Það er ekki nægur snjór í miðhluta Rússlands í vetur. Það féll auðvitað sums staðar en í janúar mátti búast við frekar frosti og snjókomu. Daufur grár og óþægilegur krapi kemur í veg fyrir að þú finni fyrir gleðinni yfir venjulegri vetrargleði. Þess vegna leggur Cloud4Y til að bæta smá snjó inn í líf okkar með því að tala um... snjókorn.
Talið er að aðeins séu til tvær tegundir af snjókornum. Og einn af vísindamönnunum, stundum kallaður „faðir“ snjókornaeðlisfræðinnar, hefur nýja kenningu til að útskýra ástæðuna fyrir þessu. er mögnuð manneskja sem er tilbúin að yfirgefa sólarhita Suður-Kaliforníu um miðjan vetur til að komast til Fairbanks (Alaska), fara í hlýjan jakka og sitja á frosnum akri með myndavél og froðustykki í höndunum. .
Til hvers? Hann leitar að glitrandi, áferðarmestu, fallegustu snjókornum sem náttúran getur búið til. Að hans sögn hafa áhugaverðustu sýnin tilhneigingu til að myndast á köldustu stöðum - hinum alræmdu Fairbanks og snævi norðurhluta New York. Besti snjór sem Kenneth hafði séð var í Cochrane, stað í norðausturhluta Ontario, þar sem hægir vindar þyrluðu snjókornum þegar þau féllu af himni.
Libbrecht er heilluð af frumunum og rannsakar froðuborðið sitt af þrautseigju fornleifafræðings. Ef það er eitthvað áhugavert þarna mun augað örugglega grípa í það. Ef ekki er snjónum sópað af borðinu og allt byrjar aftur. Og þetta varir í klukkutíma.
Libbrecht er eðlisfræðingur. Fyrir skemmtilega tilviljun er rannsóknarstofa hans við Tækniháskólann í Kaliforníu þátttakandi í rannsóknum á innri byggingu sólarinnar og hefur jafnvel þróað nútímaleg tæki til að greina þyngdarbylgjur. En undanfarin 20 ár hefur hin sanna ástríða Libbrecht verið snjór - ekki bara útlit hans, heldur það sem lætur hann líta þannig út. „Spurningin um hvers konar hlutir falla af himni, hvernig það gerist og hvers vegna þeir líta svona út, kvelur mig allan tímann,“ viðurkennir Kenneth.
Lengi vel var nóg fyrir eðlisfræðinga að vita að meðal hinna mörgu örsmáu snjókristalla mátti greina tvær ríkjandi gerðir. Ein þeirra er flatstjarna með sex eða tólf arma sem hver um sig er skreyttur svimandi fallegri blúndu. Hin er eins konar smækkuð súla, stundum samlokuð á milli flatra „hlífa“ og stundum svipað og venjulegur bolti. Þessi form má sjá við mismunandi hitastig og rakastig, en ástæðan fyrir myndun tiltekins forms hefur verið ráðgáta. Margra ára athuganir Libbrecht hjálpuðu til við að skilja betur kristöllunarferli snjókorna.
Vinna Libbrecht á þessu sviði hefur hjálpað til við að búa til nýtt líkan sem útskýrir hvers vegna snjókorn og aðrir snjókristallar mynda það sem við erum vön að sjá. Samkvæmt kenningu hans, á netinu í október 2019, lýsir hreyfingu vatnssameinda nálægt frostmarki (kristöllun) og hvernig sérstakar hreyfingar þessara sameinda geta valdið safni kristalla sem myndast við mismunandi aðstæður. Í hans Á 540 síðum lýsir Libbrecht allri þekkingu um snjókristalla.
Sexarma stjörnur
Þú veist auðvitað að það er ómögulegt að sjá tvö eins snjókorn (nema á upphafsstigi). Þessi staðreynd hefur að gera með hvernig kristallar myndast á himninum. Snjór er safn ískristalla sem myndast í lofthjúpnum og halda lögun sinni þegar þeir falla saman til jarðar. Þeir myndast þegar andrúmsloftið er nógu kalt til að koma í veg fyrir að þeir sameinist eða bráðni í slyddu eða rigningu.
Þó að hægt sé að skrá mörg hitastig og rakastig innan eins skýs, fyrir eitt snjókorn verða þessar breytur stöðugar. Þetta er ástæðan fyrir því að snjókorn vex oft samhverft. Á hinn bóginn er hvert snjókorn fyrir vindi, sólarljósi og öðrum þáttum. Í meginatriðum er hver kristal háður glundroða skýsins og tekur því á sig mismunandi myndir.
Samkvæmt rannsóknum Libbrechts er fyrsta hugsunin um þessi viðkvæmu form skráð árið 135 f.Kr. í Kína. „Blóm plantna og trjáa eru venjulega fimmodd, en snjóblómin eru alltaf sexodd,“ skrifaði fræðimaðurinn Han Yin. Og fyrsti vísindamaðurinn sem reyndi að komast að því hvers vegna þetta gerðist var líklega Johannes Kepler, þýskur vísindamaður og fjölfræðingur.
