Δεν υπάρχει αρκετό χιόνι στο κεντρικό τμήμα της Ρωσίας αυτό το χειμώνα. Έπεσε σε ορισμένα σημεία, φυσικά, αλλά τον Ιανουάριο θα μπορούσε κανείς να περιμένει λίγο πιο παγωμένο και χιονισμένο καιρό. Το θαμπό γκρίζο και η δυσάρεστη λάσπη σας εμποδίζουν να νιώσετε τη χαρά της συνηθισμένης χειμερινής διασκέδασης. Γι' αυτό το Cloud4Y προτείνει να προσθέσουμε λίγο χιόνι στη ζωή μας μιλώντας για... νιφάδες χιονιού.
Πιστεύεται ότι υπάρχουν μόνο δύο τύποι νιφάδων χιονιού. Και ένας από τους επιστήμονες, που μερικές φορές αποκαλείται «πατέρας» της φυσικής των νιφάδων χιονιού, έχει μια νέα θεωρία που εξηγεί τον λόγο για αυτό. είναι ένας καταπληκτικός άνθρωπος που είναι έτοιμος να φύγει από την ηλιόλουστη Νότια Καλιφόρνια στη μέση του χειμώνα για να φτάσει στο Fairbanks (Αλάσκα), να φορέσει ένα ζεστό σακάκι και να καθίσει σε ένα παγωμένο χωράφι με μια κάμερα και ένα κομμάτι αφρού στα χέρια του.
Για τι; Αναζητά τις πιο αστραφτερές, πιο ανάγλυφες, πιο όμορφες νιφάδες χιονιού που μπορεί να δημιουργήσει η φύση. Σύμφωνα με τον ίδιο, τα πιο ενδιαφέροντα δείγματα τείνουν να σχηματίζονται στα πιο κρύα μέρη - το διαβόητο Fairbanks και το χιονισμένο βόρειο τμήμα της Νέας Υόρκης. Το καλύτερο χιόνι που είχε δει ποτέ ο Kenneth ήταν στο Cochrane, ένα μέρος στο βορειοανατολικό Οντάριο, όπου ελαφροί άνεμοι στριφογύριζαν νιφάδες χιονιού καθώς έπεφταν από τον ουρανό.
Γοητευμένος από τα στοιχεία, ο Λίμπρεχτ μελετά το αφρώδες χαρτόνι του με την επιμονή ενός αρχαιολόγου. Αν υπάρχει κάτι ενδιαφέρον εκεί, το μάτι σίγουρα θα το πιάσει. Αν όχι, το χιόνι σαρώνεται από τον πίνακα και όλα ξεκινούν ξανά. Και αυτό κρατάει ώρες.
Ο Λίμπρεχτ είναι φυσικός. Κατά μια διασκεδαστική σύμπτωση, το εργαστήριό του στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια ασχολείται με την έρευνα για την εσωτερική δομή του Ήλιου και έχει αναπτύξει ακόμη και σύγχρονα όργανα για την ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Αλλά τα τελευταία 20 χρόνια, το αληθινό πάθος του Λίμπρεχτ ήταν το χιόνι—όχι μόνο η εμφάνισή του, αλλά αυτό που το κάνει να φαίνεται έτσι. «Το ερώτημα τι είδους αντικείμενα πέφτουν από τον ουρανό, πώς συμβαίνει και γιατί μοιάζουν έτσι, με βασανίζει συνεχώς», παραδέχεται ο Kenneth.
Για πολύ καιρό, ήταν αρκετό για τους φυσικούς να γνωρίζουν ότι μεταξύ των πολλών μικροσκοπικών κρυστάλλων χιονιού, μπορούσαν να διακριθούν δύο κυρίαρχοι τύποι. Ένα από αυτά είναι ένα επίπεδο αστέρι με έξι ή δώδεκα μπράτσα, καθένα από τα οποία είναι διακοσμημένο με ιλιγγιώδη όμορφη δαντέλα. Το άλλο είναι ένα είδος μικροσκοπικής στήλης, μερικές φορές στριμωγμένο ανάμεσα σε επίπεδα «καλύμματα» και μερικές φορές παρόμοια με ένα συνηθισμένο μπουλόνι. Αυτά τα σχήματα μπορούν να φανούν σε διαφορετικές θερμοκρασίες και υγρασία, αλλά ο λόγος για τον σχηματισμό ενός συγκεκριμένου σχήματος ήταν ένα μυστήριο. Τα χρόνια των παρατηρήσεων του Λίμπρεχτ βοήθησαν στην καλύτερη κατανόηση της διαδικασίας κρυστάλλωσης των νιφάδων χιονιού.
