Venäjän keskiosassa ei ole tänä talvena tarpeeksi lunta. Paikoin tietysti satoi, mutta tammikuussa oli odotettavissa lisää pakkasta ja lumista säätä. Tylsä harmaus ja epämiellyttävä sohjo estävät sinua tuntemasta tavanomaisen talven iloa. Siksi Cloud4Y ehdottaa lisäävänsä hieman lunta elämäämme puhumalla... lumihiutaleista.
Uskotaan, että lumihiutaleita on vain kahdenlaisia. Ja yhdellä tiedemiehistä, jota joskus kutsutaan lumihiutalefysiikan "isäksi", on uusi teoria selittääkseen tämän syyn. on hämmästyttävä henkilö, joka on valmis lähtemään auringon lämmittäneestä Etelä-Kaliforniasta keskellä talvea päästäkseen Fairbanksiin (Alaskaan), pukeakseen lämpimään takkiin ja istuakseen jäätyneelle pellolle kamera ja pala vaahtoa käsissään. .
Minkä vuoksi? Hän etsii kimaltelevimpia, kuvioituimpia ja kauneimpia lumihiutaleita, joita luonto voi luoda. Hänen mukaansa mielenkiintoisimmat näytteet muodostuvat kylmimpiin paikkoihin - pahamaineisiin Fairbanksiin ja New Yorkin lumiseen pohjoisosaan. Paras lumi, jonka Kenneth oli koskaan nähnyt, oli Cochranessa, paikassa Koillis-Ontariossa, jossa kevyet tuulet pyörittelivät lumihiutaleita, kun ne putosivat taivaalta.
Elementtien ihastunut Libbrecht tutkii vaahtomuovilevyään arkeologin sitkeydellä. Jos siellä on jotain mielenkiintoista, se varmasti tarttuu siihen. Jos ei, lumi lakaistaan laudalta ja kaikki alkaa alusta. Ja tämä kestää tunteja.
Libbrecht on fyysikko. Hauskan sattuman johdosta hänen laboratorionsa Kalifornian teknologiainstituutissa tutkii Auringon sisäistä rakennetta ja on jopa kehittänyt nykyaikaisia instrumentteja gravitaatioaaltojen havaitsemiseen. Mutta viimeiset 20 vuotta Libbrechtin todellinen intohimo on ollut lumi – ei vain sen ulkonäkö, vaan se, mikä saa sen näyttämään siltä. "Kysymys siitä, millaisia esineitä putoaa taivaalta, miten se tapahtuu ja miksi ne näyttävät siltä, piinaa minua koko ajan", Kenneth myöntää.
Fyysikoille riitti pitkään tietää, että monien pienten lumikiteiden joukosta voitiin erottaa kaksi vallitsevaa tyyppiä. Yksi niistä on litteä tähti, jossa on kuusi tai kaksitoista kättä, joista jokainen on koristeltu huimaavan kauniilla pitsillä. Toinen on eräänlainen miniatyyri pylväs, joka on toisinaan tasaisten "kansien" välissä ja toisinaan samanlainen kuin tavallinen pultti. Näitä muotoja voi nähdä eri lämpötiloissa ja kosteissa, mutta syy tietyn muodon muodostumiseen on ollut mysteeri. Libbrechtin vuosien havainnot auttoivat ymmärtämään paremmin lumihiutaleiden kiteytymisprosessia.
Libbrechtin työ tällä alalla on auttanut luomaan uuden mallin, joka selittää, miksi lumihiutaleet ja muut lumikiteet muodostavat sen, mitä olemme tottuneet näkemään. Hänen teoriansa mukaan verkossa lokakuussa 2019, kuvaa vesimolekyylien liikettä lähellä jäätymispistettä (kiteytymistä) ja kuinka näiden molekyylien tietyt liikkeet voivat synnyttää kokoelman kiteitä, jotka muodostuvat erilaisissa olosuhteissa. Hänen Libbrecht kuvaa 540 sivulla kaiken tiedon lumikiteistä.
