Este invierno no hay suficiente nieve en la parte central de Rusia. Por supuesto, en algunos lugares cayó, pero en enero se esperaban más heladas y nieve. El gris apagado y el desagradable aguanieve le impiden sentir la alegría de la habitual diversión invernal. Por eso Cloud4Y propone añadir un poco de nieve a nuestras vidas hablando de... copos de nieve.
Se cree que sólo existen dos tipos de copos de nieve. Y uno de los científicos, a veces llamado el "padre" de la física de los copos de nieve, tiene una nueva teoría para explicar el motivo. es una persona increíble que está lista para abandonar el soleado sur de California en pleno invierno para llegar a Fairbanks (Alaska), ponerse una chaqueta abrigada y sentarse en un campo helado con una cámara y un trozo de espuma en las manos. .
¿Para qué? Busca los copos de nieve más brillantes, con más textura y más hermosos que la naturaleza pueda crear. Según él, las muestras más interesantes tienden a formarse en los lugares más fríos: el famoso Fairbanks y la nevada parte norte de Nueva York. La mejor nieve que Kenneth había visto en su vida fue en Cochrane, un lugar en el noreste de Ontario, donde los ligeros vientos hacían girar los copos de nieve que caían del cielo.
Fascinado por los elementos, Libbrecht estudia su tabla de espuma con la tenacidad de un arqueólogo. Si hay algo interesante allí, sin duda llamará la atención. Si no, se barre la nieve del tablero y todo vuelve a empezar. Y esto dura horas.
Libbrecht es físico. Por una curiosa coincidencia, su laboratorio en el Instituto Tecnológico de California se dedica a la investigación de la estructura interna del Sol e incluso ha desarrollado instrumentos modernos para detectar ondas gravitacionales. Pero durante los últimos 20 años, la verdadera pasión de Libbrecht ha sido la nieve, no sólo su apariencia, sino lo que la hace lucir así. “La pregunta de qué tipo de objetos caen del cielo, cómo sucede y por qué tienen ese aspecto me atormenta todo el tiempo”, admite Kenneth.
Durante mucho tiempo, a los físicos les bastó saber que entre los numerosos y diminutos cristales de nieve se podían distinguir dos tipos predominantes. Uno de ellos es una estrella plana con seis o doce brazos, cada uno de los cuales está decorado con encajes de una belleza vertiginosa. La otra es una especie de columna en miniatura, a veces intercalada entre “cubiertas” planas y, a veces, similar a un perno común y corriente. Estas formas se pueden ver a diferentes temperaturas y humedad, pero el motivo de la formación de una forma particular ha sido un misterio. Los años de observaciones de Libbrecht ayudaron a comprender mejor el proceso de cristalización de los copos de nieve.
El trabajo de Libbrecht en esta área ha ayudado a crear un nuevo modelo que explica por qué los copos de nieve y otros cristales de nieve forman lo que estamos acostumbrados a ver. Según su teoría, En línea en octubre de 2019, describe el movimiento de las moléculas de agua cerca del punto de congelación (cristalización) y cómo los movimientos específicos de estas moléculas pueden dar lugar a una colección de cristales que se forman en diferentes condiciones. En su En 540 páginas, Libbrecht describe todos los conocimientos sobre los cristales de nieve.
Estrellas de seis puntas
Usted, por supuesto, sabe que es imposible ver dos copos de nieve idénticos (excepto en la etapa inicial). Este hecho tiene que ver con cómo se forman los cristales en el cielo. La nieve es una colección de cristales de hielo que se forman en la atmósfera y conservan su forma cuando caen juntos a la Tierra. Se forman cuando la atmósfera es lo suficientemente fría como para evitar que se fusionen o se derritan en aguanieve o lluvia.
Aunque dentro de una sola nube se pueden registrar muchas temperaturas y niveles de humedad, para un solo copo de nieve estas variables serán constantes. Por eso un copo de nieve suele crecer de forma simétrica. Por otro lado, cada copo de nieve está expuesto al viento, la luz solar y otros factores. Básicamente, cada cristal está sujeto al caos de la nube y, por tanto, adopta diferentes formas.
