In der zentralen Region Russlands gibt es in diesem Winter wenig Schnee. An einigen Orten ist er zwar gefallen, aber im Januar hätte man mit kälterem und schneereichen Wetter rechnen können. Die triste Grauheit und unangenehme Nässe trüben die Freude an den gewohnten Winterfreuden. Deshalb bietet Cloud4Y an, ein wenig Schnee in unser Leben zu bringen, indem wir über… Schneeflocken sprechen.
Es wird angenommen, dass es Schneeflocken nur in zwei Typen gibt. Einer der Wissenschaftler, der manchmal als „Vater“ der Schneeflockenphysik bezeichnet wird, hat eine neue Theorie aufgestellt, die den Grund dafür erklärt. ist eine erstaunliche Person, die bereit ist, mitten im Winter Kalifornien zu verlassen, um nach Fairbanks (Alaska) zu reisen, eine warme Jacke anzuziehen und sich in einem gefrorenen Feld mit einer Kamera und einem Stück Styropor in der Hand zu setzen.
Warum? Er sucht die funkelndsten, strukturiertesten und schönsten Schneeflocken, die die Natur schaffen kann. Seinen Worten nach neigen die interessantesten Exemplare dazu, an den kältesten Orten zu entstehen – im berüchtigten Fairbanks und im schneebedeckten Norden New Yorks. Der beste Schnee, den Kenneth je gesehen hat, fiel in Cochrane, einem Ort im Nordosten von Ontario, wo ein schwacher Wind die vom Himmel fallenden Schneeflocken wirbelte.
Fasziniert von der Natur untersucht Libbrecht mit der Hartnäckigkeit eines Archäologen sein Styroporbrett. Wenn es dort etwas Interessantes gibt, wird sein Blick unweigerlich darauf fallen. Wenn nicht, wird der Schnee vom Brett gefegt und alles beginnt von vorne. Und das geht stundenlang.
Libbrecht ist Physiker. Bei einem lustigen Zufall beschäftigt sich sein Labor am California Institute of Technology mit der Erforschung der inneren Struktur der Sonne und hat sogar moderne Geräte zur Erkennung von Gravitationswellen entwickelt. Doch in den letzten 20 Jahren war Libbrechts wahre Leidenschaft der Schnee – nicht nur sein Aussehen, sondern auch das, was ihn so aussehen lässt. „Die Frage, welche Objekte vom Himmel fallen, wie das geschieht und warum sie so aussehen, beschäftigt mich ständig“, gesteht Kenneth.
Lange Zeit war es für Physiker ausreichend zu wissen, dass man aus einer Vielzahl winziger Schneekristalle zwei vorherrschende Typen herausnehmen konnte. Einer davon ist der flache Stern mit sechs oder zwölf Strahlen, von denen jeder mit atemberaubend schönen Spitzen verziert ist. Der andere ist eine Art miniaturisierte Säule, manchmal zwischen flachen "Deckeln" eingequetscht, manchmal sieht sie aus wie eine gewöhnliche Schraube. Diese Formen können bei unterschiedlichen Temperaturen und Feuchtigkeiten beobachtet werden, doch der Grund für die Bildung der jeweiligen Form blieb ein Rätsel. Jahre der Beobachtungen von Libbrecht halfen, den Prozess der Kristallisation von Schneeflocken besser zu verstehen.
Die Arbeiten von Libbrecht auf diesem Gebiet trugen zur Schaffung eines neuen Modells bei, das erklärt, warum Schneeflocken und andere Schneekristalle entstehen, wie wir sie gewohnt sind. Laut seiner Theorie, im Internet im Oktober 2019, beschreibt sie die Bewegung von Wassermolekülen nahe dem Gefrierpunkt (Kristallisation) und wie spezifische Bewegungen dieser Moleküle eine Ansammlung von Kristallen erzeugen können, die unter verschiedenen Bedingungen entstehen. In seiner von 540 Seiten beschreibt Libbrecht das gesamte Wissen über Schneekristalle.
