Quest'inverno ci sono poche nevicate nella parte centrale della Russia. In alcune zone è caduta, certo, ma a gennaio ci si aspettava un clima più freddo e nevoso. La tristezza del grigio e del fango sgradevole ostacola la gioia delle tradizionali attività invernali. Per questo Cloud4Y propone di aggiungere un po' di neve nella nostra vita, parlando di… fiocchi di neve.
Si ritiene che i fiocchi di neve siano di soli due tipi. E uno degli scienziati, a volte soprannominato 'padre' della fisica dei fiocchi di neve, ha sviluppato una nuova teoria che spiega il motivo di questo. è una persona straordinaria, pronta a lasciare la calda soleggiata California del Sud nel bel mezzo dell'inverno per raggiungere Fairbanks (Alaska), indossare un caldo giubbotto e sedersi in un campo ghiacciato con una macchina fotografica e un pezzo di polistirolo tra le mani.
Perché? Cerca i fiocchi di neve più scintillanti, più texturizzati e più belli che la natura possa creare. Secondo lui, i campioni più interessanti tendono a formarsi nei luoghi più freddi — nel famigerato Fairbanks e nella innevata parte settentrionale di New York. La neve migliore che Kenneth abbia mai osservato è caduta a Cochrane, un luogo nel nord-est dell'Ontario, dove una leggera brezza faceva danzare i fiocchi di neve che scendevano dal cielo.
Affascinato dall'elemento, Libbrecht studia la sua tavola di polistirolo con la dedizione di un archeologo. Se c'è qualcosa di interessante, il suo sguardo vi si fisserà. Se no, la neve viene spazzata via dalla tavola e tutto inizia da capo. E questo può durare per ore.
Libbrecht è un fisico. Per una strana coincidenza, il suo laboratorio al California Institute of Technology si occupa dello studio della struttura interna del Sole e ha persino sviluppato strumenti moderni per rilevare le onde gravitazionali. Ma per gli ultimi 20 anni, la vera passione di Libbrecht è stata la neve — non solo il suo aspetto, ma anche ciò che la fa sembrare tale. 'La questione su quali oggetti cadano dal cielo, come avviene e perché appaiano in quel modo, mi tormenta costantemente', ammette Kenneth.
A lungo, per i fisici, è stato sufficiente sapere che tra la moltitudine di minuscoli cristalli di neve si possono distinguere due tipi prevalenti. Uno di questi è una stella piatta con sei o dodici raggi, ognuno dei quali è decorato con meravigliosi pizzi. L'altro è una sorta di colonna in miniatura, talvolta schiacciata tra delle "coperture" piatte, altre volte somigliante a un normale bullone. Queste forme possono essere osservate a temperature e umidità diverse, ma la causa della formazione di una o dell'altra forma è rimasta un mistero. Gli anni di osservazioni di Libbrecht hanno aiutato a comprendere meglio il processo di cristallizzazione dei fiocchi di neve.
I lavori di Libbrecht in questo campo hanno aiutato a creare un nuovo modello che spiega perché i fiocchi di neve e altri cristalli di neve formano ciò che siamo abituati a vedere. Secondo la sua teoria, online nell'ottobre 2019, descrive il movimento delle molecole d'acqua vicino al punto di congelamento (cristallizzazione) e come i movimenti specifici di queste molecole possano generare una moltitudine di cristalli che si formano in diverse condizioni. Nella sua di 540 pagine, Libbrecht descrive tutta la conoscenza sui cristalli di neve.
Stelle a sei punte
Naturalmente, sai che è impossibile vedere due fiocchi di neve identici (eccetto che nella fase di nascita). Questo fatto è legato a come i cristalli si formano nel cielo. La neve è un insieme di cristalli di ghiaccio che si formano nell'atmosfera e mantengono la loro forma quando cadono insieme sulla Terra. Si formano quando l'atmosfera è abbastanza fredda da impedire la fusione o lo scioglimento, trasformandosi in neve bagnata o pioggia.
Sebbene all'interno di una nuvola si possano registrare numerose temperature e livelli di umidità, per un singolo fiocco di neve queste variabili rimarranno costanti. Ecco perché un fiocco di neve cresce spesso in modo simmetrico. D'altra parte, ogni fiocco di neve è soggetto all'effetto del vento, alla luce solare e ad altri fattori. In sostanza, ogni cristallo è soggetto al caos della nuvola e, perciò, assume forme diverse.
