Tato zima je v centrální části Ruska málo sněhová. Kdesi samozřejmě napadl, ale v lednu jsme mohli očekávat nějaké více mrazivé a sněhové počasí. Smutná šedivost a nepříjemná břečka brání pocitům radosti z obvyklých zimních radovánek. Proto Cloud4Y nabízí, abychom do našeho života přidali trochu sněhu a promluvili o… sněhových vločkách.
Předpokládá se, že sněhové vločky jsou pouze dvou typů. Jeden ze vědců, kterého občas nazývají "otcem" fyziky sněhových vloček, přišel s novou teorií, která vysvětluje důvod tohoto jevu. je fascinující člověk, který je ochoten opustit slunnou Jižní Kalifornii uprostřed zimy, aby se dostal do Fairbanksu na Aljašce, oblékl si teplou bundu a usadil se na promrzlé louce s kamerou a kusem polystyrenové desky v rukou.
Proč? Hledá nejjasnější, nejtexturovanější a nejkrásnější sněhové vločky, které příroda dokáže vytvořit. Podle jeho slov se nejzajímavější vzorky tvoří na nejchladnějších místech — na proslulém Fairbanksu a ve zasněžené severní části New Yorku. Nejlepší sníh, který Kenneth kdy viděl, padal v Cochra na severovýchodě Ontaria, kde slabý vítr roztáčel sněhové vločky padající z nebe.
Okouzlen přírodou, Libbrecht s houževnatostí archeologa zkoumá svou polystyrenovou desku. Pokud je tam něco zajímavého, jeho pohled se na to určitě upne. Pokud ne — sníh je smeten z desky a vše začíná znovu. A to trvá hodiny.
Libbrecht je fyzik. Z podivného souhry okolností se jeho laboratoř na Kalifornském technologickém institutu zabývá výzkumem vnitřní struktury Slunce a dokonce vyvinula moderní přístroje pro detekci gravitačních vln. Ale v posledních 20 letech byla skutečnou vášní Libbrechta sníh — nejen jeho vzhled, ale i to, co způsobuje, že vypadá tak, jak vypadá. "Otázka, jaké objekty padají z nebe, jak se to děje a proč vypadají takto, mě neustále trápí," přiznává Kenneth.
Dlouho bylo pro fyziky dostatečné vědět, že mezi mnoha drobnými sněhovými krystaly lze rozlišit dva převládající typy. Jeden z nich je plochá hvězda se šesti nebo dvanácti paprsky, z nichž každý je zdoben úchvatně krásnými krajkami. Druhý připomíná jakousi miniaturu sloupu, někdy stlačeného mezi plochými "víčky", jindy se podobá běžné matici. Tyto formy lze vidět při různých teplotách a vlhkostech, ale důvod vzniku té či oné formy zůstával záhadou. Léta pozorování Libbrechtu pomohla lépe pochopit proces krystalizace sněhových vloček.
Výzkumy Libbrechtu v této oblasti pomohly vytvořit nový model, který vysvětluje, proč sněhové vločky a další sněhové krystaly vytvářejí to, co jsme zvyklí vídat. Podle jeho teorie, na internetu v říjnu 2019, popisuje pohyb molekul vody blízko bodu zamrzání (krystalizace) a to, jak konkrétní pohyby těchto molekul mohou vyvolávat soubor krystalů, které se vytvářejí za různých podmínek. Ve své o objemu 540 stran Libbrecht popisuje všechny znalosti o sněhových krystalech.
Šesticípé hvězdy
Určitě víte, že není možné vidět dvě identické sněhové vločky (pokud nebereme v úvahu fázi jejich vzniku). Tento fakt souvisí s tím, jak se krystaly formují na obloze. Sníh je shromáždění ledových krystalů, které se vytvoří v atmosféře a udržují si svůj tvar, když padají na Zemi. Vytvářejí se, když je atmosféra dostatečně chladná, aby nedošlo ke sloučení nebo tání a přeměně na mokrý sníh nebo déšť.
I když v rámci jednoho mraku lze zaznamenat mnoho teplot a úrovní vlhkosti, pro jednu sněhovou vločku budou tyto proměnné konstantní. Proto sněhová vločka často roste symetricky. Na druhé straně je každá sněhová vločka vystavena vlivu větru, slunečnímu světlu a dalším faktorům. V podstatě každý krystal podléhá chaosu mraku, a proto nabývá různých tvarů.
