Sneget i den centrale del af Rusland har vÊret sparsomt denne vinter. Nogle steder er der selvfÞlgelig faldet sne, men i januar kunne man forvente en mere frostig og snedÊkket vejr. Den triste grÄhed og det ubehagelige slud hindrer en i at fÞle glÊden ved de sÊdvanlige vinteraktiviteter. Derfor foreslÄr Cloud4Y at tilfÞre lidt sne til vores liv ved at tale om⊠snefnug.
Det menes, at snefnug kun findes i to typer. Og en af de forskere, som nogle gange kaldes "faderen" til snefnugfysikken, har fĂ„et en ny teori, der forklarer Ă„rsagen til dette. â er en fantastisk mand, der er villig til at forlade det solopvarmede Sydkalifornien midt om vinteren for at tage til Fairbanks (Alaska), tage en varm jakke pĂ„ og sĂŠtte sig i en frossen mark med et kamera og en skumplade i hĂŠnderne.
Hvorfor? Han leder efter de mest glitrende, mest teksturerede, de smukkeste snefnug, som naturen kan skabe. IfĂžlge ham har de mest interessante prĂžver en tendens til at blive dannet pĂ„ de koldeste steder â det berygtede Fairbanks og den sneklĂŠdte nordlige del af New York. Den bedste sne, som Kenneth nogensinde har set, faldt i Cochrane, en by i det nordĂžstlige Ontario, hvor den svage vind drejede snefnuggene, der faldt fra himlen.
Fascineret af elementet studerer Libbrecht sin skumplade med en arkĂŠologs iver. Hvis der er noget interessant, vil blikket helt sikkert blive draget mod det. Hvis ikke â fejes sneen af pladen, og det hele starter forfra. Og det varer i timer.
Libbrecht er fysiker. Som en sjov tilfĂŠldighed beskĂŠftiger hans laboratorium pĂ„ California Institute of Technology sig med forskning i Solens indre struktur og har endda udviklet moderne apparater til detektion af gravitationsbĂžlger. Men de sidste 20 Ă„r har Libbrechts sande passion vĂŠret sne â ikke bare dens udseende, men ogsĂ„ det, der fĂ„r den til at se sĂ„dan ud. "SpĂžrgsmĂ„let om, hvilke objekter der falder fra himlen, hvordan det sker, og hvorfor de ser sĂ„dan ud, plager mig konstant," indrĂžmmer Kenneth.
LĂŠnge var det for fysikere tilstrĂŠkkeligt at vide, at blandt de mange smĂ„ snekrystaller kunne man fremhĂŠve to dominerende typer. Den ene er en flad stjerne med seks eller tolv strĂ„ler, hver udsmykket med fortryllende smukke blonder. Den anden er en slags miniature sĂžjle, nogle gange indespĂŠrret mellem flade 'lĂ„g', andre gange ligner den en almindelig bolt. Disse former kan ses ved forskellige temperaturer og fugtighedsniveauer, men Ă„rsagen til dannelsen af den ene eller den anden form har vĂŠret et mysterium. Ă
r med observationer fra Libbrecht har hjulpet med at forstÄ processen bag krystallisationen af snefnug.
Libbrechts opdagelser pÄ dette omrÄde har hjulpet med at skabe en ny model, som forklarer, hvorfor snefnug og andre snekrystaller danner det, vi er vant til at se. IfÞlge hans teori, pÄ internettet i oktober 2019, beskriver bevÊgelsen af vandmolekyler nÊr frysepunktet (krystallisering) og hvordan specifikke bevÊgelser af disse molekyler kan danne en samling af krystaller, der dannes under forskellige betingelser. I sin pÄ 540 sider beskriver Libbrecht al viden om snekrystaller.
Seks-kantede stjerner
Du ved selvfÞlgelig, at det er umuligt at se to ens snefnug (medmindre de er i dannelsesstadiet). Denne kendsgerning er relateret til, hvordan krystallerne dannes i himlen. Sne er en samling iskrystaller, der dannes i atmosfÊren og bevarer deres form, nÄr de alle falder til jorden. De dannes, nÄr atmosfÊren er kold nok til ikke at tillade sammensmeltning eller smeltning og omdannelse til vÄd sne eller regn.
Selvom der kan registreres mange temperaturer og fugtighedsniveauer inden for en enkelt sky, vil disse variable for et enkelt snefnug vÊre konstante. Det er derfor, et snefnug ofte vokser symmetrisk. PÄ den anden side bliver hvert snefnug dog pÄvirket af vind, sollys og andre faktorer. I bund og grund er hver krystal underlagt skyens kaos og tager derfor forskellige former.
