زمستان امسال در بخش مرکزی روسیه برف کافی نیست. البته در بعضی جاها سقوط کرد، اما در ژانویه می توان انتظار داشت هوای یخبندان و برفی بیشتری داشت. خاکستری کسل کننده و لجن ناخوشایند شما را از احساس لذت از تفریح معمول زمستانی باز می دارد. به همین دلیل است که Cloud4Y پیشنهاد می کند با صحبت در مورد... دانه های برف، کمی برف به زندگی خود اضافه کنیم.
اعتقاد بر این است که تنها دو نوع دانه های برف وجود دارد. و یکی از دانشمندان که گاهی اوقات "پدر" فیزیک دانه های برف نامیده می شود، نظریه جدیدی برای توضیح دلیل این موضوع دارد. فردی شگفت‌انگیز است که آماده است در وسط زمستان کالیفرنیای جنوبی را ترک کند تا به فیربنکس (آلاسکا) برسد، یک ژاکت گرم بپوشد و با دوربین و تکه‌ای فوم در دستانش در یک مزرعه یخ زده بنشیند. .
برای چی؟ او به دنبال درخشان ترین، بافت دارترین و زیباترین دانه های برفی است که طبیعت می تواند ایجاد کند. به گفته او، جالب‌ترین نمونه‌ها معمولاً در سردترین مکان‌ها شکل می‌گیرند - فیربنکس بدنام و بخش شمالی برفی نیویورک. بهترین برفی که کنت تا به حال دیده بود، در کوکرین بود، مکانی در شمال شرقی انتاریو، جایی که بادهای خفیف دانه های برف را هنگام سقوط از آسمان به چرخش درآوردند.
لیبرشت که مجذوب این عناصر شده است، تخته فوم خود را با سرسختی یک باستان شناس مطالعه می کند. اگر چیز جالبی در آنجا وجود داشته باشد، قطعاً چشم به آن می افتد. اگر نه، برف از روی تخته پاک می شود و همه چیز دوباره شروع می شود. و این ساعت ها ادامه دارد.
لیبرشت یک فیزیکدان است. به طور تصادفی، آزمایشگاه او در موسسه فناوری کالیفرنیا مشغول تحقیق در مورد ساختار داخلی خورشید است و حتی ابزارهای مدرنی برای تشخیص امواج گرانشی ایجاد کرده است. اما در 20 سال گذشته، اشتیاق واقعی لیبرشت برف بوده است - نه فقط ظاهر آن، بلکه چیزی که آن را به این شکل جلوه می دهد. کنت می‌گوید: «این سوال که چه نوع اجسامی از آسمان می‌افتند، چگونه اتفاق می‌افتد و چرا چنین به نظر می‌رسند، همیشه مرا عذاب می‌دهد.
برای مدت طولانی، برای فیزیکدانان کافی بود که بدانند در میان بسیاری از کریستال های ریز برف، دو نوع غالب قابل تشخیص هستند. یکی از آنها یک ستاره تخت با شش یا دوازده بازو است که هر یک از آنها با توری زیبایی سرگیجه آور تزئین شده است. دیگری نوعی ستون مینیاتوری است که گاهی بین «پوشش‌های» صاف قرار می‌گیرد و گاهی شبیه به یک پیچ معمولی است. این اشکال را می توان در دماها و رطوبت های مختلف دید، اما دلیل شکل گیری یک شکل خاص معمایی بوده است. سالها مشاهدات لیبرشت به درک بهتر فرآیند تبلور دانه های برف کمک کرد.
کار لیبرشت در این زمینه به ایجاد یک مدل جدید کمک کرده است که توضیح می‌دهد چرا دانه‌های برف و دیگر کریستال‌های برف چیزی را که ما به دیدن آن عادت داریم، تشکیل می‌دهند. طبق نظریه او، آنلاین در اکتبر 2019، حرکت مولکول های آب را در نزدیکی نقطه انجماد (بلور شدن) توصیف می کند و اینکه چگونه حرکات خاص این مولکول ها می تواند باعث ایجاد مجموعه ای از کریستال ها شود که در شرایط مختلف تشکیل می شوند. در او لیبرشت در 540 صفحه تمام دانش در مورد کریستال های برف را شرح می دهد.