Podle studie Libbrechtova jsou nejranější úvahy o těchto delikátních formách zaznamenány v roce 135 př. n. l. v Číně. „Květy rostlin a stromů jsou obvykle pětičetné, ale květy sněhu jsou vždy šestičetné,“ psal vědec Han Yin. A prvním vědcem, který se pokusil rozluštit, proč tomu tak je, byl pravděpodobně Johannes Kepler, německý vědec a erudita.
V roce 1611 daroval Kepler novoroční dárek svému patronovi, císaři Svaté říše římské Rudolfu II.: malý s názvem „O šestiúhelníkových sněhových vločkách“.
„Přecházím most, sužován hanbou – nechal jsem tě bez novoročního dárku! A tu se mi naskýtá pohodlná příležitost! Vodní páry, zhušťující se od chladu na sníh, padají jako vločky na mé oblečení, všechny jako jedna, šestiúhelníkové, s načechranými paprsky. Přísahám Héraklovi, tady je něco, co je menší než jakákoliv kapka, má tvar a může sloužit jako dlouho očekávaný novoroční dárek pro milovníka Ničeho a zasluhuje matematiky, který má Nic a dostává Nic, neboť padá z nebe a skrývá v sobě podobu šestiúhelné hvězdy!“
„Musí existovat důvod, proč má sníh tvar šestiúhelné hvězdičky. To nemůže být náhoda,“ byl si jistý Johannes Kepler. Možná si vybavil dopis od svého současníka Thomase Harriotta, anglického vědce a astronoma, který také stihl pracovat jako navigátor pro badatele Sira Waltera Raleigha. Kolem roku 1584 Harriott hledal nejefektivnější způsob, jak uskladňovat dělové koule na palubě Raleighových lodí. Harriott zjistil, že hexagonální vzory se zdají být nejlepším způsobem uspořádání sfér, a tuto otázku probíral v korespondenci s Keplerem. Kepler se ptal, zda se něco podobného děje ve sněhových vločkách a jaký prvek způsobuje a udržuje těchto šest paprsků.
Tvary sněhových vloček
Lze říci, že to bylo počáteční porozumění principům atomové fyziky, o kterých se začne mluvit až o 300 let později. Opravu, molekuly vody se svými dvěma atomy vodíku a jedním atomem kyslíku mají tendenci se spojovat dohromady a vytvářet hexagonální struktury. Kepler a jeho současníci si ani nedokázali představit, jak důležité to je.
Jak říkají fyzici, díky vodíkovým vazbám a interakcím mezi molekulami můžeme pozorovat otevřenou krystalickou strukturu. Kromě schopnosti vytvářet sněhové vločky hexagonální struktura umožňuje, aby byl led méně hustý než voda, což má obrovský vliv na geochemii, geofyziku a klima. Jinými slovy, kdyby led neplaval, život na Zemi by byl nemožný.
Ale po Keplerově traktátu bylo pozorování sněhových vloček spíše koníčkem než vážnou vědou. V 80. letech 19. století americký fotograf jménem Wilson Bentley, který žil v malém městě Jericho (stát Vermont, USA) pokrytém sněhem, začal fotografovat sněhové vločky pomocí fotografických desek. Stihl vytvořit více než 5000 fotografií, než zemřel na zápal plic.
Ještě později, ve 30. letech 20. století, japonský vědec Ukichiro Nakaya začal systematické zkoumání různých typů sněhových krystalů. V polovině století Nakaya pěstoval sněhové vločky v laboratoři s využitím jednotlivých chlupů králíka umístěných do ochlazeného prostoru. Hrával si s nastavením vlhkosti a teploty, pěstoval hlavní typy krystalů a sestavil svůj originální katalog možných tvarů. Nakaya zjistil, že hvězdné sněhové vločky se tvoří při -2 °C a -15 °C. Sloupce se tvoří při -5 °C a přibližně při -30 °C.
Je důležité zmínit, že při teplotě kolem -2 °C se objevují tenké plátkovité formy sněhových vloček, při -5 °C vytvářejí tenké sloupce a jehlice, když teplota klesne na -15 °C, stávají se opravdu tenkými pláty, a při teplotě pod -30 °C se vracejí k tlustším sloupům.
Za podmínek nízké vlhkosti hvězdné sněhové vločky vytvářejí několik větví a připomínají hexagonální pláty, ale při vysoké vlhkosti se stávají složitějšími, krajkovými.
Podle Libbrechtových názorů se důvody vzniku různých forem sněhových vloček staly jasnějšími díky práci Nakayi. Bylo zjištěno, že sněhové krystaly se proměňují v ploché hvězdy a pláty (a nikoli v trojrozměrné struktury), když okraje rychle rostou ven, zatímco stěny rostou pomalu nahoru. Tenké sloupy rostou jinak, s rychle rostoucími stěnami a pomaleji rostoucími okraji.