IfÞlge Lieberrechts undersÞgelse er de tidligste overvejelser om disse delikate former dokumenteret i 135 f.Kr. i Kina. "Planternes og trÊernes blomster har som regel fem spidser, men sneblomsterne har altid seks spidser," skrev videnskabsmanden Han Yin. Den fÞrste forsker, der forsÞgte at forstÄ, hvorfor dette er tilfÊldet, var sandsynligvis Johannes Kepler, tysk videnskabsmand og lÊrde.
I 1611 gav Kepler sin beskytter, kejser Rudolf II af Det Hellige Romerske Imperium, en nytÄrsgave: en lille med titlen "Om de sekskantede snefnug".
"Jeg krydser en bro, plaget af skam â jeg efterlod dig uden nytĂ„rsgave! Og sĂ„ falder der en bekvem lejlighed i hĂŠnderne pĂ„ mig! Vanddampene, der kondenserer fra kulden til sne, falder som snefnug pĂ„ mit tĂžj, alle, som Ă©n, sekskantede med plejede strĂ„ler. Jeg svĂŠrger ved Hercules, dette er en ting, der er mindre end hver drĂ„be, har form, kan vĂŠre en lĂŠnge ventet nytĂ„rsgave til en elsker af Intet og er vĂŠrdig til en matematiker, der besidder Intet og fĂ„r Intet, da det falder fra himlen og skjuler ligheden af en sekskantet stjerne!".
"Der mÄ vÊre en Ärsag til, at sneen har formen af en sekskantet stjerne. Det kan ikke vÊre en tilfÊldighed," var Johannes Keplers overbevisning. MÄske kom han i tanke om et brev fra sin samtidige Thomas Harriot, en engelsk videnskabsmand og astronom, der ogsÄ havde arbejdet som navigatÞr for opdagelsesrejsende Sir Walter Raleigh. Omkring 1584 sÞgte Harriot den mest effektive mÄde at stable kanonkugler pÄ dÊkene af Ralleys skibe. Harriot opdagede, at sekskantede mÞnstre ser ud til at vÊre den bedste mÄde at placere kugler pÄ, og han diskuterede dette emne i sin korrespondance med Kepler. Kepler spekulerede pÄ, om noget lignende sker i snefnug og hvilken faktor der fÄr disse seks strÄler til at opstÄ og holde sig.
Formerne af snefnug
Man kan sige, at dette var den fÞrste forstÄelse af principperne for atomfysik, som fÞrst vil blive omtalt om 300 Är. Faktisk har vandmolekyler, med deres to brintatomer og et iltatom, en tendens til at kombinere sig, hvilket danner sekskantede strukturer. Kepler og hans samtidige kunne endda ikke forestille sig, hvor vigtigt dette var.
Som fysikere siger, takket vÊre brintbindinger og interaktion mellem molekyler kan vi observere en Äben krystallinsk struktur. Udover evnen til at danne snefnug gÞr den sekskantede struktur isen mindre tÊt end vand, hvilket har en enorm indvirkning pÄ geokemi, geofysik og klima. Med andre ord, hvis is ikke flÞd, ville livet pÄ jorden vÊre umuligt.
Men efter Keplers traktat blev observation af snefnug mere en hobby end en seriÞs videnskab. I 1880'erne begyndte den amerikanske fotograf Wilson Bentley, der levede i den kolde, altid sneklÊdte lille by Jericho (Vermont, USA), at tage billeder af snefnug med fotoplader. Han nÄede at skabe over 5000 fotografier, fÞr han dÞde af lungebetÊndelse.
Senere, i 1930'erne, begyndte den japanske forsker Ukichiro Nakaya at systematisk studere forskellige typer snekrystaller. I midten af Ärhundredet dyrkede Nakaya snefnug i laboratoriet ved hjÊlp af enkelte hÄr fra kaniner, der blev placeret i et kÞlet rum. Han justerede fugtighed og temperatur, dyrkede de grundlÊggende typer krystaller og samlede sit oprindelige katalog over mulige former. Nakaya opdagede, at stjernesnefnug har en tendens til at dannes ved -2 °C og ved -15 °C. SÞjler dannes ved -5 °C og cirka ved -30 °C.
Det er vigtigt at bemÊrke, at ved temperaturer omkring -2 °C dannes tynde pladeformede snefnug, ved -5 °C danner de tynde sÞjler og nÄle, nÄr temperaturen falder til -15 °C, bliver de virkelig tynde plader, mens de ved temperaturer under -30 °C vender tilbage til tykkere sÞjler.
Under betingelser med lav fugtighed danner stjernesnefnug flere grene og ligner sekskantede plader, men ved hĂžj fugtighed bliver de mere indviklede og blonderede.
IfÞlge Libbrecht blev Ärsagerne til fremkomsten af forskellige former for snefnug klarere netop takket vÊre Nakayas arbejde. Det blev fastslÄet, at snekrystaller bliver til flade stjerner og plader (i stedet for tredimensionale strukturer), nÄr kanter hurtigt vokser udad, mens flader vokser langsommere opad. Tynde sÞjler vokser anderledes, med hurtigt voksende flader og langsommere voksende kanter.
