Во централниот дел на Русија оваа зима нема доволно снег. Се разбира, на некои места падна, но во јануари може да се очекува уште студено и снежно време. Досадното сивило и непријатната кашест снег ве спречуваат да ја почувствувате радоста на вообичаената зимска забава. Затоа Cloud4Y предлага да додадеме малку снег во нашите животи зборувајќи за... снегулки.
Се верува дека има само два вида снегулки. И еден од научниците, понекогаш наречен „татко“ на физиката на снегулките, има нова теорија за да ја објасни причината за ова. е неверојатна личност која е подготвена да ја напушти загреаната од сонцето Јужна Калифорнија среде зима за да стигне до Фербенкс (Алјаска), да облече топла јакна и да седне на замрзнато поле со камера и парче пена во рацете. .
За што? Тој ги бара најблескавите, најтекстурираните, најубавите снегулки што природата може да ги создаде. Според него, најинтересните примероци имаат тенденција да се формираат на најстудените места - озлогласениот Фербенкс и снежниот северен дел на Њујорк. Најдобриот снег што Кенет некогаш го видел е во Кокрајн, место во североисточниот дел на Онтарио, каде слабите ветрови вртеле снегулки додека паѓале од небото.
Фасциниран од елементите, Либрехт ја проучува својата пена плоча со истрајност на археолог. Ако има нешто интересно таму, окото дефинитивно ќе го фати. Ако не, снегот се брише од таблата и сè започнува повторно. И ова трае со часови.
Либбрехт е физичар. По забавна случајност, неговата лабораторија во Калифорнискиот технолошки институт се занимава со истражување на внатрешната структура на Сонцето и дури има развиено современи инструменти за откривање на гравитационите бранови. Но, во последните 20 години, вистинската страст на Либбрехт беше снегот - не само неговиот изглед, туку и она што го прави да изгледа така. „Прашањето за тоа какви предмети паѓаат од небото, како се случува и зошто изгледаат така, ме мачи цело време“, признава Кенет.
Долго време на физичарите им беше доволно да знаат дека меѓу многуте ситни снежни кристали може да се разликуваат два доминантни типа. Еден од нив е рамна ѕвезда со шест или дванаесет краци, од кои секоја е украсена со вртоглаво убава тантела. Другата е еден вид минијатурна колона, понекогаш сместена меѓу рамни „покривки“, а понекогаш слична на обична завртка. Овие форми може да се видат на различни температури и влажност, но причината за формирањето на одредена форма е мистерија. Годините на набљудувања на Либрехт помогнаа подобро да се разбере процесот на кристализација на снегулките.
Работата на Либрехт во оваа област помогна да се создаде нов модел кој објаснува зошто снегулките и другите снежни кристали го формираат она што сме навикнати да го гледаме. Според неговата теорија, онлајн во октомври 2019 година, го опишува движењето на молекулите на водата во близина на точката на замрзнување (кристализација) и како специфичните движења на овие молекули можат да доведат до збирка кристали што се формираат под различни услови. Во неговиот На 540 страници, Либрехт го опишува целото знаење за снежните кристали.
Шесткраки ѕвезди
Вие, се разбира, знаете дека е невозможно да се видат две идентични снегулки (освен во почетната фаза). Овој факт е поврзан со тоа како се формираат кристалите на небото. Снегот е збирка ледени кристали кои се формираат во атмосферата и ја задржуваат својата форма кога ќе паднат заедно на Земјата. Тие се формираат кога атмосферата е доволно студена за да ги спречи да се спојат или да се стопат во лапавица или дожд.
Иако многу температури и нивоа на влажност може да се забележат во еден облак, за една снегулка овие променливи ќе бидат константни. Ова е причината зошто снегулката често расте симетрично. Од друга страна, секоја снегулка е изложена на ветер, сончева светлина и други фактори. Во суштина, секој кристал е подложен на хаосот на облакот и затоа добива различни форми.
Според истражувањето на Либрехт, најраното размислување за овие деликатни форми е забележано во 135 п.н.е. во Кина. „Цветовите на растенијата и дрвјата обично се со пет крака, но цветовите на снегот се секогаш шесткратни“, напишал научникот Хан Јин. И првиот научник кој се обидел да открие зошто тоа се случува веројатно бил Јоханес Кеплер, германски научник и полиматик.
