Der leit dizze winter net genôch snie yn it sintrale diel fan Ruslân. Op guon plakken foel it fansels, mar yn jannewaris koe men wat mear froast- en sniewaar ferwachtsje. Doffe griisheid en onaangename slush foarkomme dat jo de freugde fan 'e gewoane winterwille fiele. Dêrom stelt Cloud4Y foar om in bytsje snie yn ús libben ta te foegjen troch te praten oer ... snieflokken.
It wurdt leaud dat d'r mar twa soarten snieflokken binne. En ien fan 'e wittenskippers, soms de "heit" fan 'e snieflakfysika neamd, hat in nije teory om de reden hjirfoar te ferklearjen. is in bjusterbaarlike persoan dy't ree is om midden yn 'e winter it sinneferwaarmde Súd-Kalifornje te ferlitten om nei Fairbanks (Alaska) te kommen, in waarme jas oan te dwaan en yn in beferzen fjild te sitten mei in kamera en in stik skom yn 'e hannen .
Foar wat? Hy siket nei de skitterendste, meast strukturearre, moaiste snieflokken dy't de natuer meitsje kin. Neffens him binne de meast nijsgjirrige samples oanstriid om te foarmjen yn 'e kâldste plakken - de beruchte Fairbanks en it snieige noardlike diel fan New York. De bêste snie dy't Kenneth ea sjoen hie, wie yn Cochrane, in plak yn it noardeasten fan Ontario, dêr't ljochte wyn snieflokken swirlje doe't se út 'e loft foelen.
Fassinearre troch de eleminten, Libbrecht bestudearret syn skomboerd mei de fêstichheid fan in argeolooch. As der wat nijsgjirrichs is, sil it each der grif op slaan. Sa net, dan wurdt de snie fan it boerd fege, en begjint alles wer. En dit duorret oeren.
Libbrecht is in natuerkundige. Troch in grappich tafal is syn laboratoarium oan it California Institute of Technology dwaande mei ûndersyk nei de ynterne struktuer fan 'e sinne en hat sels moderne ynstruminten ûntwikkele foar it opspoaren fan gravitaasjewellen. Mar foar de ôfrûne 20 jier hat Libbrecht syn wiere passy snie west - net allinich it uterlik, mar wat it sa makket. "De fraach wat foar objekten út 'e loft falle, hoe't it bart en wêrom't se der sa útsjen, martelet my de hiele tiid," jout Kenneth ta.
Foar in lange tiid wie it genôch foar natuerkundigen om te witten dat ûnder de protte lytse sniekristallen twa oerhearskjende soarten te ûnderskieden wiene. Ien fan harren is in platte stjer mei seis of tolve earms, elk fan dy is fersierd mei dizzyly moai kant. De oare is in soarte fan miniatuer kolom, soms sandwiched tusken platte "covers", en soms fergelykber mei in gewoane bout. Dizze foarmen kinne sjoen wurde by ferskate temperatueren en fochtigens, mar de reden foar de foarming fan in bepaalde foarm is in mystearje west. Libbrecht's jierrenlange observaasjes holpen it kristallisaasjeproses fan snieflokken better te begripen.
Libbrecht's wurk op dit gebiet hat holpen in nij model te meitsjen dat ferklearret wêrom't snieflokken en oare sniekristallen foarmje wat wy wend binne om te sjen. Neffens syn teory, online yn oktober 2019, beskriuwt de beweging fan wettermolekulen tichtby it friespunt (kristallisaasje) en hoe spesifike bewegingen fan dizze molekulen oanlieding kinne jaan ta in samling kristallen dy't foarmje ûnder ferskate omstannichheden. Yn syn Libbrecht beskriuwt op 540 siden alle kennis oer sniekristallen.
Seispuntige stjerren
Jo witte fansels dat it ûnmooglik is om twa identike snieflokken te sjen (útsein by it begjinstadium). Dit feit hat te krijen mei hoe't kristallen foarmje yn 'e himel. Snie is in samling iiskristallen dy't yn 'e sfear foarmje en har foarm behâlde as se tegearre op 'e ierde falle. Se foarmje as de sfear kâld genôch is om foar te kommen dat se gearfoegje of smelten yn iis of rein.
Hoewol in protte temperatueren en fochtigensnivo's kinne wurde opnommen binnen in inkele wolk, foar in inkele snieflok sille dizze fariabelen konstant wêze. Dêrom groeit in snievlok faak symmetrysk. Oan 'e oare kant wurdt elke snieflak bleatsteld oan wyn, sinneljocht en oare faktoaren. Yn essinsje is elk kristal ûnderwurpen oan 'e gaos fan' e wolk, en nimt dêrom ferskate foarmen oan.
Neffens Libbrecht syn ûndersyk is it ierste tinken oer dizze teare foarmen optekene yn 135 f.Kr. yn Sjina. "De blommen fan planten en beammen binne meast fiifpuntich, mar de blommen fan snie binne altyd seispuntich," skreau gelearde Han Yin. En de earste wittenskipper dy't besocht út te finen wêrom't dit bart wie wierskynlik Johannes Kepler, in Dútske wittenskipper en polymath.
