グレートスノーフレーク理論

この冬、ロシア中部では雪が十分に降りません。 もちろん、一部の場所では降ったが、4月にはさらに霜が降り、雪が降る天気が予想される。 鈍い灰色と不快なスラッシュは、通常の冬の楽しみの喜びを感じるのを妨げます。 だからこそ、CloudXNUMXY は雪の結晶について話すことで、私たちの生活に少し雪を加えることを提案しています。

雪の結晶はXNUMX種類しかないと考えられています。 そして、スノーフレーク物理学の「父」とも呼ばれる科学者の一人が、その理由を説明する新しい理論を発表しました。 ケネス・リブブレヒト 真冬の太陽が照りつける南カリフォルニアを離れてフェアバンクス（アラスカ州）に行き、暖かいジャケットを着て、カメラと泡を手に持って凍った野原に座る準備ができている素晴らしい人です。

何のために？ 彼は、自然が作り出すことができる最も輝く、最も質感のある、最も美しい雪の結晶を探しています。 彼によると、最も興味深いサンプルは最も寒い場所、つまり悪名高いフェアバンクスや雪の降るニューヨーク北部で形成される傾向があるそうです。 ケネスがこれまで見た中で最高の雪は、オンタリオ州北東部のコクランでのことでした。そこでは、空から降る雪の結晶が微風によって渦を巻いていました。

自然に魅了されたリブブレヒトは、考古学者のような粘り強さでフォームボードを研究します。 そこに何か面白いものがあれば、必ず目に留まってしまいます。 そうでない場合は、ボードから雪が払い落とされ、すべてが再び始まります。 そしてこれは何時間も続きます。

リブブレヒトは物理学者です。 面白い偶然ですが、カリフォルニア工科大学の彼の研究室は太陽の内部構造の研究に従事しており、重力波を検出するための最新の機器も開発しています。 しかし、過去 20 年間、リブブレヒトの真の情熱は雪であり、その見た目だけではなく、雪をそう見えるようにしているものでもあります。 「空からどんな種類の物体が落ちてくるのか、それはどのように起こるのか、なぜそのように見えるのかという疑問が私をいつも悩ませています」とケネスは認めます。

長い間、物理学者にとっては、多数の小さな雪の結晶の中で XNUMX つの主要なタイプを区別できることを知っていれば十分でした。 そのうちの XNUMX つは、XNUMX 本または XNUMX 本の腕を持つ平らな星で、それぞれの腕が目がくらむほど美しいレースで装飾されています。 もう XNUMX つは、一種のミニチュアの柱で、平らな「カバー」の間に挟まれている場合もあれば、通常のボルトに似ている場合もあります。 このような形状は温度や湿度の違いによって見られますが、なぜその形状が形成されるのかは謎でした。 リブブレヒトの長年の観察は、雪の結晶の結晶化プロセスをより深く理解するのに役立ちました。

この分野におけるリブブレヒトの研究は、雪の結晶や他の雪の結晶が私たちが見慣れているものを形成する理由を説明する新しいモデルの作成に役立ちました。 彼の理論によれば、 公開済み 2019 年 XNUMX 月にオンラインで公開されたこの論文では、凝固点近くでの水の分子の動き (結晶化) と、これらの分子の特定の動きによってさまざまな条件下で形成される結晶の集合がどのように生じるのかについて説明されています。 彼の中で モノグラフ リブブレヒトは 540 ページで雪の結晶に関するすべての知識を説明しています。

六芒星

もちろん、同じ雪の結晶を XNUMX つ見ることは不可能であることはご存知でしょう (開始段階を除く)。 この事実は、空で結晶がどのように形成されるかに関係しています。 雪は、大気中で形成され、地球に一緒に落ちたときにその形状を維持する氷の結晶の集合体です。 それらは、大気が合体したり、みぞれや雨に溶けたりするのを防ぐのに十分なほど寒いときに形成されます。

単一の雲内では多くの温度と湿度レベルを記録できますが、単一の雪の結晶ではこれらの変数は一定です。 雪の結晶が対称的に成長することが多いのはこのためです。 一方で、雪の結晶はそれぞれ風や太陽光などの影響を受けます。 基本的に、各結晶は雲の混沌の影響を受けるため、さまざまな形をとります。

