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ほとんど降りません。もちろん、場所によっては雪が降りましたが、4月にはもっと霜が降りて雪が多くなることも予想されました。どんよりとした灰色と不快なぬかるみのせいで、いつもの冬の楽しみを楽しめません。そのため、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。

雪の結晶には2種類しかないと考えられています。そして、雪片物理学の「父」と呼ばれることもあるある科学者が、その理由を説明する新しい理論を立てた。 ケネス・リブブレヒト — 彼は、真冬の太陽が照りつける南カリフォルニアを離れ、アラスカ州フェアバンクスに行き、暖かいジャケットを着て、カメラと発泡スチロールの塊を手に、凍りついた野原に座る素晴らしい人物です。

何のために？彼は自然が作り出す最も輝き、最も質感があり、最も美しい雪の結晶を探し求めています。彼によると、最も興味深い標本は、最も寒い場所、つまり悪名高いフェアバンクスや雪の多いニューヨーク北部で形成される傾向があるという。しかし、ケネスが今まで見た中で最高の雪は、オンタリオ州北東部の町コクランで降った雪だった。そこでは穏やかな風が雪の結晶を渦巻かせながら空から降ってきた。

自然の要素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発泡ボードを研究しています。そこに何か面白いものがあれば、必ず目を引くでしょう。そうでなければ、ボードから雪が取り除かれ、すべてが最初からやり直しになります。そして、これは何時間も続きます。

リブレヒトは物理学者です。面白い偶然だが、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を研究しており、重力波を検出するための高度な機器も開発している。しかし、過去 20 年間、リブブレヒト氏の真の情熱は雪であり、雪の見た目だけでなく、雪がそのように見える理由でもあります。 「空から何が落ちてくるのか、それはどうやって起こるのか、なぜそのように見えるのかという疑問は、いつも私を悩ませています」とケネスは認める。

長い間、物理学者にとっては、多数の小さな雪の結晶の中から主に 2 つの種類を区別できることがわかっていれば十分でした。そのうちの 1 つは、6 本または 12 本の光線を持つ平らな星で、それぞれの光線は目がくらむほど美しいレースで装飾されています。もう 1 つは、平らな「蓋」に挟まれていることもある、また普通のボルトに似ていることもある、一種の小型の柱です。これらの形状はさまざまな温度や湿度レベルで見られますが、それぞれの形状が形成される理由は謎のままでした。リブレヒト氏の長年の観察は、雪片の結晶化過程をより深く理解するのに役立っています。

この分野におけるリブレヒト氏の研究は、雪片やその他の雪の結晶が私たちが目にする形で形成される理由を説明する新しいモデルの作成に貢献しました。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（結晶化）点付近での水分子の動きと、これらの分子の特定の動きがどのようにしてさまざまな条件下で形成される結晶の配列を生み出すのかが説明されています。彼の モノグラフ 540 ページに及ぶ本の中で、リブブレヒトは雪の結晶に関するあらゆる知識を説明しています。

六芒星

もちろん、2 つの同一の雪片を見ることは不可能であることはご存じでしょう (おそらく形成段階を除く)。この事実は、空に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、地球に落下する際にその形状を保った氷の結晶の集まりです。これらは、大気が十分に冷えていて、合体したり溶けたりしてみぞれや雨に変わるのを防いだときに形成されます。

単一の雲内ではさまざまな温度と湿度レベルが記録されますが、単一の雪片ではこれらの変数は一定になります。このため、雪の結晶は対称的に成長することが多いのです。一方、雪片はそれぞれ風や日光などの影響を受けます。本質的に、それぞれの結晶は雲の混沌の影響を受け、異なる形をとります。

リブレヒトの研究によると、これらの繊細な形状に関する最も古い記録は紀元前 135 年にまで遡ります。中国では。 「草木の花は通常五芒星だが、雪の花は常に六芒星である」と学者の韓隠は書いている。そして、なぜこのようなことが起こる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あり博学者であったヨハネス・ケプラーだったでしょう。

1611年、ケプラーは彼のパトロン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 論文 「六角形の雪の結晶について」と題された作品。

「恥ずかしさに苛まれながら橋を渡る。新年の贈り物をあげずに君を置き去りにしてしまった！そして、好機がやってきた！寒さで濃くなった水蒸気が雪となり、私の服に雪の結晶となって降り注ぐ。その雪はすべて六角形で、ふわふわとした光線を帯びている。ヘラクレスよ、ここにどんな滴よりも小さく、形があり、何ものも愛する者への待望の新年の贈り物となり、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る。なぜなら、それは空から落ちてきて、その中に六角形の星の姿を隠しているからだ！」

「雪が六芒星のような形をしているのには、きっと理由があるはずだ。これは偶然ではない」とヨハネス・ケプラーは確信していた。おそらく彼は、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だろう。ハリオットはイギリスの科学者で天文学者であり、探検家サー・ウォルター・ローリーの航海士も務めた人物だ。1584年頃、ハリオットはローリーの船の甲板に砲弾を積み上げる最も効率的な方法を探していた。ハリオットは、砲弾を並べるには六角形のパターンが最適だと考え、ケプラーと書簡でその件について議論した。ケプラーは、雪の結晶にも同じようなことが起きているのではないか、また、このXNUMX本の光線を生み出し、維持しているのは何の要素なのだろうかと考えていた。

