Idén télen a középső Oroszországban kevés a hó. Persze, egyes helyeken hullt, de januárban valami hidegebb és havasabb időre lehetett számítani. A szürkeség és a kellemetlen latyak megakadályozza, hogy örömet érezzünk a megszokott téli szórakozásokból. Ezért a Cloud4Y azt javasolja, hogy adjunk egy kis havat az életünkhöz, beszéljünk a… hópelyhekről.
Úgy tartják, hogy a hópelyhek csak két típusúak. A hópelyhekkel foglalkozó tudós egyikének, akit a hópelyhek „atyjának” is neveznek, új elmélete született, amely megmagyarázza ennek okát. — egy csodálatos ember, aki télen, a napsütötte Dél-Kaliforniából elhagyni készül, hogy eljusson Fairbanksbe (Alaszkában), felvegyen egy meleg kabátot, és egy fagyos mezőn üljön egy kamerával és egy darab styrofoammal a kezében.
Miért? Ő keresi a legfényesebb, legtextúrázottabb, legszebb hópelyheket, amelyeket a természet létrehozhat. Elmondása szerint a legérdekesebb darabok általában a leghidegebb helyeken keletkeznek — a hírhedt Fairbanksben és Észak-New York havas részein. A legjobb hó, amit Kenneth valaha látott, Cochrane-ből jött, egy kis településről Ontario északkeleti részén, ahol a gyenge szél forgatta a hópelyheket, amelyek az égből hulltak.
Rabul ejtette az elem, Libbrecht az archeológus kitartásával kutatja a styrofoam tábláját. Ha ott van valami érdekes, a tekintet mindenképpen megakad. Ha nem, a hó lesöpörhető a tábláról, és minden kezdődik elölről. Ez órákig tart.
Libbrecht fizikus. Furcsa véletlen folytán laboratóriuma a Kaliforniai Technológiai Intézetben a Nap belső szerkezetének kutatásával foglalkozik, sőt, modern eszközöket is kifejlesztett a gravitációs hullámok észlelésére. Azonban az utolsó 20 évben Libbrecht valódi szenvedélye a hó volt — nemcsak a kinézete, hanem az is, ami miatt úgy néz ki. "A kérdés, hogy milyen objektumok hullanak az égből, hogyan történik ez és miért így néznek ki, folyamatosan foglalkoztat," ismeri el Kenneth.
Sokáig elegendő volt a fizikusok számára tudni, hogy a sok apró hópehely között két domináló típust lehet megkülönböztetni. Az egyik a lapos csillag, hat vagy tizenkét ággal, melyeket lenyűgözően szép csipkék díszítenek. A másik egyfajta miniatűr oszlop, amely néha lapos 'fedők' között szorul, máskor pedig egy normál csavarra hasonlít. Ezek a formák különböző hőmérsékleten és páratartalom mellett láthatók, de a különböző formák kialakulásának oka rejtély volt. Libbrecht évekig tartó megfigyelései segítettek jobban megérteni a hópelyhek kristályosodásának folyamatát.
Libbrecht munkássága ezen a területen új modellt segített létrehozni, amely magyarázza, miért alakulnak a hópelyhek és más hókristályok az általunk megszokott formákban. Elmélete szerint, 2019 októberében az interneten publikáltak, leírja a vízmolekulák mozgását a fagyáspont (kristályosodás) közelében, és hogy ezek a molekulák hogyan tudnak olyan együttes kristályokat létrehozni, amelyek különböző körülmények között képződnek. A 540 oldal terjedelemben Libbrecht az összes tudásról beszél, amely a hókristályokkal kapcsolatos.
Hatágú csillagok
Persze, tudja, hogy lehetetlen két ugyanolyan hópelyhet látni (kivéve a keletkezési fázisban). Ennek az a sora, hogy a kristályok hogyan képződnek az égbolton. A hó jégkristályok halmazát jelenti, amelyek a légkörben alakulnak ki, és megőrzik formájukat, amikor együtt zuhannak a Földre. Akkor keletkeznek, amikor a légkör elég hideg ahhoz, hogy ne lehetővé tegye az összeolvadást vagy az olvadást, és ne változzon nedves hóra vagy esőre.
Bár egy felhőn belül számos hőmérséklet és páratartalom rögzíthető, egy hópehely számára ezek a változók állandóak lesznek. Ezért a hópehely gyakran szimmetrikusan növekszik. Másrészt, minden egyes hópehely kitéve a szél, a napsütés és egyéb tényezők hatásának. Lényegében minden kristály alá van rendelve a felhő káoszának, így különböző formákat öltenek.
A Libbrecht tanulmánya szerint a legkorábbi gondolatok ezekről a finom formákról a Kr.e. 135-ös évben kerültek rögzítésre Kínában. "A növények és fák virágai általában ötágúak, de a hóvirágok mindig hatszögletűek" – írta Han Yin tudós. Az első tudós, aki megpróbálta megérteni, miért történik ez, valószínűleg Johannes Kepler, a német tudós és rétor volt.