リブブレヒトの研究によると、これらの繊細な形についての最初の考えは紀元前 135 年に記録されています。 中国で。 「草木の花は通常五角形ですが、雪の花は常に六角形です」と学者のハン・インは書いています。 そして、なぜこのようなことが起こったのかを解明しようとした最初の科学者は、おそらくドイツの科学者で博学者のヨハネス・ケプラーでしょう。

1611年、ケプラーは後援者である神聖ローマ皇帝ルドルフXNUMX世に新年の贈り物として小さなものを贈りました。 論文 題して「六角雪の結晶について」。

「恥辱に苛まれながら橋を渡る――お年玉も何も持たずに君を置き去りにしてしまった！」 そして、チャンスがやって来ました！ 寒さで厚くなって雪になった水蒸気が雪の結晶のように私の服の上に落ち、それらはすべて一つの六角形で、ふわふわした光線を持っています。 ヘラクレスに誓って、ここにはどんな滴よりも小さく、形があり、無を愛する人への待望の新年の贈り物として役立ち、何も持たず、何も受け取らない数学者にふさわしいものがあります。空から落ちてきて、その中に六角星の形を秘めている！

「雪が六角星の形をしているのには理由があるはずです。 これは偶然ではありません」とヨハネス・ケプラーは確信していました。 おそらく彼は、探検家ウォルター・ローリー卿の航海士としても活躍した英国の科学者・天文学者であり、同時代のトーマス・ハリオットからの手紙を思い出したのかもしれない。 1584 年頃、ハリオットはローリー船の甲板に砲弾を積む最も効率的な方法を探していました。 ハリオットは、六角形のパターンが球体を配置する最良の方法であると考え、ケプラーと通信してこの問題について議論しました。 ケプラーは、雪の結晶でも同様のことが起こっているのではないか、また、これらの XNUMX つの光線が生成され維持されるのはどの元素によるものなのか、と考えました。

雪の結晶の形





これは、わずか 300 年後に議論される原子物理学の原理の最初の理解であったと言えます。 実際、XNUMX つの水素原子と XNUMX つの酸素を持つ水分子は、互いに結合して六角形の配列を形成する傾向があります。 ケプラーと彼の同時代人は、これがどれほど重要であるかを理解していませんでした。

物理学者が言うように、水素結合と分子間の相互作用のおかげで、開いた結晶構造を観察することができます。 雪片を成長させる能力に加えて、六角形の構造により氷は水よりも密度が低くなり、地球化学、地球物理学、気候に大きな影響を与えます。 言い換えれば、もし氷が浮かばなければ、地球上の生命は不可能になるでしょう。

しかし、ケプラーの論文以降、雪の結晶の観察は本格的な科学というよりも趣味のようなものになりました。 1880 年代、寒くて常に雪の降る小さな町ジェリコ (米国バーモント州) に住んでいたアメリカ人写真家ウィルソン ベントレーは、写真乾板を使用して雪の結晶の写真を撮り始めました。 彼は肺炎で亡くなるまでに 5000 枚以上の写真を作成することができました。

さらに後の1930年代には、日本人研究者中谷宇吉郎がさまざまな種類の雪の結晶を体系的に研究し始めました。 2世紀半ば、ナカヤ氏は、冷蔵室に置かれた個々のウサギの毛を使用して、研究室で雪の結晶を育てました。 彼は湿度と温度の設定をいじり、基本的な種類の結晶を成長させ、可能な形状のオリジナルのカタログを編集しました。 中谷氏は、雪の結晶星が-15℃と-5℃で形成される傾向があることを発見しました。 カラムは、-30 °C および約 -XNUMX °C で形成されます。

ここで注意しなければならないのは、約-2℃の温度では薄い板状の雪の結晶が現れ、-5℃では細い柱や針状になり、-15℃に下がると非常に薄くなってしまうということです。プレート、および 30 °C 未満の温度では、より厚いカラムに戻ります。