Árið 1611 færði Kepler nýársgjöf til verndara síns, Rúdolfs II keisara hins heilaga rómverska: litla sem ber yfirskriftina „Um sexhyrnd snjókorn“.
„Ég fer yfir brúna, þjakaður af skömm - ég fór frá þér án nýársgjafa! Og svo kom tækifæri til mín! Vatnsgufa, þykknuð úr kulda í snjó, fellur eins og snjókorn á fötin mín, öll sem eitt, sexhyrnt, með dúnkenndum geislum. Ég sver við Herkúles, hér er hlutur sem er minni en hver dropi, hefur lögun, getur þjónað sem langþráð nýársgjöf til unnanda ekkerts og er verðugur stærðfræðings sem á ekkert og fær ekkert, þar sem hann fellur af himni og leynir í sér líkingu sexhyrndrar stjörnu!
„Það hlýtur að vera ástæða fyrir því að snjór er í laginu eins og sexhyrnd stjarna. Þetta getur ekki verið slys,“ var Johannes Kepler viss um. Kannski mundi hann eftir bréfi frá samtíðarmanni sínum Thomas Harriot, enskum vísinda- og stjörnufræðingi sem einnig tókst að starfa sem siglingamaður hjá landkönnuðinum Sir Walter Raleigh. Um 1584 var Harriot að leita að skilvirkustu leiðinni til að stafla fallbyssukúlum á þilfar Raleigh-skipa. Harriot komst að því að sexhyrnd mynstur virtust vera besta leiðin til að raða kúlum og hann ræddi þetta mál í bréfaskriftum við Kepler. Kepler velti því fyrir sér hvort eitthvað svipað gerist í snjókornum og hvaða þáttur er ábyrgur fyrir því að þessir sex geislar verða til og viðhaldið.
Snjókornaform
Við getum sagt að þetta hafi verið upphaflegur skilningur á meginreglum atómeðlisfræðinnar, sem verður rædd aðeins 300 árum síðar. Reyndar hafa vatnssameindir, með tveimur vetnisatómum sínum og einu súrefni, tilhneigingu til að sameinast og mynda sexhyrndar fylki. Kepler og samtímamenn hans höfðu ekki hugmynd um hversu mikilvægt þetta var.
Eins og eðlisfræðingar segja, þökk sé vetnistengi og samspili sameinda við hvert annað, getum við fylgst með opinni kristalbyggingu. Fyrir utan getu sína til að rækta snjókorn gerir sexhyrnd uppbygging ís kleift að vera þéttari en vatn, sem hefur gríðarleg áhrif á jarðefnafræði, jarðeðlisfræði og loftslag. Með öðrum orðum, ef ís færi ekki á flot væri líf á jörðinni ómögulegt.
En eftir ritgerð Keplers var að fylgjast með snjókornum meira áhugamál en alvarleg vísindi. Á níunda áratugnum byrjaði bandarískur ljósmyndari að nafni Wilson Bentley, sem bjó í köldu, alltaf snjóþungu smábænum Jericho (Vermont, Bandaríkjunum), að taka ljósmyndir af snjókornum með ljósmyndaplötum. Honum tókst að búa til meira en 1880 ljósmyndir áður en hann lést úr lungnabólgu.
Jafnvel síðar, á þriðja áratugnum, byrjaði japanski vísindamaðurinn Ukichiro Nakaya að rannsaka kerfisbundið mismunandi gerðir af snjókristöllum. Um miðja öldina ræktaði Nakaya snjókorn á rannsóknarstofunni með því að nota einstök kanínuhár sett í kæliherbergi. Hann fiktaði við raka- og hitastigsstillingar, ræktaði grunngerðir af kristöllum og tók saman upprunalega vörulista yfir möguleg form. Nakaya uppgötvaði að snjókornastjörnur hafa tilhneigingu til að myndast við -1930°C og við -2°C. Súlur myndast við -15 °C og við um það bil -5 °C.
Það er mikilvægt að hafa í huga hér að við hitastig upp á um -2 °C birtast þunn plötulík form af snjókornum, við -5 °C mynda þau þunnar súlur og nálar, þegar hitastigið fer niður í -15 °C verða þau mjög þunn plötur, og við hitastig undir - Við 30 °C fara þeir aftur í þykkari súlur.
Við lágt rakastig mynda stjörnusnjókorn nokkrar greinar og líkjast sexhyrndum plötum, en við mikla raka verða þau flóknari og blúndur.
Að sögn Libbrecht urðu ástæðurnar fyrir útliti mismunandi tegunda snjókorna skýrari þökk sé verkum Nakai. Komið hefur í ljós að snjókristallar þróast í flatstjörnur og plötur (frekar en þrívíddarbyggingar) þegar brúnirnar vaxa hratt út á við og andlitin vaxa hægt upp. Þunnar súlur vaxa misjafnlega, með ört vaxandi brúnum og hægari vaxandi brúnum.