Secondo lo studio di Libbrecht, le prime riflessioni su queste forme delicate sono state registrate nel 135 a.C. in Cina. «I fiori delle piante e degli alberi sono generalmente a cinque petali, ma i fiori di neve sono sempre a sei petali», scrisse lo scienziato Han Yin. E il primo scienziato che tentò di capire perché ciò avviene fu, probabilmente, Johannes Kepler, scienziato e erudito tedesco.
Nel 1611, Kepler fece un regalo di Capodanno al suo patrono, l'imperatore del Sacro Romano Impero Rodolfo II: un piccolo intitolato «Sulle scaglie esagonali di neve».
«Attraverso questo ponte, tormentato dalla vergogna - ti ho lasciato senza regalo di Capodanno! E ora mi si presenta un'occasione utile! Le gocce d'acqua, condensandosi per il freddo in neve, cadono come fiocchi sulla mia veste, tutte, come una, esagonali, con raggi soffici. Giuro su Eracle, ecco un oggetto, più piccolo di ogni goccia, dotato di forma, che può servire come regalo di Capodanno tanto atteso per chi ama il Nulla ed è degno di un matematico che possiede il Nulla e ottiene il Niente, poiché cade dal cielo e contiene il simile di una stella esagonale!».
«Deve esserci una ragione per cui la neve ha la forma di una stellina esagonale. Non può essere una coincidenza», era convinto Johannes Kepler. Forse gli venne in mente una lettera del suo contemporaneo Thomas Harriot, scienziato e astronomo inglese, che aveva anche lavorato come navigatore per l'esploratore sir Walter Raleigh. Intorno al 1584, Harriot cercò il modo più efficace per sistemare le palle di cannone sulle coperture delle navi di Raleigh. Harriot scoprì che i modelli esagonali sembrano il modo migliore per disporre le sfere, e discusse questa questione nella corrispondenza con Kepler. Kepler si chiedeva se qualcosa di simile avvenisse nei fiocchi di neve e grazie a quale elemento questi sei raggi si formassero e si mantenessero.
Forme dei fiocchi di neve
Si può dire che questa fosse una comprensione iniziale dei principi della fisica atomica, di cui si parlerà solo dopo 300 anni. Infatti, le molecole d'acqua con i loro due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno tendono a unirsi, formando aggregati esagonali. Kepler e i suoi contemporanei non potevano nemmeno immaginare quanto fosse importante.
Come dicono i fisici, grazie ai legami idrogeno e all'interazione delle molecole tra loro, possiamo osservare una struttura cristallina aperta. Oltre alla capacità di far crescere i fiocchi di neve, la struttura esagonale rende il ghiaccio meno denso rispetto all'acqua, il che ha un enorme impatto sulla geochimica, sulla geofisica e sul clima. In altre parole, se il ghiaccio non galleggiasse, la vita sulla Terra sarebbe impossibile.
Ma dopo il trattato di Keplero, l'osservazione dei fiocchi di neve era più un hobby che una scienza seria. Negli anni '80 dell'Ottocento, un fotografo americano di nome Wilson Bentley, che viveva in una piccola città di Jericho (Vermont, USA), sempre coperta di neve, iniziò a scattare foto dei fiocchi di neve usando le lastre fotografiche. Riuscì a creare oltre 5000 fotografie prima di morire di polmonite.
Ancora più tardi, negli anni '30, il ricercatore giapponese Ukichiro Nakaya iniziò uno studio sistematico dei diversi tipi di cristalli di neve. A metà secolo, Nakaya coltivava fiocchi di neve in laboratorio, usando singoli peli di coniglio posizionati in una stanza raffreddata. Sperimentò con le impostazioni di umidità e temperatura, coltivando i tipi fondamentali di cristalli e raccogliendo il suo catalogo originale di forme possibili. Nakaya scoprì che i fiocchi di neve a forma di stella tendono a formarsi a -2 °C e a -15 °C. Le colonne si formano a -5 °C e a circa -30 °C.
Qui è importante notare che a temperature intorno ai -2 °C si formano forme sottili a lamina dei fiocchi di neve, a -5 °C creano colonne e aghi sottili, quando la temperatura scende a -15 °C, diventano davvero sottili piastre, e a temperature inferiori ai -30 °C tornano in colonne più spesse.
In condizioni di bassa umidità, i fiocchi di neve a forma di stella formano diversi rami e assomigliano a lamine esagonali, ma in alta umidità diventano più articolati e delicati.
