U središnjem dijelu Rusije ove zime nema dovoljno snijega. Ponegdje je, naravno, palo, no u siječnju bi se moglo očekivati nešto više mraza i snijega. Zagasito sivilo i neugodna bljuzgavica sprječavaju vas da osjetite užitak uobičajene zimske zabave. Zato Cloud4Y predlaže dodati malo snijega u naše živote govoreći o... pahuljama.
Vjeruje se da postoje samo dvije vrste pahulja. A jedan od znanstvenika, koji se ponekad naziva "ocem" fizike snježnih pahulja, ima novu teoriju koja objašnjava razlog tome. nevjerojatna je osoba koja je spremna napustiti suncem ugrijanu južnu Kaliforniju usred zime kako bi došla do Fairbanksa (Aljaska), obukla toplu jaknu i sjela na smrznuto polje s kamerom i komadom pjene u rukama .
Za što? On traži najsvjetlucavije, najteksturiranije, najljepše snježne pahulje koje priroda može stvoriti. Prema njegovim riječima, najzanimljiviji uzorci obično se formiraju na najhladnijim mjestima - zloglasnom Fairbanksu i snježnom sjevernom dijelu New Yorka. Najbolji snijeg koji je Kenneth ikada vidio bio je u Cochraneu, mjestu u sjeveroistočnom Ontariju, gdje su lagani vjetrovi kovitlali snježne pahulje dok su padale s neba.
Fasciniran elementima, Libbrecht proučava svoju pjenastu ploču s upornošću arheologa. Ako je tu nešto zanimljivo, oko će sigurno zapeti za to. Ako nije, snijeg se pomete s daske i sve počinje ispočetka. I to traje satima.
Libbrecht je fizičar. Zabavnom slučajnošću, njegov laboratorij na Kalifornijskom institutu za tehnologiju bavi se istraživanjem unutarnje strukture Sunca i čak je razvio moderne instrumente za detekciju gravitacijskih valova. Ali zadnjih 20 godina, Libbrechtova prava strast bio je snijeg—ne samo njegov izgled, već i ono zbog čega tako izgleda. “Stalno me muči pitanje kakvi objekti padaju s neba, kako se to događa i zašto tako izgledaju”, priznaje Kenneth.
Dugo je fizičarima bilo dovoljno znati da se među mnoštvom sićušnih snježnih kristala mogu razlikovati dvije prevladavajuće vrste. Jedna od njih je plosnata zvijezda sa šest ili dvanaest krakova, od kojih je svaki ukrašen vrtoglavo lijepom čipkom. Drugi je neka vrsta minijaturnog stupca, ponekad stisnut između ravnih "poklopaca", a ponekad sličan običnom vijku. Ti se oblici mogu vidjeti na različitim temperaturama i vlažnosti, ali razlog za nastanak određenog oblika bio je misterij. Libbrechtova višegodišnja promatranja pomogla su boljem razumijevanju procesa kristalizacije snježnih pahulja.
Libbrechtov rad na ovom području pomogao je u stvaranju novog modela koji objašnjava zašto snježne pahulje i drugi snježni kristali tvore ono što smo navikli vidjeti. Prema njegovoj teoriji, online u listopadu 2019., opisuje kretanje molekula vode blizu točke smrzavanja (kristalizacija) i kako specifična kretanja tih molekula mogu dovesti do skupa kristala koji se formiraju pod različitim uvjetima. U njegovom Na 540 stranica Libbrecht opisuje sva znanja o snježnim kristalima.
Zvijezde sa šest krakova
Vi, naravno, znate da je nemoguće vidjeti dvije identične pahulje (osim u početnoj fazi). Ova činjenica ima veze s načinom na koji se kristali formiraju na nebu. Snijeg je skup kristala leda koji se stvaraju u atmosferi i zadržavaju svoj oblik kada zajedno padnu na Zemlju. Nastaju kada je atmosfera dovoljno hladna da spriječi njihovo spajanje ili topljenje u susnježicu ili kišu.
Iako se mnoge temperature i razine vlažnosti mogu zabilježiti unutar jednog oblaka, za jednu pahulju ove će varijable biti konstantne. Zbog toga pahuljica često raste simetrično. S druge strane, svaka pahulja je izložena vjetru, sunčevoj svjetlosti i drugim čimbenicima. U suštini, svaki je kristal podložan kaosu oblaka i stoga poprima različite oblike.
Prema Libbrechtovim istraživanjima, najranije razmišljanje o ovim delikatnim oblicima zabilježeno je 135. pr. u Kini. “Cvjetovi biljaka i drveća obično su petokraki, ali snježni cvjetovi uvijek su šesterokraki”, napisao je učenjak Han Yin. A prvi znanstvenik koji je pokušao shvatiti zašto se to događa vjerojatno je bio Johannes Kepler, njemački znanstvenik i polihistor.