Á sama tíma eru grunnferlar sem hafa áhrif á hvort snjókorn verður að stjörnu eða súlu óljós. Kannski lá leyndarmálið í hitaskilyrðunum. Og Libbrecht reyndi að finna svar við þessari spurningu.
Uppskrift fyrir snjókorn
Ásamt litlu hópi vísindamanna reyndi Libbrecht að koma með uppskrift að snjókorni. Það er að segja ákveðið sett af jöfnum og breytum sem hægt er að hlaða inn í tölvu og fá stórkostlegt úrval af snjókornum frá gervigreindinni.
Kenneth Libbrecht hóf rannsóknir sínar fyrir tuttugu árum eftir að hann lærði um framandi snjókornaform sem kallast lokuð súla. Það lítur út eins og tvinnakefli eða tvö hjól og ás. Hann var fæddur norður í landi og brá fyrir því að hafa aldrei séð slíkt snjókorn.
Hann var undrandi yfir endalausum formum snjókristallanna og byrjaði að gera það eðli þeirra með því að búa til rannsóknarstofu fyrir snjókornaræktun. Niðurstöður margra ára athugana hjálpuðu til við að búa til líkan sem höfundur sjálfur telur bylting. Hann lagði fram hugmyndina um sameindadreifingu byggða á yfirborðsorku. Þessi hugmynd lýsir því hvernig vöxtur snjókristalls fer eftir upphafsskilyrðum og hegðun sameindanna sem mynda hann.
Ímyndaðu þér að vatnssameindirnar séu staðsettar lauslega þar sem vatnsgufan er rétt að byrja að frjósa. Ef þú gætir verið inni í lítilli stjörnustöð og skoðað þetta ferli gætirðu séð hvernig frosnar vatnssameindir byrja að mynda stífa grind, þar sem hvert súrefnisatóm er umkringt fjórum vetnisatómum. Þessir kristallar vaxa með því að fella vatnssameindir úr loftinu í kring inn í uppbyggingu þeirra. Þeir geta vaxið í tvær megin áttir: upp eða út.
Þunnur, flatur kristal (lamelllaga eða stjörnulaga) myndast þegar brúnirnar myndast hraðar en tvær hliðar kristalsins. Vaxandi kristal mun dreifast út á við. Hins vegar, þegar andlit hans vaxa hraðar en brúnir hans, vex kristallinn hærri og myndar nál, hola stólpa eða stöng.
Sjaldgæfar gerðir af snjókornum
Eitt augnablik enn. Taktu eftir þriðju myndinni, tekin af Libbrecht í norðurhluta Ontario. Þetta er "lokaður dálkur" kristal - tvær plötur festar á enda þykks súlulaga kristals. Í þessu tilviki er hverri plötu skipt í par af miklu þynnri plötum. Horfðu vel á brúnirnar, þú sérð hvernig plötunni er skipt í tvennt. Brúnir þessara tveggja þunnu diska eru um það bil eins skarpar og rakvélarblað. Heildarlengd íssúlunnar er um 1,5 mm.
Samkvæmt líkani Libbrecht sest vatnsgufa fyrst við horn kristalsins og dreifist síðan (dreifist) eftir yfirborðinu annað hvort að brún kristalsins eða á andlit hans, sem veldur því að kristallinn vex út eða upp. Hver af þessum ferlum „vinnur“ fer aðallega eftir hitastigi.
Það skal tekið fram að líkanið er „hálf-empirískt“. Það er, það er að hluta byggt upp til að samsvara því sem er að gerast, en ekki til að útskýra meginreglur snjókornavaxtar. Óstöðugleiki og víxlverkun milli óteljandi sameinda eru of flókin til að hægt sé að leysa þau að fullu. Vonin er þó enn sú að hugmyndir Libbrecht verði grunnur að yfirgripsmiklu líkani af gangverki ísvaxtar, sem hægt er að útskýra með ítarlegri mælingum og tilraunum.
Maður ætti ekki að halda að þessar athuganir séu áhugaverðar fyrir þröngan hring vísindamanna. Svipaðar spurningar vakna í eðlisfræði þétts efnis og á öðrum sviðum. Lyfjasameindir, hálfleiðaraflísar fyrir tölvur, sólarsellur og fjöldi annarra atvinnugreina reiða sig á hágæða kristalla og heilu teymin leggja sig fram við að rækta þá. Þannig að hin ástkæru snjókorn Libbrechts gætu vel þjónað hag vísindanna.
Hvað annað er hægt að lesa á blogginu?
→
→
→
→
→
Gerast áskrifandi að okkar -rás svo þú missir ekki af næstu grein! Við skrifum ekki oftar en tvisvar í viku og aðeins í viðskiptum. Við the vegur, ef þú veist það ekki nú þegar, geta sprotafyrirtæki fengið $ 10 frá Cloud000Y. Skilyrði og umsóknareyðublað fyrir áhugasama má finna á heimasíðu okkar:
Heimild: www.habr.com