Non hai neve suficiente na parte central de Rusia este inverno. Caeu nalgúns lugares, por suposto, pero en xaneiro cabería esperar algún tempo máis xeado e nevado. O gris apagado e o granizado desagradable impídenche sentir a alegría da diversión habitual do inverno. É por iso que Cloud4Y propón engadir un pouco de neve ás nosas vidas falando de... copos de neve.
Crese que só hai dous tipos de copos de neve. E un dos científicos, ás veces chamado o "pai" da física do copo de neve, ten unha nova teoría para explicar a razón diso. é unha persoa incrible que está lista para abandonar o sur de California, quentado polo sol, en pleno inverno para chegar a Fairbanks (Alaska), poñerse unha chaqueta abrigada e sentarse nun campo xeado cunha cámara e un anaco de escuma nas mans. .
Para qué? Busca os copos de neve máis brillantes, texturados e fermosos que pode crear a natureza. Segundo el, as mostras máis interesantes tenden a formarse nos lugares máis fríos: os famosos Fairbanks e a parte nevada do norte de Nova York. A mellor neve que Kenneth vira nunca foi en Cochrane, un lugar do nordeste de Ontario, onde os ventos leves arremolinaban os copos de neve ao caer do ceo.
Fascinado polos elementos, Libbrecht estuda o seu taboleiro de escuma coa tenacidade dun arqueólogo. Se hai algo interesante alí, o ollo definitivamente atraparase. Se non, a neve é varrida do taboleiro e todo comeza de novo. E isto dura horas.
Libbrecht é un físico. Por unha divertida coincidencia, o seu laboratorio do Instituto Tecnolóxico de California dedícase á investigación da estrutura interna do Sol e mesmo desenvolveu instrumentos modernos para detectar ondas gravitacionais. Pero durante os últimos 20 anos, a verdadeira paixón de Libbrecht foi a neve, non só a súa aparencia, senón o que fai que pareza así. "A cuestión de que tipo de obxectos caen do ceo, como ocorren e por que se ven así, atormentame todo o tempo", admite Kenneth.
Durante moito tempo, aos físicos abondou con saber que entre os moitos pequenos cristais de neve podían distinguirse dous tipos predominantes. Unha delas é unha estrela plana con seis ou doce brazos, cada un deles decorado con encaixes de vertixinosamente fermosas. A outra é unha especie de columna en miniatura, ás veces encaixada entre "cubertas" planas e ás veces semellante a un parafuso común. Estas formas pódense ver a diferentes temperaturas e humidades, pero o motivo da formación dunha forma particular foi un misterio. Os anos de observacións de Libbrecht axudaron a comprender mellor o proceso de cristalización dos copos de neve.
O traballo de Libbrecht nesta área axudou a crear un novo modelo que explica por que os copos de neve e outros cristais de neve forman o que estamos afeitos a ver. Segundo a súa teoría, en liña en outubro de 2019, describe o movemento das moléculas de auga preto do punto de conxelación (cristalización) e como os movementos específicos destas moléculas poden dar lugar a unha colección de cristais que se forman en diferentes condicións. No seu En 540 páxinas, Libbrecht describe todo o coñecemento sobre os cristais de neve.
Estrelas de seis puntas
Vostede, por suposto, sabe que é imposible ver dous copos de neve idénticos (excepto na fase de inicio). Este feito ten que ver coa forma en que os cristais se forman no ceo. A neve é unha colección de cristais de xeo que se forman na atmosfera e conservan a súa forma cando caen xuntos á Terra. Fórmanse cando a atmosfera é o suficientemente fría como para evitar que se fusionen ou se derritan con auganieve ou choiva.
Aínda que se poden rexistrar moitas temperaturas e niveis de humidade dentro dunha soa nube, para un só copo de neve estas variables serán constantes. É por iso que un copo de neve adoita crecer de forma simétrica. Por outra banda, cada copo de neve está exposto ao vento, á luz solar e a outros factores. Esencialmente, cada cristal está suxeito ao caos da nube e, polo tanto, adopta diferentes formas.
Segundo a investigación de Libbrecht, o pensamento máis antigo sobre estas formas delicadas rexístrase no 135 a.C. en China. "As flores das plantas e das árbores adoitan ter cinco puntas, pero as flores da neve sempre son de seis", escribiu o estudoso Han Yin. E o primeiro científico que intentou descubrir por que isto estaba a suceder probablemente foi Johannes Kepler, un científico e polímata alemán.