Según las investigaciones de Libbrecht, las primeras ideas sobre estas delicadas formas se remontan al año 135 a.C. en China. "Las flores de las plantas y los árboles suelen tener cinco puntas, pero las flores de la nieve siempre tienen seis puntas", escribió el erudito Han Yin. Y el primer científico que intentó descubrir por qué sucedía esto fue probablemente Johannes Kepler, un científico y erudito alemán.
En 1611, Kepler presentó un regalo de Año Nuevo a su patrón, el emperador del Sacro Imperio Romano Germánico Rodolfo II: una pequeña titulado "Acerca de los copos de nieve hexagonales".
“Cruzo el puente, atormentado por la vergüenza. ¡Te dejé sin regalo de Año Nuevo! ¡Y entonces se me presentó una oportunidad! El vapor de agua, espesado por el frío hasta convertirse en nieve, cae como copos de nieve sobre mi ropa, todos ellos, como uno solo, hexagonal, con rayos esponjosos. Lo juro por Hércules, aquí hay algo que es más pequeño que cualquier gota, tiene forma, puede servir como regalo de Año Nuevo tan esperado a un amante de la Nada y es digno de un matemático que no tiene Nada y no recibe Nada, ya que ¡Cae del cielo y esconde en su interior la semejanza de una estrella hexagonal!
“Debe haber una razón por la cual la nieve tiene forma de estrella hexagonal. Esto no puede ser un accidente”, estaba seguro Johannes Kepler. Quizás recordó una carta de su contemporáneo Thomas Harriot, un científico y astrónomo inglés que también logró trabajar como navegante del explorador Sir Walter Raleigh. Alrededor de 1584, Harriot buscaba la forma más eficaz de apilar balas de cañón en las cubiertas de los barcos de Raleigh. Harriot descubrió que los patrones hexagonales parecían ser la mejor manera de organizar las esferas y discutió este tema en correspondencia con Kepler. Kepler se preguntó si ocurre algo similar con los copos de nieve y qué elemento es el responsable de que estos seis rayos se creen y se mantengan.
Formas de copos de nieve
Podemos decir que esta fue la comprensión inicial de los principios de la física atómica, que se discutirán sólo 300 años después. De hecho, las moléculas de agua, con sus dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno, tienden a unirse para formar conjuntos hexagonales. Kepler y sus contemporáneos no tenían idea de lo importante que era esto.
Como dicen los físicos, gracias a los enlaces de hidrógeno y a la interacción de las moléculas entre sí, podemos observar una estructura cristalina abierta. Además de su capacidad para producir copos de nieve, la estructura hexagonal permite que el hielo sea menos denso que el agua, lo que tiene enormes efectos en la geoquímica, la geofísica y el clima. En otras palabras, si el hielo no flotara, la vida en la Tierra sería imposible.
Pero después del tratado de Kepler, observar los copos de nieve era más un pasatiempo que una ciencia seria. En la década de 1880, un fotógrafo estadounidense llamado Wilson Bentley, que vivía en la fría y siempre nevada pequeña ciudad de Jericho (Vermont, EE. UU.), comenzó a fotografiar copos de nieve utilizando placas fotográficas. Logró crear más de 5000 fotografías antes de morir de neumonía.
Incluso más tarde, en la década de 1930, el investigador japonés Ukichiro Nakaya comenzó a estudiar sistemáticamente diferentes tipos de cristales de nieve. A mediados de siglo, Nakaya cultivó copos de nieve en el laboratorio utilizando pelos de conejo individuales colocados en una habitación refrigerada. Jugó con los ajustes de humedad y temperatura, cultivó tipos básicos de cristales y compiló su catálogo original de posibles formas. Nakaya descubrió que las estrellas tipo copo de nieve tienden a formarse a -2°C y a -15°C. Las columnas se forman a -5 °C y aproximadamente a -30 °C.
Es importante señalar aquí que a una temperatura de aproximadamente -2 °C aparecen finas formas de copos de nieve en forma de placas, a -5 °C forman finas columnas y agujas, cuando la temperatura desciende a -15 °C se vuelven muy delgadas. placas, y a temperaturas inferiores a - A 30 °C vuelven a columnas más gruesas.
En condiciones de baja humedad, los copos de nieve en forma de estrella forman varias ramas y se asemejan a placas hexagonales, pero en condiciones de alta humedad se vuelven más intrincados y encajes.
