위대한 눈송이 이론

이번 겨울 러시아 중부 지역에는 눈이 충분하지 않습니다. 물론 어떤 곳에서는 비가 내렸지만 4월에는 좀 더 서리가 내리고 눈이 내릴 것으로 예상할 수 있습니다. 칙칙한 회색과 불쾌한 진창으로 인해 평소 겨울의 즐거움을 느끼지 못합니다. 이것이 바로 CloudXNUMXY가 눈송이에 대해 이야기함으로써 우리 삶에 작은 눈을 더할 것을 제안하는 이유입니다.

눈송이에는 두 가지 유형만 있다고 믿어집니다. 그리고 눈송이 물리학의 “아버지”라고도 불리는 한 과학자는 그 이유를 설명하는 새로운 이론을 가지고 있습니다. 케네스 리브레히트 한겨울에 햇살이 따스한 남부 캘리포니아를 떠나 페어뱅크스(알래스카)로 가서 따뜻한 재킷을 입고 카메라와 폼 조각을 손에 들고 얼어붙은 들판에 앉아 있을 준비가 되어 있는 놀라운 사람입니다. .

무엇을 위해? 그는 자연이 만들어낼 수 있는 가장 반짝이고, 가장 질감이 좋고, 가장 아름다운 눈송이를 찾습니다. 그에 따르면 가장 흥미로운 샘플은 가장 추운 곳, 즉 악명 높은 페어뱅크스와 눈 내리는 뉴욕 북부 지역에서 형성되는 경향이 있습니다. 케네스가 본 최고의 눈은 온타리오 북동부의 코크런(Cochrane)에서였는데, 그곳은 가벼운 바람이 하늘에서 눈송이를 떨어뜨리면서 소용돌이치곤 했습니다.

자연의 아름다움에 매료된 Libbrecht는 고고학자의 집념으로 폼보드를 연구합니다. 거기에 흥미로운 것이 있으면 확실히 눈이 끌릴 것입니다. 그렇지 않으면 눈이 보드에서 쓸려 나가고 모든 것이 다시 시작됩니다. 그리고 이것은 몇 시간 동안 지속됩니다.

리브레히트는 물리학자이다. 재미있는 우연의 일치로 캘리포니아 공과대학에 있는 그의 연구실은 태양의 내부 구조에 대한 연구에 참여하고 있으며 심지어 중력파를 탐지하는 현대적인 장비도 개발했습니다. 하지만 지난 20년 동안 Libbrecht의 진정한 열정은 눈이었습니다. 눈의 외관뿐 아니라 눈을 그렇게 보이게 만드는 요소도 마찬가지였습니다. Kenneth는 “하늘에서 어떤 종류의 물체가 떨어지는지, 어떻게 일어나는지, 왜 그렇게 보이는지에 대한 질문이 항상 저를 괴롭힙니다.”라고 인정합니다.

오랫동안 물리학자들은 많은 작은 눈 결정 중에서 두 가지 주요 유형을 구별할 수 있다는 사실만 알고 있었습니다. 그 중 하나는 팔이 여섯 개 또는 열두 개 있는 납작한 별인데, 각 팔은 어지러울 정도로 아름다운 레이스로 장식되어 있습니다. 다른 하나는 일종의 소형 기둥으로, 때로는 평평한 "커버" 사이에 끼어 있고 때로는 일반 볼트와 유사합니다. 이러한 모양은 다양한 온도와 습도에서 볼 수 있지만 특정 모양이 형성된 이유는 미스터리였습니다. Libbrecht의 수년간의 관찰은 눈송이의 결정화 과정을 더 잘 이해하는 데 도움이 되었습니다.

