Venemaa keskosas pole sel talvel piisavalt lund. Kohati sadas muidugi, aga jaanuaris võis oodata veel pakaselist ja lumerohkemat ilma. Tuhm hallus ja ebameeldiv lörts ei lase sul tunda rõõmu tavapärasest talvemõnust. Seetõttu teeb Cloud4Y ettepaneku lisada meie ellu veidi lund, rääkides... lumehelvestest.
Arvatakse, et lumehelbeid on ainult kahte tüüpi. Ja ühel teadlasel, keda mõnikord nimetatakse lumehelveste füüsika "isaks", on uus teooria, et selgitada, miks. on hämmastav inimene, kes on valmis keset talve päikesesoojast Lõuna-Californiast lahkuma, et jõuda Fairbanksi (Alaska), panna selga soe jope ja istuda külmunud põllul, kaamera ja vahutükk käes. .
Milleks? Ta otsib kõige sädelevamaid, tekstuurilisemaid ja ilusamaid lumehelbeid, mida loodus suudab luua. Tema sõnul kipuvad kõige huvitavamad proovid kujunema kõige külmemates kohtades - kurikuulsas Fairbanksis ja New Yorgi lumises põhjaosas. Parim lumi, mida Kenneth kunagi näinud oli, oli Cochrane'is, kohas Kirde-Ontario, kus kerged tuuled keerutasid lumehelbeid, kui need taevast alla kukkusid.
Elementidest lummatud Libbrecht uurib oma vahtplaati arheoloogi visadusega. Kui seal on midagi huvitavat, jääb silm kindlasti silma. Kui ei, siis pühitakse lumi laualt maha ja kõik algab uuesti. Ja see kestab tunde.
Libbrecht on füüsik. Lõbusa kokkusattumusega tegeleb tema California Tehnoloogiainstituudi laboratoorium Päikese siseehituse uurimisega ja on isegi välja töötanud moodsad instrumendid gravitatsioonilainete tuvastamiseks. Kuid viimased 20 aastat on Libbrechti tõeline kirg olnud lumi – mitte ainult selle välimus, vaid ka see, mis selle selliseks muudab. "Küsimus, millised objektid taevast alla kukuvad, kuidas see juhtub ja miks nad sellised välja näevad, piinab mind kogu aeg," tunnistab Kenneth.
Pikka aega piisas füüsikutele teadmisest, et paljude tillukeste lumekristallide seas võib eristada kahte valdavat tüüpi. Üks neist on lame täht kuue või kaheteistkümne käega, millest igaüks on kaunistatud peadpööritavalt kauni pitsiga. Teine on omamoodi miniatuurne sammas, mis on vahel lamedate “kaante” vahele surutud ja vahel sarnane tavalise poldiga. Neid kujundeid võib näha erinevatel temperatuuridel ja niiskusel, kuid konkreetse kuju kujunemise põhjus on olnud mõistatus. Libbrechti aastatepikkused vaatlused aitasid paremini mõista lumehelveste kristalliseerumisprotsessi.
Libbrechti töö selles valdkonnas on aidanud luua uut mudelit, mis selgitab, miks lumehelbed ja muud lumekristallid moodustavad seda, mida oleme harjunud nägema. Tema teooria kohaselt 2019. aasta oktoobris veebis, kirjeldab veemolekulide liikumist külmumispunkti lähedal (kristalliseerumist) ja seda, kuidas nende molekulide spetsiifilised liikumised võivad põhjustada kristallide kogumit, mis moodustub erinevates tingimustes. Tema omas Libbrecht kirjeldab 540 leheküljel kõiki teadmisi lumekristallide kohta.
Kuueharulised tähed
Muidugi teate, et kaht identset lumehelvest on võimatu näha (välja arvatud algstaadiumis). See asjaolu on seotud kristallide moodustumisega taevas. Lumi on jääkristallide kogum, mis moodustub atmosfääris ja säilitab oma kuju, kui nad langevad koos Maale. Need tekivad siis, kui atmosfäär on piisavalt külm, et vältida nende ühinemist või sulamist lörtsiks või vihmaks.
Kuigi ühes pilves saab registreerida palju temperatuure ja niiskustasemeid, on need muutujad ühe lumehelbe puhul konstantsed. Seetõttu kasvab lumehelves sageli sümmeetriliselt. Teisest küljest puutub iga lumehelves kokku tuule, päikesevalguse ja muude teguritega. Põhimõtteliselt allub iga kristall pilve kaosele ja võtab seetõttu erineva kuju.
Libbrechti uurimuste kohaselt on nende õrnade vormide kohta kõige varasem mõtlemine 135 eKr. Hiinas. "Taimede ja puude õied on tavaliselt viieharulised, kuid lumelilled on alati kuueharulised," kirjutas teadlane Han Yin. Ja esimene teadlane, kes püüdis aru saada, miks see juhtus, oli ilmselt Johannes Kepler, saksa teadlane ja polümaat.
