In Zentralrussland gibt es diesen Winter nicht genug Schnee. Natürlich fiel es mancherorts, aber im Januar konnte man mit noch mehr frostigem und schneereichem Wetter rechnen. Stumpfes Grau und unangenehmer Schneematsch verhindern, dass Sie die Freude am gewohnten Winterspaß spüren können. Deshalb schlägt Cloud4Y vor, ein wenig Schnee in unser Leben zu bringen, indem es über ... Schneeflocken spricht.
Es wird angenommen, dass es nur zwei Arten von Schneeflocken gibt. Und einer der Wissenschaftler, der manchmal als „Vater“ der Schneeflockenphysik bezeichnet wird, hat eine neue Theorie, um den Grund dafür zu erklären. ist ein erstaunlicher Mensch, der bereit ist, mitten im Winter das sonnengewärmte Südkalifornien zu verlassen, um nach Fairbanks (Alaska) zu gelangen, eine warme Jacke anzuziehen und mit einer Kamera und einem Stück Schaumstoff in den Händen auf einem gefrorenen Feld zu sitzen .
Wofür? Er sucht nach den funkelndsten, strukturiertesten und schönsten Schneeflocken, die die Natur erschaffen kann. Ihm zufolge bilden sich die interessantesten Proben tendenziell an den kältesten Orten – dem berüchtigten Fairbanks und dem verschneiten nördlichen Teil von New York. Den besten Schnee, den Kenneth je gesehen hatte, gab es in Cochrane, einem Ort im Nordosten Ontarios, wo leichte Winde Schneeflocken wirbelten, als sie vom Himmel fielen.
Fasziniert von den Elementen untersucht Libbrecht seine Schaumstoffplatte mit der Beharrlichkeit eines Archäologen. Wenn dort etwas Interessantes zu finden ist, fällt es dem Blick bestimmt ins Auge. Wenn nicht, wird der Schnee vom Brett gefegt und alles beginnt von vorne. Und das dauert Stunden.
Libbrecht ist Physiker. Durch einen amüsanten Zufall beschäftigt sich sein Labor am California Institute of Technology mit der Erforschung der inneren Struktur der Sonne und hat sogar moderne Instrumente zur Erkennung von Gravitationswellen entwickelt. Doch seit 20 Jahren gilt Libbrechts wahre Leidenschaft dem Schnee – nicht nur seinem Aussehen, sondern auch dem, was ihn so aussehen lässt. „Die Frage, was für Objekte vom Himmel fallen, wie das passiert und warum sie so aussehen, quält mich ständig“, gibt Kenneth zu.
Lange Zeit reichte es den Physikern zu wissen, dass sich unter den vielen winzigen Schneekristallen zwei vorherrschende Arten unterscheiden ließen. Einer davon ist ein flacher Stern mit sechs oder zwölf Armen, die jeweils mit schwindelerregend schöner Spitze verziert sind. Die andere ist eine Art Miniatursäule, die manchmal zwischen flachen „Abdeckungen“ eingeklemmt ist und manchmal einem gewöhnlichen Bolzen ähnelt. Diese Formen können bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten gesehen werden, aber der Grund für die Bildung einer bestimmten Form bleibt ein Rätsel. Libbrechts jahrelange Beobachtungen trugen dazu bei, den Kristallisationsprozess von Schneeflocken besser zu verstehen.
Libbrechts Arbeit auf diesem Gebiet hat dazu beigetragen, ein neues Modell zu entwickeln, das erklärt, warum Schneeflocken und andere Schneekristalle das bilden, was wir gewohnt sind. Nach seiner Theorie online im Oktober 2019, beschreibt die Bewegung von Wassermolekülen nahe dem Gefrierpunkt (Kristallisation) und wie spezifische Bewegungen dieser Moleküle zu einer Ansammlung von Kristallen führen können, die sich unter verschiedenen Bedingungen bilden. In seinem Auf 540 Seiten beschreibt Libbrecht das gesamte Wissen über Schneekristalle.
Sechszackige Sterne
Sie wissen natürlich, dass es unmöglich ist, zwei identische Schneeflocken zu sehen (außer im Entstehungsstadium). Diese Tatsache hängt damit zusammen, wie sich Kristalle am Himmel bilden. Schnee ist eine Ansammlung von Eiskristallen, die sich in der Atmosphäre bilden und ihre Form behalten, wenn sie zusammen auf die Erde fallen. Sie entstehen, wenn die Atmosphäre kalt genug ist, um zu verhindern, dass sie zu Schneeregen oder Regen verschmelzen oder schmelzen.
Obwohl innerhalb einer einzelnen Wolke viele Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten aufgezeichnet werden können, sind diese Variablen für eine einzelne Schneeflocke konstant. Deshalb wächst eine Schneeflocke oft symmetrisch. Andererseits ist jede Schneeflocke Wind, Sonnenlicht und anderen Faktoren ausgesetzt. Grundsätzlich unterliegt jeder Kristall dem Chaos der Wolke und nimmt daher unterschiedliche Formen an.
