W tej zimie na centralnej części Rosji trochę brakuje śniegu. Gdzieś tam oczywiście padał, ale w styczniu można było spodziewać się bardziej mroźnej i śnieżnej pogody. Ponura szarość i niewygodny roztop utrudniają odczuwanie radości z tradycyjnych zimowych rozrywek. Dlatego Cloud4Y proponuje dodać trochę śniegu do naszego życia, rozmawiając o… płatkach śniegu.
Uważa się, że płatki śniegu są tylko dwóch typów. A jeden z naukowców, nazywany czasem „ojcem” fizyki płatków śniegu, miał nową teorię wyjaśniającą ich przyczynę. to niezwykły człowiek, który gotów jest opuścić rozgrzaną słońcem Południową Kalifornię, aby dotrzeć do Fairbanks (Alaska), założyć ciepłą kurtkę i usiąść na zmarzniętej łące z aparatem i kawałkiem styropianu w rękach.
Dlaczego? Szuka najjaśniejszych, najbardziej fakturowych, najpiękniejszych płatków śniegu, jakie może stworzyć natura. Jak mówi, najbardziej interesujące okazy mają tendencję do powstawania w najzimniejszych miejscach – w sławnym Fairbanks i w ośnieżonej północnej części Nowego Jorku. Najlepszy śnieg, który Kenneth kiedykolwiek widział, padał w Cochranie, miejscowości na północnym wschodzie Ontario, gdzie delikatny wiatr kręcił płatkami śniegu spadającymi z nieba.
Zafascynowany żywiołem, Libbrecht z uporem archeologa bada swoją styropianową deskę. Jeśli znajdzie się coś interesującego, wzrok na pewno się na tym zatrzyma. Jeśli nie – śnieg zostaje zdmuchnięty z deski i wszystko zaczyna się od nowa. I to trwa godzinami.
Libbrecht jest fizykiem. Zabawny zbieg okoliczności sprawia, że jego laboratoria w California Institute of Technology zajmują się badaniami wewnętrznej struktury Słońca i nawet opracowały nowoczesne przyrządy do wykrywania fal grawitacyjnych. Jednak przez ostatnie 20 lat prawdziwą pasją Libbrecht'a był śnieg – nie tylko jego wygląd, ale także to, co sprawia, że tak wygląda. „Pytanie, jakie obiekty spadają z nieba, jak to się dzieje i dlaczego wyglądają właśnie tak, non stop mnie dręczy” – przyznaje Kenneth.
Przez długi czas fizycy wystarczało wiedzieć, że wśród wielu maleńkich kryształków śniegu można wyróżnić dwa przeważające typy. Jeden z nich to płaska gwiazda z sześcioma lub dwunastoma ramionami, z których każde zdobione jest oszałamiająco pięknymi koronkami. Drugi to rodzaj miniaturowej kolumny, czasami uwięzionej między płaskimi "czapeczkami", a czasami przypominającej zwykły gwint. Te formy można zobaczyć w różnych temperaturach i wilgotności, ale przyczyna powstawania danej formy była zagadką. Lata obserwacji Libbrecht'a pomogły lepiej zrozumieć proces krystalizacji płatków śniegu.
Osiągnięcia Libbrecht'a w tej dziedzinie przyczyniły się do stworzenia nowego modelu, który wyjaśnia, dlaczego płatki śniegu i inne kryształy śniegu tworzą to, co przywykliśmy widzieć. Zgodnie z jego teorią, w Internecie w październiku 2019 roku, opisuje ruch cząsteczek wody w pobliżu punktu zamarzania (krystalizacji) oraz to, jak konkretne ruchy tych cząsteczek mogą generować zbiór kryształów, które powstają w różnych warunkach. W swojej o objętości 540 stron Libbrecht opisuje całą wiedzę na temat kryształów śniegu.
Sześciokątne gwiazdy
Oczywiście wiesz, że niemożliwe jest zobaczenie dwóch identycznych płatków śniegu (chyba że na etapie powstawania). Ten fakt wiąże się z tym, jak kryształy formują się w niebie. Śnieg to zbiorowisko lodowych kryształów, które powstają w atmosferze i zachowują swoją formę, gdy wszystkie razem opadają na ziemię. Powstają, gdy atmosfera jest wystarczająco zimna, aby zapobiec łączeniu się lub topnieniu oraz przemianie w mokry śnieg lub deszcz.
Choć w obrębie jednego chmura można zarejestrować wiele temperatur i poziomów wilgotności, dla jednego płatka śniegu te zmienne będą stałe. Oto dlaczego płatek śniegu często rośnie symetrycznie. Z drugiej strony, każdy płatek śniegu podlega działaniu wiatru, światła słonecznego i innych czynników. W istocie każdy kryształ podlega chaosowi chmury, dlatego przyjmuje różne formy.
