Биылғы қыста Ресейдің орталық бөлігінде қар жеткіліксіз. Ол, әрине, кей жерлерде төмендеді, бірақ қаңтарда аязды және қарлы ауа-райын күтуге болады. Күңгірт сұр және жағымсыз лайлар әдеттегі қысқы көңіл көтерудің қуанышын сезінуге мүмкіндік бермейді. Сондықтан Cloud4Y снежинкалар туралы айту арқылы біздің өмірімізге аздап қар қосуды ұсынады.
Қар түйіршіктерінің тек екі түрі бар деп есептеледі. Кейде қар ұшқындары физикасының «әкесі» деп аталатын ғалымдардың бірі мұның себебін түсіндіретін жаңа теорияға ие. қыстың ортасында күн жылыған Оңтүстік Калифорниядан Фэрбенкске (Аляска) жетуге, жылы күрте киіп, қолында камера мен көбікпен мұздатылған далада отыруға дайын таңғажайып адам. .
Не үшін? Ол табиғат жасай алатын ең жарқыраған, ең құрылымды, ең әдемі снежинкаларды іздейді. Оның айтуынша, ең қызықты үлгілер ең суық жерлерде – атышулы Фэрбенкс пен Нью-Йорктің қарлы солтүстік бөлігінде қалыптасады. Кеннет бұрын-соңды көрген ең жақсы қар Онтарионың солтүстік-шығысындағы Кокренде болды, онда жеңіл желдер аспаннан құлаған қар ұшқындарын айналдырды.
Элементтерге тәнті болған Либбрехт өзінің көбік тақтасын археологтың табандылығымен зерттейді. Егер ол жерде қызық нәрсе болса, оған көз міндетті түрде түседі. Олай болмаса, қар тақтайдан сыпырылып, бәрі қайтадан басталады. Және бұл бірнеше сағатқа созылады.
Либбрехт – физик. Бір қызық кездейсоқтықпен оның Калифорния технологиялық институтындағы зертханасы Күннің ішкі құрылымын зерттеумен айналысады және тіпті гравитациялық толқындарды анықтауға арналған заманауи құралдарды әзірледі. Бірақ соңғы 20 жыл ішінде Либбрехттің нағыз құмарлығы қар болды - оның сыртқы түрі ғана емес, оны осылай етіп көрсететін нәрсе. «Аспаннан қандай заттар түседі, бұл қалай болады және неге олар осылай көрінеді деген сұрақ мені үнемі азаптайды», - деп мойындайды Кеннет.
Ұзақ уақыт бойы физиктерге көптеген кішкентай қар кристалдарының ішінде екі басым түрін ажыратуға болатынын білу жеткілікті болды. Оның бірі – алты-он екі қолды жалпақ жұлдыз, олардың әрқайсысы бас айналдыратын әдемі шілтермен безендірілген. Екіншісі - кейде жалпақ «қақпақтар» арасында қыстырылған, кейде кәдімгі болтқа ұқсас миниатюралық бағанның бір түрі. Бұл пішіндерді әртүрлі температура мен ылғалдылықта көруге болады, бірақ белгілі бір пішіннің пайда болу себебі жұмбақ болды. Либбрехттің көп жылдық бақылаулары снежинкалардың кристалдану процесін жақсырақ түсінуге көмектесті.
Либбрехттің осы саладағы жұмысы қар ұшқындары мен басқа да қар кристалдарының неліктен біз көріп үйренген нәрсені түзетінін түсіндіретін жаңа модель жасауға көмектесті. Оның теориясы бойынша, 2019 жылдың қазан айында онлайн режимінде су молекулаларының қату нүктесіне жақын қозғалысы (кристалдану) және осы молекулалардың нақты қозғалыстары әртүрлі жағдайларда пайда болатын кристалдар жиынтығын қалай тудыруы мүмкін екенін сипаттайды. Оның ішінде 540 бетте Либбрехт қар кристалдары туралы барлық білімді сипаттайды.