Samtidig forble de grundlÊggende processer, der pÄvirker, om en snefnug bliver til en stjerne eller en sÞjle, uafklarede. MÄske lÄ nÞglen i temperaturforholdene. Og Libbrecht forsÞgte at finde svar pÄ dette spÞrgsmÄl.
Opskriften pÄ snefnug
Sammen med sit lille team af forskere forsÞgte Libbrecht at finde pÄ en opskrift pÄ snefnug. Det vil sige, et sÊt ligninger og parametre, som kan indlÊses i en computer for at fÄ en AI til at generere en imponerende variation af snefnug.
Kenneth Libbrecht begyndte sine undersÞgelser for tyve Är siden, da han hÞrte om en eksotisk form for snefnug kaldet en lukket sÞjle. Det ligner en spole til trÄd eller to hjul og en aksel. FÞdt i den nordlige del af landet, blev han chokeret over, at han aldrig havde set et sÄdant snefnug.
OvervÊldet af de uendelige former for snekrystaller, begyndte han deres natur og oprettede et laboratorium til at dyrke snefnug. Resultaterne af mange Ärs observationer hjalp med at skabe en model, som forfatteren selv anser for banebrydende. Han foreslog ideen om molekylÊr diffusion baseret pÄ overfladeenergi. Denne idé beskriver, hvordan vÊksten af et snekrystal afhÊnger af startbetingelserne og adfÊrden hos de molekyler, der danner det.
Forestil dig, at vandmolekylerne er frit placeret, mens vanddamp lige begynder at fryse. Hvis man kunne vĂŠre inde i et lille observatorium og observere denne proces, ville man se, hvordan molekyler af frosset vand begynder at danne et stift gitter, hvor hver iltatomer er omgivet af fire hydrogenatomer. Disse krystaller vokser ved at inkludere vandmolekyler fra den omgivende luft i deres struktur. De kan vokse i to hovedretninger: opad eller udad.
En tynd flad krystal (pladeformet eller stjerneformet) dannes, nÄr kanterne vokser hurtigere end de to facetter af krystallen. Den voksende krystal vil brede sig udad. Men nÄr dens facetter vokser hurtigere end dens kanter, bliver krystallen hÞjere, hvilket danner en nÄl, en hul sÞjle eller en stang.
SjĂŠldne former for snefnug
Et andet punkt. VĂŠr opmĂŠrksom pĂ„ det tredje billede taget af Libbrecht i det nordlige Ontario. Det er en krystal med 'lukkede sĂžjler' â to plader fastgjort til enderne af en tyk sĂžjlekrystal. I dette tilfĂŠlde er hver plade delt op i et par meget tyndere plader. Se nĂŠrmere pĂ„ kanterne, og du vil se, hvordan pladen deles i to. Kanten af disse to tynde plader er omtrent lige sĂ„ skarp som en barberblad. Den samlede lĂŠngde af iskolonnen er cirka 1,5 mm.
IfÞlge Libbrechts model sÊtter vanddampen sig fÞrst i hjÞrnerne af krystallen og spreder sig derefter (diffunderer) over overfladen enten til kanten af krystallen eller til dens flader, hvilket fÄr krystallen til at vokse udad eller opad. Hvilken af disse processer der 'vinder', afhÊnger hovedsageligt af temperaturen.
Det skal bemÊrkes, at modellen er 'halvempirisk'. Det vil sige, at den delvist er konstrueret til at passe til det, der sker, snarere end at forklare principperne for snefnugvÊkst. Ustabiliteter og interaktioner mellem de utallige molekyler er for komplekse til helt at forstÄ. Men der er stadig hÄb om, at Libbrechts idéer vil danne grundlag for en omfattende model for dynamikken i isvÊkst, som kan detaljeres med mere prÊcise mÄlinger og eksperimenter.
Man skal ikke tro, at disse observationer kun er interessante for en snÊver kreds af forskere. Lignende spÞrgsmÄl opstÄr inden for fysikken af kondensere materialer og andre omrÄder. Molekyler af medicin, halvlederchips til computere, solceller og mange andre industrier er afhÊngige af hÞj kvalitet krystaller, og hele grupper arbejder med spÞrgsmÄlet om deres vÊkst. SÄ de kÊrkomne snefnug, elsket af Libbrecht, kan bestemt komme videnskaben til gode.
Hvad mere nyttigt kan man lĂŠse i bloggen
â
â
â
â
â
Tilmeld dig vores -kanal for ikke at gÄ glip af den nÊste artikel! Vi skriver hÞjst to gange om ugen og kun om relevante emner. For Þvrigt, hvis du ikke allerede ved det, kan startups fÄ $10.000 fra Cloud4Y. VilkÄr og ansÞgning for interesserede findes pÄ vores hjemmeside:
Kilde: habr.com