Yn 1611 joech Kepler in nijjierskado oan syn beskermhear, de Hillige Roomske keizer Rudolf II: in lytse mei de titel "Oer Hexagonal Snowflakes".
"Ik gean oer de brêge, martele troch skamte - ik liet dy sûnder in nijjierskado! En doe kaam der in kâns op myn wei! Wetterdamp, dikke fan 'e kjeld ta snie, falt as snieflokken op myn klean, se allegearre, as ien, hexagonaal, mei fluffige strielen. Ik swar by Hercules, hjir is in ding dat lytser is as elke drip, in foarm hat, kin tsjinje as in langferwachte nijjierskado foar in leafhawwer fan Neat en is wurdich in wiskundige dy't neat hat en neat ûntfangt, om't it falt út 'e loft en ferberget yn himsels de likenis fan in hexagonale stjer!
"D'r moat in reden wêze wêrom't snie de foarm hat as in hexagonale stjer. Dit kin gjin ûngelok wêze,” wie Johannes Kepler der wis fan. Miskien herinnerde er him in brief fan syn tiidgenoat Thomas Harriot, in Ingelske wittenskipper en astronoom dy't ek slagge om te wurkjen as navigator foar de ûntdekkingsreizger Sir Walter Raleigh. Om 1584 hinne socht Harriot de meast effisjinte manier om kanonskogels op 'e dekken fan Raleigh-skippen te stapeljen. Harriot fûn dat hexagonale patroanen de bêste manier wiene om de sfearen te regeljen, en hy besprutsen dit probleem yn korrespondinsje mei Kepler. Kepler frege him ôf oft wat ferlykber bart yn snieflokken en wat elemint is ferantwurdlik foar dizze seis strielen wurde makke en ûnderhâlden.
Snowflake foarmen
Wy kinne sizze dat dit it earste begryp wie fan 'e begjinsels fan' e atoomfysika, dy't allinich 300 jier letter besprutsen wurde. Yndied, wettermolekulen, mei har twa wetterstofatomen en ien soerstof, tendearje byinoar te kommen om hexagonale arrays te foarmjen. Kepler en syn tiidgenoaten hiene gjin idee hoe wichtich dit wie.
As natuerkundigen sizze, tank oan wetterstof bonding en de ynteraksje fan molekulen mei elkoar, kinne wy observearje in iepen kristallijn struktuer. Neist syn fermogen om snieflokken te groeien, lit de hexagonale struktuer iis minder ticht wêze as wetter, wat enoarme effekten hat op geogemy, geofysika en klimaat. Mei oare wurden, as iis net driuwe, soe it libben op ierde ûnmooglik wêze.
Mar nei Kepler's traktaat wie it observearjen fan snieflokken mear in hobby as in serieuze wittenskip. Yn 'e 1880's begon in Amerikaanske fotograaf mei de namme Wilson Bentley, dy't yn 'e kâlde, altyd sniefolle lytse stêd Jericho (Vermont, FS) wenne, begûn mei it meitsjen fan foto's fan snieflokken mei fotografyske platen. Hy wist mear as 5000 foto's te meitsjen foardat hy stoar oan longûntstekking.
Noch letter, yn 'e jierren '1930, begon de Japanske ûndersiker Ukichiro Nakaya systematysk ferskate soarten sniekristallen te bestudearjen. Yn 'e midden fan' e ieu, Nakaya groeide snieflokken yn it laboratoarium mei help fan yndividuele rabbit hier pleatst yn in gekoelde keamer. Hy tinkt mei fochtigens en temperatuerynstellingen, groeide basistypen fan kristallen, en kompilearre syn orizjinele katalogus fan mooglike foarmen. Nakaya ûntduts dat snieflokstjerren de neiging hawwe te foarmjen by -2 °C en by -15 °C. Kolommen foarmje by -5 °C en by likernôch -30 °C.
It is hjir wichtich om te merken dat by in temperatuer fan sa'n -2 °C tinne plaatachtige foarmen fan snieflokken ferskine, by -5 °C meitsje se tinne kolommen en naalden, as de temperatuer sakket nei -15 °C wurde se echt tin platen, en by temperatueren ûnder - By 30 °C komme se werom nei dikkere kolommen.
Yn omstannichheden mei lege fochtigens foarmje stjer snieflokken ferskate tûken en lykje op hexagonale platen, mar yn hege fochtigens wurde se yngewikkelder en lacy.
Neffens Libbrecht binne de redenen foar it ferskinen fan ferskate foarmen fan snieflokken dúdliker wurden troch it wurk fan Nakai. It is fûn dat sniekristallen har ûntwikkelje ta platte stjerren en platen (ynstee fan trijediminsjonale struktueren) as de rânen fluch nei bûten groeie en de gesichten stadich nei boppen groeie. Tinne kolommen groeie oars, mei fluch groeiende rânen en stadiger groeiende rânen.
