Ne estas sufiĉe da neĝo en la centra parto de Rusio ĉi-vintre. Kelkloke ĝi falis, kompreneble, sed en januaro oni povus atendi plian frostan kaj neĝan veteron. Obtuza grizeco kaj malagrabla slush malhelpas vin senti la ĝojon de la kutima vintra amuzo. Tial Cloud4Y proponas aldoni iom da neĝo en niajn vivojn per parolado pri... neĝeroj.
Oni kredas, ke ekzistas nur du specoj de neĝeroj. Kaj unu el la sciencistoj, foje nomita la "patro" de la fiziko de neĝfloko, havas novan teorion por klarigi la kialon de tio. estas mirinda homo, kiu pretas forlasi la sunvarmigitan Sudan Kalifornion meze de la vintro por atingi Fairbanks (Alasko), surmeti varman jakon kaj sidi en frosta kampo kun fotilo kaj ŝaŭmo en la manoj. .
Por kio? Li serĉas la plej brilajn, plej teksturitajn, plej belajn neĝerojn, kiujn la naturo povas krei. Laŭ li, la plej interesaj specimenoj tendencas formiĝi en la plej malvarmaj lokoj - la fifama Fairbanks kaj la neĝa norda parto de Novjorko. La plej bona neĝo kiun Kenneth iam vidis estis en Cochrane, loko en nordorienta Ontario, kie malpezaj ventoj kirlis neĝerojn dum ili falis de la ĉielo.
Fascinita de la elementoj, Libbrecht studas sian ŝaŭman tabulon kun la tenaceco de arkeologo. Se estas io interesa tie, la okulo certe kaptos ĝin. Se ne, la neĝo estas balaita de la tabulo, kaj ĉio komenciĝas denove. Kaj ĉi tio daŭras horojn.
Libbrecht estas fizikisto. Per amuza koincido, lia laboratorio ĉe la Kalifornia Instituto pri Teknologio okupiĝas pri esplorado pri la interna strukturo de la Suno kaj eĉ evoluigis modernajn instrumentojn por detekti gravitajn ondojn. Sed dum la pasintaj 20 jaroj, la vera pasio de Libbrecht estis neĝo—ne nur ĝia aspekto, sed kio igas ĝin aspekti tiel. "La demando pri kiaj objektoj falas de la ĉielo, kiel ĝi okazas kaj kial ili aspektas tiel, turmentas min la tutan tempon," konfesas Kenneth.
Longe sufiĉis al fizikistoj scii, ke inter la multaj etaj neĝkristaloj oni povas distingi du superregajn tipojn. Unu el ili estas plata stelo kun ses aŭ dek du brakoj, ĉiu el kiuj estas ornamita per vertige bela punto. La alia estas speco de miniatura kolono, foje krampita inter plataj "kovriloj", kaj foje simila al ordinara riglilo. Ĉi tiuj formoj povas esti viditaj ĉe malsamaj temperaturoj kaj humideco, sed la kialo por la formado de aparta formo estis mistero. La jaroj da observaĵoj de Libbrecht helpis pli bone kompreni la kristaliĝoprocezon de neĝeroj.
La laboro de Libbrecht en ĉi tiu areo helpis krei novan modelon, kiu klarigas kial neĝeroj kaj aliaj neĝaj kristaloj formas tion, kion ni kutimas vidi. Laŭ lia teorio, interrete en oktobro 2019, priskribas la movadon de akvaj molekuloj proksime de la frostpunkto (kristaliĝo) kaj kiel specifaj movoj de ĉi tiuj molekuloj povas kaŭzi kolekton de kristaloj, kiuj formiĝas sub malsamaj kondiĉoj. En lia En 540 paĝoj, Libbrecht priskribas ĉiujn sciojn pri neĝaj kristaloj.
Sespintaj steloj
Vi, kompreneble, scias, ke estas neeble vidi du identajn neĝerojn (krom en la komenca stadio). Ĉi tiu fakto rilatas al kiel kristaloj formiĝas en la ĉielo. Neĝo estas kolekto de glacikristaloj kiuj formiĝas en la atmosfero kaj konservas sian formon kiam ili falas kune al la Tero. Ili formiĝas kiam la atmosfero estas sufiĉe malvarma por malhelpi ilin kunfandi aŭ fandi al pluvo aŭ pluvo.
Kvankam multaj temperaturoj kaj humidecniveloj povas esti registritaj ene de ununura nubo, por ununura neĝero tiuj variabloj estos konstantaj. Tial neĝfloko ofte kreskas simetrie. Aliflanke, ĉiu neĝero estas elmontrita al vento, sunlumo kaj aliaj faktoroj. Esence, ĉiu kristalo estas submetita al la kaoso de la nubo, kaj tial prenas malsamajn formojn.
Laŭ la esplorado de Libbrecht, la plej frua pensado pri tiuj delikataj formoj estas registrita en 135 a.K. en Ĉinio. "La floroj de plantoj kaj arboj estas kutime kvinpintaj, sed la floroj de neĝo ĉiam estas sespintaj," skribis akademiulo Han Yin. Kaj la unua sciencisto, kiu provis eltrovi kial tio okazis, verŝajne estis Johannes Kepler, germana sciencisto kaj polimatesto.
