In dieser Winterperiode gibt es in der zentralen Region Russlands nicht allzu viel Schnee. An einigen Stellen fiel zwar etwas, aber im Januar hätte man sich eine kältere und schneereichere Witterung wünschen können. Die trübe Grausamkeit und der unangenehme Matsch trüben die Freude an den gewohnten Wintervergnügungen. Daher bietet Cloud4Y an, unserem Leben etwas Schnee hinzuzufügen, indem wir über… Schneeflocken sprechen.
Es gilt als allgemein bekannt, dass Schneeflocken nur in zwei Typen vorkommen. Einer der Wissenschaftler, der manchmal als 'Vater' der Schneeflockenphysik bezeichnet wird, hat eine neue Theorie entwickelt, die diesen Sachverhalt erklärt. — ist ein faszinierender Mensch, der bereit ist, mitten im Winter Kalifornien, das von Sonne beschienen wird, zu verlassen, um nach Fairbanks (Alaska) zu reisen, eine warme Jacke anzuziehen und sich in ein kaltes Feld zu setzen, während er eine Kamera und ein Stück Schaumstoff in den Händen hält.
Warum? Er sucht die glänzendsten, strukturiertesten und schönsten Schneeflocken, die die Natur hervorbringen kann. Seinen Aussagen zufolge tendieren die interessantesten Exemplare dazu, an den kältesten Orten zu entstehen – im berüchtigten Fairbanks und im verschneiten Norden von New York. Der beste Schnee, den Kenneth jemals gesehen hat, fiel in Cochrane, einem kleinen Ort im Nordosten von Ontario, wo der sanfte Wind die Schneeflocken, die vom Himmel fallen, verwehte.
Fasziniert von den Elementen untersucht Libbrecht mit dem Eifer eines Archäologen sein Styroporbrett. Wenn es dort etwas Interessantes gibt, wird sein Blick definitiv darauf fallen. Gibt es das nicht, wird der Schnee vom Brett gefegt und alles beginnt von Neuem. Und das dauert Stunden.
Liebrecht 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 Geräte zur Entdeckung von Gravitationswellen entwickelt. Doch in den letzten 20 Jahren galt Liebrechts wahre Leidenschaft dem Schnee – nicht nur seinem Erscheinungsbild, sondern auch den Faktoren, die es so aussehen lassen. "Die Frage, welche Objekte vom Himmel fallen, wie das passiert und warum sie so aussehen, beschäftigt mich ständig", gesteht Kenneth.
Lange Zeit genügte es Physikern zu wissen, dass man unter den vielen winzigen Schneekristallen zwei vorherrschende Typen unterscheiden kann. Der eine ist ein flacher Stern mit sechs oder zwölf Strahlen, von denen jeder mit atemberaubend schönen Verzierungen geschmückt ist. Der andere erinnert an eine Art Miniatur-Säule, die manchmal zwischen flachen "Deckeln" eingeklemmt ist oder wie eine gewöhnliche Schraube aussieht. Diese Formen sind bei unterschiedlichen Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden zu beobachten, aber die Gründe für die Entstehung der jeweiligen Form waren ein Rätsel. Jahre der Beobachtungen von Libbrecht halfen, den Prozess der Kristallisation von Schneeflocken besser zu verstehen.
Die Erkenntnisse von Libbrecht in diesem Bereich führten zur Entwicklung eines neuen Modells, das erklärt, warum Schneeflocken und andere Schneekristalle die Formen annehmen, die wir gewohnt sind zu sehen. Nach seiner Theorie, im Internet im Oktober 2019, beschreibt 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 Insgesamt 540 Seiten widmet sich Libbrecht dem gesamten Wissen über Schneekristalle.
Sechszackige Sterne
Sie wissen sicherlich, dass es unmöglich ist, zwei identische Schneeflocken zu sehen (außer vielleicht in der Anfangsphase). Dieses Phänomen hängt mit der Art und Weise zusammen, wie sich Kristalle in den Himmeln bilden. Schnee ist ein Aggregat von Eiskristallen, die in der Atmosphäre entstehen und ihre Form behalten, wenn sie gemeinsam zur Erde fallen. Sie entstehen, wenn die Atmosphäre kalt genug ist, um eine Verschmelzung oder ein Schmelzen in nassen Schnee oder Regen zu verhindern.
Obwohl innerhalb einer Wolke viele Temperaturen und Feuchtigkeitsgrade festgestellt werden können, bleiben diese Variablen für eine einzelne Schneeflocke konstant. Deshalb wächst eine Schneeflocke oft symmetrisch. Andererseits wird jede Schneeflocke von Wind, Sonnenlicht und anderen Faktoren beeinflusst. Im Wesentlichen unterliegt jeder Kristall dem Chaos der Wolke und nimmt daher unterschiedliche Formen an.