ستاره های شش پر
مطمئناً می دانید که دیدن دو دانه برف یکسان غیرممکن است (به جز در مرحله اولیه). این واقعیت به نحوه تشکیل کریستال ها در آسمان مربوط می شود. برف مجموعه‌ای از کریستال‌های یخی است که در اتمسفر تشکیل می‌شوند و وقتی با هم به زمین می‌افتند شکل خود را حفظ می‌کنند. آنها زمانی تشکیل می شوند که جو به اندازه کافی سرد باشد تا از ادغام یا ذوب شدن آنها به باران یا باران جلوگیری شود.
اگرچه می توان دماها و سطوح رطوبت زیادی را در یک ابر ثبت کرد، اما برای یک دانه برف این متغیرها ثابت خواهند بود. به همین دلیل است که دانه های برف اغلب به طور متقارن رشد می کنند. از سوی دیگر، هر دانه برف در معرض باد، نور خورشید و عوامل دیگر قرار دارد. اساساً هر کریستال در معرض هرج و مرج ابر است و بنابراین اشکال مختلفی به خود می گیرد.
طبق تحقیقات لیبرشت، اولین تفکر در مورد این اشکال ظریف در سال 135 قبل از میلاد ثبت شده است. در چین. هان یین محقق می نویسد: «گل های گیاهان و درختان معمولاً پنج پر هستند، اما گل های برف همیشه شش پر هستند. و اولین دانشمندی که سعی کرد دلیل این اتفاق را دریابد احتمالا یوهانس کپلر، دانشمند آلمانی و دانشمند آلمانی بود.
در سال 1611، کپلر یک هدیه سال نو به حامی خود، امپراتور روم مقدس رودولف دوم، هدیه داد: یک هدیه کوچک. با عنوان "درباره دانه های برف شش ضلعی".
"از پل عبور می کنم ، از شرم عذاب می کشم - من شما را بدون هدیه سال نو ترک کردم! و بعد فرصتی برایم پیش آمد! بخار آب که از سرما غلیظ شده و به برف تبدیل شده است، مانند دانه های برف روی لباس هایم می ریزد، همه آنها به صورت شش ضلعی، با پرتوهای کرکی. به هرکول قسم می‌خورم، اینجا چیزی است که از هر قطره‌ای کوچک‌تر است، شکلی دارد، می‌تواند به عنوان هدیه سال نو برای عاشق هیچ چیز باشد و شایسته ریاضی‌دانی است که هیچ ندارد و چیزی دریافت نمی‌کند. از آسمان می افتد و شباهت یک ستاره شش ضلعی را در خود پنهان می کند!
«حتما دلیلی وجود دارد که برف به شکل یک ستاره شش ضلعی است. یوهانس کپلر مطمئن بود که این نمی تواند یک تصادف باشد. شاید او نامه ای از هم عصر خود توماس هریوت، دانشمند و ستاره شناس انگلیسی را به یاد آورد که او همچنین توانست به عنوان ناوبر برای کاشف سر والتر رالی کار کند. در حدود سال 1584، هریوت به دنبال کارآمدترین راه برای چیدن گلوله های توپ روی عرشه کشتی های رالی بود. هریوت دریافت که به نظر می رسد الگوهای شش ضلعی بهترین راه برای چیدمان کره ها باشد و این موضوع را در مکاتبه با کپلر مورد بحث قرار داد. کپلر به این فکر کرد که آیا چیزی مشابه در دانه های برف اتفاق می افتد و چه عنصری مسئول ایجاد و نگهداری این شش پرتو است.
شکل های دانه برف
می توان گفت که این درک اولیه از اصول فیزیک اتمی بود که تنها 300 سال بعد مورد بحث قرار خواهد گرفت. در واقع، مولکول های آب، با دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن، تمایل دارند به یکدیگر بپیوندند و آرایه های شش ضلعی را تشکیل دهند. کپلر و معاصرانش نمی دانستند که این موضوع چقدر مهم است.