雪の結晶の形





これは、300年後に初めて議論されることになる原子物理学の原理についての初期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、互いにくっついて六角形の配列を形成する傾向があります。ケプラーとその同時代の人たちは、これがどれほど重要であるか全く知りませんでした。

物理学者が言うように、水素結合と分子同士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。雪の結晶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。つまり、氷が浮かばなかったら、地球上の生命は不可能でしょう。

しかし、ケプラーの論文以降、雪の結晶を観察することは、真剣な科学というよりは趣味のようなものになりました。 1880 年代、米国バーモント州の寒くて常に雪が降る小さな町ジェリコに住んでいたウィルソン・ベントレーというアメリカ人写真家が、写真乾板を使っ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枚以上の写真を撮影した。

さらにその後、1930年代に、日本の研究者中谷宇吉郎がさまざまな種類の雪の結晶の体系的な研究を始めました。 2世紀半ば、中谷氏は冷蔵室に置かれたウサギの毛一本一本を使って研究室で雪の結晶を育てた。彼は湿度と温度の設定をいじくり回して主な種類の結晶を育て、可能な形状の独自のカタログをまとめました。中谷氏は、スノーフレーク星は-15℃と-5℃で形成される傾向があることを発見した。柱は -30°C と約 -XNUMX°C で形成されます。

ここで注目すべきは、気温が -2°C 前後になると薄い板状の雪片が現れ、-5°C になると細い柱状や針状になり、気温が -15°C まで下がると非常に薄い板状になり、気温が -30°C を下回ると太い柱状に戻るということです。

湿度が低い場合、雪の結晶の星はいくつかの枝を形成し、六角形のプレートのように見えますが、湿度が高い場合はより複雑でレースのような形になります。

リブレヒト氏によれば、中井氏の研究のおかげで、雪の結晶のさまざまな形が現れる理由がより明らかになったという。雪の結晶は、端が急速に外側に成長し、面がゆっくりと上向きに成長すると、3 次元構造ではなく平らな星やプレートに発達することが分かりました。細い柱は成長の仕方が異なり、面は速く成長し、端は遅く成長します。

同時に、雪片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不明のままです。おそらくその秘密は気温条件にあったのでしょう。そしてリブブレヒトはこの疑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

リブレヒト氏は少人数の研究チームとともに、雪の結晶の作り方を考え出そうとした。つまり、特定の方程式とパラメータのセットをコンピューターに読み込むと、AI がさまざまな素晴らしい雪の結晶を生成します。

ケネス・リブブレヒトは、20 年前に「閉じた柱」と呼ばれる珍しい雪の結晶の形について知った後、研究を始めました。それは糸巻き、または 2 つの車輪と車軸のように見えます。国の北部で生まれた彼は、このような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た。

雪の結晶の無限の形に衝撃を受けた彼は、 勉強する 雪の結晶を育てるための実験室を作り上げ、その性質を研究します。長年にわたる観察の結果は、著者自身が画期的だと考えるモデルの作成に役立ちました。彼は表面エネルギーに基づいた分子拡散の考え方を提唱した。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。

水蒸気が凍り始めるときに水分子が緩く配置されていることを想像してください。小さな観測所の中に立ってこの過程を観察することができれば、凍った水分子が、各酸素原子が 4 つの水素原子に囲まれた硬い格子を形成し始める様子がわかるでしょう。これらの結晶は、周囲の空気中の水分子をその構造に取り込むことによって成長します。主に上向きまたは外向きの 2 つの方向に成長します。

エッジが結晶の 2 つの面よりも速く形成されると、薄く平らな結晶 (板状または星形) が形成されます。成長した結晶は外側に広がります。しかし、面が端よりも速く成長すると、結晶は高くなり、針状、中空の柱状、または棒状になります。

珍しい形の雪片





もう一つ。オンタリオ州北部でリブブレヒト氏が撮影した 1,5 枚目の写真に注目してください。これは「閉じた柱」の結晶です。太い柱状の結晶の端に XNUMX 枚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、非常に薄いプレートのペアに分割されます。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 枚の薄いプレートの端は、カミソリの刃と同じくらい鋭いです。氷柱の全長は約XNUMXmmです。

リブレヒトのモデルによれば、水蒸気はまず結晶の角に集まり、その後結晶の表面全体に広がり（拡散し）、結晶の端または面へと広がり、結晶は外側または上向きに成長します。これらのプロセスのどれが「勝つ」かは、主に温度によって決まります。

このモデルは「半経験的」であることに注意する必要があります。つまり、これは、スノーフレークの成長の原理を説明するためではなく、実際に起こっていることに一致するように部分的に構築されています。無数の分子間の不安定性と相互作用は、完全に解明するには複雑すぎる。しかし、リブブレヒトのアイデアが、より詳細な測定と実験によって改良できる氷の成長ダイナミクスの包括的なモデルの基礎となるだろうという希望は残っている。

これらの観察が限られた科学者の興味を引くものであると考えるべきではない。同様の疑問は、凝縮物質物理学やその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、チーム全体がそれらの成長に専念しています。したがって、リブブレヒトの愛する雪の結晶は、科学の役に立つかもしれない。

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出所： habr.com