תיאוריית פתית השלג הגדול

אין מספיק שלג בחלק המרכזי של רוסיה בחורף הזה. זה ירד במקומות מסוימים, כמובן, אבל בינואר אפשר היה לצפות לעוד מזג אוויר כפור ומושלג. אפרוריות עמומה ורפש לא נעים מונעים ממך להרגיש את השמחה של כיף החורף הרגיל. לכן Cloud4Y מציעה להוסיף מעט שלג לחיינו על ידי דיבור על... פתיתי שלג.

מאמינים שיש רק שני סוגים של פתיתי שלג. ולאחד המדענים, הנקרא לפעמים "האב" של הפיזיקה של פתיתי השלג, יש תיאוריה חדשה להסביר את הסיבה לכך. קנת ליברכט הוא אדם מדהים שמוכן לצאת מדרום קליפורניה חממת השמש באמצע החורף כדי להגיע לפיירבנקס (אלסקה), ללבוש ז'קט חם ולשבת בשדה קפוא עם מצלמה וחתיכת קצף בידיים. .

בשביל מה? הוא מחפש את פתיתי השלג הנוצצים, המרקמים והיפים ביותר שהטבע יכול ליצור. לדבריו, הדגימות המעניינות ביותר נוטות להיווצר במקומות הקרים ביותר - פיירבנקס הידועים לשמצה והחלק הצפוני המושלג של ניו יורק. השלג הטוב ביותר שקנת ראה אי פעם היה בקוקרן, מקום בצפון מזרח אונטריו, שבו רוחות קלות סחרחרו פתיתי שלג כשהם נפלו מהשמים.

מוקסם מהאלמנטים, ליבברכט בוחן את לוח הקצף שלו בעקשנות של ארכיאולוג. אם יש שם משהו מעניין, העין בהחלט תתפוס אותו. אם לא, השלג נסחף מהלוח, והכל מתחיל מחדש. וזה נמשך שעות.

ליבברכט הוא פיזיקאי. בצירוף מקרים משעשע, המעבדה שלו במכון הטכנולוגי של קליפורניה עוסקת במחקר על המבנה הפנימי של השמש ואף פיתחה מכשירים מודרניים לזיהוי גלי כבידה. אבל במשך 20 השנים האחרונות, התשוקה האמיתית של ליברכט הייתה שלג - לא רק המראה שלו, אלא מה שגורם לו להיראות כך. "השאלה איזה סוג של חפצים נופלים מהשמיים, איך זה קורה ולמה הם נראים ככה, מייסרת אותי כל הזמן", מודה קנת.

במשך זמן רב, הספיק לפיזיקאים לדעת שבין גבישי השלג הזעירים הרבים ניתן להבחין בין שני סוגים דומיננטיים. אחד מהם הוא כוכב שטוח בעל שש או שתים עשרה זרועות, שכל אחת מהן מעוטרת תחרה יפה מסחררת. השני הוא מעין עמוד מיניאטורי, לפעמים דחוס בין "כיסויים" שטוחים, ולפעמים דומה לבריח רגיל. ניתן לראות צורות אלו בטמפרטורות ולחות שונות, אך הסיבה להיווצרות צורה מסוימת הייתה בגדר תעלומה. שנים של תצפיות של ליברכט עזרו להבין טוב יותר את תהליך ההתגבשות של פתיתי שלג.

עבודתו של ליברכט בתחום זה סייעה ליצור מודל חדש שמסביר מדוע פתיתי שלג וגבישי שלג אחרים יוצרים את מה שהתרגלנו לראות. לפי התיאוריה שלו, יצא לאור מקוון באוקטובר 2019, מתאר את התנועה של מולקולות מים ליד נקודת הקיפאון (התגבשות) וכיצד תנועות ספציפיות של מולקולות אלו יכולות להוליד אוסף של גבישים שנוצרים בתנאים שונים. בו מונוגרפיות ב-540 עמודים, ליבברכט מתאר את כל הידע על גבישי שלג.