Sechszackige Sterne
Sie wissen sicherlich, dass es unmöglich ist, zwei identische Schneeflocken zu sehen (es sei denn, in der Anfangsphase). Dieses Faktum hängt damit zusammen, wie Kristalle am Himmel gebildet werden. Schnee ist eine Ansammlung von Eiskristallen, die in der Atmosphäre entstehen und ihre Form beibehalten, wenn sie gemeinsam auf die Erde fallen. Sie bilden sich, wenn die Atmosphäre kalt genug ist, um eine Verschmelzung oder ein Schmelzen und die Umwandlung in nassen Schnee oder Regen zu verhindern.
Obwohl innerhalb einer Wolke zahlreiche Temperaturen und Feuchtigkeitsstufen gemessen werden können, werden diese Variablen für eine einzelne Schneeflocke konstant sein. Deshalb wächst eine Schneeflocke oft symmetrisch. Andererseits ist jede Schneeflocke den Einflüssen von Wind, Sonnenlicht und anderen Faktoren ausgesetzt. Im Grunde genommen unterliegt jeder Kristall dem Chaos der Wolke und nimmt deshalb unterschiedliche Formen an.
Laut einer Studie von Libbrecht sind die frühesten Überlegungen zu diesen filigranen Formen 135 v. Chr. in China dokumentiert. „Die Blüten von Pflanzen und Bäumen sind in der Regel fünfstrahlig, aber die Blüten des Schnees sind immer sechsstrahlig“, schrieb der Wissenschaftler Han Yin. Der erste Wissenschaftler, der versuchte zu verstehen, warum das so ist, war vermutlich Johannes Kepler, ein deutscher Wissenschaftler und Gelehrter.
Im Jahr 1611 machte Kepler seinem Schutzherrn, dem Kaiser des Heiligen Römischen Reiches Rudolf II., ein Neujahrsgeschenk: einen kleinen mit dem Titel „Über die sechseckigen Schneeflocken“.
„Ich überquere die Brücke, von Scham geplagt – ich habe dich ohne Neujahrsgeschenk gelassen! Und hier bietet sich mir eine günstige Gelegenheit! Der Wasserdampf, der durch die Kälte zu Schnee wird, fällt als Schneeflocken auf meine Kleidung, alle, wie eine, sechseckig mit flauschigen Strahlen. Bei Herkules, das ist das, was weniger ist als jeder Tropfen, hat eine Form und kann als lang erwartetes Neujahrsgeschenk für einen Liebhaber des Nichts dienen und ist für einen Mathematiker, der mit Nichts ausgestattet ist und Nichts erhält, würdig, da es vom Himmel fällt und die Ähnlichkeit eines sechseckigen Sterns in sich birgt!“.
„Es muss einen Grund geben, warum Schnee die Form eines sechseckigen Sterns hat. Das kann kein Zufall sein“, war sich Johannes Kepler sicher. Vielleicht erinnerte er sich an einen Brief von seinem Zeitgenossen Thomas Harriot, einem englischen Wissenschaftler und Astronomen, der ebenfalls als Navigator für die Erforscher Sir Walter Raleigh gearbeitet hatte. Um 1584 suchte Harriot nach der effizientesten Möglichkeit, Kanonenkugeln auf den Decks von Raleighs Schiffen zu lagern. Harriot stellte fest, dass sechseckige Muster die beste Möglichkeit sind, Kugeln anzuordnen, und er diskutierte diese Frage in seiner Korrespondenz mit Kepler. Kepler fragte sich, ob Ähnliches in Schneeflocken geschieht und durch welches Element diese sechs Strahlen entstehen und gehalten werden.
Die Formen der Schneeflocken
Kann man sagen, dass dies ein grundlegendes Verständnis der Prinzipien der Atomphysik war, über die erst in 300 Jahren gesprochen werden wird. Tatsächlich neigen Wassermoleküle mit ihren zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom dazu, sich zusammenzuschließen und hexagonale Anordnungen zu bilden. Kepler und seine Zeitgenossen hatten noch nicht im Geringsten eine Vorstellung davon, wie wichtig das ist.