همانطور که فیزیکدانان می گویند، به لطف پیوند هیدروژنی و برهمکنش مولکول ها با یکدیگر، می توانیم یک ساختار کریستالی باز را مشاهده کنیم. علاوه بر توانایی آن در رشد دانه های برف، ساختار شش ضلعی آن اجازه می دهد تا یخ چگالی کمتری نسبت به آب داشته باشد که تأثیرات عظیمی بر ژئوشیمی، ژئوفیزیک و آب و هوا دارد. به عبارت دیگر، اگر یخ شناور نمی شد، حیات روی زمین غیرممکن بود.
اما پس از رساله کپلر، مشاهده دانه های برف بیشتر یک سرگرمی بود تا یک علم جدی. در دهه 1880، یک عکاس آمریکایی به نام ویلسون بنتلی، که در شهر کوچک همیشه برفی و سرد جریکو (ورمونت، ایالات متحده آمریکا) زندگی می کرد، شروع به عکاسی از دانه های برف با استفاده از صفحات عکاسی کرد. او قبل از مرگ بر اثر ذات الریه موفق به ایجاد بیش از 5000 عکس شد.
حتی بعدها، در دهه 1930، محقق ژاپنی Ukichiro Nakaya شروع به مطالعه سیستماتیک انواع مختلف کریستال های برف کرد. در اواسط قرن، ناکایا دانه های برف را در آزمایشگاه با استفاده از موهای خرگوش که در یک اتاق یخچال قرار داده بودند رشد داد. او با تنظیمات رطوبت و دما، رشد انواع کریستال های اولیه، و کاتالوگ اصلی خود از اشکال ممکن را به هم زد. ناکایا کشف کرد که ستارگان دانه برف تمایل دارند در دمای -2 درجه سانتیگراد و در -15 درجه سانتیگراد تشکیل شوند. ستون ها در دمای -5 درجه سانتیگراد و تقریباً 30- درجه سانتیگراد تشکیل می شوند.
در اینجا ذکر این نکته ضروری است که در دمای حدود -2 درجه سانتیگراد اشکال صفحه نازکی از دانه های برف ظاهر می شوند، در -5 درجه سانتیگراد ستون ها و سوزن های نازکی ایجاد می کنند، هنگامی که دما به 15- درجه سانتیگراد کاهش می یابد واقعاً نازک می شوند. صفحات، و در دماهای پایین تر - در 30 درجه سانتی گراد به ستون های ضخیم تر برمی گردند.
در شرایط رطوبت کم، دانه های برف ستاره ای چندین شاخه تشکیل می دهند و شبیه صفحات شش ضلعی هستند، اما در رطوبت بالا پیچیده تر و توری می شوند.
به گفته لیبرشت، دلایل ظهور اشکال مختلف دانه های برف به لطف کار ناکای روشن تر شد. مشخص شده است که کریستال های برف زمانی که لبه ها به سرعت به سمت بیرون رشد می کنند و چهره ها به آرامی به سمت بالا رشد می کنند، به ستاره ها و صفحات تخت (به جای ساختارهای سه بعدی) تبدیل می شوند. ستون های نازک به طور متفاوتی رشد می کنند، با لبه های رشد سریع و لبه های رشد کندتر.
در عین حال، فرآیندهای اساسی که بر تبدیل شدن دانه های برف به ستاره یا ستون تأثیر می گذارد نامشخص باقی می مانند. شاید راز در شرایط دمایی باشد. و لیبرشت سعی کرد پاسخی برای این سوال بیابد.
دستور تهیه دانه برف
لیبرشت به همراه تیم کوچکی از محققان خود سعی کرد دستوری برای یک دانه برف ارائه دهد. یعنی مجموعه معینی از معادلات و پارامترها که می توانند در رایانه بارگذاری شوند و انواع برف با شکوهی را از هوش مصنوعی دریافت کنند.
کنت لیبرشت تحقیقات خود را بیست سال پیش پس از اطلاع از شکل عجیب دانه های برف به نام ستون بسته آغاز کرد. شبیه یک قرقره از نخ یا دو چرخ و یک محور است. او که در شمال کشور به دنیا آمده بود، از این که هرگز چنین دانه برفی ندیده بود، شوکه شد.
او که از شکل های بی پایان کریستال های برف شگفت زده شده بود، شروع کرد طبیعت آنها با ایجاد آزمایشگاهی برای رشد دانه های برف. نتایج چندین سال مشاهدات به ایجاد مدلی کمک کرد که خود نویسنده آن را یک پیشرفت می داند. او ایده انتشار مولکولی را بر اساس انرژی سطحی ارائه کرد. این ایده توضیح می دهد که چگونه رشد یک کریستال برف به شرایط اولیه و رفتار مولکول های تشکیل دهنده آن بستگی دارد.