Во 1611 година, Кеплер му подари новогодишен подарок на својот покровител, светиот римски император Рудолф II: мал со наслов „За шестоаголните снегулки“.
„Го поминувам мостот, измачуван од срам - те оставив без новогодишен подарок! И тогаш ми се појави можност! Водената пареа, згусната од студот во снег, ми паѓа како снегулки на облеката, сите, како едно, шестоаголни, со меки зраци. Се колнам во Херкулес, еве нешто што е помало од секоја капка, има форма, може да послужи како долгоочекуван новогодишен подарок на вљубеник во Ништо и е достоен за математичар кој нема Ништо и добива Ништо, бидејќи паѓа од небо и крие во себе ликот на шестоаголна ѕвезда!
„Мора да има причина зошто снегот е обликуван како шестоаголна ѕвезда. Ова не може да биде несреќа“, беше сигурен Јоханес Кеплер. Можеби се сетил на писмото од неговиот современик Томас Хариот, англиски научник и астроном кој исто така успеал да работи како навигатор кај истражувачот Сер Волтер Рали. Околу 1584 година, Хариот бараше најефикасен начин за натрупување топовски гранати на палубите на бродовите Рали. Хариот открил дека шестоаголните обрасци се чини дека се најдобриот начин за уредување на сферите, и тој разговарал за ова прашање во кореспонденција со Кеплер. Кеплер се прашуваше дали нешто слично се случува кај снегулките и кој елемент е одговорен за создавање и одржување на овие шест зраци.
Форми на снегулки
Можеме да кажеме дека ова беше првичното разбирање на принципите на атомската физика, за кое ќе се дискутира само 300 години подоцна. Навистина, молекулите на водата, со нивните два атоми на водород и еден кислород, имаат тенденција да се спојат за да формираат шестоаголни низи. Кеплер и неговите современици немаа поим колку е важно ова.
Како што велат физичарите, благодарение на водородното поврзување и интеракцијата на молекулите едни со други, можеме да набљудуваме отворена кристална структура. Покрај неговата способност да расте снегулки, шестоаголната структура овозможува мразот да биде помалку густ од водата, што има огромни ефекти врз геохемијата, геофизиката и климата. Со други зборови, ако мразот не лебди, животот на Земјата би бил невозможен.
Но, по Кеплеровиот трактат, набљудувањето снегулки беше повеќе хоби отколку сериозна наука. Во 1880-тите, американскиот фотограф Вилсон Бентли, кој живеел во студеното, секогаш снежно гратче Џерихо (Вермонт, САД), почнал да фотографира снегулки користејќи фотографски плочи. Успеал да создаде повеќе од 5000 фотографии пред да умре од пневмонија.
Дури и подоцна, во 1930-тите, јапонскиот истражувач Укичиро Накаја почна систематски да проучува различни видови на снежни кристали. Во средината на векот, Накаја одгледувал снегулки во лабораторија користејќи поединечни влакна од зајаци сместени во ладилна просторија. Тој се занимавал со поставките за влажност и температура, одгледувајќи основни типови на кристали и го составил својот оригинален каталог на можни форми. Накаја откри дека ѕвездите од снегулки имаат тенденција да се формираат на -2°C и на -15°C. Колоните се формираат на -5 °C и приближно на -30 °C.
Овде е важно да се напомене дека на температура од околу -2 °C се појавуваат тенки плочи слични на облици на снегулки, на -5 °C создаваат тенки столбови и игли, кога температурата паѓа на -15 °C стануваат навистина тенки. плочи, а на температури под - На 30 °C се враќаат во подебели столбови.
Во услови на ниска влажност, ѕвездените снегулки формираат неколку гранки и личат на шестоаголни плочи, но при висока влажност тие стануваат покомплексни и чипкасти.
Според Либрехт, причините за појавата на различните форми на снегулки станале појасни благодарение на работата на Накаи. Откриено е дека снежните кристали се развиваат во рамни ѕвезди и плочи (наместо тридимензионални структури) кога рабовите растат брзо нанадвор, а лицата полека растат нагоре. Тенките столбови растат поинаку, со брзо растечки рабови и побавно растечки рабови.
