Der er ikke nok sne i den centrale del af Rusland denne vinter. Det faldt selvfølgelig nogle steder, men i januar kunne man forvente noget mere frost- og snevejr. Kedelig gråhed og ubehagelig sjap forhindrer dig i at mærke glæden ved den sædvanlige vinterhygge. Derfor foreslår Cloud4Y at tilføje lidt sne til vores liv ved at tale om... snefnug.
Det menes, at der kun er to typer snefnug. Og en af forskerne, nogle gange kaldet snefnugfysikkens "fader", har en ny teori til at forklare årsagen til dette. er en fantastisk person, der er klar til at forlade det solvarme sydlige Californien midt om vinteren for at komme til Fairbanks (Alaska), tage en varm jakke på og sidde i en frossen mark med et kamera og et stykke skum i hænderne .
For hvad? Han leder efter de glitrende, mest teksturerede, smukkeste snefnug, som naturen kan skabe. Ifølge ham har de mest interessante prøver en tendens til at dannes på de koldeste steder - de berygtede Fairbanks og den sneklædte nordlige del af New York. Den bedste sne, Kenneth nogensinde havde set, var i Cochrane, et sted i det nordøstlige Ontario, hvor let vind hvirvlede snefnug, da de faldt ned fra himlen.
Fascineret af elementerne studerer Libbrecht sin skumplade med en arkæologs ihærdighed. Hvis der er noget interessant der, vil øjet helt sikkert fange det. Hvis ikke, bliver sneen fejet af brættet, og alt starter igen. Og dette varer i timevis.
Libbrecht er fysiker. Ved et morsomt tilfælde er hans laboratorium ved California Institute of Technology beskæftiget med forskning i Solens indre struktur og har endda udviklet moderne instrumenter til at detektere gravitationsbølger. Men i de sidste 20 år har Libbrechts sande passion været sne – ikke kun dets udseende, men hvad der får det til at se sådan ud. "Spørgsmålet om, hvilken slags genstande der falder ned fra himlen, hvordan det sker, og hvorfor de ser sådan ud, plager mig hele tiden," indrømmer Kenneth.
I lang tid var det nok for fysikere at vide, at der blandt de mange bittesmå snekrystaller kunne skelnes mellem to fremherskende typer. En af dem er en flad stjerne med seks eller tolv arme, som hver er dekoreret med svimlende smukke blonder. Den anden er en slags miniaturesøjle, nogle gange klemt mellem flade "dæksler", og nogle gange ligner en almindelig bolt. Disse former kan ses ved forskellige temperaturer og luftfugtighed, men årsagen til dannelsen af en bestemt form har været et mysterium. Libbrechts mange års observationer hjalp med at forstå krystallisationsprocessen af snefnug bedre.
Libbrechts arbejde på dette område har været med til at skabe en ny model, der forklarer, hvorfor snefnug og andre snekrystaller danner det, vi er vant til at se. Ifølge hans teori, online i oktober 2019, beskriver vandmolekylers bevægelse nær frysepunktet (krystallisation), og hvordan specifikke bevægelser af disse molekyler kan give anledning til en samling af krystaller, der dannes under forskellige forhold. I hans På 540 sider beskriver Libbrecht al viden om snekrystaller.
Sekstakkede stjerner
Du ved selvfølgelig, at det er umuligt at se to identiske snefnug (undtagen på startstadiet). Dette faktum har at gøre med, hvordan krystaller dannes på himlen. Sne er en samling af iskrystaller, der dannes i atmosfæren og bevarer deres form, når de falder sammen til Jorden. De dannes, når atmosfæren er kold nok til at forhindre dem i at smelte sammen eller smelte til slud eller regn.
Selvom mange temperaturer og fugtighedsniveauer kan registreres inden for en enkelt sky, vil disse variable for et enkelt snefnug være konstante. Det er derfor, et snefnug ofte vokser symmetrisk. På den anden side er hvert snefnug udsat for vind, sollys og andre faktorer. I det væsentlige er hver krystal underlagt skyens kaos og antager derfor forskellige former.
Ifølge Libbrechts forskning er den tidligste tankegang om disse sarte former registreret i 135 f.Kr. i Kina. "Blomster af planter og træer er normalt femtakkede, men sneens blomster er altid sekstakkede," skrev lærd Han Yin. Og den første videnskabsmand, der forsøgte at finde ud af, hvorfor dette skete, var sandsynligvis Johannes Kepler, en tysk videnskabsmand og polymat.
