Er is deze winter niet genoeg sneeuw in het centrale deel van Rusland. Natuurlijk viel het op sommige plaatsen, maar in januari kon je nog meer ijzig en sneeuwachtig weer verwachten. Doffe grijsheid en onaangename sneeuwbrij verhinderen dat u de vreugde van het gebruikelijke winterpret ervaart. Daarom stelt Cloud4Y voor om wat sneeuw in ons leven toe te voegen door te praten over... sneeuwvlokken.
Er wordt aangenomen dat er slechts twee soorten sneeuwvlokken zijn. En een van de wetenschappers, ook wel de ‘vader’ van de sneeuwvlokfysica genoemd, heeft een nieuwe theorie om de reden hiervoor te verklaren. is een geweldig persoon die bereid is om midden in de winter het zonverwarmde Zuid-Californië te verlaten om naar Fairbanks (Alaska) te gaan, een warme jas aan te trekken en in een bevroren veld te gaan zitten met een camera en een stuk schuim in zijn handen .
Waarvoor? Hij zoekt naar de meest sprankelende, meest gestructureerde en mooiste sneeuwvlokken die de natuur kan creëren. Volgens hem vormen de meest interessante monsters zich meestal op de koudste plaatsen: de beruchte Fairbanks en het besneeuwde noordelijke deel van New York. De beste sneeuw die Kenneth ooit had gezien, lag in Cochrane, een plaats in het noordoosten van Ontario, waar lichte wind sneeuwvlokken liet rondwervelen terwijl ze uit de lucht vielen.
Gefascineerd door de elementen bestudeert Libbrecht zijn foamboard met de vasthoudendheid van een archeoloog. Als daar iets interessants is, zal het oog er zeker op vallen. Als dat niet het geval is, wordt de sneeuw van het bord geveegd en begint alles opnieuw. En dit duurt uren.
Libbrecht is natuurkundige. Door een grappig toeval doet zijn laboratorium aan het California Institute of Technology onderzoek naar de interne structuur van de zon en heeft hij zelfs moderne instrumenten ontwikkeld voor het detecteren van zwaartekrachtsgolven. Maar de afgelopen twintig jaar is Libbrechts ware passie sneeuw geweest; niet alleen het uiterlijk ervan, maar ook waardoor het er zo uitziet. “De vraag wat voor objecten uit de lucht vallen, hoe dat gebeurt en waarom ze er zo uitzien, kwelt me voortdurend”, geeft Kenneth toe.
Lange tijd was het voor natuurkundigen voldoende om te weten dat er tussen de vele kleine sneeuwkristallen twee overheersende typen konden worden onderscheiden. Een daarvan is een platte ster met zes of twaalf armen, elk versierd met duizelingwekkend mooi kant. De andere is een soort miniatuurkolom, soms ingeklemd tussen platte “deksels”, en soms vergelijkbaar met een gewone bout. Deze vormen zijn te zien bij verschillende temperaturen en vochtigheid, maar de reden voor de vorming van een bepaalde vorm is een mysterie. Libbrechts jarenlange observaties hielpen het kristallisatieproces van sneeuwvlokken beter te begrijpen.
Libbrechts werk op dit gebied heeft geholpen bij het creëren van een nieuw model dat verklaart waarom sneeuwvlokken en andere sneeuwkristallen vormen wat we gewend zijn te zien. Volgens zijn theorie is online in oktober 2019 beschrijft de beweging van watermoleculen nabij het vriespunt (kristallisatie) en hoe specifieke bewegingen van deze moleculen aanleiding kunnen geven tot een verzameling kristallen die zich onder verschillende omstandigheden vormen. In zijn In 540 pagina's beschrijft Libbrecht alle kennis over sneeuwkristallen.
Zespuntige sterren
Je weet natuurlijk dat het onmogelijk is om twee identieke sneeuwvlokken te zien (behalve in de beginfase). Dit feit heeft te maken met hoe kristallen zich in de lucht vormen. Sneeuw is een verzameling ijskristallen die zich in de atmosfeer vormen en hun vorm behouden wanneer ze samen op aarde vallen. Ze ontstaan wanneer de atmosfeer koud genoeg is om te voorkomen dat ze samensmelten of smelten tot natte sneeuw of regen.
Hoewel binnen één enkele wolk veel temperaturen en vochtigheidsniveaus kunnen worden geregistreerd, zullen deze variabelen voor één enkele sneeuwvlok constant zijn. Dit 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 elk kristal onderworpen aan de chaos van de wolk en neemt het daarom verschillende vormen aan.
Volgens Libbrechts onderzoek dateert het vroegste denken over deze delicate vormen uit 135 voor Christus. in China. “De bloemen van planten en bomen zijn meestal vijfpuntig, maar de bloemen van sneeuw zijn altijd zespuntig”, schreef geleerde Han Yin. En de eerste wetenschapper die probeerde uit te vinden waarom dit gebeurde was waarschijnlijk Johannes Kepler, een Duitse wetenschapper en polymath.