Во исто време, основните процеси кои влијаат на тоа дали снегулката ќе стане ѕвезда или колона остануваат нејасни. Можеби тајната лежи во температурните услови. И Либбрехт се обиде да најде одговор на ова прашање.
Рецепт за снегулки
Заедно со неговиот мал тим на истражувачи, Либбрехт се обидел да смисли рецепт за снегулка. Тоа е, одреден сет на равенки и параметри кои можат да се вчитаат во компјутер и да добијат прекрасна разновидност на снегулки од вештачката интелигенција.
Кенет Либрехт го започна своето истражување пред дваесет години откако дозна за егзотична форма на снегулка наречена затворена колона. Изгледа како калем од конец или две тркала и оска. Роден на северот на земјата, тој беше шокиран од фактот дека никогаш не видел таква снегулка.
Воодушевен од бескрајните форми на снежните кристали, тој почна да го прави тоа нивната природа со создавање лабораторија за одгледување снегулки. Резултатите од долгогодишните набљудувања помогнаа да се создаде модел што самиот автор го смета за пробив. Тој ја предложи идејата за молекуларна дифузија врз основа на површинската енергија. Оваа идеја опишува како растот на снежниот кристал зависи од почетните услови и однесувањето на молекулите што го формираат.
Замислете дека молекулите на водата се наоѓаат лабаво додека водената пареа само што почнува да замрзнува. Кога би можеле да бидете внатре во мала опсерваторија и да го погледнете овој процес, би можеле да видите како молекулите на замрзната вода почнуваат да формираат цврста решетка, каде што секој атом на кислород е опкружен со четири атоми на водород. Овие кристали растат со инкорпорирање на молекули на вода од околниот воздух во нивната структура. Тие можат да растат во две главни насоки: нагоре или нанадвор.
Тенок, рамен кристал (ламеларен или во облик на ѕвезда) се формира кога рабовите се формираат побрзо од двете страни на кристалот. Растечкиот кристал ќе се шири нанадвор. Меѓутоа, кога неговите лица растат побрзо од неговите рабови, кристалот расте повисок, формирајќи игла, шуплив столб или прачка.
Ретки форми на снегулки
Уште еден момент. Забележете ја третата фотографија, направена од Либрехт во северниот дел на Онтарио. Ова е кристал „затворена колона“ - две плочи прикачени на краевите на дебел колонообразен кристал. Во овој случај, секоја плоча е поделена на пар многу потенки чинии. Погледнете внимателно на рабовите, ќе видите како плочата е поделена на два дела. Рабовите на овие две тенки плочи се отприлика остри како жилет. Вкупната должина на ледената колона е околу 1,5 мм.
Според моделот на Либрехт, водената пареа прво се таложи на аглите на кристалот, а потоа се шири (дифузира) по површината или до работ на кристалот или до неговите лица, предизвикувајќи кристалот да расте нанадвор или нагоре. Кој од овие процеси „победи“ зависи главно од температурата.
Треба да се напомене дека моделот е „полуемпириски“. Односно, тој е делумно структуриран да одговара на она што се случува, а не да ги објаснува принципите на растот на снегулките. Нестабилностите и интеракциите помеѓу безбројните молекули се премногу сложени за целосно да се разоткријат. Сепак, останува надежта дека идеите на Либбрехт ќе послужат како основа за сеопфатен модел на динамиката на растот на мразот, кој може да биде детален преку подетални мерења и експерименти.
Не треба да се мисли дека овие набљудувања се од интерес за тесен круг на научници. Слични прашања се јавуваат во физиката на кондензирана материја и во други области. Молекулите на лекови, полупроводнички чипови за компјутери, соларни ќелии и мноштво други индустрии се потпираат на висококвалитетни кристали, а цели тимови се посветени на нивното одгледување. Значи, многу саканите снегулки на Либрехт може да ѝ служат на науката.
Што друго можете да прочитате на блогот?
→
→
→
→
→
Претплатете се на нашата -канал за да не ја пропуштите следната статија! Ние пишуваме не повеќе од двапати неделно и само на деловен план. Патем, ако веќе не знаете, стартапите можат да добијат 10 долари од Cloud000Y. Условите и формуларот за апликација за заинтересираните може да се најдат на нашата веб-страница:
Извор: www.habr.com