I 1611 overrakte Kepler en nytårsgave til sin protektor, den hellige romerske kejser Rudolf II: en lille med titlen "Om sekskantede snefnug".
"Jeg går over broen, plaget af skam - jeg forlod dig uden en nytårsgave! Og så kom en mulighed min vej! Vanddamp, fortykket fra kulde til sne, falder som snefnug på mit tøj, alle sammen som en, sekskantet, med luftige stråler. Jeg sværger ved Hercules, her er en ting, der er mindre end enhver dråbe, har en form, kan tjene som en længe ventet nytårsgave til en elsker af ingenting og er værdig til en matematiker, der ikke har noget og modtager intet, da det falder ned fra himlen og skjuler i sig selv ligheden med en sekskantet stjerne!
»Der må være en grund til, at sne er formet som en sekskantet stjerne. Det kan ikke være et uheld,” var Johannes Kepler sikker på. Måske huskede han et brev fra sin samtidige Thomas Harriot, en engelsk videnskabsmand og astronom, der også nåede at arbejde som navigatør for opdagelsesrejsende Sir Walter Raleigh. Omkring 1584 ledte Harriot efter den mest effektive måde at stable kanonkugler på dækket af Raleigh-skibe. Harriot fandt ud af, at sekskantede mønstre syntes at være den bedste måde at arrangere sfærerne på, og han diskuterede dette spørgsmål i korrespondance med Kepler. Kepler spekulerede på, om noget lignende sker i snefnug, og hvilket element der er ansvarligt for, at disse seks stråler bliver skabt og vedligeholdt.
Snefnug former
Vi kan sige, at dette var den første forståelse af principperne for atomfysik, som først vil blive diskuteret 300 år senere. Faktisk har vandmolekyler med deres to brintatomer og et oxygen en tendens til at slutte sig sammen for at danne sekskantede arrays. Kepler og hans samtidige havde ingen anelse om, hvor vigtigt dette var.
Som fysikere siger, takket være hydrogenbinding og interaktionen af molekyler med hinanden, kan vi observere en åben krystallinsk struktur. Ud over sin evne til at dyrke snefnug tillader den sekskantede struktur is at være mindre tæt end vand, hvilket har enorme effekter på geokemi, geofysik og klima. Med andre ord, hvis isen ikke svævede, ville livet på Jorden være umuligt.
Men efter Keplers afhandling var observation af snefnug mere en hobby end en seriøs videnskab. I 1880'erne begyndte en amerikansk fotograf ved navn Wilson Bentley, som boede i den kolde, altid snedækkede lille by Jericho (Vermont, USA), at tage billeder af snefnug ved hjælp af fotografiske plader. Han nåede at skabe mere end 5000 fotografier, før han døde af lungebetændelse.
Endnu senere, i 1930'erne, begyndte den japanske forsker Ukichiro Nakaya systematisk at studere forskellige typer snekrystaller. I midten af århundredet dyrkede Nakaya snefnug i laboratoriet ved hjælp af individuelle kaninhår placeret i et kølerum. Han puslede med luftfugtighed og temperaturindstillinger, dyrkede grundlæggende typer krystaller og kompilerede sit originale katalog over mulige former. Nakaya opdagede, at snefnugstjerner har en tendens til at dannes ved -2°C og ved -15°C. Søjler dannes ved -5 °C og ved ca. -30 °C.
Det er her vigtigt at bemærke, at ved en temperatur på omkring -2 °C opstår tynde pladelignende former for snefnug, ved -5 °C skaber de tynde søjler og nåle, når temperaturen falder til -15 °C bliver de virkelig tynde plader, og ved temperaturer under - Ved 30 °C vender de tilbage til tykkere søjler.
Under forhold med lav luftfugtighed danner stjernesnefnug flere grene og ligner sekskantede plader, men ved høj luftfugtighed bliver de mere indviklede og blonder.
Ifølge Libbrecht blev årsagerne til udseendet af forskellige former for snefnug tydeligere takket være Nakais arbejde. Det har vist sig, at snekrystaller udvikler sig til flade stjerner og plader (snarere end tredimensionelle strukturer), når kanterne vokser hurtigt udad, og ansigterne vokser langsomt opad. Tynde søjler vokser forskelligt, med hurtigt voksende kanter og langsommere voksende kanter.