1611-ben Kepler újévi ajándékot adott védnökének, a Szent Római Birodalom császárának, Rudolf II-nek: egy kis «A hatszögletű hópelyhekről».
"Átmegyek a hídon, szégyen gyötör – ajándék nélkül hagytalak! És itt egy kedvező alkalom kínálkozik! A vízgőzök, a hideg hatására hóvá sűrűsödve, hópelyhek formájában hullanak a ruhámra, mindegyik hatszögletű, bolyhos sugarakkal. Héraklész szavára esküszöm, ez az a dolog, ami kisebb bármely cseppnél, formája van, és hosszú ideje várt újévi ajándékként szolgálhat a Nimcsoda kedvelőjének, és méltó egy matematikushoz, aki Nincs vajon és Nincst kap, mivel az égből hullik, és a hatszögletű csillag hasonlóságát rejti magában!"
"Biztosan van oka, hogy a hó hatszögletű csillagformát ölt. Ez nem lehet véletlen" – volt biztos Johannes Kepler. Lehetséges, hogy eszébe jutott egy levele kortársától, Thomas Harriot-tól, az angol tudóstól és csillagásztól, aki szintén dolgozott navigátorként Raleigh kapitány mellett. 1584 körül Harriot a leghatékonyabb módját kereste a kannyúk golyóinak elhelyezésére Raleigh hajóinak fedélzetén. Harriot felfedezte, hogy a hatszögletű minták tűnnek a legjobbnak a gömbök elhelyezésére, és ezt a kérdést Keplerről folytatta levelezésében. Kepler azon töprengett, történik-e valami hasonló a hópelyhekben, és milyen elem tartja ezeket a hat sugarat.
A hópelyhek formái
Azt lehet mondani, hogy ez volt az atomfizika alapelveinek kezdeti megértése, amiről csak 300 év múlva fognak beszélni. Valóban, a vízmolekulák, melyek két hidrogén és egy oxigén atomot tartalmaznak, hajlamosak összekapcsolódni, létrehozva a hatszögletű szerkezeteket. Kepler és kortársai még csak nem is sejtették, mennyire fontos ez.
Ahogy a fizikák mondják, a hidrogénkötésnek és a molekulák egymás közötti kölcsönhatásának köszönhetően megfigyelhetjük a nyílt kristályszerkezetet. Azon kívül, hogy képesek vagyunk hópelyheket előállítani, a hatszögletű szerkezet lehetővé teszi, hogy a jég kevésbé legyen sűrű a vízhez képest, ami óriási hatással van a geokémiára, geofizikára és az éghajlatra. Más szavakkal, ha a jég nem úszna, az élet a Földön lehetetlen lenne.
De Kepler traktátuma után a hópelyhek megfigyelése inkább hobbi volt, mint komoly tudomány. Az 1880-as években egy amerikai fényképész, Wilson Bentley, aki egy hideg, folyamatosan hó fedte kisvárosban, Jericho-ban (Vermont, USA) élt, elkezdte fényképezni a hópelyheket fényképlemezek segítségével. Mielőtt tüdőgyulladásban elhunyt, több mint 5000 fényképet készített.
Később, az 1930-as években, egy japán kutató, Ukichiro Nakaya, elkezdte a különféle hókristály-típusok szisztematikus tanulmányozását. A század közepén Nakaya laboratóriumban készített hópelyheket, különböző nyúlszőröket használva, amelyeket lehűtött szobákba helyezett. A páratartalom és a hőmérséklet beállításaival foglalkozott, alapvető kristálytípusokat növesztett, és összegyűjtötte az eredeti lehetséges formák katalógusát. Nakaya felfedezte, hogy a csillag alakú hópelyhek -2 °C és -15 °C között hajlamosak kialakulni. Az oszlopok -5 °C-nál és körülbelül -30 °C-nál képződnek.
Itt fontos megjegyezni, hogy körülbelül -2 °C körül vékony lemezes hópehely-formák jelennek meg, -5 °C-nál vékony oszlopokat és tűket képeznek, amikor a hőmérséklet -15 °C-ra süllyed, akkor valóban vékony lemezekké válnak, míg -30 °C alatt vastagabb oszlopok formájában térnek vissza.
Alacsony páratartalom mellett a csillag hópelyhek több ágat alkotnak, és hatszögletű lemezekre hasonlítanak, de magas páratartalom mellett bonyolultabb, csipkézett formákat vesznek fel.
Libbrecht véleménye szerint a különböző hópehely-formák megjelenésének okait éppen Nakaya munkájának köszönhetően értették meg jobban. Megállapították, hogy a hókristályok lapos csillagokká és lemezekké (nem háromdimenziós struktúrákká) alakulnak, amikor a szélek gyorsan nőnek kifelé, míg az élek lassan nőnek felfelé. A vékony oszlopok másképp nőnek, gyorsan növekvő élekkel és lassabban növekvő szélekkel.
