Oroszország középső részén nincs elég hó ezen a télen. Néhol persze esett, de januárban még fagyos, havas időre lehetett számítani. A tompa szürkeség és a kellemetlen latyakosság megakadályozza, hogy átélje a szokásos téli szórakozás örömét. Ezért a Cloud4Y azt javasolja, hogy adjunk egy kis havat az életünkbe azzal, hogy... hópelyhekről beszélünk.
Úgy gondolják, hogy csak kétféle hópelyh létezik. Az egyik tudós, akit néha a hópehely fizika „atyjának” is neveznek, új elmélettel magyarázza ennek okát. egy csodálatos ember, aki kész elhagyni a napsütötte Dél-Kaliforniát a tél közepén, hogy eljusson Fairbanksbe (Alaszka), meleg kabátot vegyen fel és egy fagyos mezőn üljön fényképezőgéppel és egy darab habbal a kezében. .
Miért? Keresi a legcsillogóbb, leginkább textúrájú, legszebb hópelyheket, amelyeket a természet létrehozhat. Elmondása szerint a legérdekesebb minták általában a leghidegebb helyeken alakulnak ki - a hírhedt Fairbanksben és New York havas északi részén. A legjobb hó, amit Kenneth valaha is látott, Cochrane-ben volt, egy helyen Ontario északkeleti részén, ahol az enyhe szelek hópelyheket kavargattak, amint lehullottak az égből.
Az elemektől lenyűgözve Libbrecht a régész szívósságával tanulmányozza habtábláját. Ha van ott valami érdekes, biztosan megakad rajta a szem. Ha nem, a havat lesöprik a tábláról, és minden kezdődik elölről. És ez órákig tart.
Libbrecht fizikus. Mulatságos egybeesés folytán a Kaliforniai Műszaki Intézetben található laboratóriuma a Nap belső szerkezetének kutatásával foglalkozik, sőt modern műszereket is kifejlesztett a gravitációs hullámok detektálására. De az elmúlt 20 évben Libbrecht igazi szenvedélye a hó volt – nemcsak a megjelenése, hanem az is, hogy mitől is úgy néz ki. „Mindig gyötör a kérdés, hogy milyen tárgyak esnek le az égből, hogyan történik, és miért néznek ki így” – vallja be Kenneth.
A fizikusoknak sokáig elég volt tudni, hogy a sok apró hókristály között két uralkodó típust lehet megkülönböztetni. Az egyik egy lapos csillag hat-tizenkét karral, melyek mindegyikét szédítően szép csipke díszíti. A másik egyfajta miniatűr oszlop, hol lapos „burkolatok” közé szorul, hol pedig egy közönséges csavarhoz hasonlít. Ezek az alakzatok különböző hőmérsékleten és páratartalom mellett láthatók, de egy adott forma kialakulásának oka rejtély maradt. Libbrecht több éves megfigyelései segítettek jobban megérteni a hópelyhek kristályosodási folyamatát.
Libbrecht ezen a területen végzett munkája segített létrehozni egy új modellt, amely megmagyarázza, miért alkotnak hópelyhek és más hókristályok azt, amit látni szoktunk. Elmélete szerint online 2019 októberében, leírja a vízmolekulák mozgását a fagyáspont közelében (kristályosodás), és azt, hogy e molekulák specifikus mozgása hogyan hozhat létre különböző körülmények között képződő kristályok gyűjteményét. Az övében Libbrecht 540 oldalon leírja a hókristályokkal kapcsolatos összes ismeretet.
Hatágú csillagok
Természetesen tudja, hogy lehetetlen két egyforma hópelyhet látni (kivéve a kezdeti szakaszban). Ez a tény összefügg azzal, hogy a kristályok hogyan alakulnak ki az égen. A hó jégkristályok gyűjteménye, amelyek a légkörben képződnek, és megtartják alakjukat, amikor együtt esnek a Földre. Akkor alakulnak ki, amikor a légkör elég hideg ahhoz, hogy ne olvadjanak össze vagy olvadjanak ónos esővé vagy esővé.
Bár egyetlen felhőn belül sok hőmérséklet és páratartalom rögzíthető, egyetlen hópehely esetében ezek a változók állandóak. Ez az oka annak, hogy a hópehely gyakran szimmetrikusan nő. Másrészt minden hópehely ki van téve a szélnek, a napfénynek és más tényezőknek. Lényegében minden kristály ki van téve a felhő káoszának, ezért különböző formákat ölt.
Libbrecht kutatásai szerint a legkorábbi gondolkodást ezekről a finom formákról Kr. e. 135-ben jegyezték fel. Kínában. „A növények és fák virágai általában ötágúak, de a hó virágai mindig hatágúak” – írta Han Yin tudós. És az első tudós, aki megpróbálta kitalálni, miért történik ez, valószínűleg Johannes Kepler, egy német tudós és polihisztor volt.