Současně zůstaly hlavní procesy ovlivňující to, zda se sněhová vločka stane hvězdou nebo sloupem, nejasné. Možná je tajemství skryto v teplotních podmínkách. A Libbrecht se snažil najít odpověď na tuto otázku.
Recept na sněhovou vločku
Spolu se svým malým týmem výzkumníků se Libbrecht snažil vymyslet recept na sněhovou vločku. To znamená určitý soubor rovnic a parametrů, které lze nahrát do počítače a získat od AI nádherné rozmanité sněhové vločky.
Svá výzkumy Kenneth Libbrecht zahájil před dvaceti lety poté, co se dozvěděl o exotické formě sněhové vločky, nazývané uzavřený sloup. Ta vypadá jako cívka na nit nebo dvě kola a osa. Narodený na severu země byl šokován tím, že nikdy neviděl takovou sněhovou vločku.
Ohromen nekonečnými formami sněhových krystalů, zabýval se jejich přírody, vytvořil laboratoř pro pěstování sněhových vloček. Výsledky dlouholetých pozorování pomohly vytvořit model, který sám autor považuje za průlomový. Navrhl myšlenku molekulární difuze na základě povrchové energie. Tato myšlenka popisuje, jak růst sněhového krystalu závisí na počátečních podmínkách a chování molekul, které ho tvoří.
Představte si, že molekuly vody jsou svobodně umístěny, když se páry vody teprve začínají zamrzat. Kdyby bylo možné být uvnitř maličké observatoře a pozorovat tento proces, mohli byste vidět, jak molekuly zmrzlé vody začínají tvořit tuhý mřížkový systém, kde je každý atom kyslíku obklopen čtyřmi atomy vodíku. Tyto krystaly rostou tím, že do jejich struktury začleňují molekuly vody z okolního vzduchu. Mohou růst ve dvou základních směrech: nahoru nebo ven.
Tenký plochý krystal (plochý nebo hvězdicový) se vytváří, když se okraje formují rychleji než dvě plochy krystalu. Růst krystalu se bude šířit ven. Nicméně, když jeho plochy rostou rychleji než jeho okraje, krystal se stává vyšším a vytváří jehlu, dutý sloup nebo tyč.
Vzácné formy sněhových vloček
Ještě jedna věc. Všimněte si třetí fotografie pořízené Libbrechtom v severním Ontariu. To je krystal se „uzavřenými sloupci“ — dvě desky připevněné k koncům tlustého sloupcového krystalu. V tomto případě je každá deska rozdělena na pár mnohem tenčích desek. Podívejte se na okraje, uvidíte, jak se deska dělí na dvě. Celková délka ledového sloupce je přibližně 1,5 mm.
Podle modelu Libbrechta se vodní pára nejprve usazuje na rozích krystalu a poté se šíří (difunduje) po povrchu buď k okrajům krystalu, nebo k jeho hranám, což způsobuje, že krystal roste ven nebo nahoru. Který z těchto procesů „vyhraje“, závisí především na teplotě.
Je třeba poznamenat, že model je „poluempirický“. To znamená, že je částečně vytvořen tak, aby vyhovoval dění, a ne aby vysvětloval principy růstu sněhových vloček. Nestability a interakce mezi bezpočtem molekul jsou příliš složité na to, aby byly zcela odhaleny. Přesto zůstává naděje, že myšlenky Libbrechta poslouží jako základ pro komplexní model dynamiky růstu ledu, který bude možné podrobněji rozpracovat pomocí podrobnějších měření a experimentů.
Nedělejte si dojem, že tyto pozorování zajímají úzký okruh vědců. Podobné otázky se objevují v oblasti fyziky kondenzovaných látek a v dalších oblastech. Molekuly léků, polovodičové čipy pro počítače, sluneční články a mnohé další obory se spoléhají na vysoce kvalitní krystaly, a celé týmy se zabývají jejich pěstováním. Takže Libbrechtovi milované sněhové vločky mohou zcela určitě sloužit vědě.
Co dalšího si můžete přečíst v blogu
→
→
→
→
→
Sledujte náš -kanál, abyste nezmeškali další článek! Píšeme maximálně dvakrát týdně a pouze relevantně. Mimochodem, pokud se ještě nevíte, startupy mohou získat 10 000 $ od Cloud4Y. Podmínky a dotazník pro zájemce — na našich webových stránkách:
Zdroj: habr.com
