Det er ikke nok snø i den sentrale delen av Russland denne vinteren. Noen steder falt det selvfølgelig, men i januar kunne man vente seg noe mer frost- og snøvær. Kjedelig gråhet og ubehagelig slaps hindrer deg i å føle gleden over den vanlige vintermoroen. Det er derfor Cloud4Y foreslår å legge litt snø inn i livene våre ved å snakke om... snøfnugg.
Det antas at det bare er to typer snøflak. Og en av forskerne, noen ganger kalt "faren" til snøfnuggfysikk, har en ny teori for å forklare årsaken til dette. er en fantastisk person som er klar til å forlate det solvarme Sør-California midt på vinteren for å komme seg til Fairbanks (Alaska), ta på seg en varm jakke og sitte i en frossen jord med et kamera og et stykke skum i hendene. .
For hva? Han ser etter de glitrendeste, mest teksturerte, vakreste snøfnuggene som naturen kan skape. Ifølge ham har de mest interessante prøvene en tendens til å dannes på de kaldeste stedene - de beryktede Fairbanks og den snødekte nordlige delen av New York. Den beste snøen Kenneth noen gang hadde sett var i Cochrane, et sted i det nordøstlige Ontario, hvor lett vind virvlet snøflak da de falt ned fra himmelen.
Fascinert av elementene studerer Libbrecht sin skumplate med utholdenheten til en arkeolog. Hvis det er noe interessant der, vil øyet definitivt fange det. Hvis ikke, feies snøen av brettet, og alt starter på nytt. Og dette varer i timevis.
Libbrecht er fysiker. Ved en morsom tilfeldighet er laboratoriet hans ved California Institute of Technology engasjert i forskning på den indre strukturen til solen og har til og med utviklet moderne instrumenter for å oppdage gravitasjonsbølger. Men de siste 20 årene har Libbrechts sanne lidenskap vært snø – ikke bare utseendet, men det som får det til å se slik ut. – Spørsmålet om hva slags gjenstander som faller ned fra himmelen, hvordan det skjer og hvorfor de ser slik ut, plager meg hele tiden, innrømmer Kenneth.
Lenge var det nok for fysikere å vite at blant de mange bittesmå snøkrystallene kunne man skille to dominerende typer. En av dem er en flat stjerne med seks eller tolv armer, som hver er dekorert med svimlende vakre blonder. Den andre er en slags miniatyrsøyle, noen ganger klemt mellom flate "deksler", og noen ganger lik en vanlig bolt. Disse formene kan sees ved forskjellige temperaturer og fuktighet, men årsaken til dannelsen av en bestemt form har vært et mysterium. Libbrechts år med observasjoner bidro til å bedre forstå krystalliseringsprosessen til snøfnugg.
Libbrechts arbeid på dette området har bidratt til å skape en ny modell som forklarer hvorfor snøfnugg og andre snøkrystaller danner det vi er vant til å se. I følge hans teori, online i oktober 2019, beskriver bevegelsen av vannmolekyler nær frysepunktet (krystallisering) og hvordan spesifikke bevegelser av disse molekylene kan gi opphav til en samling av krystaller som dannes under forskjellige forhold. I hans På 540 sider beskriver Libbrecht all kunnskapen om snøkrystaller.
Sekstakkede stjerner
Du vet selvfølgelig at det er umulig å se to identiske snøflak (bortsett fra på startstadiet). Dette faktum har å gjøre med hvordan krystaller dannes på himmelen. Snø er en samling av iskrystaller som dannes i atmosfæren og beholder formen når de faller sammen til jorden. De dannes når atmosfæren er kald nok til å forhindre at de smelter sammen eller smelter til sludd eller regn.
Selv om mange temperaturer og fuktighetsnivåer kan registreres innenfor en enkelt sky, vil disse variablene være konstante for et enkelt snøfnugg. Dette er grunnen til at et snøfnugg ofte vokser symmetrisk. På den annen side er hvert snøfnugg utsatt for vind, sollys og andre faktorer. I hovedsak er hver krystall utsatt for kaoset i skyen, og tar derfor forskjellige former.
I følge Libbrechts forskning er den tidligste tenkningen om disse delikate formene registrert i 135 f.Kr. i Kina. "Blomstene til planter og trær er vanligvis femtakkede, men blomstene av snø er alltid sekstakkede," skrev lærde Han Yin. Og den første vitenskapsmannen som prøvde å finne ut hvorfor dette skjedde, var sannsynligvis Johannes Kepler, en tysk vitenskapsmann og polymat.
