Deze winter is er niet veel sneeuw in het centrale deel van Rusland. Hier en daar is er wel wat gevallen, maar in januari zou je meer koude en sneeuwerige weersomstandigheden kunnen verwachten. De sombere grijsheid en onaangename modder maken het moeilijk om vreugde te ervaren van de gebruikelijke winterplezier. Daarom stelt Cloud4Y voor om wat sneeuw aan ons leven toe te voegen door te praten overā¦ sneeuwvlokken.
Er wordt aangenomen dat sneeuwvlokken slechts in twee soorten voorkomen. En een van de wetenschappers, die soms de "vader" van de sneeuwvlokfysica wordt genoemd, heeft een nieuwe theorie ontwikkeld die de reden hiervoor verklaart. is een opmerkelijke man die bereid is de warme, zonnige Zuid-Californiƫ in de winter te verlaten om naar Fairbanks (Alaska) te reizen, een warme jas aan te trekken en in een bevroren veld te zitten met een camera en een stuk piepschuim in zijn handen.
Waarom? Hij zoekt de meest glinsterende, meest textuurrijke, mooiste sneeuwvlokken die de natuur kan creƫren. Volgens hem hebben de meest interessante exemplaren de neiging om zich te vormen op de koudste plekken - het beruchte Fairbanks en de besneeuwde noordelijke delen van New York. De beste sneeuw die Kenneth ooit heeft gezien, viel in Cochrane, een plaatsje in het noordoosten van Ontario, waar een zwakke wind de sneeuwvlokken liet dansen die uit de lucht vielen.
Betoverd door de elementen, bestudeert Libbrecht met de volharding van een archeoloog zijn piepschuimplank. Als er iets interessants is, valt zijn blik er onvermijdelijk op. Is dat niet het geval, dan wordt de sneeuw van de plank geveegd en begint alles weer opnieuw. En dit kan uren duren.
Libbrecht is een fysicus. Door een grappige samenloop van omstandigheden houdt zijn laboratorium aan het California Institute of Technology zich bezig met het onderzoek naar de interne structuur van de zon en heeft het zelfs moderne instrumenten ontwikkeld voor het detecteren van gravitatiegolven. Maar de afgelopen 20 jaar was de ware passie van Libbrecht sneeuw - niet alleen het uiterlijk ervan, maar ook wat het zo doet uitzien. "De vraag over wat voor objecten er uit de lucht vallen, hoe dat gebeurt en waarom ze er zo uitzien, houdt me constant bezig," geeft Kenneth toe.
Lange tijd was het voor fysici voldoende om te weten dat onder de vele minuscule sneeuwkristallen twee overheersende typen konden worden onderscheiden. De een is een platte ster met zes of twaalf stralen, elk versierd met prachtig mooie kantachtige structuren. De ander is een soort miniatuurkolom, soms ingeklemd tussen platte 'deksels', en soms lijkt het op een gewone schroef. Deze vormen zijn te zien bij verschillende temperaturen en niveaus van vochtigheid, maar de oorzaak van de vorming van de ene of andere vorm was een raadsel. Jaren van observaties door Libbrecht hielpen om het proces van kristallisatie van sneeuwvlokken beter te begrijpen.
De bevindingen van Libbrecht op dit gebied hielpen een nieuw model te creƫren dat verklaart waarom sneeuwvlokken en andere sneeuwkristallen vormen die we gewend zijn te zien. Volgens zijn theorie, monografie Zeshoekige sterren
U weet natuurlijk dat het onmogelijk is om twee identieke sneeuwvlokken te zien (tenzij in het beginstadium). Dit feit is gerelateerd aan hoe kristallen zich in de lucht vormen. Sneeuw is een verzameling ijskristallen die in de atmosfeer ontstaan en hun vorm behouden wanneer ze samen op de aarde vallen. Ze ontstaan wanneer de atmosfeer koud genoeg is om samensmelting of smelting tot natte sneeuw of regen te voorkomen.
Hoewel binnen Ć©Ć©n wolk veel verschillende temperaturen en niveaus van vochtigheid kunnen worden waargenomen, zullen deze variabelen constant zijn voor Ć©Ć©n sneeuwvlok. Daarom groeit een sneeuwvlok vaak symmetrisch. Aan de andere kant wordt elke sneeuwvlok blootgesteld aan wind, zonlicht en andere factoren. Eigenlijk is elke kristal onderhevig aan de chaos van de wolk, waardoor het verschillende vormen aanneemt.
Hoewel in Ć©Ć©n wolk veel temperaturen en luchtvochtigheden kunnen worden vastgelegd, blijven deze variabelen constant voor een bepaalde sneeuwvlok. Dat is de reden waarom een sneeuwvlok vaak symmetrisch groeit. Aan de andere kant wordt elke sneeuwvlok blootgesteld aan wind, zonlicht en andere factoren. In wezen is elke kristal onderhevig aan de chaos van de wolk en neemt dus verschillende vormen aan.
