Ùn ci hè micca abbastanza neve in a parti cintrali di Russia stu invernu. Hè cascatu in certi lochi, sicuru, ma in ghjennaghju si pudia aspittà un tempu più fretu è neve. U grisgiu opacu è u slush dispiacevule impediscenu di sente a gioia di u solitu divertimentu invernale. Hè per quessa chì Cloud4Y prupone di aghjunghje un pocu di neve in a nostra vita parlendu di ... fiocchi di neve.
Hè cresce chì ci sò solu dui tipi di fiocchi di neve. È unu di i scientisti, qualchì volta chjamatu u "babbu" di a fisica di fiocchi di neve, hà una nova teoria per spiegà u mutivu di questu. hè una persona maravigghiusa chì hè pronta à lascià a California meridionale riscaldata da u sole in u mità di l'invernu per ghjunghje à Fairbanks (Alaska), mette una giacca calda è pusà in un campu ghiacciatu cù una camera è un pezzu di scuma in e so mani. .
Perchè? Ellu cerca i fiocchi di neve più scintillanti, strutturati, più belli chì a natura pò creà. Sicondu ellu, i mostri più interessanti tendenu à furmà in i lochi più freti - i famusi Fairbanks è a parti nordica nevicata di New York. A più bona neve chì Kenneth avia mai vistu era in Cochrane, un locu in u nordeste di l'Ontario, induve i venti ligeri turbanu i fiocchi di neve mentre cascanu da u celu.
Fascinatu da l'elementi, Libbrecht studia a so tavola di schiuma cù a tenacità di un archeologu. S'ellu ci hè qualcosa di interessante quì, l'ochju certamenti chjappà nantu à questu. Se no, a neve hè spazzata da u bordu, è tuttu principia di novu. È questu dura per ore.
Libbrecht hè un fisicu. Per una coincidenza divertente, u so laboratoriu in l'Istitutu di Tecnulugia di California hè impegnatu in a ricerca in a struttura interna di u Sole è hà ancu sviluppatu strumenti muderni per a rilevazione di l'onda gravitazionale. Ma per l'ultimi 20 anni, a vera passione di Libbrecht hè stata a neve - micca solu a so apparenza, ma ciò chì face cusì cusì. "A quistione di quale tipu d'uggetti cascanu da u celu, cumu si passa è perchè parenu cusì, mi turmenta tuttu u tempu", ammette Kenneth.
Per un bellu pezzu, era abbastanza per i fisici per sapè chì trà i tanti cristalli di neve chjuchi, si ponu distingue dui tipi predominanti. Unu d'elli hè una stella piatta cù sei o dodici braccia, ognunu di li quali hè decoratu cù lace dizzyingly beautiful. L'altru hè un tipu di colonna in miniatura, qualchì volta incruciata trà "coperte" flat, è à volte simili à un bolt ordinariu. Queste forme ponu esse vistu à diverse temperature è umidità, ma u mutivu di a furmazione di una forma particulari hè statu un misteru. L'anni di osservazioni di Libbrecht hà aiutatu à capisce megliu u prucessu di cristallizazione di i fiocchi di neve.
U travagliu di Libbrecht in questa zona hà aiutatu à creà un novu mudellu chì spiega perchè i fiocchi di neve è altri cristalli di neve formanu ciò chì avemu abituatu à vede. Sicondu a so teoria, in linea in uttrovi 2019, descrive u muvimentu di molécule d'acqua vicinu à u puntu di congelazione (cristalizazione) è cumu muvimenti specifichi di sti molécule ponu dà nascita à una cullizzioni di cristalli chì si formanu in diverse cundizioni. In u so In 540 pagine, Libbrecht descrive tutte e cunniscenze nantu à i cristalli di neve.
Stelle à sei punte
Di sicuru, sapete chì hè impussibile di vede dui fiocchi di neve idèntici (eccettu à u stadiu incepimentu). Stu fattu hà da fà cù cumu si formanu i cristalli in u celu. A neve hè una cullizzioni di cristalli di ghiaccio chì si formanu in l'atmosfera è conservanu a so forma quand'elli cascanu inseme à a Terra. Si formanu quandu l'atmosfera hè abbastanza fridda per impediscenu di fusione o di fusione in sleet o pioggia.
Ancu s'è parechje temperature è livelli di umidità ponu esse registrati in una sola nuvola, per un unicu fioccu di neve sti variàbili seranu custanti. Hè per quessa chì un fioccu di neve spessu cresce simmetricamente. Per d 'altra banda, ogni fioccu di neve hè espostu à u ventu, u sole è altri fattori. Essenzialmente, ogni cristallu hè sottumessu à u caosu di u nuvulu, è dunque assume diverse forme.