Secondo Libbrecht, le ragioni della comparsa delle diverse forme di fiocchi di neve sono diventate più chiare grazie al lavoro di Nakaya. È stato stabilito che i cristalli di neve si trasformano in stelle piatte e lamelle (e non in strutture tridimensionali) quando i bordi crescono rapidamente verso l'esterno, mentre le facce crescono lentamente verso l'alto. Le colonne sottili crescono in modo diverso, con facce che crescono rapidamente e bordi che crescono più lentamente.
Allo stesso tempo, i principali processi che influenzano se un fiocco di neve diventerà una stella o una colonna sono rimasti non chiariti. Forse il segreto risiedeva nelle condizioni di temperatura. E Libbrecht ha cercato di trovare una risposta a questa domanda.
La ricetta del fiocco di neve
Insieme al suo piccolo team di ricercatori, Libbrecht ha cercato di inventare una ricetta per il fiocco di neve. Cioè, un insieme di equazioni e parametri che possono essere caricati in un computer per ottenere da un'IA una meravigliosa varietà di fiocchi di neve.
Le sue ricerche Kenneth Libbrecht le ha iniziate vent'anni fa, apprendendo riguardo a una forma esotica di fiocco di neve chiamata colonna chiusa. Assomiglia a un rocchetto di filo o a due ruote con un asse. Nato nel nord del paese, è rimasto scioccato dal fatto di non aver mai visto un fiocco di neve di quel tipo.
Colpito dalle forme infinite dei cristalli di neve, si è dedicato della loro natura, creando un laboratorio per coltivare fiocchi di neve. I risultati di anni di osservazioni hanno aiutato a creare un modello che lo stesso autore considera innovativo. Ha proposto l'idea della diffusione molecolare basata sull'energia superficiale. Questa idea descrive come la crescita di un cristallo di neve dipenda dalle condizioni iniziali e dal comportamento delle molecole che lo formano.
Immaginate che le molecole d'acqua siano disposte liberamente, poiché i vapori d'acqua stanno appena iniziando a congelarsi. Se si potesse entrare all'interno di un'osservatorio minuscolo e osservare questo processo, si potrebbe vedere come le molecole d'acqua congelata iniziano a formare una struttura rigida, dove ogni atomo di ossigeno è circondato da quattro atomi di idrogeno. Questi cristalli crescono includendo molecole d'acqua dall'aria circostante nella loro struttura. Possono crescere in due direzioni principali: verso l'alto o verso l'esterno.
Un cristallo sottile e piatto (a forma di lamina o a stella) si forma quando i lati si sviluppano più rapidamente delle due facce del cristallo. Il cristallo in crescita si espanderà verso l'esterno. Tuttavia, quando le sue facce crescono più rapidamente dei suoi lati, il cristallo diventa più alto, formando un ago, una colonna cava o una stecca.
Forme rare di fiocchi di neve
Un altro momento. Fai attenzione alla terza fotografia, scattata da Libbrecht nel nord dell'Ontario. Si tratta di un cristallo con "colonne chiuse" — due lastre attaccate alle estremità di un cristallo a forma di colonna spesso. In questo caso, ciascuna lastra è divisa in un paio di lastre molto più sottili. Guarda i bordi e vedrai come la lastra si divide in due. I bordi di queste due lastre sottili sono quasi affilati come una lama di rasoio. La lunghezza totale della colonna di ghiaccio è di circa 1,5 mm.
Secondo il modello di Libbrecht, il vapore acqueo prima si deposita agli angoli del cristallo e poi si diffonde sulla superficie, sia verso il bordo del cristallo che verso le sue facce, facendo crescere il cristallo verso l'esterno o verso l'alto. Quale di questi processi "vince" dipende principalmente dalla temperatura.
È importante notare che il modello è "semiempirico". Cioè, è parzialmente costruito per corrispondere a ciò che accade, piuttosto che spiegare i principi di crescita dei fiocchi di neve. Le instabilità e le interazioni tra le innumerevoli molecole sono troppo complesse per essere completamente svelate. Tuttavia, resta la speranza che le idee di Libbrecht possano servire da base per un modello completo della dinamica di crescita del ghiaccio, che potrà essere dettagliato tramite misurazioni e esperimenti più approfonditi.
Non bisogna pensare che queste osservazioni siano interessanti solo per un ristretto gruppo di scienziati. Domande simili sorgono nella fisica dei materiali condensati e in altri ambiti. Le molecole dei farmaci, i chip semiconduttori per computer, i pannelli solari e molti altri settori dipendono da cristalli di alta qualità, e gruppi interi si dedicano a studiare il loro allevamento. Quindi i fiocchi di neve tanto amati da Libbrecht potrebbero sicuramente contribuire al progresso scientifico.
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Fonte: habr.com
