Suurepärane lumehelbe teooria

Lumi Kesk-Venemaal on sel talvel pisut napp. Kusagil on seda loomulikult sadanud, kuid jaanuaris oleks võinud oodata mõningast külmemat ja lumisemad ilma. Hallus ja ebameeldiv sogasus takistavad nautimast harjumuspärast talve viibimist. Seetõttu pakub Cloud4Y võimalust lisada meie ellu veidi lund, rääkides… lumehelbest.

Arvatakse, et lumehelbed on ainult kahte tüüpi. Ühel teadlasel, keda mõnikord nimetatakse lumehelvete füüsika «isa» on uus teooria, mis seletab selle põhjuseid. Kenneth Libbrecht on imeline inimene, kes on valmis keset talve lahkuma päikesesooja Lõuna-Kaliforniast, et jõuda Fairbanksi (Alaska), selga tõmbama sooja jope ja istuma külmunud väljal kaamera ja tükikese vahtplastiga käes.

Miks? Ta otsib kõige säravaid, kõige tekstuursemaid ja kõige kaunimaid lumehelbeid, mida loodus suudab luua. Tema sõnul kipuvad kõige huvitavamad näidised tekkima kõige külmemates kohtades — tuntud Fairbanksis ja lumistes Põhja-New Yorgis. Parim lumi, mida Kenneth kunagi näinud on, sadas Cochranes, väikeses kohas Kagu-Ontarios, kus nõrk tuul keerutas taevast langevaid lumehelbeid.

Elementidest lummatuna uurib Libbrecht vahtplastist plaati arheoloogi järjepidevusega. Kui seal on midagi huvitavat, jääb pilk kindlasti selle külge kinni. Kui aga ei ole — lumi pühitakse plaadilt minema ja kõik algab uuesti. Ja see kestab tunde.

Libbrecht on füüsik. Ühe naljaka kokkusattumuse tõttu tegeleb ta oma laboratooriumis California Tehnoloogiainstituudis Päikese sisemise struktuuri uuringutega ja on isegi arendanud kaasaegseid seadmeid gravitatsioonilainete tuvastamiseks. Kuid viimased 20 aastat on Libbrechti tõeline kirg olnud lumi — mitte ainult selle välimus, vaid ka see, mis paneb seda selliselt välja nägema. "Küsimus, millised objektid taevast alla langevad, kuidas see juhtub ja miks nad nii välja näevad, on mind pidevalt piinanud," tunnistab Kenneth.

Pikka aega pidasid füüsikud piisavaks, et teada, et paljude väikeste lumekristallide seas on kaks peamist tüüpi. Üks neist on kuue või kaheteistkamera kaitsev tähte, mille igal kiirusel on kaunid pitsilised kujundid. Teine on nagu miniatuurne kolonn, vahel kitsastes lamedates "katustes" ja vahel sarnaneb tavalise poldiga. Need kujundid ilmuvad erinevates temperatuurides ja niiskustes, kuid põhjus, miks need või teised kujundid moodustuvad, oli mõistatus. Libbrecht'i aastatepikkused vaatlustööd aitasid paremini mõista lumekristallide kristalliseerumise protsessi.

Libbrecht'i saavutused selles valdkonnas aitasid luua uue mudeli, mis seletab, miks lumekristallid ja teised lumekristallid kujundavad seda, mida me harjunud oleme nägema. Vastavalt tema teooriale, mis avaldati internetis 2019. aasta oktoobris, kirjeldatakse veemolekulide liikumist külmumispunkti (kristalliseerimise) lähedal ja kuidas konkreetne nende molekulide liikumine võib tekitada kristallide kogumi, mis kujuneb erinevates tingimustes. Oma monograafias mahus 540 lehekülge kirjeldab Libbrecht kogu teadmisi lumekristallidest.

Kuueharulised tähed

Te kindlasti teate, et on võimatu näha kahte identset lumekristalli (välja arvatud nende tekkimise algstaadiumis). See fakt on seotud sellega, kuidas kristallid taeval moodustuvad. Lumi on jääkristallide kogum, mis moodustub atmosfääris ja hoiab oma kuju, kui nad kõik koos maapinnale langevad. Need kujunevad, kui atmosfäär on piisavalt külm, et vältida ühinemist või sulamist ja muutumist niiskeks lumeks või vihmaks.

Kuigi ühe pilve sees on registreeritud mitmeid temperatuure ja niiskuse tasemeid, on ühe lumekristalli jaoks need muutujad pidevad. Sellepärast kasvab lumekristall sageli sümmeetriliselt. Teisest küljest on iga lumekristall tuule, päikesevalguse ja muude tegurite mõjul. Sisuliselt allub iga kristall pilvede kaosele ja seega võtab erinevaid kujundeid.

Libbrecht'i uuringu kohaselt on esimesed mõtted nende delikaatsete vormide kohta jäädvustatud 135 eKr Hiinas. "Taimede ja puude õied on tavaliselt viiekandilised, kuid lumekristallide õied on alati kuuekandilised," kirjutas teadlane Han Yin. Ja esimene teadlane, kes üritas mõista, miks nii on, oli tõenäoliselt Johannes Kepler, saksa teadlane ja erudiit.

