Tej zimy w środkowej części Rosji nie ma wystarczającej ilości śniegu. Miejscami spadło oczywiście, ale w styczniu można było spodziewać się bardziej mroźnej i śnieżnej pogody. Nudna szarość i nieprzyjemny błoto pośniegowe nie pozwalają poczuć radości zwykłej zimowej zabawy. Dlatego Cloud4Y proponuje dodać trochę śniegu do naszego życia, opowiadając o... płatkach śniegu.
Uważa się, że istnieją tylko dwa rodzaje płatków śniegu. A jeden z naukowców, nazywany czasem „ojcem” fizyki płatków śniegu, ma nową teorię wyjaśniającą przyczynę tego zjawiska. to niesamowita osoba, która w środku zimy jest gotowa opuścić rozgrzaną słońcem południową Kalifornię, aby dostać się do Fairbanks (Alaska), założyć ciepłą kurtkę i usiąść na zamarzniętym polu z aparatem i kawałkiem pianki w rękach .
Po co? Szuka najjaśniejszych, najbardziej teksturowanych i najpiękniejszych płatków śniegu, jakie może stworzyć natura. Według niego najciekawsze próbki powstają w najzimniejszych miejscach - okrytym złą sławą Fairbanks i zaśnieżonej północnej części Nowego Jorku. Najlepszy śnieg, jaki Kenneth kiedykolwiek widział, znajdował się w Cochrane, miejscu w północno-wschodnim Ontario, gdzie lekki wiatr unosił płatki śniegu spadające z nieba.
Zafascynowany żywiołami Libbrecht bada swoją piankową płytę z wytrwałością archeologa. Jeśli jest tam coś ciekawego, oko na pewno wpadnie w oko. Jeśli nie, śnieg zostaje zmieciony z deski i wszystko zaczyna się od nowa. I to trwa godzinami.
Libbrecht jest fizykiem. Zabawnym zbiegiem okoliczności jego laboratorium w California Institute of Technology zajmuje się badaniami wewnętrznej struktury Słońca, a nawet opracowało nowoczesne instrumenty do wykrywania fal grawitacyjnych. Jednak od 20 lat prawdziwą pasją Libbrechta jest śnieg – nie tylko jego wygląd, ale także to, co sprawia, że tak wygląda. „Cały czas dręczy mnie pytanie, jakie obiekty spadają z nieba, jak to się dzieje i dlaczego tak wyglądają” – przyznaje Kenneth.
Fizykom przez długi czas wystarczała wiedza, że wśród wielu drobnych kryształków śniegu można wyróżnić dwa dominujące typy. Jedna z nich to płaska gwiazda z sześcioma lub dwunastoma ramionami, z których każde ozdobione jest oszałamiająco piękną koronką. Druga to rodzaj miniaturowej kolumny, czasami wciskanej pomiędzy płaskie „osłony”, a czasami przypominającej zwykły rygiel. Kształty te można zobaczyć w różnych temperaturach i wilgotności, ale przyczyna powstania określonego kształtu pozostaje tajemnicą. Lata obserwacji Libbrechta pomogły lepiej zrozumieć proces krystalizacji płatków śniegu.
Praca Libbrechta w tej dziedzinie pomogła stworzyć nowy model wyjaśniający, dlaczego płatki śniegu i inne kryształki śniegu tworzą to, do czego jesteśmy przyzwyczajeni. Według jego teorii online z października 2019 r. opisuje ruch cząsteczek wody w pobliżu punktu zamarzania (krystalizacja) oraz sposób, w jaki określone ruchy tych cząsteczek mogą powodować powstawanie zbioru kryształów, które tworzą się w różnych warunkach. W jego Na 540 stronach Libbrecht opisuje całą wiedzę o kryształach śniegu.
Gwiazdy sześcioramienne
Wiesz oczywiście, że nie da się zobaczyć dwóch identycznych płatków śniegu (z wyjątkiem fazy początkowej). Fakt ten ma związek z formowaniem się kryształów na niebie. Śnieg to zbiór kryształków lodu, które tworzą się w atmosferze i zachowują swój kształt, gdy spadną razem na Ziemię. Tworzą się, gdy atmosfera jest wystarczająco zimna, aby zapobiec ich połączeniu lub stopieniu w deszcz ze śniegiem lub deszczem.
Chociaż w obrębie jednej chmury można zarejestrować wiele temperatur i poziomów wilgotności, dla pojedynczego płatka śniegu zmienne te będą stałe. Dlatego płatek śniegu często rośnie symetrycznie. Z drugiej strony każdy płatek śniegu jest narażony na działanie wiatru, światła słonecznego i innych czynników. Zasadniczo każdy kryształ podlega chaosowi chmury i dlatego przybiera różne formy.
Według badań Libbrechta najwcześniejsze wzmianki o tych delikatnych formach pojawiają się w roku 135 p.n.e. w Chinach. „Kwiaty roślin i drzew są zwykle pięcioramienne, ale kwiaty śniegu są zawsze sześcioramienne” – napisał uczony Han Yin. Pierwszym naukowcem, który próbował dowiedzieć się, dlaczego tak się dzieje, był prawdopodobnie Johannes Kepler, niemiecki naukowiec i polityk.
