Salji tidak mencukupi di bahagian tengah Rusia pada musim sejuk ini. Ia jatuh di beberapa tempat, sudah tentu, tetapi pada bulan Januari seseorang boleh menjangkakan cuaca yang lebih sejuk dan bersalji. Kekelabuan kusam dan lumpur yang tidak menyenangkan menghalang anda daripada merasai kegembiraan keseronokan musim sejuk yang biasa. Itulah sebabnya Cloud4Y mencadangkan untuk menambah sedikit salji ke dalam hidup kita dengan bercakap tentang... kepingan salji.
Adalah dipercayai bahawa terdapat hanya dua jenis kepingan salji. Dan salah seorang saintis, kadang-kadang dipanggil "bapa" fizik kepingan salji, mempunyai teori baru untuk menjelaskan sebabnya. ialah seorang yang luar biasa yang bersedia meninggalkan California Selatan yang dipanaskan matahari pada pertengahan musim sejuk untuk pergi ke Fairbanks (Alaska), memakai jaket hangat dan duduk di padang beku dengan kamera dan sekeping buih di tangannya .
Untuk apa? Dia mencari kepingan salji yang paling berkilauan, paling bertekstur, paling cantik yang boleh dicipta oleh alam semula jadi. Menurutnya, sampel yang paling menarik cenderung terbentuk di tempat paling sejuk - Fairbanks yang terkenal dan bahagian utara New York yang bersalji. Salji terbaik yang pernah Kenneth lihat ialah di Cochrane, sebuah tempat di timur laut Ontario, di mana angin sepoi-sepoi berpusing-pusing apabila ia jatuh dari langit.
Terpesona dengan unsur-unsur, Libbrecht mengkaji papan buihnya dengan ketabahan seorang ahli arkeologi. Jika ada sesuatu yang menarik di sana, pasti mata akan menangkapnya. Jika tidak, salji hilang dari papan, dan semuanya bermula semula. Dan ini berlangsung selama berjam-jam.
Libbrecht ialah seorang ahli fizik. Secara kebetulan yang menggembirakan, makmalnya di California Institute of Technology terlibat dalam penyelidikan ke dalam struktur dalaman Matahari dan bahkan telah membangunkan instrumen moden untuk mengesan gelombang graviti. Tetapi sejak 20 tahun yang lalu, keghairahan sebenar Libbrecht ialah saljiβbukan hanya penampilannya, tetapi yang menjadikannya kelihatan seperti itu. "Persoalan tentang jenis objek yang jatuh dari langit, bagaimana ia berlaku dan mengapa ia kelihatan seperti itu, menyeksa saya sepanjang masa," akui Kenneth.
Untuk masa yang lama, sudah cukup untuk ahli fizik mengetahui bahawa di antara banyak kristal salji kecil, dua jenis utama boleh dibezakan. Salah satunya adalah bintang rata dengan enam atau dua belas lengan, setiap satunya dihiasi dengan renda yang sangat cantik. Yang lain ialah sejenis lajur kecil, kadangkala diapit di antara "penutup" rata dan kadangkala serupa dengan bolt biasa. Bentuk-bentuk ini boleh dilihat pada suhu dan kelembapan yang berbeza, tetapi sebab pembentukan bentuk tertentu telah menjadi misteri. Pemerhatian tahun Libbrecht membantu untuk lebih memahami proses penghabluran kepingan salji.
Kerja Libbrecht dalam bidang ini telah membantu mencipta model baharu yang menerangkan sebab kepingan salji dan kristal salji lain membentuk perkara yang biasa kita lihat. Menurut teorinya, dalam talian pada Oktober 2019, menerangkan pergerakan molekul air berhampiran takat beku (penghabluran) dan bagaimana pergerakan khusus molekul ini boleh menimbulkan koleksi kristal yang terbentuk dalam keadaan berbeza. Dalam dia Dalam 540 muka surat, Libbrecht menerangkan semua pengetahuan tentang kristal salji.