Según Libbrecht, las razones de la aparición de diferentes formas de copos de nieve quedaron más claras gracias al trabajo de Nakai. Se ha descubierto que los cristales de nieve se convierten en estrellas y placas planas (en lugar de estructuras tridimensionales) cuando los bordes crecen rápidamente hacia afuera y las caras crecen lentamente hacia arriba. Las columnas delgadas crecen de manera diferente, con bordes de crecimiento rápido y bordes de crecimiento más lento.
Al mismo tiempo, los procesos básicos que influyen en si un copo de nieve se convierte en estrella o en columna siguen sin estar claros. Quizás el secreto estuviera en las condiciones de temperatura. Y Libbrecht intentó encontrar una respuesta a esta pregunta.
Receta de copo de nieve
Junto con su pequeño equipo de investigadores, Libbrecht intentó idear una receta para hacer un copo de nieve. Es decir, un determinado conjunto de ecuaciones y parámetros que se pueden cargar en una computadora y obtener una magnífica variedad de copos de nieve de la IA.
Kenneth Libbrecht comenzó su investigación hace veinte años después de conocer una forma exótica de copo de nieve llamada columna cerrada. Parece un carrete de hilo o dos ruedas y un eje. Nacido en el norte del país, se sorprendió al saber que nunca había visto un copo de nieve así.
Asombrado por las infinitas formas de los cristales de nieve, comenzó a su naturaleza creando un laboratorio para cultivar copos de nieve. Los resultados de muchos años de observaciones ayudaron a crear un modelo que el propio autor considera un gran avance. Propuso la idea de la difusión molecular basada en la energía superficial. Esta idea describe cómo el crecimiento de un cristal de nieve depende de las condiciones iniciales y del comportamiento de las moléculas que lo forman.
Imagine que las moléculas de agua están ubicadas sueltas cuando el vapor de agua apenas comienza a congelarse. Si pudieras estar dentro de un pequeño observatorio y observar este proceso, podrías ver cómo las moléculas de agua congelada comienzan a formar una red rígida, donde cada átomo de oxígeno está rodeado por cuatro átomos de hidrógeno. Estos cristales crecen incorporando a su estructura moléculas de agua del aire circundante. Pueden crecer en dos direcciones principales: hacia arriba o hacia afuera.
Un cristal delgado y plano (laminar o en forma de estrella) se forma cuando los bordes se forman más rápido que las dos caras del cristal. El cristal en crecimiento se extenderá hacia afuera. Sin embargo, cuando sus caras crecen más rápido que sus bordes, el cristal crece y forma una aguja, un pilar hueco o una varilla.
Formas raras de copos de nieve.
Un momento más. Observe la tercera fotografía, tomada por Libbrecht en el norte de Ontario. Este es un cristal de "columna cerrada": dos placas unidas a los extremos de un cristal de columna gruesa. En este caso, cada placa se divide en un par de placas mucho más delgadas. Fíjate bien en los bordes, verás como el plato se divide en dos. Los bordes de estas dos delgadas placas son tan afilados como una hoja de afeitar. La longitud total de la columna de hielo es de aproximadamente 1,5 mm.
Según el modelo de Libbrecht, el vapor de agua primero se deposita en las esquinas del cristal y luego se esparce (difunde) a lo largo de la superficie, ya sea hasta el borde del cristal o hacia sus caras, haciendo que el cristal crezca hacia afuera o hacia arriba. Cuál de estos procesos “gana” depende principalmente de la temperatura.
Cabe señalar que el modelo es “semiempírico”. Es decir, está parcialmente estructurado para corresponder a lo que está sucediendo y no para explicar los principios del crecimiento de los copos de nieve. Las inestabilidades e interacciones entre las innumerables moléculas son demasiado complejas para desentrañarlas por completo. Sin embargo, queda la esperanza de que las ideas de Libbrecht sirvan como base para un modelo integral de la dinámica del crecimiento del hielo, que pueda detallarse mediante mediciones y experimentos más detallados.
No se debe pensar que estas observaciones sean de interés para un círculo reducido de científicos. Cuestiones similares surgen en la física de la materia condensada y en otros campos. Las moléculas de medicamentos, los chips semiconductores para computadoras, las células solares y muchas otras industrias dependen de cristales de alta calidad, y equipos enteros se dedican a cultivarlos. Así que los muy queridos copos de nieve de Libbrecht bien pueden beneficiar a la ciencia.
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Fuente: habr.com