Kuusisakaraiset tähdet
Tietenkin tiedät, että on mahdotonta nähdä kahta identtistä lumihiutaletta (paitsi alkuvaiheessa). Tämä tosiasia liittyy siihen, miten kiteet muodostuvat taivaalla. Lumi on kokoelma jääkiteitä, jotka muodostuvat ilmakehässä ja säilyttävät muotonsa putoaessaan yhdessä maahan. Ne muodostuvat, kun ilmapiiri on tarpeeksi kylmä estääkseen niitä sulautumasta tai sulamasta räntä- tai sateeksi.
Vaikka yhden pilven sisällä voidaan tallentaa monia lämpötiloja ja kosteustasoja, yksittäisen lumihiutaleen osalta nämä muuttujat ovat vakioita. Tästä syystä lumihiutale kasvaa usein symmetrisesti. Toisaalta jokainen lumihiutale on alttiina tuulelle, auringonvalolle ja muille tekijöille. Pohjimmiltaan jokainen kide on pilven kaaoksen alainen, ja siksi se saa eri muotoja.
Libbrechtin tutkimuksen mukaan varhaisin ajatus näistä herkistä muodoista on kirjattu vuodelle 135 eaa. Kiinassa. "Kasvien ja puiden kukat ovat tavallisesti viisikärkisiä, mutta lumen kukat ovat aina kuusikärkisiä", kirjoitti tutkija Han Yin. Ja ensimmäinen tiedemies, joka yritti selvittää, miksi tämä tapahtui, oli luultavasti Johannes Kepler, saksalainen tiedemies ja polymaatti.
Vuonna 1611 Kepler antoi suojelijalleen, Pyhän Rooman keisarille Rudolf II:lle uudenvuodenlahjan: pienen otsikolla "Tietoja kuusikulmaisista lumihiutaleista".
"Ylitän sillan häpeän piinaamana - jätin sinut ilman uudenvuodenlahjaa! Ja sitten minulle tuli tilaisuus! Kylmästä lumeksi sakeutunut vesihöyry putoaa lumihiutaleina vaatteilleni, kaikki yhtenä, kuusikulmainen, pörröisillä säteillä. Vannon Herculesin nimeen, tässä on asia, joka on pienempi kuin mikään pisara, jolla on muoto, joka voi toimia kauan odotettuna uudenvuodenlahjana ei-mitään rakastavalle ja on matemaatikon arvoinen, jolla ei ole mitään ja joka ei saa mitään, koska se on putoaa taivaalta ja kätkee sisäänsä kuusikulmaisen tähden kaltaisen!
"Siihen on oltava syy, miksi lumi on kuusikulmaisen tähden muotoinen. Tämä ei voi olla sattumaa”, Johannes Kepler oli varma. Ehkä hän muisti kirjeen aikalaisensa Thomas Harriotilta, englantilaiselta tiedemieheltä ja tähtitieteilijältä, joka myös onnistui työskentelemään tutkimusmatkailija Sir Walter Raleighin navigaattorina. Vuoden 1584 tienoilla Harriot etsi tehokkainta tapaa pinota tykinkuulat Raleighin laivojen kansille. Harriot havaitsi, että kuusikulmaiset kuviot näyttivät olevan paras tapa järjestää pallot, ja hän keskusteli tästä asiasta kirjeenvaihdossa Keplerin kanssa. Kepler pohti, tapahtuuko jotain vastaavaa lumihiutaleissa ja mikä elementti on vastuussa näiden kuuden säteen syntymisestä ja ylläpidosta.
Lumihiutaleen muotoja
Voidaan sanoa, että tämä oli ensimmäinen ymmärrys atomifysiikan periaatteista, joista keskustellaan vasta 300 vuotta myöhemmin. Itse asiassa vesimolekyylit, joissa on kaksi vetyatomia ja yksi happi, pyrkivät liittymään yhteen muodostaen kuusikulmaisia ryhmiä. Kepler ja hänen aikalaisensa eivät tienneet, kuinka tärkeää tämä oli.