Bintang berbucu enam
Anda, tentu saja, tahu bahawa adalah mustahil untuk melihat dua kepingan salji yang sama (kecuali pada peringkat permulaan). Fakta ini mempunyai kaitan dengan bagaimana kristal terbentuk di langit. Salji ialah koleksi kristal ais yang terbentuk di atmosfera dan mengekalkan bentuknya apabila ia jatuh bersama ke Bumi. Ia terbentuk apabila atmosfera cukup sejuk untuk menghalangnya daripada bergabung atau mencair menjadi hujan salji atau hujan.
Walaupun banyak suhu dan tahap kelembapan boleh direkodkan dalam satu awan, untuk satu kepingan salji, pembolehubah ini akan tetap. Inilah sebabnya mengapa kepingan salji sering tumbuh secara simetri. Sebaliknya, setiap kepingan salji terdedah kepada angin, cahaya matahari dan faktor lain. Pada asasnya, setiap kristal tertakluk kepada huru-hara awan, dan oleh itu mengambil bentuk yang berbeza.
Menurut penyelidikan Libbrecht, pemikiran terawal tentang bentuk-bentuk halus ini direkodkan pada 135 SM. di China. βBunga tumbuhan dan pokok biasanya berbucu lima, tetapi bunga salji selalu berbucu enam,β tulis sarjana Han Yin. Dan saintis pertama yang cuba mencari tahu mengapa ini berlaku mungkin Johannes Kepler, seorang saintis Jerman dan polymath.
Pada tahun 1611, Kepler menyampaikan hadiah Tahun Baru kepada penaungnya, Maharaja Rom Suci Rudolf II: bertajuk "Mengenai Kepingan Salji Heksagon".
"Saya menyeberangi jambatan, terseksa oleh rasa malu - saya meninggalkan anda tanpa hadiah Tahun Baru! Dan kemudian peluang datang kepada saya! Wap air, yang menebal dari sejuk menjadi salji, jatuh seperti kepingan salji pada pakaian saya, semuanya, sebagai satu, heksagon, dengan sinar yang gebu. Saya bersumpah dengan Hercules, berikut adalah perkara yang lebih kecil daripada sebarang titisan, mempunyai bentuk, boleh berfungsi sebagai hadiah Tahun Baru yang ditunggu-tunggu kepada pencinta Tiada apa-apa dan layak untuk ahli matematik yang tidak mempunyai apa-apa dan tidak menerima apa-apa, kerana ia jatuh dari langit dan menyembunyikan dalam dirinya rupa bintang heksagon!
βMesti ada sebab mengapa salji berbentuk seperti bintang heksagon. Ini tidak boleh kemalangan,β Johannes Kepler yakin. Mungkin dia teringat surat daripada Thomas Harriot sezamannya, seorang saintis dan ahli astronomi Inggeris yang juga berjaya bekerja sebagai pelayar untuk penjelajah Sir Walter Raleigh. Sekitar tahun 1584, Harriot sedang mencari cara yang paling berkesan untuk menyusun bebola meriam di geladak kapal Raleigh. Harriot mendapati bahawa corak heksagon nampaknya merupakan cara terbaik untuk menyusun sfera, dan dia membincangkan isu ini dalam surat-menyurat dengan Kepler. Kepler tertanya-tanya sama ada sesuatu yang serupa berlaku dalam kepingan salji dan unsur apakah yang bertanggungjawab untuk enam sinar ini dicipta dan dikekalkan.
Bentuk kepingan salji
Kita boleh mengatakan bahawa ini adalah pemahaman awal tentang prinsip fizik atom, yang akan dibincangkan hanya 300 tahun kemudian. Sesungguhnya, molekul air, dengan dua atom hidrogen dan satu oksigen, cenderung bergabung untuk membentuk susunan heksagon. Kepler dan rakan seangkatannya tidak tahu betapa pentingnya perkara ini.