כוכבים בעלי שש קצוות

אתה, כמובן, יודע שאי אפשר לראות שני פתיתי שלג זהים (למעט בשלב הפתיחה). עובדה זו קשורה לאופן שבו נוצרים גבישים בשמים. שלג הוא אוסף של גבישי קרח שנוצרים באטמוספירה ושומרים על צורתם כאשר הם נופלים יחד לכדור הארץ. הם נוצרים כאשר האטמוספרה קרה מספיק כדי למנוע מהם להתמזג או להימס לגשם או גשם.

למרות שניתן לרשום טמפרטורות ורמות לחות רבות בתוך ענן בודד, עבור פתית שלג בודד משתנים אלו יהיו קבועים. זו הסיבה שפתית שלג גדל לעתים קרובות באופן סימטרי. מצד שני, כל פתית שלג חשופה לרוח, לאור השמש ולגורמים נוספים. בעיקרו של דבר, כל גביש נתון לכאוס של הענן, ולכן לובש צורות שונות.

לפי מחקרו של ליברכט, החשיבה המוקדמת ביותר על צורות עדינות אלו מתועדת בשנת 135 לפני הספירה. בסין. "פרחי הצמחים והעצים הם בדרך כלל מחומשים, אבל פרחי השלג הם תמיד בעלי שש קצוות", כתב החוקר האן ין. והמדען הראשון שניסה להבין מדוע זה קורה היה כנראה יוהנס קפלר, מדען ופולימאת גרמני.

בשנת 1611 העניק קפלר מתנת ראש השנה לפטרונו, הקיסר הרומאי הקדוש רודולף השני: מתנה קטנה מַסָה בשם "על פתיתי שלג משושה".

"אני חוצה את הגשר, מיוסר בבושה - השארתי אותך בלי מתנה לשנה החדשה! ואז הגיעה אליי הזדמנות! אדי מים, שהתעבו מהקור לשלג, נופלים כמו פתיתי שלג על הבגדים שלי, כולם, כאחד, משושה, עם קרניים רכות. אני נשבע בהרקולס, הנה דבר שהוא קטן מכל טיפה, בעל צורה, יכול לשמש מתנה לשנה החדשה המיוחלת לאוהב כלום וראוי למתמטיקאי שאין לו כלום ומקבל כלום, שכן הוא נופל מהשמים ומסתיר בתוכו דמות של כוכב משושה!

"בטח יש סיבה לכך שלג מעוצב כמו כוכב משושה. זו לא יכולה להיות תאונה", היה יוהנס קפלר בטוח. אולי הוא נזכר במכתב מאת בן זמנו תומס הריוט, מדען ואסטרונום אנגלי שהצליח גם לעבוד כנווט עבור החוקר סר וולטר ראלי. בסביבות 1584 חיפש הריוט את הדרך היעילה ביותר לערימת כדורי תותח על סיפוניה של ספינות ראלי. הריוט מצא שדפוסי משושה נראו כדרך הטובה ביותר לסדר את הכדורים, והוא דן בנושא זה בהתכתבות עם קפלר. קפלר תהה אם משהו דומה קורה בפתיתי שלג ואיזה יסוד אחראי לכך ששש הקרניים הללו נוצרות ומתוחזקות.

צורות של פתית שלג





אנו יכולים לומר שזו הייתה ההבנה הראשונית של עקרונות הפיזיקה האטומית, עליה יידונו רק 300 שנה מאוחר יותר. ואכן, מולקולות מים, עם שני אטומי המימן שלהן וחמצן אחד, נוטות להצטרף יחד ליצירת מערכים משושה. לקפלר ולבני דורו לא היה מושג כמה זה חשוב.

כפי שאומרים פיזיקאים, הודות לקשירת מימן ולאינטראקציה של מולקולות זו עם זו, אנו יכולים לצפות במבנה גבישי פתוח. בנוסף ליכולתו לגדל פתיתי שלג, המבנה המשושה מאפשר לקרח להיות פחות צפוף ממים, דבר שיש לו השפעות עצומות על הגיאוכימיה, הגיאופיזיקה והאקלים. במילים אחרות, אם קרח לא צף, החיים על פני כדור הארץ היו בלתי אפשריים.