Η δουλειά του Libbrecht σε αυτόν τον τομέα βοήθησε στη δημιουργία ενός νέου μοντέλου που εξηγεί γιατί οι νιφάδες χιονιού και άλλοι κρύσταλλοι χιονιού σχηματίζουν αυτό που έχουμε συνηθίσει να βλέπουμε. Σύμφωνα με τη θεωρία του, διαδικτυακά τον Οκτώβριο του 2019, περιγράφει την κίνηση των μορίων του νερού κοντά στο σημείο πήξης (κρυστάλλωση) και πώς οι συγκεκριμένες κινήσεις αυτών των μορίων μπορούν να οδηγήσουν σε μια συλλογή κρυστάλλων που σχηματίζονται υπό διαφορετικές συνθήκες. Στο δικό του Σε 540 σελίδες, ο Λίμπρεχτ περιγράφει όλη τη γνώση για τους κρυστάλλους του χιονιού.
Εξάκτινα αστέρια
Φυσικά, γνωρίζετε ότι είναι αδύνατο να δείτε δύο ίδιες νιφάδες χιονιού (εκτός από το αρχικό στάδιο). Αυτό το γεγονός έχει να κάνει με το πώς σχηματίζονται οι κρύσταλλοι στον ουρανό. Το χιόνι είναι μια συλλογή από κρυστάλλους πάγου που σχηματίζονται στην ατμόσφαιρα και διατηρούν το σχήμα τους όταν πέφτουν μαζί στη Γη. Σχηματίζονται όταν η ατμόσφαιρα είναι αρκετά κρύα για να αποτρέψει τη συγχώνευση ή την τήξη τους σε χιονόνερο ή βροχή.
Παρόλο που πολλές θερμοκρασίες και επίπεδα υγρασίας μπορούν να καταγραφούν μέσα σε ένα μόνο σύννεφο, για μία μόνο νιφάδα χιονιού αυτές οι μεταβλητές θα είναι σταθερές. Αυτός είναι ο λόγος που μια νιφάδα χιονιού μεγαλώνει συχνά συμμετρικά. Από την άλλη πλευρά, κάθε νιφάδα χιονιού εκτίθεται στον αέρα, το ηλιακό φως και άλλους παράγοντες. Ουσιαστικά, κάθε κρύσταλλος υπόκειται στο χάος του νέφους, και ως εκ τούτου παίρνει διαφορετικές μορφές.
Σύμφωνα με την έρευνα του Λίμπρεχτ, η παλαιότερη σκέψη για αυτές τις λεπτές μορφές καταγράφεται το 135 π.Χ. στην Κίνα. «Τα λουλούδια των φυτών και των δέντρων είναι συνήθως πεντάκτινα, αλλά τα άνθη του χιονιού είναι πάντα εξάκτινα», έγραψε ο μελετητής Χαν Γιν. Και ο πρώτος επιστήμονας που προσπάθησε να καταλάβει γιατί συνέβαινε αυτό ήταν πιθανώς ο Johannes Kepler, ένας Γερμανός επιστήμονας και πολυμαθής.
Το 1611, ο Κέπλερ παρουσίασε ένα πρωτοχρονιάτικο δώρο στον προστάτη του, τον αυτοκράτορα της Αγίας Ρώμης Ρούντολφο Β΄: ένα μικρό με τίτλο «Περί εξαγωνικών νιφάδων χιονιού».
"Περνάω τη γέφυρα, βασανισμένος από ντροπή - σε άφησα χωρίς δώρο Πρωτοχρονιάς! Και μετά ήρθε μια ευκαιρία! Οι υδρατμοί, πυκνωμένοι από το κρύο σε χιόνι, πέφτουν σαν νιφάδες χιονιού στα ρούχα μου, όλοι τους, σαν ένα, εξάγωνο, με αφράτες ακτίνες. Ορκίζομαι στον Ηρακλή, ορίστε μια σταγόνα που έχει μικρότερο σχήμα. Δώρο χρονιάς σε έναν λάτρη του Τίποτα και είναι αντάξιο ενός μαθηματικού που έχει Τίποτα και λαμβάνει Τίποτα, αφού πέφτει από τον ουρανό και κρύβει μέσα του την ομοιότητα ενός εξαγωνικού αστέρα!