Laut Libbrechts Forschungen wird das früheste Denken über diese zarten Formen im Jahr 135 v. Chr. aufgezeichnet. in China. „Die Blüten von Pflanzen und Bäumen sind normalerweise fünfzackig, aber die Blüten des Schnees sind immer sechszackig“, schrieb der Gelehrte Han Yin. Und der erste Wissenschaftler, der herauszufinden versuchte, warum dies geschah, war wahrscheinlich Johannes Kepler, ein deutscher Wissenschaftler und Universalgelehrter.
Im Jahr 1611 überreichte Kepler seinem Gönner, dem Kaiser des Heiligen Römischen Reiches Rudolf II., ein Neujahrsgeschenk: ein kleines Geschenk mit dem Titel „Über sechseckige Schneeflocken“.
„Ich überquere die Brücke, gequält von Scham – ich habe dich ohne Neujahrsgeschenk zurückgelassen! Und dann ergab sich für mich eine Gelegenheit! Wasserdampf, durch die Kälte zu Schnee verdickt, fällt wie Schneeflocken auf meine Kleidung, alle wie ein Ganzes, sechseckig, mit flauschigen Strahlen. Ich schwöre bei Herkules, hier ist etwas, das kleiner ist als jeder Tropfen, eine Form hat, einem Liebhaber des Nichts als lang erwartetes Neujahrsgeschenk dienen kann und eines Mathematikers würdig ist, der nichts hat und seitdem nichts empfängt fällt vom Himmel und verbirgt in sich das Bild eines sechseckigen Sterns!
„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 seines Zeitgenossen Thomas Harriot, eines englischen Wissenschaftlers und Astronomen, dem es auch gelang, als Navigator für den Entdecker Sir Walter Raleigh zu arbeiten. Um 1584 suchte Harriot nach der effizientesten Möglichkeit, Kanonenkugeln auf den Decks von Raleigh-Schiffen zu stapeln. Harriot fand heraus, dass sechseckige Muster die beste Möglichkeit zu sein schienen, die Kugeln anzuordnen, und diskutierte diese Frage im Briefwechsel mit Kepler. Kepler fragte sich, ob bei Schneeflocken etwas Ähnliches passiert und welches Element für die Entstehung und Aufrechterhaltung dieser sechs Strahlen verantwortlich ist.
Schneeflockenformen
Wir können sagen, dass dies das erste Verständnis der Prinzipien der Atomphysik war, das erst 300 Jahre später diskutiert wird. Tatsächlich neigen Wassermoleküle mit ihren zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoff dazu, sich zu hexagonalen Anordnungen zusammenzuschließen. Kepler und seine Zeitgenossen hatten keine Ahnung, wie wichtig dies war.
Wie Physiker sagen, können wir dank der Wasserstoffbrückenbindung und der Wechselwirkung der Moleküle untereinander eine offene Kristallstruktur beobachten. Zusätzlich zu seiner Fähigkeit, Schneeflocken wachsen zu lassen, ermöglicht die sechseckige Struktur, dass Eis eine geringere Dichte als Wasser hat, was enorme Auswirkungen auf die Geochemie, Geophysik und das Klima hat. Mit anderen Worten: Wenn das Eis nicht schwimmen würde, wäre Leben auf der Erde unmöglich.
Doch nach Keplers Abhandlung war die Beobachtung von Schneeflocken eher ein Hobby als eine ernsthafte Wissenschaft. In den 1880er Jahren begann ein amerikanischer Fotograf namens Wilson Bentley, der in der kalten, immer verschneiten Kleinstadt Jericho (Vermont, USA) lebte, Schneeflocken mithilfe von Fotoplatten zu fotografieren. Es gelang ihm, mehr als 5000 Fotos zu machen, bevor er an einer Lungenentzündung starb.
Noch später, in den 1930er Jahren, begann der japanische Forscher Ukichiro Nakaya, verschiedene Arten von Schneekristallen systematisch zu untersuchen. Mitte des Jahrhunderts züchtete Nakaya im Labor Schneeflocken, indem er einzelne Kaninchenhaare in einem Kühlraum platzierte. Er bastelte an Feuchtigkeits- und Temperatureinstellungen, züchtete grundlegende Kristalltypen und stellte seinen ursprünglichen Katalog möglicher Formen zusammen. Nakaya entdeckte, dass Schneeflockensterne dazu neigen, sich bei -2 °C und bei -15 °C zu bilden. Bei -5 °C und bei ca. -30 °C bilden sich Säulen.
Dabei ist zu beachten, dass bei einer Temperatur von etwa -2 °C dünne, plattenförmige Formen von Schneeflocken entstehen, bei -5 °C bilden sich dünne Säulen und Nadeln, bei sinkender Temperatur auf -15 °C werden sie richtig dünn Platten, und bei Temperaturen darunter - Bei 30 °C kehren sie zu dickeren Säulen zurück.
Bei niedriger Luftfeuchtigkeit bilden Sternschneeflocken mehrere Zweige und ähneln sechseckigen Platten, bei hoher Luftfeuchtigkeit werden sie jedoch komplizierter und spitzenartiger.