Алты бұрышты жұлдыздар
Сіз, әрине, екі бірдей қар бүршіктерін (бастапқы кезеңнен басқа) көру мүмкін емес екенін білесіз. Бұл факт аспандағы кристалдардың қалай пайда болатынына байланысты. Қар – атмосферада пайда болатын және Жерге бірге түскенде пішінін сақтайтын мұз кристалдарының жиынтығы. Олар атмосфераның қарға немесе жаңбырға қосылуына немесе еруіне жол бермеу үшін жеткілікті суық болған кезде пайда болады.
Көптеген температуралар мен ылғалдылық деңгейлерін бір бұлт ішінде жазуға болатынымен, бір қар ұшқыны үшін бұл айнымалылар тұрақты болады. Сондықтан снежинка жиі симметриялы түрде өседі. Екінші жағынан, әрбір снежинка желдің, күн сәулесінің және басқа факторлардың әсеріне ұшырайды. Негізінде, әрбір кристал бұлттың хаосына ұшырайды, сондықтан әртүрлі формаларды алады.
Либбрехттің зерттеулеріне сәйкес, бұл нәзік формалар туралы ең ерте ойлау біздің дәуірімізге дейінгі 135 жылы жазылған. Қытайда. «Өсімдіктер мен ағаштардың гүлдері әдетте бес бұрышты, ал қардың гүлдері әрқашан алты бұрышты болады», - деп жазды ғалым Хан Инь. Мұның неліктен болып жатқанын анықтауға тырысқан бірінші ғалым неміс ғалымы және полимат Иоганнес Кеплер болса керек.
1611 жылы Кеплер өзінің меценаты Қасиетті Рим императоры Рудольф II-ге жаңа жылдық сыйлықты ұсынды: кішкентай «Алты қырлы қар бүршіктері туралы» деп аталады.
«Мен ұяттан қиналып, көпірден өттім - мен сені жаңа жылдық сыйлықсыз қалдырдым! Содан кейін маған мүмкіндік келді! Суықтан қар болып қалыңдаған су буы менің киімдеріме қар түйіршіктері сияқты түседі, бәрі бір, алты қырлы, үлпілдек сәулелермен. Геркулеспен ант етемін, мұнда кез келген тамшыдан кіші, пішіні бар, Ештеңені жақсы көретін адамға көптен күткен жаңа жылдық сыйлық бола алатын және Ештеңесі жоқ және Ештеңені алмайтын математикке лайық нәрсе бар, өйткені ол аспаннан түсіп, алтыбұрышты жұлдызға ұқсайды!
«Қардың алтыбұрышты жұлдызға ұқсауының себебі болуы керек. Бұл кездейсоқ болуы мүмкін емес», - деп сенімді Иоганнес Кеплер. Мүмкін ол өзінің замандасы, ағылшын ғалымы және астрономы Томас Харриоттың хатын есіне түсірді, ол сонымен қатар зерттеуші сэр Уолтер Роли үшін штурман болып жұмыс істей алды. Шамамен 1584 жылы Гарриот Роли кемелерінің палубаларына зеңбірек оқтарын салудың ең тиімді әдісін іздеді. Гарриот алтыбұрышты өрнектер шарларды орналастырудың ең жақсы тәсілі болып көрінетінін анықтады және ол бұл мәселені Кеплермен хат алмасуда талқылады. Кеплер снежинкаларда ұқсас нәрсе бола ма және осы алты сәуленің пайда болуына және сақталуына қандай элемент жауап береді деп ойлады.
Қар ұшқынының пішіндері
Бұл 300 жылдан кейін ғана талқыланатын атомдық физика принциптерінің алғашқы түсінігі деп айта аламыз. Шынында да, екі сутегі атомы және бір оттегі бар су молекулалары гексагональды массивтер құру үшін біріктіруге бейім. Кеплер мен оның замандастары мұның қаншалықты маңызды екенін білмеген.
