънчева светлина и други фактори. По същество всеки кристал е подвластен на хаоса на облака и следователно приема различни форми.
Според изследванията на Либрехт, най-ранното мислене за тези деликатни форми е записано през 135 г. пр.н.е. в Китай. „Цветята на растенията и дърветата обикновено са с пет точки, но цветята на снега винаги са с шест точки“, пише ученият Хан Ин. И първият учен, който се опита да разбере защо това се случва, вероятно беше Йоханес Кеплер, немски учен и полимат.
През 1611 г. Кеплер поднася новогодишен подарък на своя покровител, император на Свещената Римска империя Рудолф II: малък озаглавен „За шестоъгълните снежинки“.
„Минавам по моста, измъчван от срам - оставих те без подарък за Нова година! И тогава пред мен се появи възможност! Водните пари, сгъстени от студа в сняг, падат като снежинки върху дрехите ми, всички като едно, шестоъгълни, с пухкави лъчи. Кълна се в Херкулес, ето нещо, което е по-малко от всяка капка, има форма, може да служи като дългоочакван новогодишен подарък на любител на Нищото и е достойно за математик, който няма Нищо и получава Нищо, тъй като пада от небето и крие в себе си подобие на шестоъгълна звезда!
„Трябва да има причина снегът да има формата на шестоъгълна звезда. Това не може да е случайност“, беше сигурен Йоханес Кеплер. Може би той си спомни писмо от своя съвременник Томас Хариот, английски учен и астроном, който също успя да работи като навигатор за изследователя сър Уолтър Роли. Около 1584 г. Хариът търси най-ефективния начин да подрежда гюлета върху палубите на корабите на Роли. Хариот установи, че шестоъгълните модели изглеждат най-добрият начин за подреждане на сферите и той обсъди този въпрос в кореспонденция с Кеплер. Кеплер се чудеше дали нещо подобно се случва в снежинките и кой елемент е отговорен за създаването и поддържането на тези шест лъча.
Форми на снежинки
Можем да кажем, че това е първоначалното разбиране на принципите на атомната физика, за което ще се говори едва 300 години по-късно. Наистина, водните молекули, с техните два водородни атома и един кислород, са склонни да се съединят, за да образуват шестоъгълни масиви. Кеплер и неговите съвременници нямаха представа колко важно е това.
Както казват физиците, благодарение на водородната връзка и взаимодействието на молекулите помежду си, можем да наблюдаваме отворена кристална структура. В допълнение към способността си да отглежда снежинки, шестоъгълната структура позволява на леда да бъде по-малко плътен от водата, което има огромно въздействие върху геохимията, геофизиката и климата. С други думи, ако ледът не плаваше, животът на Земята би бил невъзможен.
Но след трактата на Кеплер наблюдението на снежинките е по-скоро хоби, отколкото сериозна наука. През 1880 г. американски фотограф на име Уилсън Бентли, който живее в студения, винаги заснежен малък град Джерико (Върмонт, САЩ), започва да прави снимки на снежинки с помощта на фотографски плаки. Той успява да създаде повече от 5000 снимки, преди да умре от пневмония.
Още по-късно, през 1930-те години на миналия век, японският изследовател Укичиро Накая започва систематично да изучава различни видове снежни кристали. В средата на века Накая отглежда снежинки в лабораторията, използвайки отделни заешки косми, поставени в хладилна стая. Той бърникаше с настройките за влажност и температура, отглеждаше основни видове кристали и състави оригиналния си каталог от възможни форми. Накая откри, че звездите снежинки са склонни да се образуват при -2°C и при -15°C. Колони се образуват при -5 °C и при приблизително -30 °C.
Тук е важно да се отбележи, че при температура от около -2 °C се появяват тънки плочести форми на снежинки, при -5 °C те образуват тънки колони и игли, когато температурата падне до -15 °C те стават наистина тънки плочи, а при температури под - При 30 °C се връщат в по-дебели колони.
При условия на ниска влажност звездните снежинки образуват няколко клона и приличат на шестоъгълни плочи, но при висока влажност те стават по-сложни и дантелени.