W 1611 roku Kepler podarował swojemu patronowi, cesarzowi Rudolfowi II, noworoczny prezent: mały zatytułowany „O sześciokątnych płatkach śniegu”.
„Przechodzę przez most dręczony wstydem - zostawiłem cię bez prezentu noworocznego! I wtedy pojawiła się szansa! Para wodna, zagęszczona z zimna w śnieg, opada jak płatki śniegu na moje ubrania, wszystkie jako jedna, sześciokątna, z puszystymi promieniami. Przysięgam na Herkulesa, oto rzecz, która jest mniejsza od jakiejkolwiek kropli, ma kształt, może służyć jako długo wyczekiwany prezent noworoczny dla miłośnika Niczego i jest godna matematyka, który nie ma Nic i Nic nie otrzymuje, gdyż spada z nieba i kryje w sobie podobieństwo sześciokątnej gwiazdy!
„Musi istnieć powód, dla którego śnieg ma kształt sześciokątnej gwiazdy. To nie może być wypadek” – był pewien Johannes Kepler. Być może pamiętał list od współczesnego mu Thomasa Harriota, angielskiego naukowca i astronoma, któremu udało się także pracować jako nawigator dla odkrywcy Sir Waltera Raleigha. Około 1584 roku Harriot szukał najskuteczniejszego sposobu układania kul armatnich na pokładach statków Raleigh. Harriot stwierdził, że sześciokątne wzory wydają się być najlepszym sposobem ułożenia kul i omówił tę kwestię w korespondencji z Keplerem. Kepler zastanawiał się, czy coś podobnego dzieje się w płatkach śniegu i jaki pierwiastek odpowiada za powstanie i utrzymanie tych sześciu promieni.
Kształty płatków śniegu
Można powiedzieć, że takie było początkowe zrozumienie zasad fizyki atomowej, które zostaną omówione dopiero 300 lat później. Rzeczywiście, cząsteczki wody, z dwoma atomami wodoru i jednym tlenem, mają tendencję do łączenia się ze sobą, tworząc sześciokątne układy. Kepler i jemu współcześni nie mieli pojęcia, jak ważne to było.
Jak mówią fizycy, dzięki wiązaniom wodorowym i wzajemnemu oddziaływaniu cząsteczek możemy zaobserwować otwartą strukturę krystaliczną. Oprócz zdolności do tworzenia płatków śniegu, sześciokątna struktura sprawia, że lód jest mniej gęsty niż woda, co ma ogromny wpływ na geochemię, geofizykę i klimat. Innymi słowy, gdyby lód nie pływał, życie na Ziemi byłoby niemożliwe.
Ale po traktacie Keplera obserwacja płatków śniegu stała się bardziej hobby niż poważną nauką. XIX wieku amerykański fotograf Wilson Bentley, który mieszkał w zimnym, zawsze śnieżnym miasteczku Jericho (Vermont, USA), zaczął fotografować płatki śniegu za pomocą klisz fotograficznych. Udało mu się stworzyć ponad 1880 fotografii, zanim zmarł na zapalenie płuc.
Jeszcze później, w latach trzydziestych XX wieku, japoński badacz Ukichiro Nakaya zaczął systematycznie badać różne rodzaje kryształów śniegu. W połowie stulecia Nakaya wyhodował w laboratorium płatki śniegu, używając pojedynczych włosów króliczych umieszczonych w chłodni. Majstrował przy ustawieniach wilgotności i temperatury, hodował podstawowe typy kryształów i stworzył swój oryginalny katalog możliwych kształtów. Nakaya odkrył, że gwiazdy typu płatki śniegu mają tendencję do tworzenia się w temperaturach -1930°C i -2°C. Kolumny tworzą się w temperaturze -15°C i około -5°C.
Warto tutaj zaznaczyć, że w temperaturze około -2°C pojawiają się cienkie, płytkowe formy płatków śniegu, w temperaturze -5°C tworzą się cienkie kolumny i igły, gdy temperatura spada do -15°C stają się one naprawdę cienkie płytkach, a w temperaturach poniżej - W temperaturze 30°C wracają do grubszych kolumn.
W warunkach niskiej wilgotności gwiazdowe płatki śniegu tworzą kilka gałęzi i przypominają sześciokątne płytki, ale przy wysokiej wilgotności stają się bardziej skomplikowane i koronkowe.
Według Libbrechta przyczyny pojawiania się różnych form płatków śniegu stały się jaśniejsze dzięki pracy Nakai. Odkryto, że kryształy śniegu przekształcają się w płaskie gwiazdy i płyty (a nie w struktury trójwymiarowe), gdy krawędzie szybko rosną na zewnątrz, a twarze powoli w górę. Cienkie kolumny rosną inaczej, z szybko rosnącymi krawędziami i wolniej rosnącymi krawędziami.