Samtidig er de grundlæggende processer, der har indflydelse på, om et snefnug bliver til en stjerne eller en søjle, uklare. Måske lå hemmeligheden i temperaturforholdene. Og Libbrecht forsøgte at finde et svar på dette spørgsmål.
Snefnug opskrift
Sammen med sit lille hold af forskere forsøgte Libbrecht at komme med en opskrift på et snefnug. Det vil sige et bestemt sæt af ligninger og parametre, der kan indlæses i en computer og få en storslået variation af snefnug fra AI.
Kenneth Libbrecht begyndte sin forskning for tyve år siden efter at have lært om en eksotisk snefnugform kaldet en lukket søjle. Det ligner en trådspole eller to hjul og en aksel. Han er født i den nordlige del af landet og var chokeret over, at han aldrig havde set sådan et snefnug.
Forbløffet over snekrystallernes endeløse former begyndte han at deres natur ved at skabe et laboratorium til dyrkning af snefnug. Resultaterne af mange års observationer var med til at skabe en model, som forfatteren selv betragter som et gennembrud. Han foreslog ideen om molekylær diffusion baseret på overfladeenergi. Denne idé beskriver, hvordan væksten af en snekrystal afhænger af startbetingelserne og adfærden af de molekyler, der danner den.
Forestil dig, at vandmolekylerne er placeret løst, da vanddampen lige er begyndt at fryse. Hvis du kunne være inde i et lillebitte observatorium og se på denne proces, kunne du se, hvordan frosne vandmolekyler begynder at danne et stift gitter, hvor hvert oxygenatom er omgivet af fire brintatomer. Disse krystaller vokser ved at inkorporere vandmolekyler fra den omgivende luft i deres struktur. De kan vokse i to hovedretninger: opadgående eller udadgående.
En tynd, flad krystal (lamellær eller stjerneformet) dannes, når kanterne dannes hurtigere end krystallens to flader. Den voksende krystal vil sprede sig udad. Men når dens ansigter vokser hurtigere end dens kanter, vokser krystallen sig højere og danner en nål, hul søjle eller stang.
Sjældne former for snefnug
Et øjeblik mere. Bemærk det tredje billede, taget af Libbrecht i det nordlige Ontario. Dette er en "lukket søjle" krystal - to plader fastgjort til enderne af en tyk søjleformet krystal. I dette tilfælde er hver plade opdelt i et par meget tyndere plader. Se godt på kanterne, du vil se hvordan pladen er delt i to. Kanterne på disse to tynde plader er omtrent lige så skarpe som et barberblad. Den samlede længde af issøjlen er omkring 1,5 mm.
Ifølge Libbrechts model sætter vanddamp sig først i hjørnerne af krystallen og spreder sig (diffuserer) derefter langs overfladen enten til kanten af krystallen eller til dens flader, hvilket får krystallen til at vokse udad eller opad. Hvilken af disse processer "vinder" afhænger hovedsageligt af temperaturen.
Det skal bemærkes, at modellen er "semi-empirisk". Det vil sige, at det er delvist struktureret til at svare til det, der sker, og ikke for at forklare principperne for snefnugvækst. Ustabiliteterne og interaktionerne mellem de utallige molekyler er for komplekse til at optrevle fuldstændigt. Håbet er dog fortsat, at Libbrechts ideer vil tjene som grundlag for en omfattende model for isvæksts dynamik, som kan detaljeres gennem mere detaljerede målinger og eksperimenter.
Man skal ikke tro, at disse observationer er af interesse for en snæver kreds af videnskabsmænd. Lignende spørgsmål opstår i det kondenserede stofs fysik og på andre områder. Lægemiddelmolekyler, halvlederchips til computere, solceller og en lang række andre industrier er afhængige af højkvalitetskrystaller, og hele teams er dedikeret til at dyrke dem. Så Libbrechts højt elskede snefnug kan godt tjene videnskabens gavn.
Hvad kan du ellers læse på bloggen?
→
→
→
→
→
Abonner på vores -kanal, så du ikke går glip af den næste artikel! Vi skriver ikke mere end to gange om ugen og kun på forretningsrejse. Forresten, hvis du ikke allerede ved det, kan startups modtage $10 fra Cloud000Y. Betingelser og ansøgningsskema for interesserede kan findes på vores hjemmeside:
Kilde: www.habr.com