Физиктер айтқандай, сутегі байланысының және молекулалардың бір-бірімен әрекеттесуінің арқасында біз ашық кристалдық құрылымды байқай аламыз. Қар түйіршіктерін өсіру қабілетінен басқа, алтыбұрышты құрылым мұздың суға қарағанда тығыз болуына мүмкіндік береді, бұл геохимияға, геофизикаға және климатқа үлкен әсер етеді. Басқаша айтқанда, мұз қалқып кетпесе, Жердегі өмір мүмкін болмас еді.
Бірақ Кеплердің трактатынан кейін снежинкаларды бақылау маңызды ғылымнан гөрі хобби болды. 1880 жылдары суық, әрқашан қарлы шағын Иерихон қаласында (Вермонт, АҚШ) өмір сүрген американдық фотограф Уилсон Бентли фотопластинкалардың көмегімен қар бүршіктерін суретке түсіре бастады. Ол пневмониядан қайтыс болғанға дейін 5000-нан астам фотосуретті жасай алды.
Тіпті кейінірек, 1930 жылдары жапон зерттеушісі Укичиро Накая қар кристалдарының әртүрлі түрлерін жүйелі түрде зерттей бастады. Ғасырдың ортасында Накая зертханада тоңазытқыш бөлмеге орналастырылған қоянның жеке шаштарын пайдаланып, қар түйіршіктерін өсірді. Ол ылғалдылық пен температура параметрлерімен, кристалдардың негізгі түрлерін өсірумен айналысты және ықтимал пішіндердің түпнұсқа каталогын құрастырды. Накая снежинка жұлдыздарының -2°C және -15°C температурада пайда болатынын анықтады. Бағандар -5 °C және шамамен -30 °C температурада қалыптасады.
Бұл жерде айта кететін жайт, шамамен -2 °C температурада снежинкалардың жұқа табақша тәрізді формалары пайда болады, -5 ° C-та олар жұқа бағаналар мен инелер жасайды, температура -15 ° C дейін төмендегенде олар шынымен жұқа болады. пластиналар, ал төмен температурада - 30 ° C-та олар қалың бағандарға оралады.
Төмен ылғалдылық жағдайында жұлдызды снежинкалар бірнеше бұтақтарды құрайды және алтыбұрышты тақталарға ұқсайды, бірақ жоғары ылғалдылықта олар күрделірек және шілтерлі болады.
Либбрехттің айтуынша, қар бүршіктерінің әртүрлі формаларының пайда болу себептері Накай еңбегінің арқасында айқынырақ болды. Қар кристалдары шеттері сыртқа қарай тез өскенде, ал беткейлері жоғары қарай баяу өскенде, жалпақ жұлдыздар мен тақталарға (үш өлшемді құрылымдардан гөрі) айналатыны анықталды. Жіңішке бағаналар әртүрлі өседі, жиектері тез өседі және жиектері баяу өседі.
Сонымен қатар, қар ұшқынының жұлдызға немесе бағанға айналуына әсер ететін негізгі процестер анық емес. Мұның сыры температуралық жағдайда жатқан шығар. Ал Либбрехт бұл сұраққа жауап іздеп көрді.
Снежинка рецепті
Либбрехт өзінің шағын зерттеушілер тобымен бірге қар ұшқынының рецептін ойлап табуға тырысты. Яғни, компьютерге жүктелетін және АИ-ден снежинкалардың керемет түрін алуға болатын белгілі бір теңдеулер мен параметрлер жиынтығы.
Кеннет Либбрехт өзінің зерттеулерін жиырма жыл бұрын жабық баған деп аталатын экзотикалық қар ұшқынының пішіні туралы білгеннен кейін бастады. Ол жіптің катушкасына немесе екі дөңгелек пен оське ұқсайды. Еліміздің солтүстігінде дүниеге келген ол бұрын-соңды мұндай қар ұшқынын көрмегеніне таң қалды.