Wie Physiker sagen, können wir durch Wasserstoffbrücken und die Wechselwirkungen zwischen Molekülen die offene kristalline Struktur beobachten. Neben der Fähigkeit, Schneeflocken zu züchten, macht die hexagonale Struktur Eis weniger dicht als Wasser, was enorme Auswirkungen auf die Geochemie, Geophysik und das Klima hat. Mit anderen Worten, wenn Eis nicht schwimmen würde, wäre Leben auf der Erde unmöglich.
Aber nach dem Keplerschen Vertrag wurde die Beobachtung von Schneeflocken eher zu einem Hobby als zu einer ernsthaften Wissenschaft. In den 1880er Jahren begann ein amerikanischer Fotograf namens Wilson Bentley, der in der kalten, ständig schneebedeckten kleinen Stadt Jericho (Vermont, USA) lebte, mit Fotoplatten Fotos von Schneeflocken zu machen. Er schuf über 5000 Fotos, bevor er an einer Lungenentzündung starb.
Später, in den 1930er Jahren, begann der japanische Forscher Ukichiro Nakaya mit der systematischen Untersuchung verschiedener Arten von Schneekristallen. In der Mitte des Jahrhunderts züchtete Nakaya Schneeflocken im Labor, indem er einzelne Haarsträhnen von Kaninchen in einen gekühlten Raum stellte. Er experimentierte mit Luftfeuchtigkeit und Temperatur, züchtete die Haupttypen von Kristallen und stellte seinen originalen Katalog möglicher Formen zusammen. Nakaya entdeckte, dass Sternschneeflocken bei -2 °C und -15 °C entstehen. Säulen bilden sich bei -5 °C und etwa -30 °C.
Hier ist es wichtig zu beachten, dass bei Temperaturen um -2 °C dünne plättchenförmige Schneeflocken erscheinen, bei -5 °C bilden sie dünne Säulen und Nadeln, und wenn die Temperatur auf -15 °C abfällt, werden sie zu wirklich dünnen Platten, während sie bei Temperaturen unter -30 °C wieder zu dickeren Säulen zurückkehren.
Bei niedriger Luftfeuchtigkeit bilden Sternschneeflocken mehrere Äste und erinnern an hexagonale Platten, während sie bei hoher Luftfeuchtigkeit ausgefallener und spitz zulaufend werden.
Nach Libbrecht sind die Gründe für das Erscheinen verschiedener Formen von Schneeflocken gerade durch Nakayas Arbeit klarer geworden. Es wurde festgestellt, dass Schneekristalle in flache Sterne und Platten (nicht in dreidimensionale Strukturen) umgewandelt werden, wenn die Ränder schnell nach außen wachsen, während die Flächen langsam nach oben wachsen. Dünne Säulen wachsen anders, mit schnell wachsenden Flächen und langsamer wachsenden Rändern.
Gleichzeitig bleiben die grundlegenden Prozesse, die entscheidend dafür sind, ob eine Schneeflocke zu einem Stern oder einer Säule wird, unklar. Vielleicht liegt das Geheimnis in den Temperaturbedingungen. Und Libbrecht versuchte, eine Antwort auf diese Frage zu finden.
Rezept für die Schneeflocke
Zusammen mit seinem kleinen Team von Forschern versuchte Libbrecht, ein Rezept für die Schneeflocke zu entwickeln. Das heißt, eine Art von Gleichungen und Parametern, die man in einen Computer laden kann, um vom KI eine wunderbare Vielfalt an Schneeflocken zu erhalten.
Kenneth Libbrecht begann seine Forschungen vor zwanzig Jahren, als er von einer exotischen Form der Schneeflocke erfuhr, die als geschlossene Säule bezeichnet wird. Sie ähnelt einer Spule oder zwei Rädern mit einer Achse. Im Norden des Landes geboren, war er schockiert, dass er so eine Schneeflocke nie gesehen hatte.
Beeindruckt von den unendlichen Formen von Schneekristallen, begann er ihrer Natur und gründete ein Labor zur Züchtung von Schneeflocken. Die Ergebnisse jahrelanger Beobachtungen halfen, ein Modell zu erstellen, das der Autor selbst als bahnbrechend erachtet. Er schlug die Idee der molekularen Diffusion basierend auf Oberflächenenergie vor. Diese Idee beschreibt, wie das Wachstum eines Schneekristalls von den Anfangsbedingungen und dem Verhalten der Moleküle abhängt, die ihn bilden.
