Quest'inverno, le nevicate nella parte centrale della Russia sono state scarse. Certo, in alcuni luoghi è caduta della neve, ma a gennaio ci si aspettava un clima più freddo e nevoso. La triste grigia e la fastidiosa melma rendono difficile godere della gioia dei tradizionali divertimenti invernali. Per questo motivo, Cloud4Y propone di aggiungere un po' di neve nelle nostre vite parlando di… fiocchi di neve.
Si ritiene che i fiocchi di neve siano di soli due tipi. Uno degli scienziati, a cui a volte si riferisce come il 'padre' della fisica dei fiocchi di neve, ha presentato una nuova teoria che spiega il motivo di ciò. è una persona incredibile, disposta a lasciare la calda California del Sud in pieno inverno per arrivare a Fairbanks (Alaska), indossare un pesante giubbotto e sedersi in un campo gelato con una camera e un pezzo di polistirolo in mano.
Perché? Sta cercando 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 parte innevata di New York. La neve migliore che Kenneth abbia mai osservato è scesa a Cochrane, un piccolo paese nel nord-est dell'Ontario, dove una leggera brezza faceva ruotare i fiocchi di neve cadenti dal cielo.
Affascinato dall'elemento, Libbrecht studia la sua tavola di polistirolo con la perseveranza di un archeologo. Se c'è qualcosa di interessante, il suo sguardo sicuramente si poserà su di esso. Altrimenti, la neve viene spazzata via dalla tavola e tutto ricomincia da capo. E questo continua per ore.
Libbrecht è un fisico. Per un curioso gioco del destino, il suo laboratorio presso il Caltech si occupa della ricerca sulla struttura interna del Sole e ha persino sviluppato strumenti moderni per la rilevazione delle 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 apparire in quel modo. "La questione su quali oggetti cadono dal cielo, come avviene e perché appaiono così, mi tormenta costantemente", ammette Kenneth.
A lungo, per i fisici, era sufficiente conoscere che tra una miriade di piccoli cristalli di neve è possibile distinguere due tipi predominanti. Uno di questi è una stella piatta con sei o dodici raggi, ognuno dei quali è ornato da meravigliosi pizzi. L'altro è una sorta di mini colonna, a volte schiacciata tra 'coperture' piatte, altre volte simile a un normale bullone. Queste forme possono essere osservate a diverse temperature e umidità, ma la ragione per cui si forma una piuttosto che un'altra rimaneva un enigma. Gli anni di osservazione di Libbrecht hanno aiutato a comprendere meglio il processo di cristallizzazione dei fiocchi di neve.
I progressi di Libbrecht in questo campo hanno portato alla creazione di un nuovo modello che spiega perché i fiocchi di neve e altri cristalli di neve formino ciò che siamo abituati a vedere. Secondo la sua teoria, su Internet 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 un insieme di cristalli che si formano in diverse condizioni. Nella sua Con un volume di 540 pagine, Libbrecht descrive tutte le conoscenze sui cristalli di neve.
Stelle a sei punte
Come sapete, è impossibile vedere due fiocchi di neve identici (a meno che non siano in fase di formazione). 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 a terra. Si formano quando l'atmosfera è sufficientemente fredda per evitare la fusione o la fusione in neve bagnata o pioggia.
Sebbene all'interno di una nuvola possano esserci molte 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 influenzato dal vento, dalla luce solare e da altri fattori. In sostanza, ogni cristallo è soggetto al caos della nuvola e quindi assume forme diverse.
Secondo uno studio di Libbrecht, i primi pensieri su queste forme delicate risalgono al 135 a.C. in Cina. «I fiori delle piante e degli alberi sono generalmente a cinque petali, ma i fiori di neve hanno sempre sei petali», ha scritto lo studioso Han Yin. Il primo a tentare di comprendere perché ciò accadeva 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 un ponte, tormentato dalla vergogna – ti ho lasciato senza un regalo di Capodanno! E proprio in quel momento si presenta un'opportunità! Le particelle d'acqua, condensandosi dal freddo nella neve, cadono a fiocchi sulla mia veste, tutte, come una sola, esagonali, con raggi soffici. Giuro su Ercole, questa è una cosa che è più piccola di qualsiasi goccia, ha una forma, può servire da attesissimo regalo di Capodanno a un amante del Nulla e merita un matematico che possiede il Nulla e riceve il Niente, poiché cade dal cielo e racchiude una somiglianza con una stella esagonale!».
«Deve esserci un motivo se la neve ha la forma di una stella esagonale. Non può essere una coincidenza», era convinto Johannes Kepler. Forse gli tornò 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 cercava il modo più efficace per sistemare le palle di cannone sui ponti delle navi di Raleigh. Harriot scoprì che i modelli esagonali sembravano il miglior modo per disporre le sfere, e discusse questa questione nella corrispondenza con Kepler. Kepler si chiedeva se qualcosa di simile accadesse nei fiocchi di neve e quale elemento fosse responsabile della creazione e della consistenza di questi sei raggi.
Forme dei fiocchi di neve
Si può dire che questa fosse una comprensione iniziale dei principi della fisica atomica, di cui si parlerà solo 300 anni dopo. In effetti, le molecole d'acqua, con i loro due atomi di idrogeno e uno di ossigeno, tendono a unirsi formando aggregati esagonali. Kepler e i suoi contemporanei non immaginavano nemmeno quanto fosse importante.