1611. aastal kinkis Kepler oma patroonile, Püha Rooma impeeriumi keiser Rudolf II-le, uue aasta kingituse: väikese traktaadi pealkirjaga "Kuuekandilistest lumekristallidest."

"Ma lähen üle silla, piinatud häbist - jätsin sind ilma uue aasta kingituseta! Ja siis juhtub minuga sobiv juhus! Veepaarid, külma käes kondenseeruvad lumehelbed, langevad mu riietele, kõik on kuuekandilised, karvased kiired. Hiraklese nimel, see on asi, mis on väiksem kui ükski veetilk, omab kuju, võib olla kauaoodatud uue aasta kingitus mitte millelegi, ja väärib matemaatikut, kes on midagi ja saab mitte midagi, kuna see langeb taevast ja peidab endas kuueharulise tähe sarnast!"

"Peab olema põhjus, miks lumi on kuueharulise tähe kujuga. See ei saa olla juhus," oli Johannes Kepler kindel. Võib-olla meenub talle kaasaja teadlane Thomas Harriot, inglise teadlane ja astronoom, kes töötas samuti meresõitjana rikka maadeavastaja sir Walter Ralei jaoks. Umbes 1584. aastal otsis Harriot kõige tõhusamat viisi, kuidas paigutada kanonipalle Ralei laeva tekile. Harriot avastas, et heksoonsed mustrid näivad olevat parim viis sfääride paigutamiseks, ja ta arutas seda teemat Kepleriga kirjavahetuses. Kepler küsis endalt, kas sarnased nähtused esinevad ka lumehelvestes ja milline element neid kuue kiire tekkimist ja püsimist põhjustab.

Lumekristallide vormid





Võib öelda, et see oli algne arusaam aatomifüüsika põhimõtetest, millest räägitakse ainult 300 aasta pärast. Tõepoolest, veemolekulid, milles on kaks vesinikuaatomit ja üks hapnikuaatom, kaldusid kokku lõimuma, moodustades heksoonseid masse. Kepler ja tema kaaskodanikud ei kujutanud isegi ette, kui oluline see on.

Nagu füüsikud ütlevad, aitavad vesiniksidemed ja molekulide omavahelised mõjud meil jälgida avatud kristallistruktuuri. Lisaks sellele, et kuue nurga struktuur võimaldab lumepallide kasvatamist, muudab see jää vähem tihedaks võrreldes veega, mis mõjutab oluliselt geokeemiat, geofüüsikat ja kliimat. Teisisõnu, kui jää ei ujuk, oleks elu Maal võimatu.

Kuid pärast Kepleri traktati jälgimine lumepallide üle oli pigem hobi kui tõsine teadus. Aastatel 1880 elanud Ameerika fotograaf nimega Wilson Bentley, kes elas külmas, igavesti lumine linnas Jerichos (Vermonti osariik, USA), hakkas võtma lumepallide pilte fotoplaatide abil. Ta suutis luua üle 5000 foto enne, kui suri kopsupõletikku.

Hiljem, 1930-ndatel, alustas Jaapani teadlane Ukichiro Nakaya erinevate lumekristallide tüüpide süsteemset uurimist. Sajandi keskpaiku kasvatab Nakaya lumepalle laboris, kasutades eraldi küülikuharjaste, mis on paigutatud jahutatud ruumi. Ta katsetas niiskuse ja temperatuuri seadistustega, kasvatades põhiliike kristallidest ning koostas oma algse võimalike vormide katalooge. Nakaya avastas, et lumepallidest tähed moodustuvad temperatuuril -2 °C ja -15 °C juures. Kolonnid moodustuvad temperatuuril -5 °C ja umbes -30 °C.

Siinkohal on oluline märkida, et temperatuuril umbes -2 °C tekivad õhukesed plaaditaolised lumepallide vormid, temperatuuril -5 °C tekivad õhukesed kolonnid ja nõelad, kui temperatuur langeb -15 °C-ni, muutuvad need tõeliselt õhukesteks plaatideks, ja temperatuuril alla -30 °C naasevad nad paksematesse kolonnidesse.

Madala niiskuse tingimustes moodustavad lumepallid-tähed mitu haru ja meenutavad kuusnurkseid plaate, kuid kõrge niiskuse korral muutuvad nad keerukamateks, pitsilisemaks.

Libbrecht'i arvates sai erinevate lumepallide vormide tekkimise põhjuseid paremini mõistetavaks just Nakaya töö tõttu. On tõestatud, et lumekristallid muutuvad tasasteks tähtedeks ja plaatideks (mitte kolmemõõtmelisteks struktuurideks), kui servad kasvavad kiiresti välja, samas kui külgede kasv on aeglane. Õhukesed kolonnid kasvavad teisiti, kiirete külgede ja aeglasemate servadega.