I 1611 ga Kepler en nyttårsgave til sin beskytter, den hellige romerske keiser Rudolf II: en liten med tittelen "Om sekskantede snøfnugg".
"Jeg krysser broen, plaget av skam - jeg forlot deg uten nyttårsgave! Og så kom en mulighet min vei! Vanndamp, fortykket fra kulde til snø, faller som snøflak på klærne mine, alle sammen som ett, sekskantet, med luftige stråler. Jeg sverger til Hercules, her er en ting som er mindre enn noen dråpe, har en form, kan tjene som en etterlengtet nyttårsgave til en som elsker ingenting og er verdig en matematiker som har ingenting og mottar ingenting, siden det faller ned fra himmelen og skjuler i seg selv likheten til en sekskantet stjerne!
«Det må være en grunn til at snø er formet som en sekskantet stjerne. Dette kan ikke være en ulykke, var Johannes Kepler sikker. Kanskje husket han et brev fra sin samtidige Thomas Harriot, en engelsk vitenskapsmann og astronom som også klarte å jobbe som navigatør for oppdageren Sir Walter Raleigh. Rundt 1584 lette Harriot etter den mest effektive måten å stable kanonkuler på dekk til Raleigh-skip. Harriot fant ut at sekskantede mønstre så ut til å være den beste måten å ordne kulene på, og han diskuterte dette problemet i korrespondanse med Kepler. Kepler lurte på om noe lignende skjer i snøfnugg og hvilket element som er ansvarlig for at disse seks strålene blir skapt og vedlikeholdt.
Snøfnugg former
Vi kan si at dette var den første forståelsen av prinsippene for atomfysikk, som vil bli diskutert bare 300 år senere. Faktisk har vannmolekyler, med sine to hydrogenatomer og ett oksygen, en tendens til å gå sammen for å danne sekskantede arrays. Kepler og hans samtidige hadde ingen anelse om hvor viktig dette var.
Som fysikere sier, takket være hydrogenbinding og interaksjonen mellom molekyler med hverandre, kan vi observere en åpen krystallinsk struktur. I tillegg til evnen til å dyrke snøflak, gjør den sekskantede strukturen at isen er mindre tett enn vann, noe som har enorme effekter på geokjemi, geofysikk og klima. Med andre ord, hvis isen ikke fløt, ville livet på jorden vært umulig.
Men etter Keplers avhandling var det å observere snøfnugg mer en hobby enn en seriøs vitenskap. På 1880-tallet begynte en amerikansk fotograf ved navn Wilson Bentley, som bodde i den kalde, alltid snødekte småbyen Jericho (Vermont, USA), å ta bilder av snøflak ved hjelp av fotografiske plater. Han rakk å lage mer enn 5000 fotografier før han døde av lungebetennelse.
Enda senere, på 1930-tallet, begynte den japanske forskeren Ukichiro Nakaya systematisk å studere ulike typer snøkrystaller. På midten av århundret dyrket Nakaya snøflak i laboratoriet ved å bruke individuelle kaninhår plassert i et kjølerom. Han fiklet med fuktighets- og temperaturinnstillinger, dyrket grunnleggende typer krystaller, og kompilerte sin originale katalog over mulige former. Nakaya oppdaget at snøfnuggstjerner har en tendens til å dannes ved -2°C og ved -15°C. Kolonner dannes ved -5 °C og ved omtrent -30 °C.
Det er viktig å merke seg her at ved en temperatur på ca -2 °C dukker det opp tynne platelignende former for snøflak, ved -5 °C lager de tynne søyler og nåler, når temperaturen synker til -15 °C blir de veldig tynne plater, og ved temperaturer under - Ved 30 °C går de tilbake til tykkere kolonner.
Under forhold med lav luftfuktighet danner stjernesnøflak flere grener og ligner sekskantede plater, men ved høy luftfuktighet blir de mer intrikate og blonder.
Ifølge Libbrecht ble årsakene til utseendet til forskjellige former for snøfnugg tydeligere takket være Nakais arbeid. Det har blitt funnet at snøkrystaller utvikler seg til flate stjerner og plater (i stedet for tredimensjonale strukturer) når kantene vokser raskt utover og ansiktene vokser sakte oppover. Tynne søyler vokser forskjellig, med raskt voksende kanter og langsommere voksende kanter.