Seperti yang dikatakan ahli fizik, terima kasih kepada ikatan hidrogen dan interaksi molekul antara satu sama lain, kita boleh melihat struktur kristal terbuka. Sebagai tambahan kepada keupayaannya untuk mengembangkan kepingan salji, struktur heksagon membolehkan ais menjadi kurang tumpat daripada air, yang mempunyai kesan besar terhadap geokimia, geofizik dan iklim. Dengan kata lain, jika ais tidak terapung, kehidupan di Bumi akan menjadi mustahil.
Tetapi selepas risalah Kepler, memerhati kepingan salji lebih merupakan hobi daripada sains yang serius. Pada tahun 1880-an, seorang jurugambar Amerika bernama Wilson Bentley, yang tinggal di bandar kecil Jericho yang sejuk dan sentiasa bersalji (Vermont, Amerika Syarikat), mula mengambil gambar kepingan salji menggunakan plat fotografi. Dia berjaya mencipta lebih daripada 5000 gambar sebelum meninggal dunia akibat radang paru-paru.
Malah kemudian, pada tahun 1930-an, penyelidik Jepun Ukichiro Nakaya mula secara sistematik mengkaji pelbagai jenis kristal salji. Pada pertengahan abad ini, Nakaya menanam kepingan salji di makmal menggunakan bulu arnab individu yang diletakkan di dalam bilik sejuk. Dia bermain-main dengan tetapan kelembapan dan suhu, mengembangkan jenis asas kristal, dan menyusun katalog asalnya tentang kemungkinan bentuk. Nakaya mendapati bahawa bintang kepingan salji cenderung terbentuk pada -2Β°C dan pada -15Β°C. Lajur terbentuk pada -5 Β°C dan kira-kira -30 Β°C.
Adalah penting untuk diperhatikan di sini bahawa pada suhu kira-kira -2 Β°C bentuk kepingan salji nipis seperti plat muncul, pada -5 Β°C mereka mencipta tiang dan jarum nipis, apabila suhu turun kepada -15 Β°C mereka menjadi sangat nipis plat, dan pada suhu di bawah - Pada 30 Β°C mereka kembali ke lajur yang lebih tebal.
Dalam keadaan kelembapan yang rendah, kepingan salji bintang membentuk beberapa cawangan dan menyerupai plat heksagon, tetapi dalam kelembapan yang tinggi ia menjadi lebih rumit dan berenda.
Menurut Libbrecht, sebab-sebab kemunculan pelbagai bentuk kepingan salji menjadi lebih jelas berkat kerja Nakai. Telah didapati bahawa hablur salji berkembang menjadi bintang dan plat rata (bukannya struktur tiga dimensi) apabila tepi tumbuh dengan cepat ke luar dan muka tumbuh perlahan ke atas. Lajur nipis tumbuh dengan cara yang berbeza, dengan tepi tumbuh cepat dan tepi tumbuh lebih perlahan.
Pada masa yang sama, proses asas yang mempengaruhi sama ada kepingan salji menjadi bintang atau lajur masih tidak jelas. Mungkin rahsianya terletak pada keadaan suhu. Dan Libbrecht cuba mencari jawapan kepada soalan ini.
Resipi kepingan salji
Bersama-sama dengan pasukan penyelidik kecilnya, Libbrecht cuba menghasilkan resipi untuk kepingan salji. Iaitu, satu set persamaan dan parameter tertentu yang boleh dimuatkan ke dalam komputer dan mendapatkan pelbagai jenis kepingan salji yang hebat daripada AI.
Kenneth Libbrecht memulakan penyelidikannya dua puluh tahun yang lalu selepas mengetahui tentang bentuk kepingan salji eksotik yang dipanggil lajur tertutup. Ia kelihatan seperti gelendong benang atau dua roda dan gandar. Dilahirkan di utara negara itu, dia terkejut dengan fakta bahawa dia tidak pernah melihat kepingan salji seperti itu.
