V centrální části Ruska je tuto zimu málo sněhu. Místy samozřejmě spadlo, ale v lednu se dalo čekat ještě mrazivé a sněhové počasí. Nudná šeď a nepříjemný rozbředlý sníh vám brání v pocitu radosti z obvyklých zimních radovánek. Proto Cloud4Y navrhuje přidat trochu sněhu do našich životů tím, že budeme mluvit o... sněhových vločkách.
Předpokládá se, že existují pouze dva typy sněhových vloček. A jeden z vědců, někdy nazývaný „otec“ fyziky sněhových vloček, má novou teorii, která vysvětluje důvod. je úžasný člověk, který je připraven opustit sluncem prohřátou jižní Kalifornii uprostřed zimy, aby se dostal do Fairbanks (Aljaška), oblékl si teplou bundu a posadil se na zmrzlé pole s fotoaparátem a kusem pěny v rukou .
Proč? Hledá ty nejtřpytivější, nejstrukturovanější a nejkrásnější sněhové vločky, jaké může příroda vytvořit. Nejzajímavější vzorky se podle něj tvoří spíše na nejchladnějších místech – notoricky známém Fairbanks a zasněžené severní části New Yorku. Nejlepší sníh, jaký kdy Kenneth viděl, byl v Cochrane, místě v severovýchodním Ontariu, kde lehké větry vířily sněhové vločky, které padaly z nebe.
Libbrecht, fascinovaný živly, studuje svou pěnovou desku s houževnatostí archeologa. Pokud je tam něco zajímavého, oko na to určitě padne. Pokud ne, sníh se smete z desky a vše začíná znovu. A tohle trvá hodiny.
Libbrecht je fyzik. Zábavnou shodou okolností se jeho laboratoř na California Institute of Technology zabývá výzkumem vnitřní struktury Slunce a dokonce vyvinula moderní přístroje pro detekci gravitačních vln. Ale posledních 20 let byl Libbrechtovou skutečnou vášní sníh – nejen jeho vzhled, ale také to, díky čemu tak vypadá. „Otázka, jaké předměty padají z nebe, jak se to děje a proč tak vypadají, mě neustále trápí,“ přiznává Kenneth.
Fyzikům po dlouhou dobu stačilo vědět, že mezi mnoha drobnými krystaly sněhu lze rozlišit dva převládající typy. Jednou z nich je plochá hvězda se šesti nebo dvanácti rameny, z nichž každé je zdobeno závratně krásnou krajkou. Druhý je jakýsi miniaturní sloupek, někdy vložený mezi ploché „kryty“ a někdy podobný obyčejnému šroubu. Tyto tvary lze vidět při různých teplotách a vlhkosti, ale důvod vzniku konkrétního tvaru je záhadou. Libbrechtova léta pozorování pomohla lépe pochopit proces krystalizace sněhových vloček.
Libbrechtova práce v této oblasti pomohla vytvořit nový model, který vysvětluje, proč sněhové vločky a další sněhové krystaly tvoří to, na co jsme zvyklí. Podle jeho teorie, online v říjnu 2019, popisuje pohyb molekul vody blízko bodu mrazu (krystalizace) a jak mohou specifické pohyby těchto molekul dát vzniknout sbírce krystalů, které se tvoří za různých podmínek. V jeho Libbrecht na 540 stranách popisuje všechny poznatky o sněhových krystalech.
Šesticípé hvězdy
Samozřejmě víte, že je nemožné vidět dvě stejné sněhové vločky (kromě počáteční fáze). Tato skutečnost souvisí s tím, jak se na obloze tvoří krystaly. Sníh je sbírka ledových krystalů, které se tvoří v atmosféře a zachovávají si svůj tvar, když spolu padnou na Zemi. Vznikají, když je atmosféra dostatečně studená, aby se zabránilo jejich splynutí nebo roztavení v plískanici nebo dešti.
Ačkoli lze v rámci jednoho mraku zaznamenat mnoho teplot a úrovní vlhkosti, pro jednu sněhovou vločku budou tyto proměnné konstantní. To je důvod, proč sněhová vločka často roste symetricky. Na druhou stranu je každá sněhová vločka vystavena větru, slunečnímu záření a dalším faktorům. V podstatě každý krystal podléhá chaosu mraku, a proto nabývá různých forem.