"Πρέπει να υπάρχει λόγος για τον οποίο το χιόνι έχει το σχήμα ενός εξαγωνικού αστέρα. Αυτό δεν μπορεί να είναι ατύχημα", ήταν σίγουρος ο Johannes Kepler. Ίσως θυμήθηκε ένα γράμμα από τον σύγχρονο του Τόμας Χάριοτ, έναν Άγγλο επιστήμονα και αστρονόμο που κατάφερε επίσης να εργαστεί ως πλοηγός για τον εξερευνητή Sir Walter Raleigh. Γύρω στο 1584, ο Χάριοτ έψαχνε τον πιο αποτελεσματικό τρόπο να στοιβάζει οβίδες στα καταστρώματα των πλοίων του Ράλεϊ. Ο Χάριοτ διαπίστωσε ότι τα εξαγωνικά σχέδια φαινόταν να είναι ο καλύτερος τρόπος για να τακτοποιηθούν οι σφαίρες και συζήτησε αυτό το θέμα σε αλληλογραφία με τον Κέπλερ. Ο Κέπλερ αναρωτήθηκε αν κάτι παρόμοιο συμβαίνει στις νιφάδες χιονιού και ποιο στοιχείο είναι υπεύθυνο για τη δημιουργία και τη διατήρηση αυτών των έξι ακτίνων.
Σχήματα νιφάδων χιονιού
Μπορούμε να πούμε ότι αυτή ήταν η αρχική κατανόηση των αρχών της ατομικής φυσικής, η οποία θα συζητηθεί μόλις 300 χρόνια αργότερα. Πράγματι, τα μόρια του νερού, με τα δύο άτομα υδρογόνου και ένα οξυγόνο, τείνουν να ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν εξαγωνικές συστοιχίες. Ο Κέπλερ και οι σύγχρονοί του δεν είχαν ιδέα πόσο σημαντικό ήταν αυτό.
Όπως λένε οι φυσικοί, χάρη στους δεσμούς υδρογόνου και την αλληλεπίδραση των μορίων μεταξύ τους, μπορούμε να παρατηρήσουμε μια ανοιχτή κρυσταλλική δομή. Εκτός από την ικανότητά του να αναπτύσσει νιφάδες χιονιού, η εξαγωνική δομή επιτρέπει στον πάγο να είναι λιγότερο πυκνός από το νερό, κάτι που έχει τεράστιες επιπτώσεις στη γεωχημεία, τη γεωφυσική και το κλίμα. Με άλλα λόγια, αν ο πάγος δεν επέπλεε, η ζωή στη Γη θα ήταν αδύνατη.
Αλλά μετά την πραγματεία του Κέπλερ, η παρατήρηση νιφάδων χιονιού ήταν περισσότερο χόμπι παρά σοβαρή επιστήμη. Στη δεκαετία του 1880, ένας Αμερικανός φωτογράφος ονόματι Wilson Bentley, ο οποίος ζούσε στην κρύα, πάντα χιονισμένη μικρή πόλη Jericho (Βερμόντ, ΗΠΑ), άρχισε να φωτογραφίζει νιφάδες χιονιού χρησιμοποιώντας φωτογραφικές πλάκες. Κατάφερε να δημιουργήσει περισσότερες από 5000 φωτογραφίες πριν πεθάνει από πνευμονία.
Ακόμη αργότερα, στη δεκαετία του 1930, ο Ιάπωνας ερευνητής Ukichiro Nakaya άρχισε να μελετά συστηματικά διαφορετικούς τύπους κρυστάλλων χιονιού. Στα μέσα του αιώνα, ο Nakaya μεγάλωσε νιφάδες χιονιού στο εργαστήριο χρησιμοποιώντας μεμονωμένες τρίχες κουνελιού τοποθετημένες σε ένα ψυγείο. Ασχολήθηκε με τις ρυθμίσεις υγρασίας και θερμοκρασίας, καλλιεργώντας βασικούς τύπους κρυστάλλων και συνέταξε τον αρχικό του κατάλογο με πιθανά σχήματα. Ο Nakaya ανακάλυψε ότι τα αστέρια από νιφάδες χιονιού τείνουν να σχηματίζονται στους -2°C και στους -15°C. Οι στήλες σχηματίζονται στους -5 °C και στους -30 °C περίπου.
