Sel keskosas Venemaal on sellel talvel vähe lund. Kahtlemata on see kohati sadanud, kuid jaanuaris ootasime rohkem külma ja lumist ilma. Hallus ja ebameeldiv pori takistavad tunda rõõmu tavapärastest talvised lõbudest. Seetõttu pakub Cloud4Y, et lisame oma ellu natuke lund, rääkides ... lumekruplistest.
Arvatakse, et lumekrupleid on ainult kahte tüüpi. Ühel teadlasel, keda vahel nimetatakse lumekruppide füüsika „isa“ sõnul, on tekkinud uus teooria, mis selgitab nende olemust. on imeline inimene, kes on valmis keset talve lahkuma päikesesoojast Lõuna-Californiast, et jõuda Fairbanksi (Alaska), selga panna soe jakk ja istuda külmunud väljal kaamera ja vahtplastist tükiga käes.
Miks? Ta otsib kõige säravamaid, kõige tekstuuri rikkamaid ja kaunimaid lumekrupleid, mida loodus suudab toota. Tema sõnul tekivad kõige huvitavamad näidised kõige külmemates kohtades - lagendikku Fairbanksis ja lumevaipas New Yorgi põhjaosas. Parim lumi, mida Kenneth on kunagi näinud, sadas Cochranes, Northeastern Ontarios, kus nõrk tuul keerutas taevast langevaid lumekrupleid.
Elementaarse nähtuse köitunud, uurib Libbrecht oma vahtplastist plaati arheoloogi visadusega. Kui seal on midagi huvitavat, jääb silm sinna kindlasti pidama. Kui ei, uuendab lumi plaadi pealt ja kõik algab uuesti. Ja see kestab tunde.
Libbrecht on füüsik. Omapärasel põhjustel tegeleb tema laboratoorium California Tehnoloogiainstituudis Päikese sisemiste struktuuride uurimisega ja on loonud kaasaegsed seadmed gravitatsioonilaine avastamiseks. Kuid viimased 20 aastat on Libbrechti tõeline kirg olnud lumi - mitte ainult selle välimus, vaid ka see, mis põhjustab selle välimust. "Küsimus, milliseid objekte taevast sadada, kuidas see juhtub ja miks nad välja näevad, kummitab mind pidevalt," tunnistab Kenneth.
Väga kaua oli füüsikutele piisav teadmine, et hulga mikroskoopiliste lumekristallide seast võib eristada kahte peamist tüüpi. Üks neist on lamedate kuuejärgse või kaheteistkümne haruga täht, millest igaühel on uimastavalt kaunid pitsilised dekoratsioonid. Teine on omamoodi miniatuurne kolonn, mõnikord tasapinnaliste "kõrvade" vahel, mõnikord aga on see nagu tavaline polt. Need kujundid on nähtavad erinevates temperatuurides ja niiskustes, kuid selle või teise kujundi tekkimise põhjus on olnud mõistatus. Libbrechti pikaajalised tähelepanekud on aidanud paremini mõista lumekruppide kristalliseerumisprotsessi.
Libbrechti saavutused selles valdkonnas on aidanud luua uue mudeli, mis selgitab, miks lumekrupleid ja teisi lumekristalle erinevaid kujundeid moodustavad, mida me oleme harjunud nägema. Tema teooria, 2019. aasta oktoobris, kirjeldab veemolekulide liikumist külmumispunkti (kristalliseerumise) ümber ja kuidas nende molekulide spetsiifilised liikumised võivad tekitada hulk kristalle, mis moodustuvad erinevates tingimustes. Oma 540 leheküljel kirjeldab Libbrecht kogu teavet lumekristallide kohta.
Kuueharulised tähed
Teate ju kindlasti, et ei ole võimalik näha kaht identset lumekruppi (kui lühenemine ka jätta arvesse?). See fakt on seotud sellega, kuidas kristallid taevas moodustuvad. Lumi on jääkristallide kogum, mis moodustub atmosfääris ja säilitab oma vormi, kui nad kõik koos maapinda langevad. Need tekivad, kui atmosfäär on piisavalt külm, et mitte lasta sulada või sulada märjaks lumeks või vihmaks.
Kuigi ühes pilves võib fikseerida palju temperatuure ja niiskuse tasemeid, on ühe lumekruubi jaoks need muutujad püsivad. Sellepärast kasvab lumekrupp sageli sümmeetriliselt. Teisalt, iga lumekrupp on mõjutatud tuulest, päikesevalgusest ja teistest teguritest. Põhimõtteliselt on iga kristall allutatud pilve kaosele ja seetõttu võtab see erinevaid kujundeid.
Libbrechti uuringute kohaselt on kõige varasemad mõtted nende õrnade vormide kohta fikseeritud 135. aastal eKr Hiinas. "Taime- ja puulilled on tavaliselt viieharulised, kuid lumelilled on alati kuueharulised," kirjutas teadlane Han Yin. Ja esimene teadlane, kes üritas välja selgitada, miks see nii on, oli tõenäoliselt Johannes Kepler, Saksamaa teadlane ja erudiit.