Kagum dengan bentuk kristal salji yang tidak berkesudahan, dia mula melakukannya sifat mereka dengan mewujudkan makmal untuk menanam kepingan salji. Hasil pemerhatian bertahun-tahun membantu mencipta model yang penulis sendiri anggap sebagai satu kejayaan. Beliau mencadangkan idea resapan molekul berdasarkan tenaga permukaan. Idea ini menerangkan bagaimana pertumbuhan kristal salji bergantung pada keadaan awal dan tingkah laku molekul yang membentuknya.
Bayangkan bahawa molekul air terletak longgar kerana wap air baru mula membeku. Jika anda berada di dalam balai cerap kecil dan melihat proses ini, anda dapat melihat bagaimana molekul air beku mula membentuk kekisi tegar, di mana setiap atom oksigen dikelilingi oleh empat atom hidrogen. Kristal ini tumbuh dengan memasukkan molekul air dari udara sekeliling ke dalam strukturnya. Mereka boleh tumbuh dalam dua arah utama: ke atas atau ke luar.
Kristal nipis dan rata (lamellar atau berbentuk bintang) terbentuk apabila tepi terbentuk lebih cepat daripada dua muka kristal. Kristal yang tumbuh akan merebak ke luar. Walau bagaimanapun, apabila mukanya tumbuh lebih cepat daripada tepinya, kristal menjadi lebih tinggi, membentuk jarum, tiang berongga, atau batang.
Bentuk emping salji yang jarang ditemui
Sekejap lagi. Perhatikan foto ketiga, diambil oleh Libbrecht di utara Ontario. Ini adalah kristal "lajur tertutup" - dua plat yang dilekatkan pada hujung kristal kolumnar tebal. Dalam kes ini, setiap plat dibahagikan kepada sepasang plat yang lebih nipis. Lihat dengan teliti di tepi, anda akan melihat bagaimana pinggan dibahagikan kepada dua. Tepi kedua-dua plat nipis ini kira-kira setajam pisau cukur. Jumlah panjang lajur ais adalah kira-kira 1,5 mm.
Menurut model Libbrecht, wap air mula-mula mendap di sudut-sudut kristal dan kemudian merebak (meresap) di sepanjang permukaan sama ada ke tepi kristal atau ke mukanya, menyebabkan kristal tumbuh ke luar atau ke atas. Manakah antara proses ini "menang" bergantung terutamanya pada suhu.
Perlu diingatkan bahawa model itu adalah "separa empirik". Iaitu, ia sebahagiannya berstruktur untuk sepadan dengan apa yang berlaku, dan bukan untuk menerangkan prinsip pertumbuhan kepingan salji. Ketidakstabilan dan interaksi antara molekul yang tidak terkira banyaknya terlalu kompleks untuk dirungkai sepenuhnya. Walau bagaimanapun, harapan kekal bahawa idea Libbrecht akan menjadi asas untuk model komprehensif dinamik pertumbuhan ais, yang boleh diperincikan melalui pengukuran dan eksperimen yang lebih terperinci.
Seseorang tidak sepatutnya berfikir bahawa pemerhatian ini menarik minat kumpulan saintis yang sempit. Soalan yang sama timbul dalam fizik jirim pekat dan dalam bidang lain. Molekul ubat, cip semikonduktor untuk komputer, sel solar dan pelbagai industri lain bergantung pada kristal berkualiti tinggi, dan seluruh pasukan berdedikasi untuk mengembangkannya. Jadi kepingan salji yang sangat digemari oleh Libbrecht mungkin memberi manfaat kepada sains.
Apa lagi yang anda boleh baca di blog?
β
β
β
β
β
Langgan kami -saluran supaya anda tidak terlepas artikel seterusnya! Kami menulis tidak lebih daripada dua kali seminggu dan hanya mengenai perniagaan. Ngomong-ngomong, jika anda belum tahu, pemula boleh menerima $10 daripada Cloud000Y. Syarat dan borang permohonan bagi yang berminat boleh didapati di laman web kami:
Sumber: www.habr.com