Volgens een onderzoek van Libbrecht zijn de vroegste overpeinzing over deze delicate vormen vastgelegd in 135 v.Chr. in China. "De bloemen van planten en bomen zijn meestal vijfpuntig, maar de bloemen van sneeuw zijn altijd zes puntig," schreef de wetenschapper Han Yin. De eerste wetenschapper die probeerde te begrijpen waarom dit zo is, was waarschijnlijk Johannes Kepler, een Duitse wetenschapper en erudiet.
In 1611 gaf Kepler een nieuwjaarsgeschenk aan zijn beschermheer, keizer Rudolf II van het Heilige Roomse Rijk: een kleine met de titel "Over zeshoekige sneeuwvlokken."
"Ik steek de brug over, gekweld door schaamte ā ik heb je zonder nieuwjaarsgeschenk gelaten! En hier komt een gelukkig toeval! Waterdamp, gecondenseerd door de kou in sneeuw, valt als sneeuwvlokken op mijn kleding, allemaal, zoals Ć©Ć©n, zeshoekig, met pluizige stralen. Ik zweer bij Hercules, dit is iets dat minder is dan elke druppel, een vorm heeft, een langverwacht nieuwjaarsgeschenk kan zijn voor de liefhebber van Niets en waardig is voor een wiskundige die het Niets bezit en het Niets ontvangt, omdat het uit de lucht valt en de gelijkenis van een zeshoekige ster bevat!"
"Er moet een reden zijn waarom sneeuw de vorm van een zespuntige ster heeft. Dit kan geen toeval zijn," was Johannes Kepler overtuigd. Misschien herinnerde hij zich een brief van zijn tijdgenoot Thomas Harriot, een Engelse wetenschapper en astronoom, die ook als navigator had gewerkt voor de ontdekkingsreiziger sir Walter Raleigh. Rond 1584 zocht Harriot de meest effectieve manier om kanonskogels op de dekken van Raleigh's schepen te plaatsen. Harriot ontdekte dat hexagonale patronen de beste manier lijken om bollen te rangschikken, en hij besprak deze kwestie in correspondentie met Kepler. Kepler vroeg zich af of er iets vergelijkbaars bij sneeuwvlokken gebeurt en door welk element deze zes stralen ontstaan en in stand worden gehouden.
Vormen van sneeuwvlokken
Men kan zeggen dat dit een aanvankelijke begrip was van de principes van de atomische fysica, waar pas 300 jaar later over gesproken zal worden. Inderdaad, watermoleculen met hun twee waterstofatomen en Ć©Ć©n zuurstofatoom hebben de neiging om samen te smelten en zeshoekige structuren te vormen. Kepler en zijn tijdgenoten hadden geen idee hoe belangrijk dit was.
Zoals natuurkundigen zeggen, kunnen we door waterstofbinding en de interactie van moleculen met elkaar de open kristalstructuur observeren. Naast de mogelijkheid om sneeuwvlokken te laten groeien, maakt de hexagonale structuur het ijs minder dicht in vergelijking met water, wat een enorme invloed heeft op de geochemie, geofysica en het klimaat. Met andere woorden, als ijs niet zou drijven, zou leven op aarde onmogelijk zijn.
Maar na de traktaten van Kepler was het observeren van sneeuwvlokken meer een hobby dan serieuze wetenschap. In de jaren 1880 begon een Amerikaanse fotograaf genaamd Wilson Bentley, die in het koude, altijd besneeuwde stadje Jericho (Vermont, VS) woonde, foto's van sneeuwvlokken te maken met behulp van fotoplaten. Hij maakte meer dan 5000 foto's voordat hij stierf aan longontsteking.
Later, in de jaren 1930, begon de Japanse onderzoeker Ukichiro Nakaya met het systematisch bestuderen van verschillende soorten sneeuwkristallen. Halverwege de eeuw kweekte Nakaya sneeuwvlokken in een laboratorium, met afzonderlijke haartjes van konijnen die in een gekoelde ruimte werden geplaatst. Hij experimenteerde met luchtvochtigheid en temperatuur, kwekende de belangrijkste typen kristallen, en verzamelde zijn originele catalogus van mogelijke vormen. Nakaya ontdekte dat stervormige sneeuwvlokken zich vormen bij -2 Ā°C en -15 Ā°C. Kolommen ontstaan bij -5 Ā°C en ongeveer -30 Ā°C.
Het is belangrijk op te merken dat bij temperaturen rond -2 Ā°C dunne platte vormen van sneeuwvlokken verschijnen, bij -5 Ā°C creĆ«ren ze dunne kolommen en naaldjes, wanneer de temperatuur daalt tot -15 Ā°C worden ze echt dunne platen, en bij temperaturen onder -30 Ā°C keren ze terug naar dikkere kolommen.
Bij lage luchtvochtigheid vormen stervormige sneeuwvlokken meerdere takken en lijken ze op hexagonale platen, maar bij hoge luchtvochtigheid worden ze complexer en kantiger.
Volgens Libbrecht zijn de redenen voor de verschillende vormen van sneeuwvlokken beter begrepen dankzij het werk van Nakaya. Het is vastgesteld dat sneeuwkristallen zich omvormen tot platte sterren en platen (en niet driedimensionale structuren) wanneer de randen snel naar buiten groeien, terwijl de vlakken langzaam omhoog groeien. Dunne kolommen groeien anders, met snel groeiende vlakken en langzaam groeiende randen.