Godine 1611. Kepler je svom pokrovitelju, caru Svetog rimskog carstva Rudolfu II., poklonio novogodišnji dar: mali pod naslovom „O šesterokutnim pahuljama“.
“Prelazim most, mučen od stida - Ostavio sam te bez novogodišnjeg poklona! A onda mi se ukazala prilika! Vodena para, zgusnuta od hladnoće u snijeg, pada kao pahulje na moju odjeću, sve kao jedna, šesterokutne, s pahuljastim zrakama. Kunem se Herkulom, evo nečega što je manje od svake kapi, ima oblik, može poslužiti kao dugo očekivani novogodišnji poklon ljubitelju Ništa i dostojno je matematičara koji nema Ništa i ne prima ništa, budući da pada s neba i skriva u sebi sliku šesterokutne zvijezde!
“Mora postojati razlog zašto snijeg ima oblik šesterokutne zvijezde. Ovo ne može biti slučajnost”, bio je siguran Johannes Kepler. Možda se sjetio pisma svog suvremenika Thomasa Harriota, engleskog znanstvenika i astronoma koji je također uspio raditi kao navigator za istraživača Sir Waltera Raleigha. Oko 1584. Harriot je tražio najučinkovitiji način za slaganje topovskih zrna na palube Raleighovih brodova. Harriot je otkrio da se čini da su šesterokutni uzorci najbolji način da se slože sfere i raspravljao je o ovom pitanju u dopisivanju s Keplerom. Kepler se pitao događa li se nešto slično u snježnim pahuljama i koji je element odgovoran za stvaranje i održavanje ovih šest zraka.
Oblici pahuljica
Možemo reći da je to bilo početno razumijevanje principa atomske fizike, o čemu će se govoriti tek 300 godina kasnije. Doista, molekule vode, sa svoja dva atoma vodika i jednim atomom kisika, nastoje se spojiti i formirati šesterokutne nizove. Kepler i njegovi suvremenici nisu imali pojma koliko je to važno.
Kako kažu fizičari, zahvaljujući vodikovom povezivanju i međusobnoj interakciji molekula možemo promatrati otvorenu kristalnu strukturu. Uz njegovu sposobnost rasta snježnih pahuljica, heksagonalna struktura omogućuje ledu da bude manje gustoće od vode, što ima golem utjecaj na geokemiju, geofiziku i klimu. Drugim riječima, da led ne pluta, život na Zemlji bi bio nemoguć.
No nakon Keplerove rasprave, promatranje snježnih pahulja bilo je više hobi nego ozbiljna znanost. U 1880-ima, američki fotograf po imenu Wilson Bentley, koji je živio u hladnom, uvijek snježnom malom gradiću Jericho (Vermont, SAD), počeo je fotografirati pahulje pomoću fotografskih ploča. Uspio je napraviti više od 5000 fotografija prije nego što je umro od upale pluća.
Još kasnije, tridesetih godina prošlog stoljeća, japanski istraživač Ukichiro Nakaya počeo je sustavno proučavati različite vrste snježnih kristala. Sredinom stoljeća, Nakaya je uzgajao snježne pahulje u laboratoriju koristeći pojedinačne zečje dlake smještene u rashlađenu prostoriju. Petljao je s postavkama vlažnosti i temperature, uzgajao osnovne vrste kristala i sastavio svoj originalni katalog mogućih oblika. Nakaya je otkrio da se zvijezde snježne pahulje obično formiraju na -1930°C i na -2°C. Kolone se formiraju na -15 °C i na približno -5 °C.
Ovdje je važno napomenuti da se na temperaturi od oko -2 °C pojavljuju tanki pločasti oblici snježnih pahulja, na -5 °C stvaraju tanke stupove i iglice, a kada temperatura padne na -15 °C postaju stvarno tanke ploče, a na temperaturama ispod - Na 30 °C vraćaju se u deblje kolone.
U uvjetima niske vlažnosti, zvjezdane pahulje formiraju nekoliko grana i nalikuju šesterokutnim pločama, ali u visokoj vlažnosti postaju zamršenije i čipkaste.
Prema Libbrechtu, razlozi za pojavu različitih oblika snježnih pahulja postali su jasniji zahvaljujući Nakaijevom radu. Utvrđeno je da se snježni kristali razvijaju u ravne zvijezde i ploče (umjesto u trodimenzionalne strukture) kada rubovi brzo rastu prema van, a lica polako rastu prema gore. Tanke kolone rastu različito, s brzo rastućim rubovima i sporije rastućim rubovima.