Tagelyk bliuwe de basisprosessen dy't beynfloedzje oft in snieflak in stjer of in kolom wurdt, ûndúdlik. Miskien lei it geheim yn 'e temperatueromstannichheden. En Libbrecht besocht in antwurd op dizze fraach te finen.
Snowflake resept
Libbrecht besocht tegearre mei syn lyts team fan ûndersikers in resept te betinken foar in snieflak. Dat is, in bepaalde set fan fergelikingen en parameters dy't kinne wurde laden yn in kompjûter en krije in prachtich ferskaat oan snieflokken fan 'e AI.
Kenneth Libbrecht begon syn ûndersyk tweintich jier lyn nei't er leard hie oer in eksoatyske snieflakfoarm neamd in sletten kolom. It liket op in spoel fan tried of twa tsjillen en in as. Berne yn it noarden fan it lân, hy wie skrokken troch it feit dat er noch nea sjoen sa'n snieflak.
Ferwûndere troch de einleaze foarmen fan 'e sniekristallen begon er te harren aard troch it meitsjen fan in laboratoarium foar groeiende snieflokken. De resultaten fan in protte jierren fan observaasjes holpen it meitsjen fan in model dat de skriuwer sels beskôget in trochbraak. Hy stelde it idee foar fan molekulêre diffusion basearre op oerflak enerzjy. Dit idee beskriuwt hoe't de groei fan in sniekristal hinget fan 'e begjinomstannichheden en it gedrach fan 'e molekulen dy't it foarmje.
Stel jo foar dat de wettermolekulen los sitte as de wetterdamp krekt begjint te befriezen. As jo yn in lyts observatoarium kinne wêze en nei dit proses sjogge, kinne jo sjen hoe't beferzen wettermolekulen in stive rooster begjinne te foarmjen, wêrby't elk soerstofatom wurdt omjûn troch fjouwer wetterstofatomen. Dizze kristallen groeie troch it opnimmen fan wettermolekulen út 'e omlizzende loft yn har struktuer. Se kinne groeie yn twa haadrjochtingen: nei boppen of nei bûten.
In tinne, flakke kristal (lamellêr of stjerfoarmich) wurdt foarme as de rânen rapper foarmje as de twa gesichten fan it kristal. It groeiende kristal sil nei bûten ferspriede. As syn gesichten lykwols rapper groeie as de rânen, groeit it kristal heger, en foarmje in naald, holle pylder, of roede.
Seldsume foarmen fan snieflokken
Noch ien momint. Let op de tredde foto, makke troch Libbrecht yn it noarden fan Ontario. Dit is in "sletten kolom" kristal - twa platen ferbûn oan 'e úteinen fan in dikke kolom kristal. Yn dit gefal wurdt elke plaat ferdield yn in pear folle tinner platen. Sjoch goed nei de rânen, jo sille sjen hoe't de plaat is ferdield yn twa. De rânen fan dizze twa tinne platen binne sawat sa skerp as in skearmes. De totale lingte fan de iiskolom is sa'n 1,5 mm.
Neffens Libbrecht syn model set wetterdamp him earst by de hoeken fan it kristal del en ferspriedt (diffusearret) dan lâns it oerflak of nei de râne fan it kristal of nei syn gesichten, wêrtroch't it kristal nei bûten of omheech groeit. Hokker fan dizze prosessen "wint" hinget benammen op temperatuer.
Dêrby moat opmurken wurde dat it model is "semi-empirysk". Dat is, it is foar in part strukturearre om te korrespondearjen mei wat der bart, en net te ferklearjen de begjinsels fan snieflokkengroei. De ynstabiliteiten en ynteraksjes tusken de ûntelbere molekulen binne te kompleks om folslein te ûntdekken. De hope bliuwt lykwols dat Libbrecht syn ideeën de basis sille tsjinje foar in wiidweidich model fan de dynamyk fan iisgroei, dat troch mear detaillearre mjittingen en eksperiminten útwurke wurde kin.
Men moat net tinke dat dizze observaasjes fan belang binne foar in smelle rûnte fan wittenskippers. Soartgelikense fragen komme op yn de fysika fan kondinsearre materie en op oare mêden. Drugmolekulen, halfgeleiderchips foar kompjûters, sinnesellen en in gasthear fan oare yndustry fertrouwe op heechweardige kristallen, en heule teams binne wijd oan it groeien fan se. Sa kinne Libbrecht syn leafste snieflokken wol it foardiel fan de wittenskip tsjinje.
Wat kinne jo mear lêze op it blog?
→
→
→
→
→
Ynskriuwe op ús -kanaal sadat jo it folgjende artikel net misse! Wy skriuwe net mear as twa kear yn 'e wike en allinnich op saaklik. Trouwens, as jo it net al witte, kinne startups $ 10 krije fan Cloud000Y. Betingsten en oanfraachformulier foar belangstellenden binne te finen op ús webside:
Boarne: www.habr.com