Kuten fyysikot sanovat, vetysidoksen ja molekyylien vuorovaikutuksen ansiosta voimme havaita avoimen kiderakenteen. Sen lisäksi, että se pystyy kasvattamaan lumihiutaleita, sen kuusikulmainen rakenne sallii jään olevan vähemmän tiheää kuin vesi, millä on valtavia vaikutuksia geokemiaan, geofysiikkaan ja ilmastoon. Toisin sanoen, jos jää ei kelluisi, elämä maapallolla olisi mahdotonta.
Mutta Keplerin tutkielman jälkeen lumihiutaleiden tarkkailu oli enemmän harrastus kuin vakava tiede. 1880-luvulla amerikkalainen valokuvaaja nimeltä Wilson Bentley, joka asui kylmässä, aina lumisessa pikkukaupungissa Jerichossa (Vermont, USA), alkoi ottaa valokuvia lumihiutaleista valokuvalevyillä. Hän onnistui luomaan yli 5000 valokuvaa ennen kuin hän kuoli keuhkokuumeeseen.
Jo myöhemmin, 1930-luvulla, japanilainen tutkija Ukichiro Nakaya alkoi systemaattisesti tutkia erilaisia lumikiteitä. Vuosisadan puolivälissä Nakaya kasvatti lumihiutaleita laboratoriossa käyttämällä yksittäisiä kaninkarvoja, jotka oli sijoitettu jääkaappihuoneeseen. Hän käsitteli kosteuden ja lämpötilan asetuksia, kasvatti peruskiteitä ja kokosi alkuperäisen luettelonsa mahdollisista muodoista. Nakaya havaitsi, että lumihiutaletähdillä on taipumus muodostua -2 °C:ssa ja -15 °C:ssa. Pylväitä muodostuu -5 °C:ssa ja noin -30 °C:ssa.
Tässä on tärkeää huomata, että noin -2 °C lämpötilassa ilmaantuu ohuita levymäisiä lumihiutaleita, -5 °C:ssa ne muodostavat ohuita pylväitä ja neuloja, kun lämpötila laskee -15 °C:een, niistä tulee todella ohuita. levyillä ja alle - 30 °C:ssa ne palaavat paksumpiin kolonniin.
Alhaisissa kosteusolosuhteissa tähtilumihiutaleet muodostavat useita oksia ja muistuttavat kuusikulmaisia levyjä, mutta korkeassa kosteudessa niistä tulee monimutkaisempia ja pitsisempiä.
Libbrechtin mukaan syyt eri muotoisten lumihiutaleiden esiintymiseen selkiytyivät Nakain työn ansiosta. On havaittu, että lumikiteet kehittyvät litteiksi tähdiksi ja levyiksi (eikä kolmiulotteisiksi rakenteiksi), kun reunat kasvavat nopeasti ulospäin ja pinnat hitaasti ylöspäin. Ohuet pylväät kasvavat eri tavalla: nopeasti kasvavat reunat ja hitaammin kasvavat reunat.
Samaan aikaan perusprosessit, jotka vaikuttavat siihen, muuttuuko lumihiutale tähti vai pylväs, jää epäselväksi. Ehkä salaisuus piilee lämpötilaolosuhteissa. Ja Libbrecht yritti löytää vastauksen tähän kysymykseen.
Lumihiutale resepti
Yhdessä pienen tutkijaryhmänsä kanssa Libbrecht yritti keksiä reseptin lumihiutaleelle. Eli tietty joukko yhtälöitä ja parametreja, jotka voidaan ladata tietokoneeseen ja saada upea valikoima lumihiutaleita tekoälystä.
Kenneth Libbrecht aloitti tutkimuksensa kaksikymmentä vuotta sitten saatuaan tietää eksoottisesta lumihiutalemuodosta, jota kutsutaan suljetuksi pylväksi. Se näyttää lankarullalta tai kahdelta pyörältä ja akselilta. Hän syntyi maan pohjoisosassa, ja hän oli järkyttynyt siitä, ettei hän ollut koskaan nähnyt tällaista lumihiutaletta.