Samas ajal on peamised protsessid, mis mõjutavad seda, kas lumepall muutub staariks või kolonniks, jäänud seletamatuks. Võib-olla peitub saladus temperatuuritingimustes. Ja Libbrecht püüdis sellele küsimusele vastust leida.

Lumepalli retsept

Koos oma väikese uurijate meeskonnaga püüdis Libbrecht välja mõelda lumepalli retsepti. See tähendab teatud võrrandite ja parameetrite kogumit, mille saab laadida arvutisse ja saada AI-lt suurepärast lumepallide mitmekesisust.

Oma uurimistööd alustas Kenneth Libbrecht kahekümne aasta eest, kui kuulis eksootilisest lumepalli vormist, mida nimetatakse suletud kolonniks. See sarnaneb niidi rulliga või kahe ratta ja teljega. Põhja poolt pärit, oli ta šokeeritud, et ei olnud kunagi sellist lumepalli näinud.

Lummatud lõpututest lumekristallide vormidest, sukeldus ta uurimisse nende loomusest, luues laboratooriumi lumepallide kasvatamiseks. Aastatepikkuste jälgimistulemused aitasid luua mudeli, mida autor ise peab läbimurdmiseks. Ta pakkus välja molekulaarse difusiooni idee, mis põhineb pinnaenergial. See idee kirjeldab, kuidas lumekristalli kasv sõltub algtingimustest ja molekulide käitumisest, mis seda moodustavad.

Kujutage ette, et veemolekulid on vabalt paigutatud, kuna veepaarid hakkavad just külmuma. Kui oleks võimalik pääseda väikese observatooriumi sisse ja vaadata seda protsessi, saaks näha, kuidas külmunud veemolekulid hakkavad moodustama jäika võrku, kus iga hapnikuaatom on ümbritsetud nelja vesiniku aatomiga. Need kristallid kasvavad, lisades oma struktuuri ümbritsevast õhust mosaiike. Nad võivad kasvada kahes peamises suunas: üles või väljapoole.

Hõre lame kristall (plaaditaoline või tähtkuju) moodustub siis, kui servad kasvavad kiiremini kui kaks kristalli pinda. Kasvav kristall laieneb väljapoole. Kuid kui selle pinnad kasvavad kiiremini kui servad, tõuseb kristall, moodustades okka, õõnsa sammas või varre.

Haruldased lumepallide vormid





Veel tähelepanu. Pange tähele kolmandat fotot, mille on teinud Libbrecht Põhja-Ontarios. See on kristall „sulgudes olevate veergudega” — kaks plaati, mis on kinnitatud paksu veergkristalli otstele. Sel juhul on iga plaat jagatud kaheks palju õhemaks plaadiks. Vaadake servadele, näete, kuidas plaat jaguneb kaheks. Külgedel on need kaks õhukest plaati ligikaudu sama teravad kui habemenuga. Jääveeru kogupikkus on umbes 1,5 mm.

Libbrechti mudeli järgi settib veepaar esmalt kristalli nurkadesse ning seejärel levib (difundeerub) pinna kaudu kas kristalli servadele või külgedele, sundides kristalli kasvama välja või üles. Milline protsess „võidab“, sõltub peamiselt temperatuurist.

Tuleb märkida, et mudel on „poolempiriline“. See tähendab, et see on osaliselt üles ehitatud nii, et see vastaks sellele, mis toimub, mitte ei selgita lumehelveste kasvu põhimõtteid. Häireid ja interaktsioone arvukate molekulide vahel on liiga keeruline täielikult avada. Siiski on lootus, et Libbrechti ideed võivad olla aluseks põhjalikule mudelile jääkasvu dünaamikas, mida võib detailsemate mõõtmiste ja katsetega täpsustada.

Ärge arvake, et need tähelepanekud on huvitavad vaid kitsale teadlaste ringile. Sarnased küsimused kerkivad esile kondenseeritud ainete füüsikas ja muudes valdkondades. Ravimite molekulid, pooljuhtide kiibid arvutitele, päikeseelemendid ja palju teisi valdkondi sõltuvad kvaliteetsetest kristallidest ning mitmed rühmad tegelevad nende kasvatamisega. Nii et Libbrechti armastatud lumehelbed võivad tõepoolest olla kasulikud teadusele.

Millest veel huvitavat lugeda blogis Cloud4Y

→ Soolane päikeseenergia
→ Pentesterid küberkaitse eesliinil
→ Startupid, mis võivad üllatada
→ Interneti õhupallide kaudu
→ Kas andmekeskustes on patju?

Telli meie Telegram-kanal, et mitte jääda ilma järgmise artikli lugemisest! Kirjutame mitte tihemini kui kaks korda nädalas ja ainult vajalikul põhjusel. Muide, kui te ei ole kuulnud, saavad startupid Cloud4Y-lt 10 000 dollarit. Tingimused ja ankeet soovijatele on meie veebisaidil: bit.ly/2sj6dPK

Allikas: habr.com