Centrinėje Rusijos dalyje šią žiemą nepakanka sniego. Kai kur, žinoma, palis, bet sausį buvo galima tikėtis ir daugiau šalnų ir sniego. Nuobodu pilkuma ir nemalonus purvas neleidžia pajusti įprastų žiemos pramogų džiaugsmo. Štai kodėl „Cloud4Y“ siūlo į mūsų gyvenimą įtraukti šiek tiek sniego, kalbėdamas apie... snaiges.
Manoma, kad yra tik dviejų tipų snaigės. Ir vienas iš mokslininkų, kartais vadinamas snaigių fizikos „tėvu“, turi naują teoriją, paaiškinančią to priežastį. yra nuostabus žmogus, pasiruošęs vidury žiemos palikti saulės įkaitintą Pietų Kaliforniją, kad nuvyktų į Ferbenksą (Aliaska), apsivilktų šiltą striukę ir atsisėstų į užšalusį lauką su fotoaparatu ir putplasčio gabalėliu rankose. .
Kam? Jis ieško pačių žėrinčių, tekstūruotų ir gražiausių snaigių, kurias gali sukurti gamta. Anot jo, įdomiausi pavyzdžiai linkę formuotis šalčiausiose vietose – liūdnai pagarsėjusiame Ferbenkse ir snieguotoje šiaurinėje Niujorko dalyje. Geriausias sniegas, kurį Kenetas kada nors matė, buvo Cochrane, vietoje šiaurės rytų Ontarijo valstijoje, kur lengvas vėjas suko snaiges, krisdamas iš dangaus.
Susižavėjęs stichijų, Libbrechtas tiria savo putplasčio lentą su archeologo atkaklumu. Jei ten yra kažkas įdomaus, akis tikrai užklius. Jei ne, sniegas nušluojamas nuo lentos, ir viskas prasideda iš naujo. Ir tai trunka valandas.
Libbrechtas yra fizikas. Juokingo atsitiktinumo dėka jo laboratorija Kalifornijos technologijos institute užsiima Saulės vidinės sandaros tyrimais ir netgi sukūrė modernius gravitacinių bangų aptikimo instrumentus. Tačiau pastaruosius 20 metų tikroji Libbrechto aistra buvo sniegas – ne tik jo išvaizda, bet ir tai, dėl ko jis taip atrodo. „Klausimas, kokie objektai krenta iš dangaus, kaip tai vyksta ir kodėl jie taip atrodo, mane kankina visą laiką“, – prisipažįsta Kennethas.
Fizikams ilgą laiką pakako žinoti, kad tarp daugybės mažyčių sniego kristalų galima išskirti du vyraujančius tipus. Viena iš jų – plokščia žvaigždė su šešiomis ar dvylika rankų, kurių kiekviena papuošta svaiginančiai gražiais nėriniais. Kita – savotiška miniatiūrinė kolonėlė, kartais įsprausta tarp plokščių „dangčių“, o kartais panaši į paprastą varžtą. Šios formos gali būti matomos esant skirtingoms temperatūroms ir drėgmei, tačiau tam tikros formos susidarymo priežastis buvo paslaptis. Libbrechto stebėjimų metai padėjo geriau suprasti snaigių kristalizacijos procesą.
Libbrechto darbas šioje srityje padėjo sukurti naują modelį, paaiškinantį, kodėl snaigės ir kiti sniego kristalai sudaro tai, ką esame įpratę matyti. Pagal jo teoriją, 2019 m. spalio mėn. internete, aprašomas vandens molekulių judėjimas netoli užšalimo taško (kristalizacija) ir kaip dėl specifinių šių molekulių judėjimo gali susidaryti kristalų, susidarančių skirtingomis sąlygomis, rinkinys. Jo 540 puslapių Libbrechtas aprašo visas žinias apie sniego kristalus.
Šešiakampės žvaigždės
Jūs, žinoma, žinote, kad neįmanoma pamatyti dviejų vienodų snaigių (išskyrus pradinį etapą). Šis faktas yra susijęs su kristalų formavimu danguje. Sniegas yra ledo kristalų rinkinys, susidarantis atmosferoje ir išlaikantis savo formą, kai kartu patenka į Žemę. Jie susidaro, kai atmosfera yra pakankamai šalta, kad nesusilietų arba neištirptų į šlapdribą ar lietų.
Nors viename debesyje galima užfiksuoti daugybę temperatūros ir drėgmės lygių, vienos snaigės atveju šie kintamieji bus pastovūs. Štai kodėl snaigė dažnai auga simetriškai. Kita vertus, kiekviena snaigė yra veikiama vėjo, saulės spindulių ir kitų veiksnių. Iš esmės kiekvienas kristalas yra priklausomas nuo debesies chaoso, todėl jis įgauna skirtingas formas.
Remiantis Libbrechto tyrimais, ankstyviausias mąstymas apie šias subtilias formas užfiksuotas 135 m. pr. Kr. Kinijoje. „Augalų ir medžių žiedai paprastai yra penkiakampiai, bet sniego žiedai visada yra šešiakampiai“, – rašė mokslininkas Han Yin. Ir pirmasis mokslininkas, kuris bandė išsiaiškinti, kodėl taip atsitiko, tikriausiai buvo Johannesas Kepleris, vokiečių mokslininkas ir polimatas.