En 1611, Kepler presentou un agasallo de ano novo ao seu patrón, o emperador do Sacro Imperio Romano Germánico Rodolfo II: un pequeno titulado "Sobre os copos de neve hexagonales".
“Cruzo a ponte, atormentado pola vergoña - ¡Deixeino sen agasallo de Aninovo! E entón chegoume unha oportunidade! O vapor de auga, engrosado polo frío en neve, cae como copos de neve sobre a miña roupa, todas elas, coma unha soa, hexagonal, con raios mullidos. Xúroo por Hércules, aquí hai unha cousa que é máis pequena que calquera gota, ten forma, pode servir de ansiado agasallo de ano novo a un amante da Nada e é digna dun matemático que non ten nada e nada recibe, xa que cae do ceo e esconde dentro de si a semellanza dunha estrela hexagonal!
"Debe haber un motivo polo que a neve ten forma de estrela hexagonal. Isto non pode ser un accidente", estaba seguro Johannes Kepler. Quizais lembrou unha carta do seu coetáneo Thomas Harriot, un científico e astrónomo inglés que tamén logrou traballar como navegante para o explorador Sir Walter Raleigh. Ao redor de 1584, Harriot buscaba a forma máis eficiente de apilar balas de canón nas cubertas dos barcos de Raleigh. Harriot descubriu que os patróns hexagonais parecían ser a mellor forma de organizar as esferas, e comentou esta cuestión en correspondencia con Kepler. Kepler preguntouse se ocorre algo semellante nos copos de neve e que elemento é o responsable de que estes seis raios sexan creados e mantidos.
Formas de copos de neve
Podemos dicir que esta foi a comprensión inicial dos principios da física atómica, que só se discutirá 300 anos despois. De feito, as moléculas de auga, cos seus dous átomos de hidróxeno e un de osíxeno, tenden a unirse para formar matrices hexagonais. Kepler e os seus contemporáneos non tiñan idea do importante que era isto.
Como din os físicos, grazas aos enlaces de hidróxeno e á interacción de moléculas entre si, podemos observar unha estrutura cristalina aberta. Ademais da súa capacidade para producir copos de neve, a estrutura hexagonal permite que o xeo sexa menos denso que a auga, o que ten enormes efectos na xeoquímica, xeofísica e clima. Noutras palabras, se o xeo non flotase, a vida na Terra sería imposible.
Pero despois do tratado de Kepler, observar copos de neve era máis un pasatempo que unha ciencia seria. Na década de 1880, un fotógrafo estadounidense chamado Wilson Bentley, que vivía na pequena cidade fría e sempre nevada de Jericho (Vermont, EE. UU.), comezou a facer fotografías de copos de neve utilizando placas fotográficas. Conseguiu crear máis de 5000 fotografías antes de morrer dunha pneumonía.
Mesmo máis tarde, na década de 1930, o investigador xaponés Ukichiro Nakaya comezou a estudar sistematicamente diferentes tipos de cristais de neve. A mediados do século, Nakaya cultivou copos de neve no laboratorio utilizando pelos de coello individuais colocados nunha sala refrixerada. Retocou a configuración de humidade e temperatura, cultivando tipos básicos de cristais e compilou o seu catálogo orixinal de formas posibles. Nakaya descubriu que as estrelas de copos de neve tenden a formarse a -2 °C e a -15 °C. As columnas fórmanse a -5 °C e aproximadamente a -30 °C.
É importante notar aquí que a unha temperatura duns -2 °C aparecen formas de copos de neve en forma de placas finas, a -5 °C crean finas columnas e agullas, cando a temperatura baixa a -15 °C fanse realmente delgadas. placas, e a temperaturas inferiores - A 30 °C volven a columnas máis grosas.
En condicións de pouca humidade, os copos de neve estrelas forman varias ramas e aseméllanse a placas hexagonais, pero en condicións de humidade alta fanse máis complexos e encaixados.
Segundo Libbrecht, os motivos da aparición de diferentes formas de copos de neve fixéronse máis claros grazas ao traballo de Nakai. Descubriuse que os cristais de neve desenvólvense en estrelas e placas planas (en lugar de estruturas tridimensionais) cando os bordos crecen rapidamente cara a fóra e as caras crecen lentamente cara arriba. As columnas delgadas medran de forma diferente, con bordos de crecemento rápido e bordos de crecemento máis lento.