Podle Libbrechtových výzkumů je nejstarší uvažování o těchto jemných formách zaznamenáno v roce 135 před naším letopočtem. v Číně. „Květy rostlin a stromů jsou obvykle pěticípé, ale květy sněhu jsou vždy šesticípé,“ napsal učenec Han Yin. A prvním vědcem, který se pokusil přijít na to, proč se to děje, byl pravděpodobně Johannes Kepler, německý vědec a polyhistor.
V roce 1611 daroval Kepler svému patronovi, císaři Svaté říši římské Rudolfu II., novoroční dárek: malý s názvem „O šestihranných sněhových vločkách“.
"Přecházím most, ztrápený hanbou - nechal jsem tě bez novoročního dárku! A pak se mi naskytla příležitost! Vodní pára, zhoustlá zimou ve sníh, padá jako sněhové vločky na mé šaty, všechny jako jeden, šestiúhelníkový, s nadýchanými paprsky. Přísahám při Herkulovi, tady je věc, která je menší než jakákoli kapka, má tvar, může posloužit jako dlouho očekávaný novoroční dárek pro milovníka Ničeho a je hoden matematika, který Nic nemá a Nic nedostane, protože padá z nebe a skrývá v sobě podobu šestihranné hvězdy!
"Musí existovat důvod, proč má sníh tvar šestihranné hvězdy." To nemůže být náhoda,“ byl si jistý Johannes Kepler. Možná si vzpomněl na dopis svého současníka Thomase Harriota, anglického vědce a astronoma, který také stihl pracovat jako navigátor pro průzkumníka sira Waltera Raleigha. Kolem roku 1584 hledal Harriot nejefektivnější způsob, jak naskládat dělové koule na paluby lodí Raleigh. Harriot zjistil, že šestiúhelníkové vzory se zdají být nejlepším způsobem, jak uspořádat koule, a diskutoval o tomto problému v korespondenci s Keplerem. Keplera zajímalo, zda se něco podobného děje ve sněhových vločkách a jaký prvek je zodpovědný za vytvoření a udržení těchto šesti paprsků.
Tvary sněhových vloček
Můžeme říci, že to bylo prvotní pochopení principů atomové fyziky, o kterých bude řeč až o 300 let později. Molekuly vody se svými dvěma atomy vodíku a jedním kyslíkem mají totiž tendenci se spojovat a vytvářet hexagonální pole. Kepler a jeho současníci netušili, jak důležité to bylo.
Jak říkají fyzici, díky vodíkovým můstkům a vzájemné interakci molekul můžeme pozorovat otevřenou krystalickou strukturu. Kromě schopnosti růst sněhových vloček umožňuje šestiúhelníková struktura ledu být 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 pojednání bylo pozorování sněhových vloček spíše koníčkem než vážnou vědou. V 1880. letech 5000. století začal americký fotograf Wilson Bentley, který žil v chladném, vždy zasněženém městečku Jericho (Vermont, USA), fotografovat sněhové vločky pomocí fotografických desek. Než zemřel na zápal plic, stihl vytvořit více než XNUMX fotografií.
Ještě později, ve 1930. letech 2. století, začal japonský badatel Ukichiro Nakaya systematicky studovat různé typy sněhových krystalů. V polovině století pěstoval Nakaya sněhové vločky v laboratoři pomocí jednotlivých králičích chlupů umístěných v chlazené místnosti. Pohrával si s nastavením vlhkosti a teploty, pěstováním základních typů krystalů a sestavil svůj originální katalog možných tvarů. Nakaya zjistil, že sněhové vločky mají tendenci se tvořit při -15 °C a při -5 °C. Sloupce se tvoří při -30 °C a přibližně -XNUMX °C.
Zde je důležité poznamenat, že při teplotě asi -2 °C se objevují tenké deskovité formy sněhových vloček, při -5 °C vytvářejí tenké sloupečky a jehličky, při poklesu teploty na -15 °C opravdu ztenčují desky, a při teplotách pod - Při 30 °C se vracejí do silnějších kolon.
V podmínkách nízké vlhkosti tvoří hvězdné sněhové vločky několik větví a připomínají šestihranné desky, ale při vysoké vlhkosti se stávají složitějšími a krajkovými.
Důvody vzniku různých forem sněhových vloček se podle Libbrechta vyjasnily díky Nakaiově práci. Bylo zjištěno, že sněhové krystaly se vyvíjejí v ploché hvězdy a desky (spíše než trojrozměrné struktury), když okraje rychle rostou směrem ven a tváře rostou pomalu nahoru. Tenké sloupce rostou jinak, s rychle rostoucími okraji a pomaleji rostoucími okraji.