تصور کنید که مولکول های آب در حالت شل قرار گرفته اند، زیرا بخار آب تازه شروع به یخ زدن کرده است. اگر می‌توانستید داخل یک رصدخانه کوچک باشید و به این فرآیند نگاه کنید، می‌توانید ببینید که چگونه مولکول‌های آب منجمد شروع به تشکیل یک شبکه سفت و سخت می‌کنند، جایی که هر اتم اکسیژن توسط چهار اتم هیدروژن احاطه شده است. این کریستال ها با ترکیب مولکول های آب از هوای اطراف در ساختار خود رشد می کنند. آنها می توانند در دو جهت اصلی رشد کنند: به سمت بالا یا بیرون.
یک کریستال نازک و تخت (چوبی یا ستاره ای شکل) زمانی تشکیل می شود که لبه ها سریعتر از دو وجه کریستال تشکیل شوند. کریستال در حال رشد به سمت بیرون پخش می شود. با این حال، زمانی که چهره‌های آن سریعتر از لبه‌های آن رشد می‌کنند، کریستال بلندتر می‌شود و یک سوزن، ستون توخالی یا میله تشکیل می‌دهد.
اشکال کمیاب دانه های برف
یک لحظه دیگر به عکس سوم که توسط لیبرشت در شمال انتاریو گرفته شده است توجه کنید. این یک کریستال "ستون بسته" است - دو صفحه که به انتهای یک کریستال ستونی ضخیم متصل شده اند. در این مورد، هر صفحه به یک جفت صفحه بسیار نازکتر تقسیم می شود. با دقت به لبه ها نگاه کنید، خواهید دید که چگونه صفحه به دو قسمت تقسیم شده است. لبه های این دو صفحه نازک تقریباً به اندازه تیغ تیغ تیز هستند. طول کل ستون یخ حدود 1,5 میلی متر است.
بر اساس مدل لیبرشت، بخار آب ابتدا در گوشه‌های کریستال می‌نشیند و سپس در امتداد سطح یا به لبه کریستال یا روی آن پخش می‌شود و باعث رشد کریستال به سمت بیرون یا بالا می‌شود. اینکه کدام یک از این فرآیندها "برنده" است عمدتاً به دما بستگی دارد.
لازم به ذکر است که مدل "نیمه تجربی" است. یعنی ساختار آن تا حدی مطابق با آنچه اتفاق می‌افتد است، و نه برای توضیح اصول رشد دانه‌های برف. ناپایداری ها و برهمکنش های بین مولکول های بی شمار آنقدر پیچیده است که نمی توان به طور کامل آن را باز کرد. با این حال، این امید باقی می ماند که ایده های لیبرشت به عنوان مبنایی برای یک مدل جامع از پویایی رشد یخ باشد، که می تواند از طریق اندازه گیری ها و آزمایش های دقیق تر به تفصیل ارائه شود.
نباید فکر کرد که این مشاهدات مورد توجه حلقه باریکی از دانشمندان است. سوالات مشابهی در فیزیک ماده متراکم و در زمینه های دیگر مطرح می شود. مولکول‌های دارو، تراشه‌های نیمه‌رسانا برای رایانه‌ها، سلول‌های خورشیدی و بسیاری از صنایع دیگر به کریستال‌های باکیفیت متکی هستند و تیم‌های کامل به رشد آنها اختصاص دارند. بنابراین دانه های برف بسیار محبوب لیبرشت ممکن است به نفع علم باشد.
چه چیز دیگری می توانید در وبلاگ بخوانید؟
→
→
→
→
→
مشترک ما شوید -کانال تا مقاله بعدی را از دست ندهید! ما بیش از دو بار در هفته نمی نویسیم و فقط به صورت تجاری. به هر حال، اگر قبلاً نمی دانید، استارتاپ ها می توانند 10 دلار از Cloud000Y دریافت کنند. شرایط و فرم درخواست برای علاقه مندان را می توان در وب سایت ما یافت:
منبع: www.habr.com