Sicondu a ricerca di Libbrecht, u primu pensamentu di sti formi dilicati hè registratu in u 135 aC. in Cina. "I fiori di e piante è l'arburi sò generalmente cinque punte, ma i fiori di neve sò sempre sei punte", hà scrittu l'eruditu Han Yin. È u primu scientist chì hà pruvatu à capisce perchè questu era prubabilmente Johannes Kepler, un scientist è polimatu tedescu.
In u 1611, Kepler prisintò un rigalu di l'annu novu à u so patronu, l'imperatore Rudolf II: intitulatu "À propositu di i fiocchi di neve esagonali".
"Pascu u ponte, turmentatu da a vergogna - vi lasciò senza un rigalu d'annu! È dopu m'hè venuta una opportunità ! Vapuri d'acqua, addensatu da u fretu in neve, cascanu cum'è fiocchi di neve nantu à a mo robba, tutti, cum'è unu, esagonale, cù raghji fluffy. I ghjuru per Hercules, quì hè una cosa chì hè più chjuca di ogni goccia, hà una forma, pò serve cum'è un rigalu di l'annu novu aspittatu à un amante di Nunda è hè degnu di un matematicu chì ùn hà nunda è riceve nunda, postu chì casca da u celu è nasconde in sè a somiglianza di una stella esagonale !
"Ci deve esse un mutivu perchè a neve hè a forma di una stella esagonale. Questu ùn pò esse un accidentu ", Johannes Kepler era sicuru. Forse s'hè ricurdatu di una lettera di u so cuntimpuraniu Thomas Harriot, un scientist è astronomu inglese chì hà sappiutu ancu di travaglià cum'è navigatore per l'esploratore Sir Walter Raleigh. Intornu à u 1584, Harriot cercava a manera più efficaci di stackballs cannonballs nantu à i ponti di i navi di Raleigh. Harriot hà trovu chì i mudelli hexagonali parevanu esse u megliu modu per organizà e sfere, è hà discututu stu prublema in currispundenza cù Kepler. Kepler si dumandava s'ellu succede qualcosa simili in i fiocchi di neve è quale elementu hè rispunsevule per questi sei raghji chì sò creati è manteni.
Forme di fiocchi di neve
Pudemu dì chì questu era a cunniscenza iniziale di i principii di a fisica atomica, chì serà discutitu solu 300 anni dopu. Infatti, e molécule d'acqua, cù i so dui atomi di l'idrogenu è un ossigenu, tendenu à unisce inseme per furmà matrici esagonali. Kepler è i so cuntimpuranii ùn anu micca idea di quantu impurtante era questu.
Cum'è i fisici dicenu, grazia à u ligame di l'idrogenu è l'interazzione di e molécule cù l'altri, pudemu osservà una struttura cristallina aperta. In più di a so capacità di cultivà fiocchi di neve, a struttura hexagonale permette à u ghjacciu per esse menu densu di l'acqua, chì hà effetti enormi nantu à a geochimica, a geofisica è u clima. In altri palori, se u ghjacciu ùn flottava, a vita nantu à a Terra seria impussibile.
Ma dopu à u trattatu di Kepler, osservà i fiocchi di neve era più un hobby chè una scienza seria. In l'anni 1880, un fotògrafu americanu chjamatu Wilson Bentley, chì hà campatu in u friddu è sempre nevosa cità di Jericho (Vermont, USA), cuminciò à piglià ritratti di fiocchi di neve cù platti fotografici. Riiscìu à creà più di 5000 XNUMX ritratti prima di morse di pulmonite.
Ancu più tardi, in l'anni 1930, u ricercatore giapponese Ukichiro Nakaya hà cuminciatu à studià sistematicamente diversi tipi di cristalli di neve. À a mità di u seculu, Nakaya hà cultivatu fiocchi di neve in u laboratoriu cù i capelli di cunigli individuali posti in una stanza frigorifera. Hà aghjustatu cù l'umidità è i paràmetri di a temperatura, crescenu i tipi basi di cristalli, è hà compilatu u so catalogu originale di formi pussibuli. Nakaya hà scupertu chì i fiocchi di neve tendenu à furmà à -2 ° C è à -15 ° C. I culonni si formanu à -5 °C è à circa -30 °C.
Hè impurtante di nutà quì chì à una temperatura di circa -2 °C appariscenu forme di fiocchi di neve, simili à piastra, à -5 °C creanu culonni sottili è agulla, quandu a temperatura scende à -15 °C diventanu veramente magre. platti, è à a temperatura sottu - À 30 ° C tornanu à culonni più grossi.
In cundizzioni di pocu umidità, i fiocchi di neve di stella formanu parechji rami è s'assumiglia à platti hexagonali, ma in alta umidità diventanu più intricati è lacy.