Είναι σημαντικό εδώ να σημειωθεί ότι σε θερμοκρασίες γύρω στους -2°C εμφανίζονται λεπτά σχήματα νιφάδων χιονιού, στους -5°C δημιουργούν λεπτές στήλες και βελόνες, όταν η θερμοκρασία πέσει στους -15°C γίνονται πολύ λεπτές πλάκες και σε θερμοκρασίες κάτω των -30°C επιστρέφουν σε παχύτερες στήλες.
Σε συνθήκες χαμηλής υγρασίας, οι νιφάδες χιονιού αστέρι σχηματίζουν πολλά κλαδιά και μοιάζουν με εξαγωνικές πλάκες, αλλά σε υψηλή υγρασία γίνονται πιο περίπλοκες και δαντελωτές.
Σύμφωνα με τον Libbrecht, οι λόγοι για την εμφάνιση διαφορετικών μορφών νιφάδων χιονιού έγιναν πιο ξεκάθαροι χάρη στο έργο του Nakai. Έχει βρεθεί ότι οι κρύσταλλοι χιονιού εξελίσσονται σε επίπεδα αστέρια και πλάκες (και όχι τρισδιάστατες δομές) όταν οι άκρες αναπτύσσονται γρήγορα προς τα έξω και οι όψεις μεγαλώνουν αργά προς τα πάνω. Οι λεπτές στήλες αναπτύσσονται διαφορετικά, με ταχέως αναπτυσσόμενα άκρα και πιο αργά αναπτυσσόμενα άκρα.
Ταυτόχρονα, οι βασικές διαδικασίες που επηρεάζουν το αν μια νιφάδα χιονιού γίνει αστέρι ή στήλη παραμένουν ασαφείς. Ίσως το μυστικό να βρίσκεται στις συνθήκες θερμοκρασίας. Και ο Λίμπρεχτ προσπάθησε να βρει μια απάντηση σε αυτό το ερώτημα.
Συνταγή για νιφάδες χιονιού
Μαζί με τη μικρή ομάδα ερευνητών του, ο Λίμπρεχτ προσπάθησε να βρει μια συνταγή για μια νιφάδα χιονιού. Δηλαδή, ένα συγκεκριμένο σύνολο εξισώσεων και παραμέτρων που μπορούν να φορτωθούν σε έναν υπολογιστή και να λάβουν μια υπέροχη ποικιλία από νιφάδες χιονιού από το AI.
Ο Kenneth Libbrecht ξεκίνησε την έρευνά του πριν από είκοσι χρόνια, αφού έμαθε για ένα εξωτικό σχήμα νιφάδας χιονιού που ονομάζεται κλειστή στήλη. Μοιάζει με καρούλι από νήμα ή δύο τροχούς και άξονα. Γεννημένος στα βόρεια της χώρας, σοκαρίστηκε από το γεγονός ότι δεν είχε ξαναδεί τέτοια νιφάδα χιονιού.
Έκπληκτος από τα ατελείωτα σχήματα των κρυστάλλων του χιονιού, άρχισε να τη φύση τους δημιουργώντας ένα εργαστήριο για την καλλιέργεια νιφάδων χιονιού. Τα αποτελέσματα πολλών ετών παρατηρήσεων βοήθησαν στη δημιουργία ενός μοντέλου που ο ίδιος ο συγγραφέας θεωρεί σημαντική ανακάλυψη. Πρότεινε την ιδέα της μοριακής διάχυσης με βάση την επιφανειακή ενέργεια. Αυτή η ιδέα περιγράφει πώς η ανάπτυξη ενός κρυστάλλου χιονιού εξαρτάται από τις αρχικές συνθήκες και τη συμπεριφορά των μορίων που τον σχηματίζουν.
Φανταστείτε ότι τα μόρια του νερού βρίσκονται χαλαρά καθώς οι υδρατμοί μόλις αρχίζουν να παγώνουν. Εάν μπορούσατε να βρίσκεστε μέσα σε ένα μικροσκοπικό παρατηρητήριο και να κοιτάξετε αυτή τη διαδικασία, θα μπορούσατε να δείτε πώς τα μόρια παγωμένου νερού αρχίζουν να σχηματίζουν ένα άκαμπτο πλέγμα, όπου κάθε άτομο οξυγόνου περιβάλλεται από τέσσερα άτομα υδρογόνου. Αυτοί οι κρύσταλλοι αναπτύσσονται ενσωματώνοντας στη δομή τους μόρια νερού από τον περιβάλλοντα αέρα. Μπορούν να αναπτυχθούν σε δύο κύριες κατευθύνσεις: προς τα πάνω ή προς τα έξω.