Aastal 1611 andis Kepler oma patroonile, Püha Rooma Imperiumi keiser Rudolf II-le aastavahetuse kingituse: väikese pealkirjaga «Kuuekülgsete lumehelveste kohta».
«Ma lähen üle silla, piinatud häbist – ma jätsin su ilma uue aasta kingituseta! Ja nüüd juhtus mulle mugav juhus! Veepaarid, külmast paksemaks muutunud, sadavad lumehelvestena minu riietele, kõik ühetaoliselt kuuekülgsed, karvased kiirtega. Ma luban Heraklesele, et see on asi, mis on väiksem kui iga tilk, omab kuju, võib teenida kauaoodatud uue aasta kingitusena Niisuguse armastajale ja väärib matemaatikut, kellel pole midagi ja kes saab mitte midagi, kuna see langeb taevast ja sisaldab endas sarnasust kuuekülgse tähega!».
«Peab olema põhjus, miks lumi omab kuuekülgse tähe kuju. See ei saa olla juhus,» uskus Johannes Kepler. Võib-olla tuli talle meelde kiri oma kaasaegselt Thomas Harriotilt, inglise teadlaselt ja astronoomilt, kes ka töötas navigatorina uurijale sir Walter Raleigh'le. Umbes 1584. aastal otsis Harriot parimat viisi, kuidas laeva tekil mürske paigutada. Harriot avastas, et kuuekülgsed mustrid tunduvad olema parim viis sfääride paigutamiseks ja arutas seda küsimust Kepleriga. Kepler küsis, kas midagi sarnast toimub lumehelvestes ja milline element neid kuut kiirt toetab.
Lumehelbeste vormid
Võib öelda, et see oli algne arusaam aatomifüüsika printsiipidest, millest räägitakse alles 300 aasta pärast. Tõepoolest, veemolekulid, millel on kaks vesinikuaatomit ja üks hapniku aatom, kalduvad kokku kogunema, moodustades kuuekülgseid massiive. Kepler ja tema kaaslased ei suutnud isegi ette kujutada, kui oluline see on.
Nagu füüsikud ütlevad, tänu vesiniksideme ja molekulide vahelistele interaktsioonidele saame jälgida avatud kristallstruktuuri. Lisaks lumehelveste kasvatamise võimele võimaldab kuuekülgne struktuur jääd olla vähem tihe kui vesi, mis mõjutab tohutult geokeemiat, geofüüsikat ja kliimat. Teisisõnu, kui jää ei uju, oleks elu Maal võimatu.
Kuid Kepleri traktaatide järel jäi lumehelbete uurimine pigem hobiks kui tõsiseks teaduseks. 1880ndatel alustas Ameerika fotograaf nimega Wilson Bentley, kes elas külmas, pidevalt lumega kaetud väikeses Jericho linnas (Vermontis, USA), lumehelveste pildistamist fotoplaatide abil. Ta suutis jäädvustada üle 5000 foto, enne kui suri kopsupõletikku.
Hiljem, 1930ndatel aastatel, alustas jaapanlane Ukichiro Nakaya erinevate tüüpi lumehelbe kristallide süsteemset uurimist. Sajandi keskpaiku kasvatas Nakaya lumehelbeid laboris, kasutades eraldi küülikukarvu, mis asetati jahutatud ruumi. Ta katsetas niiskuse ja temperatuuri seadistamisega, kasvatades põhiliike kristalle ning koostades oma originaalse katalooge võimalike vormide kohta. Nakaya avastas, et tähekujulised lumehelbed kipuvad moodustuma temperatuuril -2 °C ja -15 °C juures. Tulpade moodustumine toimub temperatuuril -5 °C ja umbes -30 °C juures.
Siin on oluline märkida, et temperatuuril umbes -2 °C tekivad õhukesed lehtedetaolised lumehelbed, temperatuuril -5 °C tekivad õhukesed tulbad ja nõelad, kui temperatuur langeb -15 °C juurde, muutuvad need tõeliselt õhukesteks lehtedeks, ja temperatuuril alla -30 °C naasevad nad paksematesse kolonnidesse.
Madala niiskuse tingimustes moodustavad tähekujulised lumehelbed mitu haru ja meenutavad kuuekülgseid plaate, kuid kõrge niiskuse korral muutuvad nad keerukamateks, pitsilisteks.
Löbbrecht väidab, et erinevate lumehelbe vormide põhjused said arusaadavamaks just Nakaya töö tõttu. On leitud, et lume kristallid muutuvad tasaseks tähtedeks ja plaatideks (mitte kolmemõõtmelisteks struktuurid), kui servad kasvavad kiiresti väljapoole, samas kui küljed kasvavad aeglaselt ülespoole. Õhukesed tulbad kasvavad teisiti, kiiresti kasvavate külgedega ja aeglaselt kasvavate servadega.