1611 m. Kepleris savo globėjui Šventosios Romos imperatoriui Rudolfui II įteikė Naujųjų metų dovaną: mažą pavadinimu „Apie šešiakampes snaiges“.
„Pervažiuoju tiltą, kamuojamas gėdos - palikau tave be Naujųjų metų dovanos! Ir tada man atsirado galimybė! Vandens garai, sutirštėję nuo šalčio iki sniego, kaip snaigės krenta ant mano drabužių, visi kaip vienas, šešiakampiai, puriais spinduliais. Prisiekiu Herakliu, čia yra daiktas, kuris yra mažesnis už bet kokį lašą, turi formą, gali būti ilgai laukta Naujųjų metų dovana Nieko mylėtojui ir vertas matematiko, kuris nieko neturi ir nieko negauna, nes nukrenta iš dangaus ir slepia savyje šešiakampės žvaigždės panašumą!
„Turi būti priežastis, kodėl sniegas yra šešiakampės žvaigždės formos. Tai negali būti nelaimingas atsitikimas“, – įsitikinęs Johannesas Kepleris. Galbūt jis prisiminė savo amžininko Thomaso Harrioto, anglų mokslininko ir astronomo, kuris taip pat sugebėjo dirbti tyrinėtojo sero Walterio Rolio navigatoriumi, laišką. Maždaug 1584 m. Harriotas ieškojo efektyviausio būdo sukrauti patrankų sviedinius ant Rolio laivų denių. Harriotas nustatė, kad šešiakampiai modeliai buvo geriausias būdas išdėstyti sferas, ir jis aptarė šį klausimą susirašinėdamas su Kepleriu. Kepleris domėjosi, ar kažkas panašaus vyksta snaigėse ir koks elementas yra atsakingas už šių šešių spindulių atsiradimą ir palaikymą.
Snaigės formos
Galima sakyti, kad tai buvo pradinis atominės fizikos principų supratimas, apie kurį bus kalbama tik po 300 metų. Iš tiesų, vandens molekulės, turinčios du vandenilio atomus ir vieną deguonį, linkusios susijungti ir sudaryti šešiakampes matricas. Kepleris ir jo amžininkai neįsivaizdavo, kaip tai svarbu.
Kaip teigia fizikai, vandenilinio ryšio ir molekulių tarpusavio sąveikos dėka galime stebėti atvirą kristalinę struktūrą. Be gebėjimo auginti snaiges, šešiakampė struktūra leidžia ledui būti mažiau tankiam nei vanduo, o tai turi didžiulį poveikį geochemijai, geofizikai ir klimatui. Kitaip tariant, jei ledas neplūduriuotų, gyvybė Žemėje būtų neįmanoma.
Tačiau po Keplerio traktato snaigių stebėjimas buvo labiau hobis nei rimtas mokslas. 1880-aisiais amerikiečių fotografas Wilsonas Bentley, gyvenęs šaltame, visada apsnigtame mažame Jericho miestelyje (Vermontas, JAV), pradėjo fotografuoti snaiges naudodamas fotografines plokšteles. Prieš mirdamas nuo plaučių uždegimo, jam pavyko sukurti daugiau nei 5000 nuotraukų.
Dar vėliau, 1930-aisiais, japonų tyrinėtojas Ukichiro Nakaya pradėjo sistemingai tyrinėti įvairių tipų sniego kristalus. Šimtmečio viduryje Nakaya laboratorijoje augino snaiges, naudodama atskirus triušio plaukus, patalpintus šaldytuve. Jis sugalvojo drėgmės ir temperatūros nustatymus, augino pagrindinius kristalų tipus ir sudarė savo originalų galimų formų katalogą. Nakaya atrado, kad snaigių žvaigždės linkusios formuotis -2°C ir -15°C temperatūroje. Kolonėlės susidaro -5 °C ir maždaug -30 °C temperatūroje.
Čia svarbu pažymėti, kad esant apie -2 °C temperatūrai atsiranda plonos plokštelės formos snaigės, esant -5 °C susidaro plonos kolonėlės ir spygliuočiai, o temperatūrai nukritus iki -15 °C jos tampa tikrai plonos. plokštelių, o esant žemesnei temperatūrai - Prie 30 °C jie grįžta į storesnes kolonas.
Esant žemai drėgmei, žvaigždžių snaigės sudaro kelias šakas ir primena šešiakampes plokštes, tačiau esant didelei drėgmei jos tampa įmantresnės ir nėriniuotos.
Anot Libbrechto, skirtingų formų snaigių atsiradimo priežastys tapo aiškesnės Nakai darbo dėka. Nustatyta, kad sniego kristalai virsta plokščiomis žvaigždėmis ir plokštelėmis (o ne trimatėmis struktūromis), kai kraštai greitai auga į išorę, o veidai lėtai kyla aukštyn. Plonos kolonos auga skirtingai: greitai auga ir lėčiau auga.