En 1611, Kepler prezentis novjaran donacon al sia patrono, Sankta Romia Imperiestro Rudolfo la XNUMX-a: malgranda titolita "Pri Sesangulaj Neĝflokoj".
“Mi transpasas la ponton, turmentita de honto – mi lasis vin sen novjara donaco! Kaj tiam okazo venis al mi! Akva vaporo, densiĝinta de la malvarmo en neĝon, falas kiel neĝeroj sur miajn vestaĵojn, ĉiuj, kiel unu, sesangulaj, kun lanugaj radioj. Mi ĵuras je Heraklo, jen aĵo, kiu estas pli malgranda ol iu guto, havas formon, povas servi kiel longe atendita novjara donaco al amanto de Nenio kaj estas inda je matematikisto, kiu havas Nenion kaj ricevas Nenion, ĉar ĝi falas de la ĉielo kaj kaŝas en si la similaĵon de sesangula stelo!
“Devas esti kialo, kial neĝo estas formita kiel sesangula stelo. Ĉi tio ne povas esti akcidento,” Johannes Kepler estis certa. Eble li rememoris leteron de sia samtempulo Thomas Harriot, angla sciencisto kaj astronomo, kiu ankaŭ sukcesis labori kiel navigisto por la esploristo Sir Walter Raleigh. Ĉirkaŭ 1584, Harriot serĉis la plej efikan manieron stakigi kuglegojn sur la ferdekoj de Raleigh-ŝipoj. Harriot trovis ke sesangulaj padronoj ŝajnis esti la plej bona maniero aranĝi la sferojn, kaj li diskutis tiun temon en korespondado kun Kepler. Kepler demandis sin ĉu io simila okazas en neĝeroj kaj kia elemento respondecas pri tio, ke ĉi tiuj ses radioj estas kreitaj kaj konservitaj.
Formoj de neĝero
Ni povas diri, ke tio estis la komenca kompreno de la principoj de atoma fiziko, kiu estos diskutita nur 300 jarojn poste. Efektive, akvomolekuloj, kun siaj du hidrogenatomoj kaj unu oksigeno, emas kuniĝi por formi sesangulajn tabelojn. Kepler kaj liaj samtempuloj havis neniun ideon kiom grava tio estis.
Kiel fizikistoj diras, danke al hidrogena ligo kaj la interago de molekuloj unu kun la alia, ni povas observi malfermitan kristalan strukturon. Krom ĝia kapablo kreskigi neĝerojn, la sesangula strukturo permesas al glacio esti malpli densa ol akvo, kiu havas grandegajn efikojn al geokemio, geofiziko kaj klimato. Alivorte, se glacio ne flosus, la vivo sur la Tero estus neebla.
Sed post la traktato de Kepler, observi neĝerojn estis pli ŝatokupo ol serioza scienco. En la 1880-aj jaroj, usona fotisto nomata Wilson Bentley, kiu vivis en la malvarma, ĉiam neĝa urbeto Jeriĥo (Vermonto, Usono), komencis foti neĝerojn per fotografiaj platoj. Li sukcesis krei pli ol 5000 fotojn antaŭ ol li mortis pro pulminflamo.
Eĉ poste, en la 1930-aj jaroj, japana esploristo Ukichiro Nakaya komencis sisteme studi malsamajn specojn de neĝaj kristaloj. En la mezo de la jarcento, Nakaya kreskigis neĝerojn en la laboratorio uzante individuajn kunikloharojn metitajn en fridigita ĉambro. Li penis kun humideco kaj temperaturvaloroj, kultivante bazajn specojn de kristaloj, kaj kompilis sian originan katalogon de eblaj formoj. Nakaya malkovris ke neĝfloko steloj tendencas formiĝi je -2 °C kaj je -15 °C. Kolumnoj formiĝas je -5 °C kaj je proksimume -30 °C.
Estas grave rimarki ĉi tie, ke ĉe temperaturo de ĉirkaŭ -2 °C aperas maldikaj plateformaj formoj de neĝeroj, je -5 °C ili kreas maldikajn kolonojn kaj pinglojn, kiam la temperaturo falas ĝis -15 °C ili fariĝas vere maldikaj. platoj, kaj ĉe temperaturoj sub - Je 30 °C ili revenas al pli dikaj kolonoj.
En malaltaj humidecaj kondiĉoj, stelaj neĝeroj formas plurajn branĉojn kaj similas sesangulajn platojn, sed en alta humideco ili fariĝas pli komplikaj kaj lacaj.
Laŭ Libbrecht, la kialoj de la apero de malsamaj formoj de neĝeroj iĝis pli klaraj dank'al la laboro de Nakai. Estis trovite ke neĝkristaloj evoluas en platajn stelojn kaj platojn (prefere ol tridimensiaj strukturoj) kiam la randoj kreskas rapide eksteren kaj la vizaĝoj kreskas malrapide supren. Maldikaj kolonoj kreskas malsame, kun rapide kreskantaj randoj kaj pli malrapidaj kreskantaj randoj.