Samas on peamised protsessid, mis mõjutavad, kas lumehelve on täht või kolonn, jäänud selgusetuks. Võib-olla peitub saladus temperatuuritingimustes. Ja Löbbrecht püüdis sellele küsimusele vastust leida.
Lumehelbe retsept
Koos oma väikese uurimismeeskonnaga püüdis Löbbrecht välja mõelda lumehelbe retsepti. See tähendab teatud võrrandite ja parameetrite kogumit, mille saab laadida arvutisse ning saada AI-lt suurepärast mitmekesisust lumehelbeid.
Kenny Libbrecht alustas oma uuringute tegemist kakskümmend aastat tagasi, kui ta kuulis eksklusiivsest lumekristalli vormist, mida nimetatakse suletud sambaks. See meenutab niidikeerajat või kahte ratast koos teljega. Põhjast pärit, oli ta šokeeritud, et ta ei olnud kunagi sellist lumekristalli näinud.
Lummatuna lõpmatutest lumekristallide vormidest, asus ta nende loomust, luues laboratooriumi lumekristallide kasvatamiseks. Mitu aastat kestnud vaatlustulemused aitasid luua mudeli, mida autor ise peab märkimisväärseks. Ta esitas molekulaarse difusiooni idee, mis põhineb pinnajõududel. See idee kirjeldab, kuidas lumekristalli kasv sõltub algtingimustest ja molekulide käitumisest, mis seda moodustavad.
Kujutage ette, et veemolekulid asuvad vabalt, kui veeaur hakkab alles külmuma. Kui oleks võimalik olla siseruumides, kus vaadatakse seda protsessi, saaks näha, kuidas külmunud veemolekulid hakkavad moodustama jäikade struktuuride, kus iga hapniku aatom on ümbritsetud nelja vesiniku aatomiga. Need kristallid kasvavad, kaasates ümber oleva õhu veemolekule oma struktuuri. Nad saavad kasvada kahes põhisuunas: üles või väljapoole.
Õhuke lame kristall (plaatidest või stellene) tekib, kui servad moodustuvad kiiremini kui kahe kristalli tahku. Kasvav kristall laieneb väljapoole. Kuid kui tema tahud moodustuvad kiiremini kui servad, tõuseb kristall kõrgemale, moodustades nõela, õõnsa samba või varre.
Haruldased lumekristallide vormid
Veel üks hetk. Pange tähele Libbrechti kolmandat pilti, mis on tehtud Põhja-Ontarios. See on kristall "suletud sambad" — kaks plaati, mis on kinnitatud paksu sammaste kristalli otstele. Sel juhul on iga plaat jagatud kahe palju õhemaks plaadiks. Kui vaatate servadele, näete, kuidas plaat jaguneb kaheks. Nende kahe õhuke plaadi servad on teravad nagu habemeajamisnuga. Külm kolonni kogupikkus on umbes 1,5 mm.
Libbrechti mudeli kohaselt sadestub veeaur esmalt kristalli nurkadesse ja seejärel levib (difundeerub) pinnal kas kristalli serva või tahkuseni, sundides kristalli kasvama väljapoole või ülespoole. Milline neist protsessidest „võidab“, sõltub peamiselt temperatuurist.
Oluline on märkida, et mudel on „poolt empiiriline“. See tähendab, et see on osaliselt üles ehitatud, et vastata sellele, mis toimub, mitte seletada lumekristallide kasvu põhimõtteid. Kõikide molekulide vaheline ebastabiilsus ja koostoimed on liiga keerulised, et neid täielikult lahti seletada. Siiski on lootust, et Libbrechti ideed võivad olla aluseks ulatuslikule jääkasvu dünaamika mudelile, mida saaks teostada detailse mõõtmise ja katsete abil.
Ärge arvake, et need vaatlustulemused huvitavad ainult kitsast teadlaste ringi. Sarnased küsimused kerkivad esile kondenseeritud ainete füüsikas ja muudes valdkondades. Ravimite molekulid, arvutite pooljuhtkiibid, päikesepaneelid ja paljud teised valdkonnad sõltuvad kvaliteetsetest kristallidest ning paljudel rühmadel on nende kasvatamisega seotud küsimusi. Seega võivad Libbrechti armsad lumekristallid olla kasulikud teadusele.
Mida veel huvitavat blogis lugeda
→
→
→
→
→
Liituge meiega -kanal, et mitte jääda ilma järgmise artikli lugemisest! Kirjuta mitte sagedamini kui kaks korda nädalas ja ainult olulisel teemal. Ühe huvitava asja juures, kui te veel ei tea, saavad idufirmad $10,000 Cloud4Y-lt. Tingimused ja ankeet huvilistele – meie veebisaidil:
Allikas: habr.com