Jednocześnie podstawowe procesy wpływające na to, czy płatek śniegu stanie się gwiazdą, czy kolumną, pozostają niejasne. Być może sekret tkwi w warunkach temperaturowych. Libbrecht próbował znaleźć odpowiedź na to pytanie.
Przepis na płatki śniegu
Libbrecht wraz ze swoim niewielkim zespołem badaczy próbował wymyślić przepis na płatek śniegu. Oznacza to pewien zestaw równań i parametrów, które można załadować do komputera i uzyskać od sztucznej inteligencji wspaniałą różnorodność płatków śniegu.
Kenneth Libbrecht rozpoczął swoje badania dwadzieścia lat temu, gdy dowiedział się o egzotycznym kształcie płatka śniegu zwanego zamkniętą kolumną. Wygląda jak szpulka z nicią lub dwa koła i oś. Urodzony na północy kraju, był zszokowany faktem, że nigdy nie widział takiego płatka śniegu.
Zadziwiony niekończącymi się kształtami kryształków śniegu, zaczął ich naturę, tworząc laboratorium do hodowli płatków śniegu. Wyniki wieloletnich obserwacji pomogły stworzyć model, który sam autor uważa za przełomowy. Zaproponował ideę dyfuzji molekularnej w oparciu o energię powierzchniową. Idea ta opisuje, w jaki sposób wzrost kryształu śniegu zależy od warunków początkowych i zachowania tworzących go cząsteczek.
Wyobraź sobie, że cząsteczki wody są ułożone luźno, gdy para wodna dopiero zaczyna zamarzać. Gdybyś znalazł się w maleńkim obserwatorium i przyjrzał się temu procesowi, mógłbyś zobaczyć, jak cząsteczki zamrożonej wody zaczynają tworzyć sztywną sieć, w której każdy atom tlenu jest otoczony czterema atomami wodoru. Kryształy te rosną poprzez włączenie do swojej struktury cząsteczek wody z otaczającego powietrza. Mogą rosnąć w dwóch głównych kierunkach: w górę lub na zewnątrz.
Cienki, płaski kryształ (lamelarny lub w kształcie gwiazdy) powstaje, gdy krawędzie tworzą się szybciej niż dwie ściany kryształu. Rosnący kryształ rozprzestrzeni się na zewnątrz. Jednakże, gdy jego ściany rosną szybciej niż krawędzie, kryształ staje się wyższy, tworząc igłę, pusty filar lub pręt.
Rzadkie formy płatków śniegu
Jeszcze chwila. Zwróć uwagę na trzecie zdjęcie zrobione przez Libbrechta w północnym Ontario. Jest to kryształ „zamkniętej kolumny” – dwie płytki przymocowane do końców grubego kryształu kolumnowego. W tym przypadku każda płyta jest podzielona na parę znacznie cieńszych płytek. Przyjrzyj się uważnie krawędziom, zobaczysz, jak płyta jest podzielona na dwie części. Krawędzie tych dwóch cienkich płytek są mniej więcej tak ostre jak żyletka. Całkowita długość słupa lodu wynosi około 1,5 mm.
Według modelu Libbrechta para wodna najpierw osiada w rogach kryształu, a następnie rozprzestrzenia się (dyfunduje) wzdłuż powierzchni do krawędzi kryształu lub do jego ścian, powodując wzrost kryształu na zewnątrz lub do góry. To, który z tych procesów „wygra”, zależy głównie od temperatury.
Należy zaznaczyć, że model ma charakter „półempiryczny”. Oznacza to, że jest częściowo skonstruowany tak, aby odpowiadał temu, co się dzieje, a nie wyjaśniał zasady wzrostu płatków śniegu. Niestabilności i interakcje między niezliczonymi cząsteczkami są zbyt złożone, aby je w pełni rozwikłać. Pozostaje jednak nadzieja, że pomysły Libbrechta posłużą za podstawę kompleksowego modelu dynamiki wzrostu lodu, który będzie można uszczegółowić na drodze bardziej szczegółowych pomiarów i eksperymentów.
Nie należy sądzić, że te obserwacje interesują wąskie grono naukowców. Podobne pytania pojawiają się w fizyce materii skondensowanej i w innych dziedzinach. Cząsteczki leków, chipy półprzewodnikowe do komputerów, ogniw słonecznych i wielu innych gałęzi przemysłu opierają się na kryształach wysokiej jakości, a ich hodowlą zajmują się całe zespoły. Zatem ukochane płatki śniegu Libbrechta mogą z powodzeniem służyć nauce.
Co jeszcze można przeczytać na blogu?
→
→
→
→
→
Zapisz się do naszego -channel, żeby nie przegapić kolejnego artykułu! Piszemy nie częściej niż dwa razy w tygodniu i tylko w sprawach służbowych. Przy okazji, jeśli jeszcze nie wiecie, startupy mogą otrzymać od Cloud10Y 000 4 dolarów. Regulamin i formularz zgłoszeniowy dla zainteresowanych można znaleźć na naszej stronie internetowej:
Źródło: www.habr.com