Sicondu Libbrecht, i mutivi di l'apparizione di diverse forme di fiocchi di neve sò diventati più chjaru grazia à u travagliu di Nakai. Hè statu truvatu chì i cristalli di neve si sviluppanu in stiddi piani è platti (piuttostu cà strutture tridimensionali) quandu i bordi crescenu rapidamente in l'esternu è e facci crescenu lentamente in sopra. I culonni sottili crescenu in modu diversu, cù l'arghjintini di crescita rapida è i ricchi di crescita più lenti.
À u listessu tempu, i prucessi basi chì influenzanu se un fioccu di neve diventa una stella o una colonna ùn sò micca chjaru. Forsi u sicretu era in e cundizioni di temperatura. È Libbrecht hà pruvatu à truvà una risposta à sta quistione.
Ricetta di fiocchi di neve
Inseme cù a so piccula squadra di circadori, Libbrecht hà pruvatu à inventà una ricetta per un fiocco di neve. Questu hè, un certu settore di equazioni è paràmetri chì ponu esse carricati in un computer è uttene una magnifica varietà di fiocchi di neve da l'AI.
Kenneth Libbrecht hà iniziatu a so ricerca vint'anni fà dopu avè amparatu nantu à una forma di fioccu di neve esotica chjamata colonna chjusa. Sembra una bobina di filu o duie roti è un assi. Natu in u nordu di u paese, era scunfittu da u fattu chì ùn avia mai vistu un tale fiocco di neve.
Stunatu da e forme infinite di i cristalli di neve, hà cuminciatu à fà a so natura creendu un laboratoriu per a crescita di fiocchi di neve. I risultati di parechji anni d'osservazioni aiutanu à creà un mudellu chì l'autore stessu cunsidereghja un avanzu. Hà prupostu l'idea di diffusione moleculare basatu annantu à l'energia di a superficia. Questa idea descrive cumu a crescita di un cristallu di neve dipende di e cundizioni iniziali è u cumpurtamentu di e molécule chì formanu.
Immaginate chì e molécule d'acqua sò situate liberamente cum'è u vapore d'acqua hè ghjustu cuminciatu à congelate. Se pudete esse in un picculu osservatoriu è fighjate stu prucessu, pudete vede cumu e molécule d'acqua congelate cumincianu à furmà un lattice rigidu, induve ogni atomu d'ossigenu hè circundatu da quattru atomi d'idrogenu. Questi cristalli crescenu incorporendu molécule d'acqua da l'aria circundante in a so struttura. Puderanu cultivà in dui direzzione principali: upward o outward.
Un cristallu magre è pianu (lamellare o in forma di stella) hè furmatu quandu i bordi si formanu più veloce di e duie facce di u cristallu. U cristallu crescente si sparghjerà fora. In ogni casu, quandu e so facci crescenu più veloce di i so bordi, u cristallu cresce più altu, furmendu una agulla, pilastru cavu, o bastone.
Forme rare di fiocchi di neve
Un mumentu di più. Nota a terza foto, presa da Libbrecht in u nordu di l'Ontario. Questu hè un cristalu di "colonna chjusa" - dui platti attaccati à l'estremità di un cristallu columnar grossu. In questu casu, ogni platu hè divisu in un paru di platti assai più fini. Fighjate bè à i bordi, vi vede cumu u platu hè divisu in dui. I bordi di sti dui platti sottili sò quasi affilati cum'è una lama di rasoio. A durata tutale di a colonna di ghiaccio hè di circa 1,5 mm.
Sicondu u mudellu di Libbrecht, u vapore d'acqua si stalla prima in i cantoni di u cristallu è poi si sparghje (diffuse) à a superficia sia à a riva di u cristalu sia à e so facci, facendu chì u cristallu cresce in l'esternu o in sopra. Qualessu di sti prucessi "vince" dipende principalmente di a temperatura.
Si deve esse nutatu chì u mudellu hè "semi-empirica". Questu hè, hè parzialmente strutturatu per currisponde à ciò chì succede, è micca per spiegà i principii di crescita di fiocchi di neve. L'instabilità è l'interazzione trà e innumerevoli molécule sò troppu cumplessi per svià cumplettamente. Tuttavia, a speranza ferma chì l'idee di Libbrecht serve com'è a basa per un mudellu cumpletu di a dinamica di a crescita di u ghjacciu, chì pò esse detallatu per mezu di misurazioni è esperimenti più detallati.
Ùn ci vole micca pensà chì sti osservazioni sò d'interessu per un circondu ristrettu di scientisti. Quistioni simili sorgenu in a fisica di a materia condensata è in altri campi. Molécule di droga, chips semiconductor per l'urdinatori, cellule solari è una mansa di altre industrie si basanu in cristalli d'alta qualità, è squadre intere sò dedicate à cultivà. Allora i fiocchi di neve assai amati da Libbrecht ponu bè serve à u benefiziu di a scienza.
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Source: www.habr.com