Ugyanakkor a fő folyamatok, amelyek befolyásolják, hogy a hópehely csillaggá vagy oszloppá válik, továbbra is tisztázatlanok maradtak. Lehet, hogy a titok a hőmérsékleti körülményekben rejlik. Libbrecht próbálta megtalálni a választ erre a kérdésre.
A hópehely receptje
Kis kutatócsapatával Libbrecht azon dolgozott, hogy kidolgozza a hópehely receptjét. Vagyis egy olyan egyenletek és paraméterek halmazát, amelyeket a számítógépbe betöltve a mesterséges intelligencia csodálatos hópehelyváltozatokat tud létrehozni.
Kutatásait Kenneth Libbrecht húsz évvel ezelőtt kezdte, amikor értesült egy egzotikus hópehelyformáról, amit zárt oszlopnak neveznek. Hasonlít egy cérnatekercshez vagy két kerékre és tengelyre. Észak vidéki szülötteként megdöbbent azon a tényen, hogy soha nem látott ilyen hópelyhet.
A hókristályok végtelen formái lenyűgözték, ezért belekezdett létrehozva egy laboratóriumot a hópelyhek nevelésére. A hosszú évek megfigyeléseinek eredménye segített egy olyan modell létrehozásában, amelyet maga az alkotó áttörésinek tart. Felvetette a molekuláris diffúzió ötletét a felületi energia alapján. Ez az elmélet leírja, hogy a hókristály növekedése hogyan függ a kezdeti feltételektől és azoktól a molekuláktól, amelyek kialakítják.
Képzelje el, hogy a vízmolekulák szabadon helyezkednek el, mivel a vízgőz éppen kezd fagyosodni. Ha lehetne egy kis obszervatóriumban tartózkodni és figyelni ezt a folyamatot, láthatná, ahogy a megfagyott vízmolekulák elkezdenek egy szilárd rácsot alkotni, ahol minden oxigénatomot négy hidrogénatom vesz körül. Ezek a kristályok az őket körülvevő levegőből vízmolekulákat fogadnak be a szerkezetükbe. Két fő irányban nőhetnek: felfelé vagy kifelé.
Vékony, lapos kristály (lemez vagy csillagalakú) akkor képződik, amikor az élek gyorsabban fejlődnek, mint a kristály két lapja. A növekvő kristály kifelé terjed. Ha azonban a lapjai gyorsabban nőnek, mint az élei, a kristály magasabbá válik, képet, üreges oszlopot vagy rudat alkotva.
Ritka hópehelyformák
Egy másik pillanat. Figyeljen a harmadik fényképre, amelyet Libbrecht készített Észak-Ontarióban. Ez egy kristály "zárt oszlopokkal" — két lemez, amely a vastag oszlopos kristály végéhez van rögzítve. Ebben az esetben minden lemez párokra van osztva, sokkal vékonyabb lemezekre. Nézze meg a széleket, látni fogja, ahogy a lemez két részre oszlik. Az átlátszó oszlop összhossza körülbelül 1,5 mm.
Libbrecht modellje szerint a vízgőz először a kristály sarkaiban ülepszik le, majd eloszlik (diffundál) a felszínen, vagy a kristály széle felé, vagy a síkjai felé, arra kényszerítve a kristályt, hogy kifelé vagy felfelé nőjön. Hogy melyik folyamat "nyer", az főként a hőmérséklettől függ.
Érdemes megjegyezni, hogy a modell "félempirikus". Vagyis részben az történik, hogy illeszkedik a folyamathoz, nem pedig azt magyarázza el, hogyan nőnek a hópelyhek. A molekulák között fennálló instabilitások és kölcsönhatások túlságosan bonyolultak ahhoz, hogy teljes mértékben feltárjuk őket. Mindezek ellenére reménykedhetünk, hogy Libbrecht ötletei alapot adnak a jég növekedési dinamikájának átfogó modelljéhez, amely részletesebb mérések és kísérletek révén ki tud bővülni.
Ne gondolja, hogy ezek a megfigyelések egy szűk tudóskörnek érdekesek. Hasonló kérdések merülnek fel a kondenzált anyagok fizikájában és más területeken is. A gyógyszermolekulák, a számítógépek félvezető chipjei, a napenergia elemek és sok más iparág a kiváló minőségű kristályokra támaszkodik, és egész csoportok foglalkoznak a növesztésükkel. Így a Libbrecht által annyira szeretett hópelyhek a tudomány javára is szolgálhatnak.
Milyen hasznos dolgokat olvashat még a blogban
→
→
→
→
→
Iratkozzon fel az -csatorna, hogy ne maradjon le a legújabb cikkről! Nem írunk gyakrabban, mint kétszer egy héten és csak a lényegre. Egyébként, ha még nem tudná, a startupok 10 000 dollárt kaphatnak a Cloud4Y-tól. A feltételek és a jelentkezési lap a weboldalunkon található:
Forrás: habr.com