Laut Libbrecht wurden die Gründe für das Auftreten unterschiedlicher Schneeflockenformen dank Nakais Arbeit klarer. Es wurde festgestellt, dass sich Schneekristalle zu flachen Sternen und Platten entwickeln (statt zu dreidimensionalen Strukturen), wenn die Kanten schnell nach außen und die Flächen langsam nach oben wachsen. Dünne Säulen wachsen unterschiedlich, mit schnell wachsenden Kanten und langsamer wachsenden Kanten.
Gleichzeitig bleiben die grundlegenden Prozesse unklar, die beeinflussen, ob aus einer Schneeflocke ein Stern oder eine Säule wird. Vielleicht lag das Geheimnis in den Temperaturverhältnissen. Und Libbrecht versuchte, eine Antwort auf diese Frage zu finden.
Schneeflockenrezept
Zusammen mit seinem kleinen Forscherteam versuchte Libbrecht, ein Rezept für eine Schneeflocke zu finden. Das heißt, ein bestimmter Satz von Gleichungen und Parametern, die in einen Computer geladen werden können und von der KI eine großartige Vielfalt an Schneeflocken erhalten.
Kenneth Libbrecht begann seine Forschung vor zwanzig Jahren, nachdem er von einer exotischen Schneeflockenform namens „geschlossene Säule“ erfahren hatte. Es sieht aus wie eine Garnrolle oder zwei Räder und eine Achse. Er wurde im Norden des Landes geboren und war schockiert darüber, dass er noch nie eine solche Schneeflocke gesehen hatte.
Er war erstaunt über die endlosen Formen der Schneekristalle und begann damit ihre Natur, indem sie ein Labor zum Züchten von Schneeflocken schaffen. Die Ergebnisse langjähriger Beobachtungen trugen zur Entstehung eines Modells bei, das der Autor selbst als Durchbruch betrachtet. 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, aus denen er besteht.
Stellen Sie sich vor, dass die Wassermoleküle lose angeordnet sind, während der Wasserdampf gerade erst zu gefrieren beginnt. Wenn Sie sich in einem winzigen Observatorium befinden und diesen Prozess beobachten könnten, könnten Sie sehen, wie gefrorene Wassermoleküle beginnen, ein starres Gitter zu bilden, in dem jedes Sauerstoffatom von vier Wasserstoffatomen umgeben ist. Diese Kristalle wachsen, indem sie Wassermoleküle aus der Umgebungsluft in ihre Struktur einbauen. Sie können in zwei Hauptrichtungen wachsen: nach oben oder nach außen.
Ein dünner, flacher Kristall (lamellar oder sternförmig) entsteht, wenn sich die Kanten schneller bilden als die beiden Flächen des Kristalls. Der wachsende Kristall breitet sich nach außen aus. Wenn jedoch seine Flächen schneller wachsen als seine Kanten, wird der Kristall höher und bildet eine Nadel, eine hohle Säule oder einen Stab.
Seltene Formen von Schneeflocken
Noch einen Moment. Beachten Sie das dritte Foto, aufgenommen von Libbrecht im Norden Ontarios. Dies ist ein Kristall mit „geschlossener Säule“ – zwei Platten, die an den Enden eines dicken säulenförmigen Kristalls befestigt sind. In diesem Fall ist jede Platte in ein Paar wesentlich dünnerer Platten unterteilt. Schauen Sie sich die Ränder genau an, Sie werden sehen, wie die Platte in zwei Teile geteilt ist. Die Kanten dieser beiden dünnen Platten sind etwa so scharf wie eine Rasierklinge. Die Gesamtlänge der Eissäule beträgt etwa 1,5 mm.
Nach Libbrechts Modell setzt sich Wasserdampf zunächst an den Ecken des Kristalls ab und breitet sich dann entlang der Oberfläche entweder zum Rand des Kristalls oder zu seinen Flächen aus (diffundiert), wodurch der Kristall nach außen oder oben wächst. Welcher dieser Prozesse „gewinnt“, hängt hauptsächlich von der Temperatur ab.
Es ist zu beachten, dass das Modell „halbempirisch“ ist. Das heißt, es ist teilweise so strukturiert, dass es dem Geschehen entspricht und nicht, um die Prinzipien des Schneeflockenwachstums zu erklären. Die Instabilitäten und Wechselwirkungen zwischen den unzähligen Molekülen sind zu komplex, um sie vollständig zu entschlüsseln. Es bleibt jedoch die Hoffnung, dass Libbrechts Ideen als Grundlage für ein umfassendes Modell der Dynamik des Eiswachstums dienen, das durch detailliertere Messungen und Experimente detaillierter werden kann.
Man sollte nicht glauben, dass diese Beobachtungen nur für einen engen Kreis von Wissenschaftlern von Interesse sind. Ähnliche Fragen stellen sich in der Physik der kondensierten Materie und in anderen Bereichen. Arzneimittelmoleküle, Halbleiterchips für Computer, Solarzellen und eine Vielzahl anderer Branchen sind auf hochwertige Kristalle angewiesen, und ganze Teams widmen sich der Züchtung dieser Kristalle. Libbrechts geliebte Schneeflocken könnten also durchaus der Wissenschaft zugute kommen.
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Source: habr.com