אבל אחרי החיבור של קפלר, התבוננות בפתיתי שלג הייתה יותר תחביב מאשר מדע רציני. בשנות ה-1880, צלם אמריקאי בשם ווילסון בנטלי, שחי בעיירה הקטנה והמושלגת הקרה והמושלגת תמיד ג'ריקו (ורמונט, ארה"ב), החל לצלם פתיתי שלג באמצעות לוחות צילום. הוא הספיק ליצור יותר מ-5000 תצלומים לפני שמת מדלקת ריאות.

גם מאוחר יותר, בשנות ה-1930, החל החוקר היפני אוקיצ'ירו נאקאיה לחקור באופן שיטתי סוגים שונים של גבישי שלג. באמצע המאה, נאקאיה גידלה פתיתי שלג במעבדה באמצעות שערות ארנבות בודדות שהונחו בחדר קירור. הוא התעסק עם הגדרות לחות וטמפרטורה, גידל סוגים בסיסיים של גבישים, וערך את הקטלוג המקורי שלו של צורות אפשריות. נאקאיה גילתה שכוכבי פתיתי שלג נוטים להיווצר ב-2 מעלות צלזיוס וב-15 מעלות צלזיוס. עמודות נוצרות ב-5 מעלות צלזיוס ובערך -30 מעלות צלזיוס.

חשוב לציין כאן שבטמפרטורה של כ-2 מעלות צלזיוס מופיעות צורות דקות דמויות צלחת של פתיתי שלג, ב-5 מעלות צלזיוס הן יוצרות עמודים ומחטים דקים, כאשר הטמפרטורה יורדת ל-15 מעלות צלזיוס הם הופכים להיות דקים ממש. צלחות, ובטמפרטורות מתחת - ב-30 מעלות צלזיוס הם חוזרים לעמודים עבים יותר.

בתנאי לחות נמוכה, פתיתי שלג כוכבים יוצרים כמה ענפים ומזכירים צלחות משושים, אך בלחות גבוהה הם הופכים מורכבים ותחרתיים יותר.

לדברי ליברכט, הסיבות להופעת צורות שונות של פתיתי שלג התבהרו הודות לעבודתו של נאקאי. נמצא שגבישי שלג מתפתחים לכוכבים ולוחות שטוחים (ולא למבנים תלת מימדיים) כאשר הקצוות גדלים במהירות כלפי חוץ והפנים גדלים לאט כלפי מעלה. עמודים דקים גדלים בצורה שונה, עם קצוות גדלים במהירות וקצוות גדלים איטיים יותר.

יחד עם זאת, התהליכים הבסיסיים המשפיעים אם פתית שלג הופך לכוכב או לעמוד נותרו לא ברורים. אולי הסוד טמון בתנאי הטמפרטורה. וליברכט ניסה למצוא תשובה לשאלה זו.

מתכון לפתית שלג

יחד עם צוות החוקרים הקטן שלו, ליבברכט ניסה להמציא מתכון לפתית שלג. כלומר, סט מסוים של משוואות ופרמטרים שניתן לטעון למחשב ולקבל מגוון מרהיב של פתיתי שלג מה-AI.

קנת ליבברכט החל את המחקר שלו לפני עשרים שנה לאחר שלמד על צורת פתית שלג אקזוטית הנקראת עמוד סגור. זה נראה כמו סליל של חוט או שני גלגלים וסרן. יליד צפון הארץ, הזדעזע מהעובדה שמעולם לא ראה פתית שלג שכזה.

נדהם מהצורות האינסופיות של גבישי השלג, הוא התחיל לעשות זאת לומד טבעם על ידי יצירת מעבדה לגידול פתיתי שלג. התוצאות של שנים רבות של תצפיות עזרו ליצור מודל שהמחבר עצמו רואה בו כפריצת דרך. הוא הציע את הרעיון של דיפוזיה מולקולרית המבוססת על אנרגיית פני השטח. רעיון זה מתאר כיצד צמיחת גביש שלג תלויה בתנאי ההתחלה ובהתנהגות המולקולות היוצרות אותו.