이 분야에서 Libbrecht의 연구는 눈송이와 기타 눈 결정이 우리가 흔히 볼 수 있는 형태를 형성하는 이유를 설명하는 새로운 모델을 만드는 데 도움이 되었습니다. 그의 이론에 따르면, 출판 된 2019년 XNUMX월 온라인에서는 어는점 근처의 물 분자의 움직임(결정화)과 이러한 분자의 특정 움직임이 어떻게 다양한 조건에서 형성되는 결정 집합을 생성할 수 있는지 설명합니다. 그의 단행본 540페이지에 걸쳐 Libbrecht는 눈 결정에 관한 모든 지식을 설명합니다.

여섯개의 별

물론 당신은 두 개의 동일한 눈송이를 보는 것이 불가능하다는 것을 알고 있습니다(시작 단계를 제외하고). 이 사실은 하늘에서 결정이 어떻게 형성되는지와 관련이 있습니다. 눈은 대기 중에 형성되어 지구에 떨어져도 모양을 유지하는 얼음 결정의 집합체입니다. 이는 진눈깨비나 비로 합쳐지거나 녹는 것을 방지할 수 있을 만큼 대기가 차가울 때 형성됩니다.

단일 구름 내에서 많은 온도와 습도 수준이 기록될 수 있지만 단일 눈송이의 경우 이러한 변수는 일정합니다. 이것이 바로 눈송이가 대칭적으로 자라는 이유입니다. 반면에, 각 눈송이는 바람, 햇빛 및 기타 요인에 노출됩니다. 본질적으로 각 결정은 구름의 혼돈에 영향을 받기 때문에 다양한 형태를 취합니다.

Libbrecht의 연구에 따르면 이러한 섬세한 형태에 대한 최초의 생각은 기원전 135년에 기록되었습니다. 중국에서. 학자인 한음(Han Yin)은 “식물과 나무의 꽃은 대개 다섯개의 뿔을 가지고 있지만, 눈의 꽃은 항상 여섯 개의 뿔을 가지고 있다”고 썼습니다. 그리고 왜 이런 일이 일어나는지 알아내려고 노력한 최초의 과학자는 아마도 독일의 과학자이자 박식가인 요하네스 케플러였을 것입니다.

1611년 케플러는 그의 후원자인 신성로마제국 황제 루돌프 XNUMX세에게 새해 선물을 선물했습니다. 논문 "육각형 눈송이에 대하여"라는 제목의.

“나는 부끄러움에 괴로워하며 다리를 건너갑니다. 새해 선물도없이 당신을 떠났습니다! 그러던 나에게 기회가 찾아왔다! 추위로 인해 두꺼워진 수증기가 내 옷 위에 눈송이처럼 떨어지며, 그 모든 옷은 푹신한 광선으로 육각형처럼 하나입니다. 나는 헤라클레스에 의해 맹세합니다. 여기에는 어떤 방울보다 작고 모양이 있으며 오랫동안 기다려온 아무것도없는 연인에게 새해 선물로 사용할 수 있으며 아무것도없고 아무것도받지 않는 수학자에게 합당한 것이 있습니다. 하늘에서 떨어져 육각형 별의 모습을 그 안에 감추고 있습니다!

“눈이 육각별 모양인 데에는 이유가 있을 것 같아요. 이것은 우연이 될 수 없습니다.” 요하네스 케플러는 확신했습니다. 아마도 그는 탐험가 월터 롤리 경(Sir Walter Raleigh)의 항해사로도 일했던 영국의 과학자이자 천문학자인 동시대 토마스 해리엇(Thomas Harriot)의 편지를 기억했을 것입니다. 1584년경 Harriot는 Raleigh 선박의 갑판에 포탄을 쌓는 가장 효율적인 방법을 찾고 있었습니다. 해리엇은 육각형 패턴이 구를 배열하는 가장 좋은 방법인 것 같다는 사실을 발견하고 케플러와 서신을 통해 이 문제를 논의했습니다. 케플러는 눈송이에서도 비슷한 일이 일어나는지, 그리고 이 XNUMX개의 광선이 생성되고 유지되는 원인이 무엇인지 궁금해했습니다.