Қар кристалдарының шексіз пішіндеріне таңғалып, ол айта бастады снежинкаларды өсіруге арналған зертхана құру арқылы олардың табиғаты. Көп жылдық бақылаулардың нәтижелері автордың өзі серпіліс деп санайтын модельді жасауға көмектесті. Ол беттік энергияға негізделген молекулалық диффузия идеясын ұсынды. Бұл идея қар кристалының өсуі бастапқы жағдайларға және оны құрайтын молекулалардың мінез-құлқына байланысты екенін сипаттайды.
Су буы енді ғана қатып жатқандықтан, су молекулалары бос орналасқан деп елестетіңіз. Егер сіз кішкентай обсерваторияның ішінде болып, осы процеске қарасаңыз, мұздатылған су молекулаларының әрбір оттегі атомы төрт сутегі атомымен қоршалған қатты торды құра бастайтынын көре аласыз. Бұл кристалдар өз құрылымына қоршаған ауадағы су молекулаларын қосу арқылы өседі. Олар екі негізгі бағытта өсе алады: жоғары немесе сыртқа.
Жіңішке, жалпақ кристал (пластиналық немесе жұлдыз тәрізді) жиектер кристалдың екі бетінен тезірек пайда болған кезде пайда болады. Өсіп келе жатқан кристал сыртқа таралады. Дегенмен, оның беттері шеттерінен жылдамырақ өскенде, кристал ине, қуыс бағана немесе таяқшаны құра отырып, биіктейді.
Снежинкалардың сирек түрлері
Тағы бір сәт. Онтарионың солтүстігінде Либбрехт түсірген үшінші фотосуретке назар аударыңыз. Бұл «жабық баған» кристалы - қалың бағаналы кристалдың ұштарына бекітілген екі пластина. Бұл жағдайда әрбір пластина әлдеқайда жұқа пластиналардың жұбына бөлінеді. Шеттеріне мұқият қараңыз, пластинаның екіге қалай бөлінгенін көресіз. Бұл екі жұқа тақтайшаның шеттері ұстараның жүзіндей өткір. Мұз бағанының жалпы ұзындығы шамамен 1,5 мм.
Либбрехт моделі бойынша су буы алдымен кристалдың бұрыштарына шөгеді, содан кейін бет бойымен не кристалдың шетіне, не оның беткейлеріне таралады (диффузия), кристалдың сыртқа немесе жоғары қарай өсуіне әкеледі. Осы процестердің қайсысы «жеңеді» негізінен температураға байланысты.
Модельдің «жартылай эмпирикалық» екенін атап өткен жөн. Яғни, ол қар ұшқынының өсу принциптерін түсіндіру үшін емес, болып жатқан нәрсеге сәйкес келетін ішінара құрылымдалған. Сансыз молекулалар арасындағы тұрақсыздық пен өзара әрекеттесу толық ашу үшін тым күрделі. Дегенмен, Либбрехт идеялары толығырақ өлшеулер мен эксперименттер арқылы егжей-тегжейлі сипатталуы мүмкін мұз өсу динамикасының жан-жақты моделіне негіз болады деген үміт сақталады.
Бұл бақылаулар ғалымдардың тар шеңберін қызықтырады деп ойламау керек. Осыған ұқсас сұрақтар конденсацияланған заттар физикасында және басқа салаларда туындайды. Дәрілік заттардың молекулалары, компьютерлерге арналған жартылай өткізгіш чиптер, күн батареялары және басқа да көптеген салалар жоғары сапалы кристалдарға сүйенеді және бүкіл командалар оларды өсіруге арналған. Сондықтан Либбрехттің сүйікті қар бүршіктері ғылымның игілігіне қызмет етуі мүмкін.
Блогта тағы не оқуға болады?
→
→
→
→
→
Біздің жазылым Келесі мақаланы жіберіп алмау үшін арна! Біз аптасына екі реттен көп емес және тек бизнес бойынша жазамыз. Айтпақшы, егер сіз әлі білмесеңіз, стартаптар Cloud10Y-тен 000 4 доллар ала алады. Қызығушылық танытқандар үшін шарттар мен өтінім нысанын біздің веб-сайттан табуға болады:
Ақпарат көзі: www.habr.com