Samtidig er de grunnleggende prosessene som påvirker hvorvidt et snøfnugg blir en stjerne eller en søyle uklare. Kanskje lå hemmeligheten i temperaturforholdene. Og Libbrecht prøvde å finne et svar på dette spørsmålet.
Oppskrift på snøfnugg
Sammen med sitt lille team av forskere prøvde Libbrecht å komme opp med en oppskrift på et snøfnugg. Det vil si et visst sett med ligninger og parametere som kan lastes inn i en datamaskin og få et fantastisk utvalg av snøfnugg fra AI.
Kenneth Libbrecht begynte sin forskning for tjue år siden etter å ha lært om en eksotisk snøfnuggform kalt en lukket søyle. Det ser ut som en trådsnelle eller to hjul og en aksel. Han ble født nord i landet og ble sjokkert over at han aldri hadde sett et slikt snøfnugg.
Forbløffet over de endeløse formene til snøkrystallene begynte han å deres natur ved å lage et laboratorium for dyrking av snøflak. Resultatene av mange års observasjoner bidro til å skape en modell som forfatteren selv anser som et gjennombrudd. Han foreslo ideen om molekylær diffusjon basert på overflateenergi. Denne ideen beskriver hvordan veksten av en snøkrystall avhenger av startforholdene og oppførselen til molekylene som danner den.
Tenk deg at vannmolekylene er løst plassert mens vanndampen akkurat begynner å fryse. Hvis du kunne være inne i et lite observatorium og se på denne prosessen, kunne du se hvordan frosne vannmolekyler begynner å danne et stivt gitter, der hvert oksygenatom er omgitt av fire hydrogenatomer. Disse krystallene vokser ved å inkorporere vannmolekyler fra luften rundt i strukturen deres. De kan vokse i to hovedretninger: oppover eller utover.
En tynn, flat krystall (lamellær eller stjerneformet) dannes når kantene dannes raskere enn krystallens to flater. Den voksende krystallen vil spre seg utover. Men når ansiktene vokser raskere enn kantene, vokser krystallen høyere og danner en nål, hul søyle eller stav.
Sjeldne former for snøfnugg
Et øyeblikk til. Legg merke til det tredje bildet, tatt av Libbrecht i Nord-Ontario. Dette er en "lukket kolonne" krystall - to plater festet til endene av en tykk kolonneformet krystall. I dette tilfellet er hver plate delt inn i et par mye tynnere plater. Se godt på kantene, du vil se hvordan platen er delt i to. Kantene på disse to tynne platene er omtrent like skarpe som et barberblad. Den totale lengden på issøylen er ca. 1,5 mm.
I følge Libbrechts modell legger vanndamp seg først i hjørnene av krystallen og sprer seg (diffunderer) deretter langs overflaten enten til kanten av krystallen eller til dens overflater, noe som får krystallen til å vokse utover eller oppover. Hvilken av disse prosessene som "vinner" avhenger hovedsakelig av temperaturen.
Det skal bemerkes at modellen er "semi-empirisk". Det vil si at den er delvis strukturert for å samsvare med det som skjer, og ikke for å forklare prinsippene for snøfnuggvekst. Ustabilitetene og interaksjonene mellom de utallige molekylene er for komplekse til å løses helt opp. Håpet er imidlertid fortsatt at Libbrechts ideer vil tjene som grunnlag for en omfattende modell av dynamikken i isvekst, som kan detaljeres gjennom mer detaljerte målinger og eksperimenter.
Man skal ikke tro at disse observasjonene er av interesse for en smal krets av forskere. Lignende spørsmål dukker opp i fysikk av kondensert materie og på andre felt. Legemiddelmolekyler, halvlederbrikker for datamaskiner, solceller og en rekke andre industrier er avhengige av høykvalitetskrystaller, og hele team er dedikert til å dyrke dem. Så Libbrechts høyt elskede snøfnugg kan godt tjene vitenskapens fordel.
Hva annet kan du lese på bloggen?
→
→
→
→
→
Abonner på vår -kanal slik at du ikke går glipp av neste artikkel! Vi skriver ikke mer enn to ganger i uken og kun på forretningsreise. Forresten, hvis du ikke allerede vet det, kan startups motta $10 000 fra Cloud4Y. Vilkår og søknadsskjema for interesserte finner du på våre nettsider:
Kilde: www.habr.com