低湿度条件では、星の雪の結晶はいくつかの枝を形成し、六角形のプレートに似ていますが、高湿度では、より複雑でレース状になります。

リブブレヒト氏によると、中井氏の研究のおかげで、さまざまな形の雪の結晶が現れる理由がより明確になったという。 雪の結晶は、端が外側に向かって急速に成長し、面がゆっくりと上向きに成長すると、（三次元構造ではなく）平らな星や板に成長することがわかっています。 細い柱の成長は異なり、エッジの成長が早く、エッジの成長が遅くなります。

同時に、雪の結晶が星になるか柱になるかに影響を与える基本的なプロセスは依然として不明です。 おそらくその秘密は温度条件にあったのでしょう。 そしてリブブレヒトはこの質問に対する答えを見つけようとしました。

スノーフレークのレシピ

リブブレヒトは、少人数の研究者チームとともに、雪の結晶のレシピを考え出そうとしました。 つまり、特定の方程式とパラメーターのセットをコンピューターにロードし、AI からさまざまな種類の雪の結晶を取得することができます。

Kenneth Librecht は、閉じた柱と呼ばれるエキゾチックな雪の結晶の形について知った後、XNUMX 年前に研究を始めました。 それは糸のスプール、または XNUMX つの車輪と車軸のように見えます。 国の北部に生まれた彼は、これほど雪の結晶を見たことがなかったという事実に衝撃を受けました。

雪の結晶の無限の形に驚き、彼は 勉強する 雪の結晶を成長させるための実験室を作成することで、その性質を研究します。 長年の観察の結果、著者自身が画期的だと考えるモデルが誕生しました。 彼は表面エネルギーに基づく分子拡散のアイデアを提案しました。 この考え方は、雪の結晶の成長が初期条件とそれを形成する分子の挙動にどのように依存するかを説明しています。

水蒸気が凍り始めたばかりのとき、水分子が緩く配置されていると想像してください。 小さな天文台の中にいてこのプロセスを見ることができれば、凍った水分子がどのようにして硬い格子を形成し始め、各酸素原子が XNUMX つの水素原子に囲まれるかがわかるでしょう。 これらの結晶は、周囲の空気から水分子をその構造に取り込むことによって成長します。 それらは主に XNUMX つの方向、つまり上向きまたは外側に成長します。

薄くて平らな結晶 (層状または星型) は、結晶の XNUMX つの面よりも早くエッジが形成されるときに形成されます。 成長する結晶は外側に広がっていきます。 しかし、その面が端よりも早く成長すると、結晶はより高く成長し、針、中空の柱、または棒を形成します。

珍しい形の雪の結晶





もうちょっと。 オンタリオ州北部のリブブレヒトが撮影した 1,5 番目の写真に注目してください。 これは「閉じた柱状」結晶です。太い柱状結晶の端に XNUMX つのプレートが取り付けられています。 この場合、各プレートは一対の非常に薄いプレートに分割されます。 端をよく見ると、プレートがXNUMXつに分割されていることがわかります。 これら XNUMX 枚の薄い板の端は、カミソリの刃と同じくらい鋭いです。 氷柱の全長は約XNUMXmm。

リブブレヒトのモデルによると、水蒸気は最初に結晶の角に落ち着き、次に表面に沿って結晶の端または表面に広がり（拡散）、結晶を外側または上向きに成長させます。 これらのプロセスのどちらが「勝つ」かは、主に温度に依存します。

このモデルは「半経験的」であることに注意してください。 つまり、部分的には、起こっていることに対応するように構成されており、雪片の成長原理を説明するものではありません。 無数の分子間の不安定性と相互作用は複雑すぎるため、完全に解明することはできません。 しかし、リブブレヒトのアイデアが氷の成長のダイナミクスの包括的なモデルの基礎として機能し、より詳細な測定や実験を通じて詳細を明らかにできるという期待は依然として残っています。

これらの観察が一部の科学者にとって興味深いものであると考えるべきではありません。 同様の疑問は物性物理学や他の分野でも生じます。 薬物分子、コンピューター用の半導体チップ、太陽電池、その他多くの産業は高品質の結晶に依存しており、チーム全体が結晶の成長に専念しています。 したがって、リブブレヒトがこよなく愛した雪の結晶は、科学の利益に役立つ可能性があります。

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出所： habr.com