Laut einer Studie von Liebbrecht wurden die frühesten Überlegungen zu diesen zarten Formen im Jahr 135 v. Chr. in China dokumentiert. "Blumen von Pflanzen und Bäumen sind in der Regel fünflappig, während die Blumen des Schnees immer sechslappig sind", schrieb der Wissenschaftler Han Yin. Der erste Wissenschaftler, der versuchte zu verstehen, warum das so ist, war wahrscheinlich Johannes Kepler, ein deutscher Wissenschaftler und Gelehrter.
Im Jahr 1611 überreichte Kepler seinem Schutzherrn, dem Kaiser des Heiligen Römischen Reiches Rudolf II., ein Neujahrsgeschenk: einen kleinen mit dem Titel „Über sechseckige Schneeflocken“.
„Ich überquere eine Brücke, gepeinigt von Scham – ich habe dich ohne Neujahrsgeschenk gelassen! Und da ergibt sich mir eine günstige Gelegenheit! Wasserdampf, der sich durch die Kälte zu Schnee verdichtet, fällt als Schneeflocken auf meine Kleidung, jede eine sechseckige Form, mit flauschigen Strahlen. Ich schwöre bei Herakles, das ist etwas, das kleiner ist als jede Tropfen, eine Form hat, als lang ersehntes Neujahrsgeschenk für einen Liebhaber des Nichts dienen kann und würdig ist für einen Mathematiker, der nichts hat und Nichts erhält, da es vom Himmel fällt und Ähnlichkeit mit einem sechseckigen Stern birgt!"
„Es muss einen Grund geben, warum Schnee die Form eines sechszackigen Sterns hat. Das kann nicht zufällig sein“, war Johannes Kepler überzeugt. Möglicherweise erinnerte er sich an einen Brief seines Zeitgenossen Thomas Harriot, einem englischen Wissenschaftler und Astronomen, der auch als Navigator für den Forscher Sir Walter Raleigh tätig war. Um 1584 suchte Harriot nach der effizientesten Möglichkeit, Kanonenkugeln auf den Decks der Schiffe von Raleigh zu stapeln. Harriot entdeckte, dass hexagonale Muster die beste Anordnung von Sphären zu sein scheinen, und er diskutierte dieses Thema in seiner Korrespondenz mit Kepler. Kepler fragte sich, ob Ähnliches bei Schneekristallen geschieht und durch welches Element diese sechs Strahlen entstehen und gehalten werden.
Formen von Schneekristallen
Man könnte sagen, dass dies ein anfängliches Verständnis der Prinzipien der Atomphysik war, über die erst 300 Jahre später gesprochen werden sollte. Tatsächlich tendieren Wassermoleküle mit ihren zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom dazu, sich zusammenzuschließen und hexagonale Anordnungen zu bilden. Kepler und seine Zeitgenossen hatten noch keine Vorstellung von der Bedeutung dessen.
Wie Physiker sagen, ermöglicht uns die Wasserstoffbindung und die Wechselwirkungen zwischen Molekülen die Beobachtung einer offenen kristallinen Struktur. Neben der Fähigkeit, Schneeflocken zu bilden, lässt die sechseckige Struktur Eis weniger dicht sein als Wasser, was enorme Auswirkungen auf die Geochemie, Geophysik und das Klima hat. Mit anderen Worten, wäre Eis nicht schwimmfähig, wäre Leben auf der Erde unmöglich.
Doch nach dem Keplerschen Traktat 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, stets verschneiten Kleinstadt Jericho (Vermont, USA) lebte, mit Fotoplatten Schneeflocken zu fotografieren. Er schuf über 5000 Fotografien, bevor er an Lungenentzündung starb.
Noch später, in den 1930er Jahren, begann der japanische Forscher Ukichiro Nakaya mit systematischen Untersuchungen verschiedener Arten von Schneekristallen. In der Mitte des Jahrhunderts zog Nakaya Schneeflocken im Labor auf, indem er einzelne Kaninchenhaare in einen gekühlten Raum legte. Er experimentierte mit der Einstellung von Luftfeuchtigkeit und Temperatur, um die grundlegenden Kristalltypen zu züchten, und stellte sein eigenes Originalverzeichnis möglicher Formen zusammen. Nakaya stellte fest, dass Sternenschneeflocken dazu neigen, bei -2 °C und -15 °C zu entstehen. Säulen bilden sich bei -5 °C und etwa bei -30 °C.
Hier ist wichtig zu beachten, dass bei Temperaturen um -2 °C dünne plattige Formen von Schneeflocken entstehen, bei -5 °C werden feine Säulen und Nadeln gebildet, während bei -15 °C sie zu wirklich dünnen Platten werden und bei Temperaturen unter -30 °C kehren sie zu dickeren Säulen zurück.