Come dicono i fisici, grazie ai legami idrogeno e all'interazione tra le molecole possiamo osservare una struttura cristallina aperta. Oltre alla capacità di formare fiocchi di neve, la struttura esagonale rende il ghiaccio meno denso rispetto all'acqua, influenzando enormemente la geochimica, la geofisica e il 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 divenne 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, sempre coperta di neve, cominciò a scattare fotografie di fiocchi di neve usando lastre fotografiche. Riuscì a creare oltre 5000 fotografie prima di morire di polmonite.
Più tardi, negli anni '30, il ricercatore giapponese Ukichiro Nakaya iniziò uno studio sistematico sui diversi tipi di cristalli di neve. A metà secolo, Nakaya coltivava fiocchi di neve in laboratorio, utilizzando peli di coniglio collocati in una stanza refrigerata. Sperimentava con le impostazioni di umidità e temperatura, coltivando i principali tipi di cristalli, e raccolse il suo catalogo originale delle possibili forme. 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 intorno ai -30 °C.
È importante notare che a una temperatura di circa -2 °C si formano sottili forme a lamina di fiocchi di neve, a -5 °C creano sottili colonne e aghi, quando la temperatura scende a -15 °C, diventano davvero sottili lastre, mentre a temperature inferiori a -30 °C tornano a 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 con alta umidità diventano più elaborate, simili a pizzi.
Secondo Libbrecht, le ragioni per cui appaiono 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 lastre (anziché strutture tridimensionali) quando i bordi crescono rapidamente verso l'esterno e le facce crescono lentamente verso l'alto. Le colonne sottili crescono in modo diverso, con facce in rapida crescita e bordi in crescita più lenta.
Allo stesso tempo, i principali processi che determinano se un fiocco di neve diventerà una stella o una colonna rimangono poco chiari. Potrebbe esserci un segreto nelle condizioni di temperatura. E Libbrecht ha cercato di trovare risposta a questa domanda.
La ricetta del fiocco di neve
Insieme al suo piccolo team di ricercatori, Libbrecht ha cercato di ideare una ricetta per il fiocco di neve. Cioè, un insieme di equazioni e parametri che possono essere caricati su un computer per ottenere dall'IA una splendida varietà di fiocchi di neve.
Kenneth Libbrecht ha iniziato le sue ricerche venti anni fa, scoprendo una forma esotica di fiocco di neve chiamata colonna chiusa. Essa assomiglia a un rocchetto di filo o a due ruote e un'asse. Nato nel nord del paese, è rimasto scioccato dal fatto di non aver mai visto un simile fiocco di neve.
Colpito dalle infinite forme dei cristalli di neve, si è dedicato della loro natura, creando un laboratorio per la crescita dei fiocchi di neve. I risultati di anni di osservazioni hanno contribuito a sviluppare un modello che lo stesso autore considera rivoluzionario. 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 compongono.
Immagina che le molecole d'acqua siano disposte liberamente mentre le gocce d'acqua iniziano appena a congelarsi. Se potessi trovarti all'interno di un piccolo osservatorio e osservare questo processo, noteresti come le molecole d'acqua congelata inizino a formare una rigida rete, in cui ogni atomo di ossigeno è circondato da quattro atomi di idrogeno. Questi cristalli crescono incorporando 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 (fogliare o a forma di stella) si forma quando i bordi crescono più velocemente delle due facce del cristallo. Il cristallo in crescita si espanderà verso l'esterno. Tuttavia, quando le sue facce crescono più velocemente dei suoi bordi, il cristallo diventa più alto, formando un ago, una colonna cavo o un bastone.
Forme rare di fiocchi di neve
Un altro punto. Nota la terza foto, scattata da Libbrecht nel nord dell'Ontario. Si tratta di un cristallo con "colonne chiuse" — due lastre unite alle estremità di un cristallo robusto. In questo caso, ogni lastra è divisa in un paio di lastre molto più sottili. Guarda i bordi, vedrai come la lastra si divide in due. I bordi di queste due lastre sottili sono 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 si deposita inizialmente sugli 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 "vinci" dipende soprattutto dalla temperatura.
È importante notare che il modello è "semi-empirico". Ciò significa che è parzialmente costruito per adattarsi a ciò che accade, piuttosto che per spiegare i principi di crescita dei fiocchi di neve. Le instabilità e le interazioni tra innumerevoli molecole sono troppo complesse per essere completamente svelate. Tuttavia, resta la speranza che le idee di Libbrecht possano costituire la base per un modello complessivo della dinamica di crescita del ghiaccio, che potrà essere dettagliato attraverso misurazioni ed esperimenti più accurati.
Non bisogna pensare che queste osservazioni siano di interesse solo per un ristretto gruppo di scienziati. Simili domande sorgono nella fisica dei solidi e in altri campi. Le molecole dei farmaci, i chip semiconduttori per computer, i pannelli solari e molte altre industrie si basano su cristalli di alta qualità, e interi gruppi si occupano della loro crescita. Quindi, i fiocchi di neve tanto amati da Libbrecht possono effettivamente giovare alla scienza.
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Fonte: habr.com