Tegelijkertijd blijven de belangrijkste processen die bepalen of een sneeuwvlok een ster of een kolom wordt onopgelost. Misschien ligt het geheim in de temperatuurcondities. En Libbrecht probeerde een antwoord op deze vraag te vinden.
Recept voor een sneeuwvlok
Samen met zijn kleine team van onderzoekers probeerde Libbrecht een recept voor een sneeuwvlok te bedenken. Dit is een bepaalde set van vergelijkingen en parameters die in een computer kunnen worden ingevoerd om een prachtige variƫteit aan sneeuwvlokken van AI te genereren.
Kenneth Libbrecht begon zijn onderzoek twintig jaar geleden, nadat hij hoorde over een exotische vorm van sneeuwvlok, genaamd een gesloten kolom. Het lijkt op een spoel voor draad of op twee wielen met een as. Geboren in het noorden van het land, was hij geschokt dat hij nooit zo'n sneeuwvlok had gezien.
Verbluft door de eindeloze vormen van sneeuwkristallen, wijdde hij zich aan van hun natuur, en creƫerde een laboratorium voor het laten groeien van sneeuwvlokken. De resultaten van jarenlange observaties hielpen een model te creƫren dat de auteur als baanbrekend beschouwt. Hij stelde het idee van moleculaire diffusie voor op basis van oppervlakte-energie. Dit idee beschrijft hoe de groei van een sneeuwkristal afhangt van de beginvoorwaarden en het gedrag van de moleculen die het vormen.
Stel je voor dat de watermoleculen vrij zijn gerangschikt, terwijl waterdamp net begint te bevriezen. Als je in een kleine observatorium zou kunnen zijn en dit proces kon bekijken, zou je kunnen zien hoe de moleculen van bevroren water beginnen een stevige rooster te vormen, waarbij elk zuurstofatoom omringd is door vier waterstofatomen. Deze kristallen groeien door watermoleculen uit de omgevingslucht in hun structuur op te nemen. Ze kunnen in twee hoofdrichtingen groeien: omhoog of naar buiten.
Een dunne platte kristal (bladachtig of stervormig) ontstaat wanneer de randen sneller groeien dan de twee vlakken van het kristal. Het groeiende kristal zal zich naar buiten verspreiden. Echter, wanneer de vlakken sneller groeien dan de randen, wordt het kristal hoger en vormt het een naald, holle kolom of staaf.
Zeldzame vormen van sneeuwvlokken
Een ander punt. Let op de derde foto, die door Libbrecht in Noord-Ontario is gemaakt. Dit is een kristal met 'afgesloten kolommen' ā twee platen die zijn bevestigd aan de uiteinden van een dikke kolomvormige kristal. In dit geval is elke plaat verdeeld in een paar veel dunnere platen. Kijk goed naar de randen, je zult zien hoe de plaat in tweeĆ«n gedeeld is. De randen van deze twee dunne platen zijn ongeveer even scherp als een scheermes. De totale lengte van de ijzige kolom is ongeveer 1,5 mm.
Volgens Libbrecht's model condenseert waterdamp eerst in de hoeken van het kristal en verspreidt zich vervolgens (diffundeert) over het oppervlak naar de rand van het kristal of naar zijn facetten, waardoor het kristal naar buiten of naar boven groeit. Welke van deze processen 'wint', hangt vooral af van de temperatuur.
Het is belangrijk op te merken dat het model 'semi-empirisch' is. Dat wil zeggen, het is gedeeltelijk opgebouwd om overeen te komen met wat er gebeurt, en niet om de principes van de groei van sneeuwvlokken uit te leggen. De instabiliteiten en interacties tussen de ontelbare moleculen zijn te complex om volledig te onthullen. Toch blijft de hoop bestaan dat de ideeƫn van Libbrecht de basis zullen vormen voor een alomvattend model van de dynamiek van ijsvorming, dat verder kan worden gedetailleerd met behulp van nauwkeurige metingen en experimenten.
Vergeet niet dat deze waarnemingen niet alleen interessant zijn voor een selecte groep wetenschappers. Dergelijke vragen rijzen ook in de fysica van gecondenseerde stoffen en andere gebieden. Moleculen van medicijnen, halfgeleiderchips voor computers, zonnecellen en veel andere industrieƫn vertrouwen op hoogwaardige kristallen, en hele teams zijn bezig met hun teelt. Dus de door Libbrecht geliefde sneeuwvlokken kunnen heel goed bijdragen aan de wetenschap.
What else useful can you read in the blog
ā
ā
ā
ā
ā
Subscribe to our -kanaal om geen nieuw artikel te missen! We schrijven niet vaker dan twee keer per week en alleen als het echt nodig is. Overigens, als je het nog niet weet, kunnen startups $10.000 krijgen van Cloud4Y. Voorwaarden en een aanvraagformulier voor geĆÆnteresseerden zijn op onze website te vinden:
Bron: habr.com