In 1611 overhandigde Kepler een nieuwjaarscadeau aan zijn beschermheer, keizer Rudolf II van het Heilige Roomse Rijk: een kleine getiteld "Over zeshoekige sneeuwvlokken".
'Ik steek de brug over, gekweld door schaamte - ik heb je achtergelaten zonder nieuwjaarscadeau! En toen kwam er een kans op mijn pad! Waterdamp, verdikt door de kou tot sneeuw, valt als sneeuwvlokken op mijn kleding, allemaal als één, zeshoekig, met donzige stralen. Ik zweer bij Hercules, hier is iets dat kleiner is dan welke druppel dan ook, een vorm heeft, kan dienen als een langverwacht nieuwjaarscadeau voor een liefhebber van Niets en een wiskundige waardig is die Niets heeft en Niets ontvangt, aangezien het valt uit de lucht en verbergt in zichzelf de gelijkenis van een zeshoekige ster!
“Er moet een reden zijn waarom sneeuw de vorm heeft van een zeshoekige ster. Dit kan geen ongeluk zijn”, wist Johannes Kepler zeker. Misschien herinnerde hij zich een brief van zijn tijdgenoot Thomas Harriot, een Engelse wetenschapper en astronoom die ook als navigator voor de ontdekkingsreiziger Sir Walter Raleigh wist te werken. Rond 1584 was Harriot op zoek naar de meest efficiënte manier om kanonskogels op de dekken van Raleigh-schepen te stapelen. Harriot ontdekte dat zeshoekige patronen de beste manier leken om de bollen te rangschikken, en hij besprak deze kwestie in correspondentie met Kepler. Kepler vroeg zich af of iets soortgelijks gebeurt in sneeuwvlokken en welk element verantwoordelijk is voor het ontstaan en in stand houden van deze zes stralen.
Sneeuwvlokvormen
We kunnen zeggen dat dit het eerste begrip was van de principes van de atoomfysica, die pas 300 jaar later zullen worden besproken. Watermoleculen, met hun twee waterstofatomen en één zuurstofatoom, hebben de neiging om samen te voegen en hexagonale reeksen te vormen. Kepler en zijn tijdgenoten hadden geen idee hoe belangrijk dit was.
Zoals natuurkundigen zeggen, kunnen we dankzij waterstofbinding en de interactie van moleculen met elkaar een open kristallijne structuur waarnemen. Naast het vermogen om sneeuwvlokken te laten groeien, zorgt de zeshoekige structuur ervoor dat ijs minder dicht is dan water, wat enorme gevolgen heeft voor de geochemie, geofysica en het klimaat. Met andere woorden: als het ijs niet zou drijven, zou het leven op aarde onmogelijk zijn.
Maar na de verhandeling van Kepler was het observeren van sneeuwvlokken meer een hobby dan een serieuze wetenschap. In de jaren tachtig van de negentiende eeuw begon een Amerikaanse fotograaf genaamd Wilson Bentley, die in het koude, altijd besneeuwde stadje Jericho (Vermont, VS) woonde, foto's te maken van sneeuwvlokken met behulp van fotografische platen. Hij slaagde erin meer dan 1880 foto's te maken voordat hij stierf aan een longontsteking.
Nog later, in de jaren dertig, begon de Japanse onderzoeker Ukichiro Nakaya systematisch verschillende soorten sneeuwkristallen te bestuderen. Halverwege de eeuw kweekte Nakaya sneeuwvlokken in het laboratorium met behulp van individuele konijnenharen die in een gekoelde ruimte werden geplaatst. Hij sleutelde aan de instellingen voor vochtigheid en temperatuur, kweekte basistypen kristallen en stelde zijn originele catalogus van mogelijke vormen samen. Nakaya ontdekte dat sneeuwvloksterren de neiging hebben om te ontstaan bij -1930°C en bij -2°C. Kolommen vormen zich bij -15 °C en bij ongeveer -5 °C.
Belangrijk hierbij is dat bij een temperatuur van ongeveer -2 °C dunne plaatachtige vormen van sneeuwvlokken verschijnen, bij -5 °C vormen ze dunne kolommen en naalden, wanneer de temperatuur daalt tot -15 °C worden ze echt dun platen, en bij temperaturen onder - Bij 30 °C keren ze terug naar dikkere kolommen.
Bij lage luchtvochtigheid vormen sterrensneeuwvlokken verschillende takken en lijken ze op zeshoekige platen, maar bij hoge luchtvochtigheid worden ze ingewikkelder en kantender.
Volgens Libbrecht werden de redenen voor het verschijnen van verschillende vormen van sneeuwvlokken duidelijker dankzij het werk van Nakai. Er is ontdekt dat sneeuwkristallen zich ontwikkelen tot platte sterren en platen (in plaats van driedimensionale structuren) wanneer de randen snel naar buiten groeien en de vlakken langzaam naar boven groeien. Dunne kolommen groeien anders, met snelgroeiende randen en langzamer groeiende randen.