Samtempe, la bazaj procezoj kiuj influas ĉu neĝero iĝas stelo aŭ kolono restas neklaraj. Eble la sekreto kuŝis en la temperaturoj. Kaj Libbrecht provis trovi respondon al tiu ĉi demando.
Recepto de Neĝfloko
Kune kun sia malgranda teamo de esploristoj, Libbrecht provis elpensi recepton por neĝero. Tio estas, certa aro de ekvacioj kaj parametroj, kiuj povas esti ŝarĝitaj en komputilon kaj akiri grandiozan varion de neĝeroj de la AI.
Kenneth Libbrecht komencis sian esploradon antaŭ dudek jaroj post eksciado pri ekzotika neĝera formo nomata fermita kolono. Ĝi aspektas kiel bobeno de fadeno aŭ du radoj kaj akso. Naskita en la nordo de la lando, li estis ŝokita de la fakto, ke li neniam vidis tian neĝflokon.
Mirigite pro la senfinaj formoj de la neĝaj kristaloj, li komencis ilia naturo kreante laboratorion por kreskigado de neĝeroj. La rezultoj de multaj jaroj da observoj helpis krei modelon, kiun la aŭtoro mem konsideras trarompon. Li proponis la ideon de molekula disvastigo bazita sur surfaca energio. Ĉi tiu ideo priskribas kiel la kresko de neĝa kristalo dependas de la komencaj kondiĉoj kaj la konduto de la molekuloj kiuj formas ĝin.
Imagu, ke la akvaj molekuloj troviĝas loze, ĉar la akvovaporo ĵus komencas frostiĝi. Se vi povus esti ene de eta observatorio kaj rigardi ĉi tiun procezon, vi povus vidi kiel frostigitaj akvaj molekuloj komencas formi rigidan kradon, kie ĉiu oksigenatomo estas ĉirkaŭita de kvar hidrogenatomoj. Tiuj kristaloj kreskas integrigante akvomolekulojn de la ĉirkaŭa aero en sian strukturon. Ili povas kreski en du ĉefaj direktoj: supren aŭ eksteren.
Maldika, plata kristalo (lamella aŭ stelforma) formiĝas kiam la randoj formiĝas pli rapide ol la du vizaĝoj de la kristalo. La kreskanta kristalo disvastiĝos eksteren. Tamen, kiam ĝiaj vizaĝoj kreskas pli rapide ol ĝiaj randoj, la kristalo kreskas pli alta, formante kudrilon, kavan kolonon aŭ bastonon.
Maloftaj formoj de neĝeroj
Ankoraŭ unu momento. Notu la trian foton, faritan de Libbrecht en norda Ontario. Ĉi tio estas "fermita kolono" kristalo - du platoj alkroĉitaj al la finoj de dika kolona kristalo. En ĉi tiu kazo, ĉiu telero estas dividita en paron da multe pli maldikaj teleroj. Rigardu atente la randojn, vi vidos kiel la telero estas dividita en du. La randoj de ĉi tiuj du maldikaj platoj estas proksimume same akraj kiel razklingo. La sumlongo de la glacikolono estas proksimume 1,5 mm.
Laŭ la modelo de Libbrecht, akvovaporo unue ekloĝas ĉe la anguloj de la kristalo kaj tiam disvastiĝas (disvastiĝas) laŭ la surfaco aŭ al la rando de la kristalo aŭ al ĝiaj vizaĝoj, igante la kristalon kreski eksteren aŭ supren. Kiu el ĉi tiuj procezoj "venkas" dependas ĉefe de temperaturo.
Oni notu, ke la modelo estas "semi-empiria". Tio estas, ĝi estas parte strukturita por respondi al kio okazas, kaj ne por klarigi la principojn de neĝera kresko. La malstabilecoj kaj interagoj inter la sennombraj molekuloj estas tro kompleksaj por plene malimpliki. Tamen restas la espero, ke la ideoj de Libbrecht servos kiel bazo por ampleksa modelo de la dinamiko de glacikresko, kiu povas esti detala per pli detalaj mezuradoj kaj eksperimentoj.
Oni ne pensu, ke ĉi tiuj observoj interesas mallarĝan rondon de sciencistoj. Similaj demandoj ekestas en densigita materiofiziko kaj en aliaj kampoj. Drogmolekuloj, duonkonduktaĵaj blatoj por komputiloj, sunĉeloj kaj amaso da aliaj industrioj dependas de altkvalitaj kristaloj, kaj tutaj teamoj dediĉas sin al kultivado de ili. Do la karaj neĝeroj de Libbrecht povas bone servi la avantaĝon de scienco.
Kion alian vi povas legi en la blogo?
→
→
→
→
→
Abonu nian -kanalo por ke vi ne maltrafu la sekvan artikolon! Ni skribas ne pli ol dufoje semajne kaj nur pri komerco. Cetere, se vi ne jam scias, noventreprenoj povas ricevi $10 de Cloud000Y. Kondiĉoj kaj aliĝilo por interesitoj troveblas en nia retejo:
fonto: www.habr.com