Според Либрехт причините за появата на различни форми на снежинки са станали по-ясни благодарение на работата на Накаи. Установено е, че снежните кристали се развиват в плоски звезди и плочи (а не в триизмерни структури), когато ръбовете растат бързо навън и лицата растат бавно нагоре. Тънките колони растат по различен начин, с бързо растящи ръбове и по-бавно растящи ръбове.
В същото време основните процеси, които влияят върху това дали снежинката става звезда или колона, остават неясни. Може би тайната се крие в температурните условия. И Либрехт се опита да намери отговор на този въпрос.
Рецепта за снежинки
Заедно с малкия си екип от изследователи Либрехт се опита да измисли рецепта за снежинка. Тоест, определен набор от уравнения и параметри, които могат да бъдат заредени в компютър и да се получи великолепно разнообразие от снежинки от AI.
Кенет Либрехт започна своето изследване преди двадесет години, след като научи за екзотична форма на снежинка, наречена затворена колона. Прилича на макара с конец или две колела и ос. Роден в северната част на страната, той беше шокиран от факта, че никога не е виждал такава снежинка.
Изумен от безкрайните форми на снежните кристали, той започна природата им чрез създаване на лаборатория за отглеждане на снежинки. Резултатите от многогодишни наблюдения помогнаха за създаването на модел, който самият автор смята за пробив. Той предложи идеята за молекулярна дифузия, базирана на повърхностна енергия. Тази идея описва как растежът на снежен кристал зависи от първоначалните условия и поведението на молекулите, които го образуват.
Представете си, че водните молекули са разположени свободно, тъй като водната пара едва започва да замръзва. Ако можете да сте в малка обсерватория и да наблюдавате този процес, бихте могли да видите как замръзналите водни молекули започват да образуват твърда решетка, където всеки кислороден атом е заобиколен от четири водородни атома. Тези кристали растат чрез включване на водни молекули от околния въздух в тяхната структура. Те могат да растат в две основни посоки: нагоре или навън.
Тънък, плосък кристал (ламеларен или с форма на звезда) се образува, когато ръбовете се оформят по-бързо от двете страни на кристала. Растящият кристал ще се разпространи навън. Въпреки това, когато лицата му растат по-бързо от ръбовете му, кристалът става по-висок, образувайки игла, куха колона или пръчка.
Редки форми на снежинки
Още един момент. Обърнете внимание на третата снимка, направена от Либрехт в Северен Онтарио. Това е кристал "затворена колона" - две пластини, прикрепени към краищата на дебел колонен кристал. В този случай всяка плоча е разделена на двойка много по-тънки плочи. Погледнете внимателно краищата, ще видите как чинията е разделена на две. Ръбовете на тези две тънки плочи са почти толкова остри, колкото бръснарско ножче. Общата дължина на ледената колона е около 1,5 мм.
Според модела на Либрехт, водната пара първо се утаява в ъглите на кристала и след това се разпространява (дифундира) по повърхността или към ръба на кристала, или към лицата му, карайки кристала да расте навън или нагоре. Кой от тези процеси "печели" зависи главно от температурата.
Трябва да се отбележи, че моделът е „полуемпиричен“. Тоест, тя е частично структурирана, за да съответства на случващото се, а не да обяснява принципите на растеж на снежинките. Нестабилностите и взаимодействията между безбройните молекули са твърде сложни, за да бъдат напълно разкрити. Въпреки това остава надеждата, че идеите на Либрехт ще послужат като основа за цялостен модел на динамиката на растежа на леда, който може да бъде детайлизиран чрез по-подробни измервания и експерименти.
Не бива да се мисли, че тези наблюдения представляват интерес за тесен кръг от учени. Подобни въпроси възникват във физиката на кондензираната материя и в други области. Молекулите на лекарствата, полупроводниковите чипове за компютри, слънчевите клетки и множество други индустрии разчитат на висококачествени кристали и цели екипи са посветени на отглеждането им. Така че любимите снежинки на Либрехт могат да послужат в полза на науката.
Какво друго можете да прочетете в блога?
→
→
→
→
→
Абонирайте се за нашите -канал, за да не пропуснете следващата статия! Пишем не повече от два пъти седмично и само по работа. Между другото, ако още не знаете, стартиращите компании могат да получат $10 000 от Cloud4Y. Условията и формата за кандидатстване за желаещите можете да намерите на нашия уебсайт:
Източник: www.habr.com