Zgodnie z badaniami Libbrechta, najwcześniejsze refleksje na temat tych delikatnych form pojawiły się w 135 roku p.n.e. w Chinach. „Kwiaty roślin i drzew są zazwyczaj pięciopłatkowe, ale kwiaty śniegu zawsze mają sześć płatków” — pisał naukowiec Han Yin. A pierwszym naukowcem, który próbował zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, był prawdopodobnie Johannes Kepler, niemiecki uczony i erudyta.
W 1611 roku Kepler ofiarował noworoczny prezent swojemu patronowi, cesarzowi Świętego Cesarstwa Rzymskiego Rudolfowi II: niewielki pod tytułem „O sześciokątnych kryształkach śniegu”.
„Przechodzę przez most, dręczony wstydem – zostawiłem cię bez noworocznego prezentu! I oto nadarza się dogodna okazja! Cząstki wodnej pary, skondensowane przez zimno w śnieg, spadają jako kryształki na moją odzież, wszystkie, jak jeden, sześciokątne, z puszystymi promieniami. Przysięgam Heraklesowi, oto rzecz, która jest mniejsza od jakiejkolwiek kropli, ma kształt, może być długo oczekiwanym noworocznym prezentem dla miłośnika Niczego i jest godna matematyka, który posiada Nic i otrzymuje Nic, ponieważ spada z nieba i skrywa w sobie podobieństwo sześciokątnej gwiazdy!”.
„Musi być powód, dla którego śnieg ma kształt sześciokątnej gwiazdki. To nie może być przypadek” – był przekonany Johannes Kepler. Być może przypomniał sobie list od swojego współczesnego Thomasa Harriota, angielskiego uczonego i astronom, który również podjął pracę jako nawigator dla odkrywcy sir Waltera Raleigha. Około 1584 roku Harriot szukał najbardziej efektywnego sposobu układania kul armatnich na pokładzie statków Raleigha. Odkrył, że sześciokątne wzory wydają się najlepszym sposobem układania sfer i omawiał tę kwestię w korespondencji z Keplerem. Kepler zastanawiał się, czy coś podobnego dzieje się w kryształkach śniegu i dzięki któremu elementowi pojawiają się i utrzymują te sześć promieni.
Kształty płatków śniegu
Można powiedzieć, że było to początkowe zrozumienie zasad fizyki atomowej, o której zacznie się mówić dopiero za 300 lat. Rzeczywiście, cząsteczki wody z dwiema atomami wodoru i jednym atomem tlenu mają tendencję do łączenia się, tworząc sześciokątne struktury. Kepler i jego współcześni nawet nie podejrzewali, jak ważne to jest.
Jak mówią fizycy, dzięki wiązaniom wodorowym i interakcji cząsteczek możemy zaobserwować otwartą strukturę krystaliczną. Oprócz zdolności do wytwarzania płatków śniegu, heksagonalna struktura sprawia, że lód jest mniej gęsty w porównaniu do wody, co ma ogromny wpływ na geochemię, geofizykę i klimat. Innymi słowy, gdyby lód nie unosił się na wodzie, życie na Ziemi byłoby niemożliwe.
Jednak po traktacie Keplera obserwacja płatków śniegu stała się raczej hobby niż poważną nauką. W latach 80. XIX wieku amerykański fotograf o imieniu Wilson Bentley, żyjący w małym, wiecznie ośnieżonym miasteczku Jericho (stan Vermont, USA), zaczął robić zdjęcia płatków śniegu za pomocą płyt fotograficznych. Zdołał wykonać ponad 5000 zdjęć, zanim zmarł na zapalenie płuc.
Jeszcze później, w latach 30. XX wieku, japoński badacz Ukichiro Nakaya rozpoczął systematyczne badania różnych rodzajów kryształów śniegu. W połowie wieku Nakaya hodował płatki śniegu w laboratorium, używając pojedynczych włókienek królika umieszczonych w schłodzonej przestrzeni. Bawił się ustawieniami wilgotności i temperatury, hodując główne typy kryształów i tworząc swój pierwotny katalog możliwych form. Nakaya odkrył, że płatki śniegu w kształcie gwiazdy mają tendencję do formowania się w temperaturze -2 °C i -15 °C. Słupki tworzą się w temperaturze -5 °C i około -30 °C.
Warto zauważyć, że w temperaturze około -2 °C pojawiają się cienkie, płytkowate formy płatków śniegu, w -5 °C tworzą cienkie słupki i igły, a gdy temperatura spada do -15 °C, stają się naprawdę cienkimi płytkami, natomiast w temperaturze poniżej -30 °C wracają do grubszych kolumn.
W warunkach niskiej wilgotności płatki śniegu w kształcie gwiazdy tworzą kilka gałęzi i przypominają heksagonalne płyty, ale przy wysokiej wilgotności stają się bardziej wymyślne, koronkowe.
Według Libbrecht przyczyny powstawania różnych form płatków śniegu stały się bardziej zrozumiałe dzięki pracy Nakaya. Ustalono, że kryształy śniegu zmieniają się w płaskie gwiazdy i płyty (a nie struktury trójwymiarowe), gdy krawędzie szybko rosną na zewnątrz, a ściany rosną wolniej w górę. Cienkie kolumny rosną w inny sposób, z szybko rosnącymi ścianami i wolniej rosnącymi krawędziami.