Hämmästynyt lumikiteiden loputtomista muodoista hän alkoi luomalla laboratorion lumihiutaleiden kasvattamiseen. Monien vuosien havaintojen tulokset auttoivat luomaan mallin, jota kirjoittaja itse pitää läpimurtona. Hän ehdotti ajatusta pintaenergiaan perustuvasta molekyylidiffuusiosta. Tämä idea kuvaa kuinka lumikiteen kasvu riippuu alkuolosuhteista ja sen muodostavien molekyylien käyttäytymisestä.
Kuvittele, että vesimolekyylit sijaitsevat löyhästi, kun vesihöyry on juuri alkamassa jäätyä. Jos voisit olla pienessä observatoriossa ja katsoa tätä prosessia, voisit nähdä, kuinka jäätyneet vesimolekyylit alkavat muodostaa jäykkää hilaa, jossa jokaista happiatomia ympäröi neljä vetyatomia. Nämä kiteet kasvavat sisällyttämällä vesimolekyylejä ympäröivästä ilmasta rakenteeseensa. Ne voivat kasvaa kahteen pääsuuntaan: ylöspäin tai ulospäin.
Ohut litteä kide (lamellimainen tai tähtimäinen) muodostuu, kun reunat muodostuvat nopeammin kuin kiteen kaksi pintaa. Kasvava kristalli leviää ulospäin. Kuitenkin, kun sen pinnat kasvavat nopeammin kuin sen reunat, kristalli kasvaa korkeammaksi muodostaen neulan, onton pilarin tai sauvan.
Lumihiutaleiden harvinaiset muodot
Vielä hetki. Huomaa kolmas valokuva, jonka on ottanut Libbrecht Pohjois-Ontariossa. Tämä on "suljettu pylväs" -kide - kaksi levyä, jotka on kiinnitetty paksun pylväskiteen päihin. Tässä tapauksessa jokainen levy on jaettu pariin paljon ohuempia levyjä. Katso tarkasti reunoja, näet kuinka levy on jaettu kahteen osaan. Näiden kahden ohuen levyn reunat ovat suunnilleen yhtä teräviä kuin partakoneen terä. Jääpylvään kokonaispituus on noin 1,5 mm.
Libbrechtin mallin mukaan vesihöyry laskeutuu ensin kiteen kulmiin ja sitten leviää (diffundoituu) pintaa pitkin joko kiteen reunaan tai sen pinnoille saaden kiteen kasvamaan ulospäin tai ylöspäin. Mikä näistä prosesseista "voittaa" riippuu pääasiassa lämpötilasta.
On huomattava, että malli on "puoliempiirinen". Toisin sanoen se on osittain rakennettu vastaamaan sitä, mitä tapahtuu, eikä selittämään lumihiutalekasvun periaatteita. Lukemattomien molekyylien väliset epävakaudet ja vuorovaikutukset ovat liian monimutkaisia selvitettäviksi täysin. Toivoa kuitenkin säilyy, että Libbrechtin ideat toimivat pohjana kokonaisvaltaiselle jäänkasvun dynamiikan mallille, jota voidaan täsmentää tarkempien mittausten ja kokeiden avulla.
Ei pidä ajatella, että nämä havainnot kiinnostavat kapeaa tutkijapiiriä. Samanlaisia kysymyksiä herää tiivistyneen aineen fysiikassa ja muillakin aloilla. Lääkemolekyylit, tietokoneiden puolijohdesirut, aurinkokennot ja monet muut teollisuudenalat perustuvat korkealaatuisiin kiteisiin, ja kokonaiset tiimit ovat omistautuneet niiden kasvattamiseen. Joten Libbrechtin rakastetut lumihiutaleet voivat hyvinkin palvella tiedettä.
Mitä muuta voit lukea blogista?
→
→
→
→
→
Tilaa meidän -kanava, jotta et missaa seuraavaa artikkelia! Kirjoitamme korkeintaan kaksi kertaa viikossa ja vain työasioissa. Muuten, jos et vielä tiedä, startup-yritykset voivat saada 10 000 dollaria Cloud4Y:ltä. Ehdot ja hakulomake kiinnostuneille löytyvät verkkosivuiltamme:
Lähde: will.com