U isto vrijeme ostaju nejasni osnovni procesi koji utječu na to hoće li pahulja postati zvijezda ili stup. Možda je tajna bila u temperaturnim uvjetima. I Libbrecht je pokušao pronaći odgovor na to pitanje.
Recept za pahuljice
Zajedno sa svojim malim timom istraživača, Libbrecht je pokušao doći do recepta za pahuljicu. Odnosno, određeni skup jednadžbi i parametara koji se mogu učitati u računalo i dobiti veličanstvenu raznolikost snježnih pahulja od umjetne inteligencije.
Kenneth Libbrecht započeo je svoje istraživanje prije dvadeset godina nakon što je saznao za egzotični oblik snježne pahulje koji se zove zatvoreni stup. Izgleda kao kalem konca ili dva kotača i osovina. Rođen na sjeveru zemlje, bio je šokiran činjenicom da nikada nije vidio takvu pahulju.
Zadivljen beskrajnim oblicima snježnih kristala, počeo je njihovu prirodu stvaranjem laboratorija za uzgoj snježnih pahulja. Rezultati višegodišnjih promatranja pomogli su u stvaranju modela koji sam autor smatra probojem. Predložio je ideju molekularne difuzije temeljene na površinskoj energiji. Ova ideja opisuje kako rast snježnog kristala ovisi o početnim uvjetima i ponašanju molekula koje ga tvore.
Zamislite da su molekule vode labavo smještene jer se vodena para tek počinje smrzavati. Kad biste mogli biti unutar malene zvjezdarnice i promatrati ovaj proces, mogli biste vidjeti kako smrznute molekule vode počinju formirati krutu rešetku, gdje je svaki atom kisika okružen s četiri atoma vodika. Ti kristali rastu tako što u svoju strukturu ugrađuju molekule vode iz okolnog zraka. Mogu rasti u dva glavna smjera: prema gore ili prema van.
Tanak, ravan kristal (lamelarnog ili zvjezdastog oblika) nastaje kada se rubovi formiraju brže od dviju strana kristala. Rastući kristal će se širiti prema van. Međutim, kada njegova lica rastu brže od njegovih rubova, kristal raste više, tvoreći iglu, šuplji stup ili šipku.
Rijetki oblici snježnih pahulja
Još jedan trenutak. Obratite pažnju na treću fotografiju koju je snimio Libbrecht u sjevernom Ontariju. Ovo je kristal "zatvorenog stupca" - dvije ploče pričvršćene na krajeve debelog stupčastog kristala. U tom slučaju svaka ploča je podijeljena na par mnogo tanjih ploča. Pažljivo pogledajte rubove, vidjet ćete kako je tanjur podijeljen na dva dijela. Rubovi ovih dviju tankih ploča oštri su poput oštrice žileta. Ukupna duljina stupca leda je oko 1,5 mm.
Prema Libbrechtovom modelu, vodena para se prvo taloži na uglovima kristala, a zatim se širi (difundira) duž površine ili do ruba kristala ili do njegovih strana, uzrokujući rast kristala prema van ili prema gore. Koji od ovih procesa "pobjeđuje" ovisi uglavnom o temperaturi.
Treba napomenuti da je model "polu-empirijski". Odnosno, djelomično je strukturiran da odgovara onome što se događa, a ne da objašnjava principe rasta snježne pahulje. Nestabilnost i interakcije između bezbrojnih molekula previše su složene da bi se u potpunosti razotkrile. Ipak, ostaje nada da će Libbrechtove ideje poslužiti kao osnova za sveobuhvatan model dinamike rasta leda, koji se može detaljizirati detaljnijim mjerenjima i eksperimentima.
Ne treba misliti da su ova opažanja od interesa za uski krug znanstvenika. Slična pitanja javljaju se u fizici kondenzirane tvari iu drugim područjima. Molekule lijekova, poluvodički čipovi za računala, solarne ćelije i mnoštvo drugih industrija oslanjaju se na visokokvalitetne kristale, a čitavi timovi posvećeni su njihovom uzgoju. Tako bi Libbrechtove jako voljene pahulje mogle dobro poslužiti znanosti.
Što još možete pročitati na blogu?
→
→
→
→
→
Pretplatite se na naš -kanal kako ne biste propustili sljedeći članak! Pišemo ne više od dva puta tjedno i samo poslovno. Usput, ako već ne znate, startupi mogu dobiti 10 dolara od Cloud000Y. Uvjete i prijavnicu za zainteresirane možete pronaći na našoj web stranici:
Izvor: www.habr.com