눈송이 모양





이것이 불과 300년 후에 논의될 원자 물리학의 원리에 대한 최초의 이해라고 말할 수 있습니다. 실제로 두 개의 수소 원자와 하나의 산소로 구성된 물 분자는 서로 결합하여 육각형 배열을 형성하는 경향이 있습니다. 케플러와 그의 동시대인들은 이것이 얼마나 중요한지 전혀 몰랐습니다.

물리학자들이 말했듯이, 수소 결합과 분자 상호 작용 덕분에 우리는 개방형 결정 구조를 관찰할 수 있습니다. 눈송이가 자라는 능력 외에도 육각형 구조로 인해 얼음이 물보다 밀도가 낮아져 지구화학, 지구물리학 및 기후에 큰 영향을 미칩니다. 즉, 얼음이 뜨지 않으면 지구상의 생명체는 불가능할 것입니다.

그러나 케플러의 논문 이후, 눈송이를 관찰하는 것은 진지한 과학이라기보다는 취미에 더 가깝습니다. 1880년대, 춥고 항상 눈이 내리는 작은 마을인 제리코(미국 버몬트 주)에 살았던 미국 사진가 윌슨 벤틀리(Wilson Bentley)가 사진 건판을 사용하여 눈송이 사진을 찍기 시작했습니다. 그는 폐렴으로 사망하기 전까지 5000장이 넘는 사진을 만들었습니다.

그 이후인 1930년대에는 일본 연구자 나카야 우키치로(Ukichiro Nakaya)가 다양한 유형의 눈 결정을 체계적으로 연구하기 시작했습니다. 세기 중반에 나카야는 냉장고에 보관된 토끼 털을 이용해 실험실에서 눈송이를 키웠습니다. 그는 습도와 온도 설정을 조정하고 기본 유형의 결정을 성장시키고 가능한 모양에 대한 원본 카탈로그를 편집했습니다. Nakaya는 눈송이 별이 -2°C와 -15°C에서 형성되는 경향이 있음을 발견했습니다. 컬럼은 -5°C와 약 -30°C에서 형성됩니다.

약 -2°C의 온도에서는 얇은 판 모양의 눈송이가 나타나고, -5°C에서는 얇은 기둥과 바늘을 만들고, 온도가 -15°C로 떨어지면 매우 얇아진다는 점을 여기서 주목하는 것이 중요합니다. 30 °C 이하의 온도에서는 더 두꺼운 기둥으로 돌아갑니다.

습도가 낮은 조건에서는 별 모양의 눈송이가 여러 개의 가지를 형성하고 육각형 판과 비슷하지만 습도가 높으면 더욱 복잡하고 레이스 모양이 됩니다.

Libbrecht에 따르면 다양한 형태의 눈송이가 나타나는 이유는 Nakai의 작업 덕분에 더욱 분명해졌습니다. 눈 결정은 가장자리가 바깥쪽으로 빠르게 성장하고 면이 천천히 위쪽으로 성장할 때 평평한 별과 판(XNUMX차원 구조가 아닌)으로 발전하는 것으로 밝혀졌습니다. 얇은 기둥은 가장자리가 빠르게 성장하고 가장자리가 느리게 성장하는 등 다르게 성장합니다.

동시에, 눈송이가 별이 되거나 기둥이 되는지 여부에 영향을 미치는 기본 과정은 여전히 ​​불분명합니다. 아마도 그 비밀은 온도 조건에 있었을 것입니다. 그리고 리브레히트는 이 질문에 대한 답을 찾으려고 노력했습니다.

눈송이 레시피

그의 소규모 연구원 팀과 함께 Libbrecht는 눈송이 요리법을 찾으려고 노력했습니다. 즉, 컴퓨터에 로드하여 AI로부터 엄청나게 다양한 눈송이를 얻을 수 있는 특정 방정식과 매개변수 세트입니다.