Bei niedriger Luftfeuchtigkeit bilden Sternenschneeflocken mehrere Äste und ähneln hexagonalen Platten, während sie bei hoher Luftfeuchtigkeit komplexer und filigraner werden.
Laut Libbrecht wurden die Gründe für das Entstehen verschiedener Schneeflockenformen durch die Arbeiten von Nakaya klarer. Es wurde festgestellt, dass Schneekristalle sich in flache Sterne und Platten (statt in dreidimensionale Strukturen) verwandeln, wenn die Kanten schnell nach außen wachsen, während die Flächen langsam nach oben wachsen. Dünne Säulen wachsen anders, mit schnell wachsenden Flächen und langsamer wachsenden Kanten.
Zur gleichen Zeit blieben die Hauptprozesse, die darüber entscheiden, ob eine Schneeflocke ein Stern oder eine Säule wird, ungeklärt. Möglicherweise lag das Geheimnis in den Temperaturbedingungen. Und Libbrecht versuchte, eine Antwort auf diese Frage zu finden.
Das Rezept für eine Schneeflocke
Zusammen mit seinem kleinen Team von Forschern versuchte Libbrecht, ein Rezept für eine Schneeflocke zu entwickeln. Das heißt, eine Art von Gleichungen und Parametern, die in einen Computer eingegeben werden können, um von einer KI eine wunderbare Vielfalt an Schneeflocken zu erhalten.
Kenne Libbrecht begann seine Forschungen vor zwanzig Jahren, als er von einer exotischen Form von Schneeflocken erfuhr, die als geschlossene Säule bekannt ist. Sie ähnelt einer Spule für Fäden oder zwei Rädern und einer Achse. Aufgewachsen im Norden des Landes, war er schockiert, dass er noch nie eine solche Schneeflocke gesehen hatte.
Beeindruckt von den unendlichen Formen der Schneekristalle, widmete er sich ihrer Natur und gründete ein Labor zur Züchtung von Schneeflocken. Die Ergebnisse jahrelanger Beobachtungen führten zur Entwicklung eines Modells, 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 Wassermoleküle frei angeordnet sind, während die Wassertröpfen gerade anfangen zu gefrieren. Wenn man sich in einem winzigen Observatorium befinden und diesen Prozess beobachten könnte, würde man sehen, wie die gefrorenen Wassermoleküle beginnen, ein festes 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 zwei 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
Einen Moment bitte. Achten Sie auf das dritte Foto, das von Libbrecht im nördlichen Ontario aufgenommen wurde. Dies ist ein Kristall mit "geschlossenen Säulen" – zwei Platten, die an den Enden eines dicken säulenartigen Kristalls befestigt sind. In diesem Fall ist jede Platte in ein Paar viel dünnerer Platten unterteilt. Schauen Sie sich die Ränder genau an, Sie werden sehen, wie die Platte sich in zwei Teile trennt. Die Ränder dieser beiden dünnen Platten sind ungefähr so scharf wie eine Rasierklinge. Die Gesamtlänge der gefrorenen Säule beträgt etwa 1,5 mm.
Laut Librechts Modell lagert sich der Wasserdampf zunächst an den Ecken des Kristalls ab und diffundiert dann über die Oberfläche entweder zum Rand des Kristalls oder zu seinen Kanten, wodurch der Kristall nach außen oder nach oben wächst. Welcher dieser Prozesse "gewinnt", hängt hauptsächlich von der Temperatur ab.
Es ist wichtig zu beachten, dass das Modell als "semi-empirisch" gilt. Das bedeutet, dass es teilweise so aufgebaut ist, dass es den gelebten Erfahrungen entspricht, anstatt die Prinzipien des Wachstums von Schneeflocken zu erklären. Die Instabilitäten und Wechselwirkungen zwischen den unzähligen Molekülen sind zu komplex, um sie vollständig zu erfassen. Dennoch bleibt die Hoffnung, dass die Ideen von Libbrecht als Grundlage für ein umfassendes Modell der Eisdynamik dienen können, das durch detailliertere Messungen und Experimente weiter verfeinert werden kann.
Man sollte nicht denken, dass diese Beobachtungen nur für einen kleinen Kreis von Wissenschaftlern von Interesse sind. Solche Fragen tauchen auch in der Physik der kondensierten Materie und anderen Bereichen auf. Moleküle von Medikamenten, Halbleiterchips für Computer, Sonnenkollektoren und viele andere Industrien sind auf hochwertige Kristalle angewiesen, und ganze Gruppen beschäftigen sich mit deren Züchtung. Daher könnten die von Libbrecht geliebten Schneeflocken durchaus der Wissenschaft zugutekommen.
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Quelle: habr.com