Základní procesy, které ovlivňují, zda se sněhová vločka stane hvězdou nebo sloupcem, přitom zůstávají nejasné. Možná tajemství spočívalo v teplotních podmínkách. A Libbrecht se na tuto otázku pokusil najít odpověď.
Recept na sněhovou vločku
Spolu se svým malým týmem výzkumníků se Libbrecht pokusil vymyslet recept na sněhovou vločku. Tedy určitou sadu rovnic a parametrů, které lze načíst do počítače a získat z AI velkolepou paletu sněhových vloček.
Kenneth Libbrecht začal svůj výzkum před dvaceti lety poté, co se dozvěděl o exotickém tvaru sněhové vločky zvaného uzavřený sloup. Vypadá to jako cívka s nití nebo dvě kola a osa. Narodil se na severu země a byl šokován tím, že takovou sněhovou vločku ještě neviděl.
Ohromen nekonečnými tvary sněhových krystalů začal jejich přirozenost vytvořením laboratoře pro pěstování sněhových vloček. Výsledky mnohaletého pozorování pomohly vytvořit model, který sám autor považuje za průlomový. Navrhl myšlenku molekulární difúze založené na povrchové energii. Tato myšlenka popisuje, jak růst sněhového krystalu závisí na počátečních podmínkách a chování molekul, které jej tvoří.
Představte si, že molekuly vody jsou umístěny volně, protože vodní pára právě začíná mrznout. Pokud byste mohli být uvnitř malé observatoře a podívat se na tento proces, mohli byste vidět, jak zmrzlé molekuly vody začínají tvořit pevnou mřížku, kde je každý atom kyslíku obklopen čtyřmi atomy vodíku. Tyto krystaly rostou začleněním molekul vody z okolního vzduchu do své struktury. Mohou růst ve dvou hlavních směrech: nahoru nebo ven.
Tenký plochý krystal (lamelový nebo hvězdicový) se vytvoří, když se okraje tvoří rychleji než dvě strany krystalu. Rostoucí krystal se rozšíří směrem ven. Když však jeho plochy rostou rychleji než jeho okraje, krystal roste výše a tvoří jehlu, dutý sloup nebo tyč.
Vzácné formy sněhových vloček
Ještě okamžik. Všimněte si třetí fotografie, kterou pořídil Libbrecht v severním Ontariu. Jedná se o krystal "uzavřený sloupec" - dvě desky připojené ke koncům tlustého sloupcového krystalu. V tomto případě je každá deska rozdělena na pár mnohem tenčích desek. Podívejte se pozorně na okraje, uvidíte, jak je talíř rozdělen na dvě části. Okraje těchto dvou tenkých plátů jsou ostré jako žiletka. Celková délka ledového sloupce je asi 1,5 mm.
Podle Libbrechtova modelu se vodní pára nejprve usadí v rozích krystalu a poté se šíří (difunduje) po povrchu buď k okraji krystalu nebo k jeho plochám, čímž krystal roste směrem ven nebo nahoru. Který z těchto procesů „vyhraje“, závisí především na teplotě.
Je třeba poznamenat, že model je „semiempirický“. To znamená, že je částečně strukturován tak, aby odpovídal tomu, co se děje, a ne vysvětloval principy růstu sněhových vloček. Nestability a interakce mezi nesčetnými molekulami jsou příliš složité na to, aby se daly úplně rozluštit. Zůstává však naděje, že Libbrechtovy myšlenky poslouží jako základ pro ucelený model dynamiky růstu ledu, který lze podrobněji zpřesnit pomocí podrobnějších měření a experimentů.
Člověk by si neměl myslet, že tato pozorování jsou zajímavá pro úzký okruh vědců. Podobné otázky vyvstávají ve fyzice kondenzovaných látek a v dalších oborech. Molekuly léků, polovodičové čipy pro počítače, solární články a řada dalších odvětví spoléhají na vysoce kvalitní krystaly a celé týmy se věnují jejich pěstování. Libbrechtovy milované sněhové vločky tedy mohou dobře posloužit vědě.
Co dalšího si můžete přečíst na blogu?
→
→
→
→
→
Přihlaste se k odběru -kanál, aby vám neunikl další článek! Píšeme maximálně dvakrát týdně a pouze služebně. Mimochodem, pokud to ještě nevíte, startupy mohou od Cloud10Y získat 000 4 $. Podmínky a přihlášku pro zájemce naleznete na našem webu:
Zdroj: www.habr.com