Kenneth Libbrecht는 닫힌 기둥이라고 불리는 이국적인 눈송이 모양에 대해 배운 후 XNUMX년 전에 연구를 시작했습니다. 그것은 실의 실패 또는 두 개의 바퀴와 축처럼 보입니다. 북부에서 태어난 그는 이런 눈꽃을 본 적이 없다는 사실에 충격을 받았다.

끝없는 모양의 눈 결정에 놀란 그는 공부하는 눈송이 재배를 위한 실험실을 만들어서 그들의 본성을 보여줍니다. 수년간의 관찰 결과는 저자 자신이 획기적인 것으로 간주하는 모델을 만드는 데 도움이 되었습니다. 그는 표면 에너지를 기반으로 한 분자 확산 아이디어를 제안했습니다. 이 아이디어는 눈 결정의 성장이 초기 조건과 그것을 형성하는 분자의 행동에 어떻게 의존하는지를 설명합니다.

수증기가 막 얼기 시작하면서 물 분자가 느슨하게 위치한다고 상상해 보세요. 작은 관측소 안에 들어가서 이 과정을 관찰하면 얼어붙은 물 분자가 어떻게 견고한 격자를 형성하기 시작하는지 볼 수 있으며, 각 산소 원자는 XNUMX개의 수소 원자로 둘러싸여 있습니다. 이 결정은 주변 공기의 물 분자를 구조에 통합하여 성장합니다. 그들은 위쪽이나 바깥쪽의 두 가지 주요 방향으로 자랄 수 있습니다.

얇고 편평한 결정(라멜라 또는 별 모양)은 가장자리가 결정의 두 면보다 빠르게 형성될 때 형성됩니다. 성장하는 결정은 바깥쪽으로 퍼질 것입니다. 그러나 면이 가장자리보다 빠르게 성장하면 결정이 더 커져서 바늘, 속이 빈 기둥 또는 막대를 형성합니다.

희귀한 형태의 눈송이





잠시만 더. 온타리오 북부의 Libbrecht가 찍은 세 번째 사진에 주목하십시오. 이것은 "폐쇄 기둥" 결정입니다. 두 개의 판이 두꺼운 원주 결정 끝에 부착되어 있습니다. 이 경우 각 판은 훨씬 더 얇은 한 쌍의 판으로 나뉩니다. 가장자리를 자세히 보면 접시가 어떻게 두 개로 나뉘는지 알 수 있습니다. 이 두 개의 얇은 판의 가장자리는 면도날만큼 날카롭습니다. 얼음 기둥의 전체 길이는 약 1,5mm입니다.

Libbrecht의 모델에 따르면, 수증기는 먼저 결정의 모서리에 자리잡은 다음 표면을 따라 결정의 가장자리나 면으로 확산(확산)되어 결정이 바깥쪽이나 위쪽으로 성장하게 됩니다. 이들 프로세스 중 어느 프로세스가 "승리"하는지는 주로 온도에 따라 달라집니다.

이 모델은 "반실증적"이라는 점에 유의해야 합니다. 즉, 눈송이 성장의 원리를 설명하기 위한 것이 아니라 현재 일어나고 있는 현상에 대응하도록 부분적으로 구성한 것입니다. 수많은 분자 사이의 불안정성과 상호작용은 너무 복잡해서 완전히 풀 수 없습니다. 그러나 Libbrecht의 아이디어가 더 자세한 측정과 실험을 통해 자세히 설명될 수 있는 얼음 성장 역학에 대한 포괄적인 모델의 기초가 될 것이라는 희망은 남아 있습니다.

이러한 관찰이 좁은 범위의 과학자들에게 관심이 있다고 생각해서는 안됩니다. 응집물질 물리학과 다른 분야에서도 비슷한 질문이 제기됩니다. 약물 분자, 컴퓨터용 반도체 칩, 태양 전지 및 기타 여러 산업 분야에서는 고품질 결정이 필요하며 팀 전체가 이를 성장시키는 데 전념하고 있습니다. 따라서 리브레히트가 사랑하는 눈송이는 과학의 혜택을 누릴 수 있습니다.

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출처 : habr.com