1611. aastal tegi Kepler oma patroonile, Püha Rooma keisrile Rudolf II-le uue aasta kingituse: väikese pealkirjaga "Kuusnurksetest lumehelvestest".
"Ma ületan silla häbist piinatuna - jätsin teid ilma uusaastakingita! Ja siis tuli mulle võimalus! Külmast lumeks paksenenud veeaur langeb lumehelbetena mu riietele, kõik ühena, kuusnurkselt, kohevate kiirtega. Vannun Heraklese nimel, siin on asi, mis on väiksem kui ükski piisk, millel on kuju, mis võib olla kauaoodatud uusaastakingitus mittemillegi armastajale ja on väärt matemaatikut, kellel pole midagi ja kes ei saa midagi, kuna kukub taevast alla ja peidab endas kuusnurkse tähe sarnasust!
"Seal peab olema põhjus, miks lumi on kuusnurkse tähe kujuline. See ei saa olla õnnetus,” oli Johannes Kepler kindel. Võib-olla meenus talle kiri oma kaasaegselt Thomas Harriotilt, inglise teadlaselt ja astronoomilt, kellel õnnestus töötada ka maadeavastaja Sir Walter Raleighi navigaatorina. 1584. aasta paiku otsis Harriot kõige tõhusamat viisi Raleighi laevade tekkidele kahurikuulide virnastamiseks. Harriot leidis, et kuusnurksed mustrid tunduvad olevat parim viis sfääride paigutamiseks, ja ta arutas seda küsimust kirjavahetuses Kepleriga. Kepler mõtles, kas lumehelvestes juhtub midagi sarnast ja milline element vastutab nende kuue kiire loomise ja hooldamise eest.
Lumehelbe kujundid
Võib öelda, et see oli esialgne arusaam aatomifüüsika põhimõtetest, millest räägitakse alles 300 aastat hiljem. Tõepoolest, veemolekulid koos oma kahe vesinikuaatomi ja ühe hapnikuga kipuvad ühinema, moodustades kuusnurkseid massiive. Kepleril ja tema kaasaegsetel polnud aimugi, kui oluline see oli.
Nagu füüsikud ütlevad, saame tänu vesiniksidemetele ja molekulide omavahelisele vastasmõjule jälgida avatud kristallilist struktuuri. Lisaks võimele kasvatada lumehelbeid, võimaldab kuusnurkne struktuur jääl olla vähem tihe kui vesi, millel on tohutu mõju geokeemiale, geofüüsikale ja kliimale. Teisisõnu, kui jää ei hõljuks, oleks elu Maal võimatu.
Kuid pärast Kepleri traktaati oli lumehelveste vaatlemine pigem hobi kui tõsine teadus. 1880. aastatel hakkas Ameerika fotograaf Wilson Bentley, kes elas külmas ja alati lumises Jericho väikelinnas (Vermont, USA), pildistama lumehelbeid fotoplaatide abil. Enne kopsupõletikku surma õnnestus tal luua rohkem kui 5000 fotot.
Veel hiljem, 1930. aastatel, hakkas Jaapani teadlane Ukichiro Nakaya süstemaatiliselt uurima eri tüüpi lumekristalle. Sajandi keskel kasvatas Nakaya lumehelbeid laboris, kasutades külmkambrisse paigutatud üksikuid küülikukarvu. Ta tegeles niiskuse ja temperatuuri seadistustega, kasvatas põhitüüpe kristalle ja koostas oma esialgse võimalike kujundite kataloogi. Nakaya avastas, et lumehelbetähed kipuvad moodustuma temperatuuril -2 °C ja -15 °C. Kolonnid tekivad temperatuuril -5 °C ja umbes -30 °C.
Siinkohal on oluline märkida, et temperatuuril umbes -2 °C tekivad õhukesed plaaditaolised lumehelbed, -5 °C juures tekivad õhukesed sambad ja nõelad, temperatuuri langedes -15 °C muutuvad need tõeliselt õhukeseks. plaatidel ja madalamatel temperatuuridel - 30 °C juures naasevad nad paksematesse kolonnidesse.
Madala õhuniiskuse tingimustes moodustavad tähelumehelbed mitu oksa ja meenutavad kuusnurkseid plaate, kuid kõrge õhuniiskuse korral muutuvad nad keerukamaks ja pitsilisemaks.
Libbrechti sõnul said lumehelveste eri vormide ilmumise põhjused selgemaks tänu Nakai tööle. On leitud, et lumekristallidest arenevad lamedad tähed ja plaadid (mitte kolmemõõtmelised struktuurid), kui servad kasvavad kiiresti väljapoole ja näod aeglaselt ülespoole. Õhukesed sambad kasvavad erinevalt, kiiresti kasvavate servadega ja aeglasemalt kasvavate servadega.