Tuo pačiu metu lieka neaiškūs pagrindiniai procesai, turintys įtakos tam, ar snaigė tampa žvaigžde ar stulpeliu. Galbūt paslaptis slypi temperatūros sąlygose. Ir Libbrechtas bandė rasti atsakymą į šį klausimą.
Snaigės receptas
Kartu su savo nedidele tyrėjų komanda Libbrechtas bandė sugalvoti snaigės receptą. Tai yra, tam tikras lygčių ir parametrų rinkinys, kurį galima įkelti į kompiuterį ir iš AI gauti nuostabią snaigių įvairovę.
Kennethas Libbrechtas savo tyrimus pradėjo prieš dvidešimt metų, sužinojęs apie egzotišką snaigės formą, vadinamą uždara kolona. Tai atrodo kaip sriegio ritė arba du ratai ir ašis. Gimęs šalies šiaurėje, jį sukrėtė tai, kad tokios snaigės dar nebuvo matęs.
Nustebęs begalinių sniego kristalų formų, jis pradėjo jų prigimtį, sukurdami snaigių auginimo laboratoriją. Daugelį metų trukusių stebėjimų rezultatai padėjo sukurti modelį, kurį pats autorius laiko proveržiu. Jis pasiūlė molekulinės difuzijos idėją, pagrįstą paviršiaus energija. Ši idėja apibūdina, kaip sniego kristalo augimas priklauso nuo pradinių sąlygų ir jį sudarančių molekulių elgesio.
Įsivaizduokite, kad vandens molekulės yra laisvai išsidėsčiusios, nes vandens garai tik pradeda užšalti. Jei galėtumėte būti mažytėje observatorijoje ir pažvelgti į šį procesą, pamatytumėte, kaip sušalusios vandens molekulės pradeda formuoti standžią gardelę, kurioje kiekvieną deguonies atomą supa keturi vandenilio atomai. Šie kristalai auga į savo struktūrą įtraukdami vandens molekules iš aplinkinio oro. Jie gali augti dviem pagrindinėmis kryptimis: į viršų arba į išorę.
Plonas plokščias kristalas (lamelės arba žvaigždės formos) susidaro, kai briaunos susidaro greičiau nei du kristalo paviršiai. Augantis kristalas pasklis į išorę. Tačiau, kai jo paviršiai auga greičiau nei jo kraštai, krištolas auga aukštesnis, sudarydamas adatą, tuščiavidurį stulpą ar strypą.
Retos snaigių formos
Dar viena akimirka. Atkreipkite dėmesį į trečią nuotrauką, kurią Libbrechtas padarė šiauriniame Ontarijo mieste. Tai yra „uždaros kolonos“ kristalas – dvi plokštės, pritvirtintos prie storo koloninio kristalo galų. Šiuo atveju kiekviena plokštelė yra padalinta į porą daug plonesnių plokščių. Atidžiai pažiūrėkite į kraštus, pamatysite, kaip plokštė padalinta į dvi dalis. Šių dviejų plonų plokščių kraštai yra maždaug tokie pat aštrūs kaip skustuvo ašmenys. Bendras ledo stulpelio ilgis apie 1,5 mm.
Pagal Libbrechto modelį, vandens garai pirmiausia nusėda kristalo kampuose, o paskui pasklinda (difuzuoja) palei paviršių arba iki kristalo krašto, arba į jo paviršius, todėl kristalas auga į išorę arba į viršų. Kuris iš šių procesų „laimi“, daugiausia priklauso nuo temperatūros.
Reikėtų pažymėti, kad modelis yra „pusiau empirinis“. Tai yra, jis iš dalies sukonstruotas taip, kad atitiktų tai, kas vyksta, o ne paaiškintų snaigių augimo principus. Nesuskaičiuojamų molekulių nestabilumas ir sąveika yra pernelyg sudėtingi, kad juos būtų galima visiškai išnarplioti. Tačiau išlieka viltis, kad Libbrechto idėjos bus pagrindas visapusiškam ledo augimo dinamikos modeliui, kuris gali būti detalizuotas atliekant išsamesnius matavimus ir eksperimentus.
Nereikėtų manyti, kad šie stebėjimai domina siaurą mokslininkų ratą. Panašūs klausimai kyla kondensuotųjų medžiagų fizikoje ir kitose srityse. Vaistų molekulės, puslaidininkiniai lustai kompiuteriams, saulės elementai ir daugybė kitų pramonės šakų remiasi aukštos kokybės kristalais, o jų auginimui skirtos ištisos komandos. Taigi Libbrechto labai mylimos snaigės gali būti naudingos mokslui.
Ką dar galite perskaityti tinklaraštyje?
→
→
→
→
→
Užsiprenumeruokite mūsų -kanalas, kad nepraleistumėte kito straipsnio! Rašome ne dažniau kaip du kartus per savaitę ir tik darbo reikalais. Beje, jei dar nežinote, startuoliai gali gauti 10 000 USD iš „Cloud4Y“. Sąlygas ir paraiškos formą besidomintiems rasite mūsų svetainėje:
Šaltinis: www.habr.com