1611-ben Kepler újévi ajándékot adott át pártfogójának, II. Rudolf római császárnak: egy kis "A hatszögletű hópelyhekről" címmel.
„Szégyen gyötörve kelek át a hídon – újévi ajándék nélkül hagytalak! És akkor jött egy lehetőség! A hidegtől hóvá sűrűsödött vízgőz hópelyhekként hull a ruhámra, mind egyként, hatszögletűen, pihe-puha sugarakkal. Herkulesre esküszöm, itt van egy olyan dolog, ami minden cseppnél kisebb, van formája, várva várt újévi ajándékként szolgálhat a Semmi szerelmese számára, és méltó egy matematikushoz, akinek nincs semmije és semmit sem kap, hiszen leesik az égből, és egy hatszögletű csillag képét rejti magában!
„Bizonyára megvan az oka annak, hogy a hó hatszögletű csillag alakú. Ez nem lehet véletlen” – volt biztos Johannes Kepler. Talán eszébe jutott egy levele kortársától, Thomas Harriottól, egy angol tudóstól és csillagásztól, akinek sikerült Sir Walter Raleigh felfedező navigátoraként is dolgoznia. 1584 körül Harriot az ágyúgolyók leghatékonyabb módját kereste a Raleigh hajók fedélzetén. Harriot úgy találta, hogy a hatszögletű minták a legjobb módja a gömbök elrendezésének, és ezt a kérdést Keplerrel folytatott levelezésben tárgyalta. Kepler azon töprengett, hogy történik-e hasonló a hópelyhekben, és melyik elem felelős azért, hogy ez a hat sugár létrejöjjön és fennmaradjon.
Hópehely formák
Elmondhatjuk, hogy ez volt az atomfizika alapelveinek kezdeti megértése, amelyről csak 300 évvel később lesz szó. Valójában a két hidrogénatommal és egy oxigénatommal rendelkező vízmolekulák hajlamosak egymáshoz hatszögletű tömböket alkotni. Keplernek és kortársainak fogalmuk sem volt, milyen fontos ez.
Ahogy a fizikusok mondják, a hidrogénkötésnek és a molekulák egymás közötti kölcsönhatásának köszönhetően nyitott kristályszerkezetet figyelhetünk meg. Amellett, hogy képes hópelyheket növeszteni, a hatszögletű szerkezet lehetővé teszi, hogy a jég kevésbé sűrű legyen, mint a víz, ami óriási hatással van a geokémiára, a geofizikára és az éghajlatra. Más szóval, ha a jég nem úszna, lehetetlen lenne az élet a Földön.
De Kepler értekezése után a hópelyhek megfigyelése inkább hobbi volt, mint komoly tudomány. Az 1880-as években egy Wilson Bentley nevű amerikai fotós, aki Jericho (Vermont, USA) hideg, mindig havas kisvárosában élt, fotólemezekkel kezdett hópelyheket fényképezni. Több mint 5000 fényképet sikerült elkészítenie, mielőtt tüdőgyulladásban meghalt.
Még később, az 1930-as években Ukichiro Nakaya japán kutató szisztematikusan tanulmányozni kezdte a különböző típusú hókristályokat. A század közepén Nakaya hópelyheket növesztett a laboratóriumban egy hűtött helyiségben elhelyezett egyedi nyúlszőrből. Kidolgozta a páratartalom és a hőmérséklet beállításait, alapvető kristálytípusokat termesztett, és összeállította eredeti katalógusát a lehetséges formákról. Nakaya felfedezte, hogy a hópehely csillagok -2°C-on és -15°C-on hajlamosak kialakulni. Az oszlopok -5 °C-on és körülbelül -30 °C-on alakulnak ki.
Itt fontos megjegyezni, hogy -2 °C körüli hőmérsékleten vékony lemezszerű hópelyhek jelennek meg, -5 °C-on vékony oszlopokat, tűket hoznak létre, amikor a hőmérséklet -15 °C-ra csökken, akkor válnak igazán elvékonyodni. lemezek, és alatti hőmérsékleten - 30 °C-on visszatérnek a vastagabb oszlopokba.
Alacsony páratartalmú körülmények között a csillaghópelyhek több ágat alkotnak, és hatszögletű lemezekre hasonlítanak, de magas páratartalom esetén bonyolultabbá és csipkésebbé válnak.
Libbrecht szerint Nakai munkásságának köszönhetően világosabbá váltak a hópelyhek különböző formáinak megjelenésének okai. Azt találták, hogy a hókristályok lapos csillagokká és lemezekké fejlődnek (és nem háromdimenziós szerkezetekké), amikor a szélek gyorsan kifelé, a lapok pedig lassan felfelé nőnek. A vékony oszlopok eltérő módon nőnek, gyorsan növekvő élekkel és lassabban növekvő élekkel.