Samal ajal jäävad ebaselgeks põhiprotsessid, mis mõjutavad seda, kas lumehelvest saab täht või sammas. Võib-olla peitus saladus temperatuuritingimustes. Ja Libbrecht püüdis sellele küsimusele vastust leida.
Lumehelbe retsept
Libbrecht püüdis koos oma väikese teadlaste meeskonnaga välja mõelda lumehelbe retsepti. See tähendab, et teatud võrrandite ja parameetrite kogum, mida saab arvutisse laadida ja AI-st saada suurepäraseid lumehelbeid.
Kenneth Libbrecht alustas oma uurimistööd kakskümmend aastat tagasi pärast seda, kui sai teada eksootilise lumehelbe kuju, mida nimetatakse suletud kolonniks. See näeb välja nagu niidipool või kaks ratast ja telg. Riigi põhjaosas sündinud teda vapustas tõsiasi, et ta polnud kunagi sellist lumehelvest näinud.
Hämmastunud lumekristallide lõpututest kujunditest, hakkas ta seda tegema nende olemust luues lumehelveste kasvatamiseks labori. Paljude aastate vaatlustulemused aitasid luua mudeli, mida autor ise peab läbimurdeks. Ta pakkus välja pinnaenergial põhineva molekulaarse difusiooni idee. See idee kirjeldab, kuidas lumekristalli kasv sõltub algtingimustest ja seda moodustavate molekulide käitumisest.
Kujutage ette, et veemolekulid on lõdvalt paigutatud, kuna veeaur hakkab alles jäätuma. Kui saaksite viibida pisikeses observatooriumis ja vaadata seda protsessi, näete, kuidas külmunud veemolekulid hakkavad moodustama jäika võre, kus iga hapnikuaatomit ümbritseb neli vesinikuaatomit. Need kristallid kasvavad, kaasates oma struktuuri ümbritseva õhu veemolekule. Nad võivad kasvada kahes põhisuunas: üles või väljapoole.
Õhuke lame kristall (lamell- või tähekujuline) tekib siis, kui servad moodustuvad kiiremini kui kristalli kaks tahku. Kasvav kristall levib väljapoole. Kui aga selle esiküljed kasvavad kiiremini kui servad, kasvab kristall kõrgemaks, moodustades nõela, õõnsa samba või varda.
Lumehelveste haruldased vormid
Veel üks hetk. Pange tähele kolmandat fotot, mille Libbrecht tegi Ontarios põhjaosas. See on "suletud kolonni" kristall - kaks plaati, mis on kinnitatud paksu sammaskristalli otstesse. Sel juhul jagatakse iga plaat paariks palju õhemaks plaadiks. Vaadake tähelepanelikult servi, näete, kuidas plaat jaguneb kaheks. Nende kahe õhukese plaadi servad on umbes sama teravad kui habemenuga. Jääsamba kogupikkus on umbes 1,5 mm.
Libbrechti mudeli järgi settib veeaur esmalt kristalli nurkadesse ja seejärel levib (hajub) piki pinda kas kristalli servale või selle tahkudele, põhjustades kristalli kasvu väljapoole või ülespoole. Milline neist protsessidest "võidab", sõltub peamiselt temperatuurist.
Tuleb märkida, et mudel on "poolempiiriline". See tähendab, et see on osaliselt üles ehitatud nii, et see vastaks toimuvale, mitte ei selgitaks lumehelveste kasvu põhimõtteid. Lugematute molekulide vahelised ebastabiilsused ja vastasmõjud on liiga keerulised, et neid täielikult lahti harutada. Siiski jääb lootus, et Libbrechti ideed on aluseks jää kasvu dünaamika terviklikule mudelile, mida saab üksikasjalikumate mõõtmiste ja katsete abil täpsustada.
Ei maksa arvata, et need tähelepanekud pakuvad huvi kitsale teadlaste ringile. Sarnased küsimused kerkivad esile kondenseerunud aine füüsikas ja muudes valdkondades. Ravimimolekulid, arvutite pooljuhtkiibid, päikesepatareid ja paljud teised tööstusharud tuginevad kvaliteetsetele kristallidele ning terved meeskonnad on pühendunud nende kasvatamisele. Nii et Libbrechti armastatud lumehelbed võivad teaduse kasuks olla.
Mida veel blogist lugeda saab?
→
→
→
→
→
Telli meie -kanal, et te järgmisest artiklist ilma ei jääks! Kirjutame mitte rohkem kui kaks korda nädalas ja ainult tööasjades. Muide, kui te veel ei tea, võivad idufirmad saada Cloud10Y-lt 000 4 dollarit. Tingimused ja taotlusvormi huvilistele leiab meie kodulehelt:
Allikas: www.habr.com