תארו לעצמכם שמולקולות המים ממוקמות בצורה רופפת כאשר אדי המים רק מתחילים לקפוא. אם הייתם יכולים להיות בתוך מצפה כוכבים זעיר ולהסתכל על התהליך הזה, תוכלו לראות כיצד מולקולות מים קפואות מתחילות ליצור סריג קשיח, שבו כל אטום חמצן מוקף בארבעה אטומי מימן. גבישים אלה גדלים על ידי שילוב מולקולות מים מהאוויר שמסביב למבנה שלהם. הם יכולים לגדול בשני כיוונים עיקריים: כלפי מעלה או כלפי חוץ.

גביש דק ושטוח (למלרי או בצורת כוכב) נוצר כאשר הקצוות נוצרים מהר יותר משני הצדדים של הגביש. הגביש הגדל יתפשט החוצה. עם זאת, כאשר פניו גדלים מהר יותר מקצוותיו, הגביש גדל לגובה ויוצר מחט, עמוד חלול או מוט.

צורות נדירות של פתיתי שלג





עוד רגע אחד. שימו לב לתמונה השלישית, שצולמה על ידי ליבברכט בצפון אונטריו. זהו גביש "עמוד סגור" – שני לוחות המחוברים לקצות גביש עמודי עבה. במקרה זה, כל צלחת מחולקת לזוג צלחות דקות בהרבה. תסתכלו היטב על הקצוות, תראו איך הצלחת מחולקת לשניים. הקצוות של שתי הלוחות הדקים האלה חדים בערך כמו סכין גילוח. אורכו הכולל של עמוד הקרח הוא כ-1,5 מ"מ.

לפי המודל של ליבברכט, אדי מים שוקעים תחילה בפינות הגביש ולאחר מכן מתפשטים (מתפזרים) לאורך פני השטח או עד לקצה הגביש או אל פניו, מה שגורם לקריסטל לגדול כלפי חוץ או כלפי מעלה. איזה מהתהליכים הללו "מנצח" תלוי בעיקר בטמפרטורה.

יש לציין כי המודל הוא "חצי אמפירי". כלומר, הוא בנוי חלקית כך שיתאים למה שקורה, ולא כדי להסביר את העקרונות של צמיחת פתיתי שלג. חוסר היציבות והאינטראקציות בין אינספור המולקולות מורכבות מכדי להתיר אותן במלואן. עם זאת, נותרה התקווה שהרעיונות של ליברכט ישמשו בסיס למודל מקיף של הדינמיקה של צמיחת קרח, אותו ניתן לפרט באמצעות מדידות וניסויים מפורטים יותר.

אין לחשוב שהתצפיות הללו מעניינות מעגל מצומצם של מדענים. שאלות דומות עולות בפיזיקה של החומר המעובה ובתחומים אחרים. מולקולות תרופות, שבבי מוליכים למחצה למחשבים, תאים סולאריים ושלל תעשיות אחרות מסתמכות על גבישים באיכות גבוהה, וצוותים שלמים מסורים לגידולם. אז פתיתי השלג האהובים על ליבברכט עשויים בהחלט לשרת את התועלת של המדע.

מה עוד אפשר לקרוא בבלוג? Cloud4Y

→ אנרגיה סולארית מלוחה
→ חומשים בחזית אבטחת הסייבר
→ סטארטאפים שיכולים להפתיע
→ אינטרנט על בלונים
→ האם יש צורך בכריות במרכז נתונים?

הירשם למנוי שלנו מברק-ערוץ כדי לא לפספס את המאמר הבא! אנו כותבים לא יותר מפעמיים בשבוע ורק לעסקים. אגב, אם אתם עדיין לא יודעים, סטארטאפים יכולים לקבל 10$ מ-Cloud000Y. תנאים וטופס בקשה למעוניינים ניתן למצוא באתר שלנו: bit.ly/2sj6dPK

מקור: www.habr.com