Ένας λεπτός, επίπεδος κρύσταλλος (σε σχήμα πλάκας ή αστεριού) σχηματίζεται όταν οι άκρες σχηματίζονται πιο γρήγορα από τις δύο όψεις του κρυστάλλου. Ο αναπτυσσόμενος κρύσταλλος θα εξαπλωθεί προς τα έξω. Ωστόσο, όταν οι όψεις του μεγαλώνουν πιο γρήγορα από τις άκρες του, ο κρύσταλλος ψηλώνει, σχηματίζοντας μια βελόνα, μια κούφια κολόνα ή μια ράβδο.
Σπάνιες μορφές νιφάδων χιονιού
Άλλη μια στιγμή. Σημειώστε την τρίτη φωτογραφία, που τραβήχτηκε από τον Λίμπρεχτ στο βόρειο Οντάριο. Αυτός είναι ένας κρύσταλλος "κλειστής στήλης" - δύο πλάκες προσαρτημένες στα άκρα ενός χοντρού κιονοειδούς κρυστάλλου. Σε αυτή την περίπτωση, κάθε πλάκα χωρίζεται σε ένα ζευγάρι πολύ λεπτότερων πλακών. Κοιτάξτε προσεκτικά τις άκρες, θα δείτε πώς χωρίζεται η πλάκα στα δύο. Οι άκρες αυτών των δύο λεπτών πλακών είναι περίπου τόσο αιχμηρές όσο μια λεπίδα ξυραφιού. Το συνολικό μήκος της στήλης πάγου είναι περίπου 1,5 mm.
Σύμφωνα με το μοντέλο του Libbrecht, οι υδρατμοί κατακάθονται πρώτα στις γωνίες του κρυστάλλου και στη συνέχεια εξαπλώνονται (διαχέονται) κατά μήκος της επιφάνειας είτε στην άκρη του κρυστάλλου είτε στις όψεις του, προκαλώντας την ανάπτυξη του κρυστάλλου προς τα έξω ή προς τα πάνω. Ποια από αυτές τις διαδικασίες «κερδίζει» εξαρτάται κυρίως από τη θερμοκρασία.
Πρέπει να σημειωθεί ότι το μοντέλο είναι «ημι-εμπειρικό». Δηλαδή, είναι μερικώς δομημένο ώστε να αντιστοιχεί σε αυτό που συμβαίνει και όχι να εξηγεί τις αρχές της ανάπτυξης της νιφάδας χιονιού. Οι αστάθειες και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των αμέτρητων μορίων είναι πολύ περίπλοκες για να ξεδιπλωθούν πλήρως. Ωστόσο, η ελπίδα παραμένει ότι οι ιδέες του Λίμπρεχτ θα χρησιμεύσουν ως βάση για ένα ολοκληρωμένο μοντέλο δυναμικής ανάπτυξης πάγου που μπορεί να βελτιωθεί μέσω πιο λεπτομερών μετρήσεων και πειραμάτων.
Δεν πρέπει να πιστεύει κανείς ότι αυτές οι παρατηρήσεις ενδιαφέρουν έναν στενό κύκλο επιστημόνων. Παρόμοια ερωτήματα προκύπτουν στη φυσική της συμπυκνωμένης ύλης και σε άλλους τομείς. Τα μόρια φαρμάκων, τα τσιπ ημιαγωγών για υπολογιστές, τα ηλιακά κύτταρα και μια σειρά από άλλες βιομηχανίες βασίζονται σε κρυστάλλους υψηλής ποιότητας και ολόκληρες ομάδες είναι αφοσιωμένες στην ανάπτυξή τους. Έτσι, οι νιφάδες χιονιού που αγαπούσε πολύ ο Λίμπρεχτ μπορεί κάλλιστα να χρησιμεύσουν προς όφελος της επιστήμης.
Τι άλλο μπορείτε να διαβάσετε στο blog;
→
→
→
→
→
Εγγραφείτε στο -κανάλι για να μην χάσετε το επόμενο άρθρο! Γράφουμε όχι περισσότερο από δύο φορές την εβδομάδα και μόνο για επαγγελματικούς λόγους. Παρεμπιπτόντως, αν δεν το γνωρίζετε ήδη, οι startups μπορούν να λάβουν 10 $ από το Cloud000Y. Οι όροι και το έντυπο αίτησης για τους ενδιαφερόμενους βρίσκονται στην ιστοσελίδα μας:
Πηγή: www.habr.com