Jednocześnie główne procesy, które decydują o tym, czy płatek śniegu stanie się gwiazdą czy kolumną, pozostają niejasne. Być może sekret leży w warunkach temperaturowych. Libbrecht próbował znaleźć odpowiedź na to pytanie.
Przepis na płatek śniegu
Razem ze swoją małą grupą badaczy, Libbrecht starał się opracować przepis na płatek śniegu. To znaczy zestaw równań i parametrów, które można załadować do komputera, aby uzyskać od AI wspaniałą różnorodność płatków śniegu.
Swoje badania Kenneth Libbrecht rozpoczął dwadzieścia lat temu, dowiadując się o egzotycznej formie płatka śniegu, zwanej zamkniętą kolumną. Przypomina ona szpulę nici lub dwa koła i oś. Urodzony na północy kraju, był zszokowany faktem, że nigdy wcześniej nie widział takiego płatka śniegu.
Zafascynowany nieskończonymi formami kryształów śniegu, zajął się ich natury, tworząc laboratorium do hodowli płatków śniegu. Wyniki wieloletnich obserwacji pomogły stworzyć model, który sam autor uważa za przełomowy. Zaproponował ideę dyfuzji molekularnej opartą na energii powierzchniowej. Idea ta opisuje, jak wzrost kryształów śniegu zależy od warunków początkowych i zachowania cząsteczek, które je tworzą.
Wyobraź sobie, że cząsteczki wody są swobodnie rozmieszczone, gdy pary wody dopiero zaczynają zamarzać. Gdyby można było znaleźć się wewnątrz maleńkiej obserwacji i obserwować ten proces, można byłoby zobaczyć, jak cząsteczki zamarzniętej wody zaczynają tworzyć sztywną siatkę, gdzie każdy atom tlenu otoczony jest czterema atomami wodoru. Te kryształy rosną, włączając cząsteczki wody z otaczającego powietrza do ich struktury. Mogą rosnąć w dwóch głównych kierunkach: w górę lub na zewnątrz.
Cienki, płaski kryształ (płytkowy lub gwiaździsty) powstaje, gdy krawędzie formują się szybciej niż dwie ściany kryształu. Rosnący kryształ będzie się rozprzestrzeniać na zewnątrz. Jednak gdy jego ściany rosną szybciej niż jego krawędzie, kryształ staje się wyższy, tworząc igłę, pustą kolumnę lub pręt.
Rzadkie formy płatków śniegu
Warto zwrócić uwagę na trzecie zdjęcie wykonane przez Librechta w północnym Ontario. To kryształ z «zamkniętymi kolumnami» — dwie płytki przymocowane do końców grubego słupkowatego kryształu. W tym przypadku każda płytka jest podzielona na dwie znacznie cieńsze. Przyjrzyjcie się krawędziom, zobaczycie, jak płytka dzieli się na dwie. Całkowita długość lodowej kolumny wynosi około 1,5 mm.
Zgodnie z modelem Librechta, para wodna najpierw osiada w kąt kryształu, a następnie rozprzestrzenia się (dyfunduje) po powierzchni w kierunku krawędzi kryształu lub jego ścian, co prowadzi do wzrostu kryształu na zewnątrz lub w górę. Który z tych procesów «wygrywa», zależy głównie od temperatury.
Należy zauważyć, że model jest «półempiryczny». To znaczy, że jest częściowo zbudowany, aby pasował do obserwacji, a nie wyjaśniał zasady wzrostu płatków śniegu. Niestabilności i interakcje między niezliczonymi cząstkami są zbyt skomplikowane, aby można je było w pełni ujawnić. Niemniej jednak pozostaje nadzieja, że idee Librechta będą stanowić podstawę dla wszechstronnego modelu dynamiki wzrostu lodu, który można będzie uzupełnić bardziej szczegółowymi pomiarami i eksperymentami.
Nie myślcie, że te obserwacje interesują wąskie grono naukowców. Podobne pytania pojawiają się w fizyce ciał stałych i innych dziedzinach. Cząsteczki leków, półprzewodnikowe układy dla komputerów, ogniwa słoneczne i wiele innych branż opiera się na wysokiej jakości kryształach, a całe grupy zajmują się kwestią ich hodowli. Dlatego piękne płatki śniegu, tak cenione przez Librechta, mogą wnieść wkład w rozwój nauki.
Co jeszcze ciekawego można przeczytać na blogu
→
→
→
→
→
Subskrybuj nasz -kanał, aby nie przegapić kolejnego artykułu! Pisujemy nie częściej niż dwa razy w tygodniu i tylko konkretne tematy. Tak przy okazji, jeśli jeszcze nie wiecie, startupy mogą otrzymać 10 000 dolarów od Cloud4Y. Warunki i ankieta dla zainteresowanych — na naszej stronie:
Źródło: habr.com