Ugyanakkor tisztázatlanok maradnak azok az alapvető folyamatok, amelyek befolyásolják, hogy a hópehelyből csillag vagy oszlop lesz-e. Talán a titok a hőmérsékleti viszonyokban rejlett. Libbrecht pedig megpróbált választ találni erre a kérdésre.
Hópehely recept
Libbrecht kis kutatócsoportjával együtt megpróbált egy hópehely receptjét kitalálni. Vagyis egy bizonyos egyenlet- és paraméterkészlet, amely betölthető a számítógépbe, és csodálatos hópelyhek gyűjteménye az AI-ból.
Kenneth Libbrecht húsz évvel ezelőtt kezdte kutatásait, miután megismerte a zárt oszlopnak nevezett egzotikus hópehely formát. Úgy néz ki, mint egy tekercs cérna vagy két kerék és egy tengely. Az ország északi részén született, megdöbbentette, hogy még soha nem látott ilyen hópelyhet.
Meghökkentve a hókristályok végtelen formáitól, elkezdett természetüket a hópelyhek termesztésére szolgáló laboratórium létrehozásával. A sokéves megfigyelések eredményei segítettek létrehozni egy olyan modellt, amelyet a szerző maga is áttörésnek tekint. Felvetette a felületi energián alapuló molekuláris diffúzió ötletét. Ez az elképzelés leírja, hogy a hókristály növekedése hogyan függ a kezdeti feltételektől és az azt alkotó molekulák viselkedésétől.
Képzelje el, hogy a vízmolekulák lazán helyezkednek el, amikor a vízgőz éppen most kezd megfagyni. Ha egy apró obszervatóriumban tartózkodhatna, és megnézné ezt a folyamatot, láthatná, hogyan kezdenek a fagyott vízmolekulák egy merev rácsot alkotni, ahol minden oxigénatomot négy hidrogénatom vesz körül. Ezek a kristályok úgy nőnek, hogy a környező levegőből származó vízmolekulákat építenek be szerkezetükbe. Két fő irányban nőhetnek: felfelé vagy kifelé.
Vékony, lapos kristály (lamelláris vagy csillag alakú) képződik, ha a szélei gyorsabban alakulnak ki, mint a kristály két oldala. A növekvő kristály szétterül kifelé. Ha azonban a lapjai gyorsabban nőnek, mint a szélei, a kristály magasabbra nő, és tűt, üreges oszlopot vagy rudat alkot.
A hópelyhek ritka formái
Még egy pillanat. Jegyezze meg a harmadik fotót, amelyet Libbrecht készített Ontario északi részén. Ez egy "zárt oszlop" kristály - két lemez, amelyek egy vastag oszlopos kristály végeihez vannak rögzítve. Ebben az esetben minden lemezt egy pár sokkal vékonyabb lemezre osztanak. Nézze meg alaposan a széleit, látni fogja, hogyan oszlik ketté a lemez. Ennek a két vékony lemeznek a széle körülbelül olyan éles, mint egy borotvapenge. A jégoszlop teljes hossza körülbelül 1,5 mm.
Libbrecht modellje szerint a vízgőz először a kristály sarkain telepszik le, majd a felület mentén szétterül (diffundál) akár a kristály szélére, akár annak lapjaira, aminek következtében a kristály kifelé vagy felfelé nő. Az, hogy ezek közül a folyamatok közül melyik „nyer”, főként a hőmérséklettől függ.
Meg kell jegyezni, hogy a modell „fél-empirikus”. Vagyis részben úgy van felépítve, hogy megfeleljen annak, ami történik, és nem a hópehely növekedésének elveit magyarázza. A számtalan molekula közötti instabilitások és kölcsönhatások túl bonyolultak ahhoz, hogy teljesen feltárjuk. A remény azonban továbbra is fennáll, hogy Libbrecht elképzelései alapul szolgálnak majd a jégnövekedés dinamikájának átfogó modelljéhez, amely részletesebb mérésekkel és kísérletekkel részletezhető.
Nem szabad azt gondolni, hogy ezek a megfigyelések a tudósok szűk körét érdeklik. Hasonló kérdések merülnek fel a kondenzált anyag fizikában és más területeken is. A gyógyszermolekulák, a számítógépekhez használt félvezető chipek, a napelemek és számos más iparág a kiváló minőségű kristályokra támaszkodik, és egész csapatok elkötelezettek a termesztésükért. Tehát Libbrecht szeretett hópelyhei a tudomány javát szolgálhatják.
Mit olvashatsz még a blogon?
→
→
→
→
→
Iratkozzon fel a -csatorna, hogy ne maradj le a következő cikkről! Hetente legfeljebb kétszer írunk, és csak üzleti ügyben. Egyébként, ha még nem tudnád, a startupok 10 000 dollárt kaphatnak a Cloud4Y-től. A feltételek és a jelentkezési lap az érdeklődők számára megtalálható honlapunkon:
Forrás: will.com