Stellen Sie sich vor, dass die Wassermoleküle frei angeordnet sind, während die Wassertröpfchen beginnen, zu gefrieren. Wenn man sich in einer winzigen Beobachtungsstelle befinden könnte und diesen Prozess beobachten würde, könnte man sehen, wie die gefrorenen Wassermoleküle beginnen, ein starres Gitter zu bilden, in dem jedes Sauerstoffatom von vier Wasserstoffatomen umgeben ist. Diese Kristalle wachsen, indem sie Wassermoleküle aus der umgebenden Luft in ihre Struktur aufnehmen. Sie können in zwei Hauptrichtungen wachsen: nach oben oder nach außen.
Ein dünner, flacher Kristall (plattig oder sternförmig) entsteht, wenn die Kanten schneller wachsen als die beiden Flächen des Kristalls. Der wachsende Kristall breitet sich nach außen aus. Wenn jedoch die Flächen schneller wachsen als die Kanten, wird der Kristall höher und bildet eine Nadel, eine hohle Säule oder einen Stab.
Seltene Formen von Schneeflocken
Ein weiterer Punkt. Achten Sie auf das dritte Foto, das Libbrecht in Nordontario aufgenommen hat. Dies ist ein Kristall mit „geschlossenen Säulen“ – zwei Platten, die an den Enden eines dicken säulenförmigen Kristalls befestigt sind. In diesem Fall ist jede Platte in ein Paar deutlich dünnerer Platten unterteilt. Achten Sie auf die Ränder, Sie werden sehen, wie sich die Platte in zwei teilt. Die Kanten dieser beiden dünnen Platten sind etwa so scharf wie eine Rasierklinge. Die Gesamtlänge der eisernen Säule beträgt etwa 1,5 mm.
Laut Librechts Modell kondensiert der Wasserdampf zuerst an den Ecken des Kristalls und verbreitet sich dann (diffundiert) entweder zur Kante des Kristalls oder zu seinen Flächen, wodurch der Kristall entweder nach außen oder nach oben wächst. Welcher dieser Prozesse „gewinnt“, hängt hauptsächlich von der Temperatur ab.
Es ist zu beachten, dass das Modell „halbempirisch“ ist. Das bedeutet, dass es teilweise so konstruiert ist, dass es dem Geschehen entspricht, anstatt die Prinzipien des Wachstums von Schneekristallen zu erklären. Die Instabilitäten und Wechselwirkungen zwischen den unzähligen Molekülen sind zu komplex, um sie vollständig zu enthüllen. Es bleibt jedoch die Hoffnung, dass Librechts Ideen als Grundlage für ein umfassendes Modell der Dynamik des Eiswachstums dienen, das durch detailliertere Messungen und Experimente ausgearbeitet werden kann.
Man sollte nicht denken, dass diese Beobachtungen nur für einen engen Kreis von Wissenschaftlern von Interesse sind. Ähnliche Fragen tauchen in der Physik der kondensierten Materie und in anderen Bereichen auf. Moleküle von Medikamenten, Halbleiterchips für Computer, Solarzellen und viele andere Branchen sind auf hochwertig gewachsene Kristalle angewiesen, und ganze Gruppen beschäftigen sich mit deren Züchtung. So können die von Libbrecht geliebten Schneekristalle durchaus der Wissenschaft zugutekommen.
Was gibt es noch Nützliches im Blog zu lesen
→
→
→
→
→
Abonnieren Sie unseren -Kanal, um keinen neuen Artikel zu verpassen! Wir schreiben nicht häufiger als zweimal pro Woche und nur zu relevanten Themen. Übrigens, wenn Sie es noch nicht wissen, können Startups 10.000 $ von Cloud4Y erhalten. Die Bedingungen und das Anmeldeformular finden Sie auf unserer Website:
Quelle: habr.com