Tegelijkertijd blijven de basisprocessen die bepalen of een sneeuwvlok een ster of een kolom wordt onduidelijk. Misschien lag het geheim in de temperatuuromstandigheden. En Libbrecht probeerde een antwoord op deze vraag te vinden.
Recept voor sneeuwvlokken
Samen met zijn kleine team van onderzoekers probeerde Libbrecht een recept voor een sneeuwvlok te bedenken. Dat wil zeggen, een bepaalde reeks vergelijkingen en parameters die in een computer kunnen worden geladen en een prachtige verscheidenheid aan sneeuwvlokken van de AI kunnen krijgen.
Kenneth Libbrecht begon zijn onderzoek twintig jaar geleden nadat hij hoorde over een exotische sneeuwvlokvorm, een zogenaamde gesloten kolom. Het ziet eruit als een klosje draad of twee wielen en een as. Geboren in het noorden van het land, schrok hij van het feit dat hij nog nooit zo'n sneeuwvlok had gezien.
Verbaasd door de eindeloze vormen van de sneeuwkristallen begon hij dat te doen hun aard door een laboratorium te creëren voor het kweken van sneeuwvlokken. De resultaten van vele jaren van observatie hebben geholpen een model te creëren dat de auteur zelf als een doorbraak 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 beginomstandigheden en het gedrag van de moleculen waaruit het kristal bestaat.
Stel je voor dat de watermoleculen zich losjes bevinden terwijl de waterdamp net begint te bevriezen. Als je in een klein observatorium zou kunnen zijn en naar dit proces zou kijken, zou je kunnen zien hoe bevroren watermoleculen een stijf rooster beginnen te vormen, waarin elk zuurstofatoom wordt omgeven door vier waterstofatomen. Deze kristallen groeien door watermoleculen uit de omringende lucht in hun structuur op te nemen. Ze kunnen in twee hoofdrichtingen groeien: naar boven of naar buiten.
Een dun, vlak kristal (lamellair of stervormig) wordt gevormd wanneer de randen zich sneller vormen dan de twee zijden van het kristal. Het groeiende kristal zal zich naar buiten verspreiden. Wanneer de vlakken echter sneller groeien dan de randen, wordt het kristal groter en vormt het een naald, holle pilaar of staaf.
Zeldzame vormen van sneeuwvlokken
Nog een moment. Let op de derde foto, gemaakt door Libbrecht in het noorden van Ontario. Dit is een "gesloten kolom" kristal - twee platen bevestigd aan de uiteinden van een dik kolomvormig kristal. In dit geval is elke plaat verdeeld in een paar veel dunnere platen. Kijk goed naar de randen, je ziet hoe de plaat in tweeën is verdeeld. De randen van deze twee dunne platen zijn ongeveer zo scherp als een scheermesje. De totale lengte van de ijskolom is ongeveer 1,5 mm.
Volgens het model van Libbrecht bezinkt waterdamp eerst in de hoeken van het kristal en verspreidt (diffundeert) zich vervolgens langs het oppervlak, naar de rand van het kristal of naar de vlakken, waardoor het kristal naar buiten of naar boven groeit. Welke van deze processen ‘wint’ hangt vooral af van de temperatuur.
Opgemerkt moet worden dat het model “semi-empirisch” is. Dat wil zeggen, het is gedeeltelijk gestructureerd om overeen te komen met wat er gebeurt, en niet om de principes van sneeuwvlokgroei uit te leggen. De instabiliteiten en interacties tussen de talloze moleculen zijn te complex om volledig te ontrafelen. De hoop blijft echter bestaan dat Libbrechts ideeën zullen dienen als basis voor een alomvattend model van de dynamiek van ijsgroei, dat gedetailleerd kan worden door middel van meer gedetailleerde metingen en experimenten.
Je moet niet denken dat deze observaties van belang zijn voor een kleine kring van wetenschappers. Soortgelijke vragen rijzen in de fysica van de gecondenseerde materie en op andere gebieden. Medicijnmoleculen, halfgeleiderchips voor computers, zonnecellen en tal van andere industrieën zijn afhankelijk van kristallen van hoge kwaliteit, en hele teams zijn toegewijd aan het kweken ervan. De zeer geliefde sneeuwvlokken van Libbrecht kunnen dus heel goed ten goede komen aan de wetenschap.
Wat lees je nog meer op de blog?
→
→
→
→
→
Abonneer u op onze -channel zodat je het volgende artikel niet mist! We schrijven niet vaker dan twee keer per week en alleen voor zaken. Trouwens, als je het nog niet weet: startups kunnen $10 ontvangen van Cloud000Y. Voorwaarden en aanmeldingsformulier voor geïnteresseerden vindt u op onze website:
Bron: www.habr.com