Ao mesmo tempo, os procesos básicos que inflúen se un copo de neve se converte nunha estrela ou nunha columna seguen sen estar claros. Quizais o segredo residía nas condicións de temperatura. E Libbrecht intentou atopar unha resposta a esta pregunta.
Receita de copos de neve
Xunto co seu pequeno equipo de investigadores, Libbrecht intentou elaborar unha receita para un copo de neve. É dicir, un determinado conxunto de ecuacións e parámetros que se poden cargar nun ordenador e obter unha magnífica variedade de copos de neve da IA.
Kenneth Libbrecht comezou a súa investigación hai vinte anos despois de coñecer unha exótica forma de copo de neve chamada columna pechada. Parece un carrete de fío ou dúas rodas e un eixe. Nacido no norte do país, quedou impresionado polo feito de que nunca vira tal copo de neve.
Asombrado polas infinitas formas dos cristais de neve, comezou a facelo a súa natureza creando un laboratorio para o cultivo de copos de neve. Os resultados de moitos anos de observacións axudaron a crear un modelo que o propio autor considera un avance. Propuxo a idea da difusión molecular baseada na enerxía superficial. Esta idea describe como o crecemento dun cristal de neve depende das condicións iniciais e do comportamento das moléculas que o forman.
Imaxina que as moléculas de auga están situadas de forma solta xa que o vapor de auga comeza a conxelarse. Se puideses estar dentro dun pequeno observatorio e mirar este proceso, poderías ver como as moléculas de auga conxelada comezan a formar unha rede ríxida, onde cada átomo de osíxeno está rodeado por catro átomos de hidróxeno. Estes cristais medran incorporando á súa estrutura moléculas de auga do aire circundante. Poden crecer en dúas direccións principais: cara arriba ou cara a fóra.
Un cristal fino e plano (lamelar ou estrelado) fórmase cando os bordos se forman máis rápido que as dúas caras do cristal. O cristal en crecemento estenderase cara ao exterior. Non obstante, cando as súas caras crecen máis rápido que os seus bordos, o cristal crece máis alto, formando unha agulla, un alicerce oco ou unha vara.
Formas raras de copos de neve
Un momento máis. Teña en conta a terceira foto, tomada por Libbrecht no norte de Ontario. Este é un cristal de "columna pechada": dúas placas unidas aos extremos dun groso cristal columnar. Neste caso, cada placa divídese nun par de placas moito máis delgadas. Mirade ben os bordos, verá como a placa se divide en dous. Os bordos destas dúas placas delgadas son tan afiados coma unha folla de afeitar. A lonxitude total da columna de xeo é duns 1,5 mm.
Segundo o modelo de Libbrecht, o vapor de auga aséntase primeiro nas esquinas do cristal e despois esténdese (difúndese) pola superficie ata o bordo do cristal ou ata as súas caras, facendo que o cristal medre cara a fóra ou cara arriba. Cal destes procesos "gaña" depende principalmente da temperatura.
Cómpre sinalar que o modelo é "semiempírico". É dicir, está parcialmente estruturado para corresponderse co que está a suceder, e non para explicar os principios do crecemento do copo de neve. As inestabilidades e interaccións entre as innumerables moléculas son demasiado complexas para desentrañarse por completo. Non obstante, permanece a esperanza de que as ideas de Libbrecht sirvan de base para un modelo completo da dinámica do crecemento do xeo, que se pode detallar mediante medicións e experimentos máis detallados.
Non se debe pensar que estas observacións son de interese para un estreito círculo de científicos. Preguntas semellantes xorden na física da materia condensada e noutros campos. As moléculas de fármacos, os chips de semicondutores para ordenadores, as células solares e unha serie de outras industrias dependen de cristais de alta calidade, e equipos enteiros dedícanse a cultivalos. Polo tanto, os queridos copos de neve de Libbrecht ben poden servir para o beneficio da ciencia.
Que máis podes ler no blog?
→
→
→
→
→
Subscríbete ao noso -canle para que non te perdas o seguinte artigo! Escribimos non máis de dúas veces por semana e só por negocios. Por certo, se aínda non o sabes, as startups poden recibir 10 dólares de Cloud000Y. As condicións e o formulario de solicitude para os interesados poden consultarse na nosa web:
Fonte: www.habr.com