Nesta inverno, a quantidade de neve na parte central da Rússia é baixa. Em alguns lugares, ela caiu, é claro, mas em janeiro poderíamos esperar um clima mais frio e nevado. A triste tonalidade cinza e a desagradável lama dificultam a alegria das tradicionais brincadeiras de inverno. Por isso, a Cloud4Y propõe adicionar um pouco de neve às nossas vidas, falando sobre... flocos de neve.
Acredita-se que os flocos de neve sejam apenas de dois tipos. E um dos cientistas, às vezes chamado de "pai" da física dos flocos de neve, tem uma nova teoria que explica a razão para isso. é uma pessoa incrível que está disposta a deixar a ensolarada Califórnia do Sul em pleno inverno para chegar a Fairbanks (Alasca), vestir um casaco quente e sentar em um campo congelado com uma câmera e um pedaço de espuma na mão.
Por quê? Ele procura os flocos de neve mais brilhantes, texturizados e bonitos que a natureza pode criar. Segundo ele, os espécimes mais interessantes tendem a se formar nos lugares mais frios — o infame Fairbanks e na parte nevada do norte de Nova York. A melhor neve que Kenneth já observou caiu em Cochrane, uma localidade no nordeste de Ontário, onde uma brisa suave fazia os flocos de neve dançarem pelo céu.
Encantado pelo fenômeno, Libbrecht, com a perseverança de um arqueólogo, estuda sua placa de espuma. Se houver algo interessante lá, seu olhar certamente se fixará nisso. Se não houver — a neve é varrida da placa e tudo começa de novo. E isso pode durar horas.
Libbrecht é físico. Por acaso curioso, seu laboratório no Instituto de Tecnologia da Califórnia realiza pesquisas sobre a estrutura interna do Sol e até desenvolveu instrumentos modernos para detectar ondas gravitacionais. Mas, nos últimos 20 anos, a verdadeira paixão de Libbrecht tem sido a neve — não apenas sua aparência, mas também o que a faz parecer dessa maneira. "A questão sobre quais objetos caem do céu, como isso acontece e por que eles se parecem assim, me atormenta o tempo todo", admite Kenneth.
Por muito tempo, os físicos acreditavam que bastava saber que entre muitos flocos de neve, podiam ser distinguidos dois tipos predominantes. Um deles é a estrela plana com seis ou doze raios, cada um adornado com rendas maravilhosamente belas. O outro é uma espécie de coluna em miniatura, às vezes comprimida entre tampas planas, ou parecendo um parafuso comum. Essas formas podem ser vistas em diferentes temperaturas e umidade, mas a razão pela qual uma forma se forma em vez de outra era um mistério. Anos de observações de Libbrecht ajudaram a entender melhor o processo de cristalização dos flocos de neve.
As pesquisas de Libbrecht nesta área ajudaram a criar um novo modelo que explica por que os flocos de neve e outros cristais de neve assumem as formas que estamos acostumados a ver. Segundo sua teoria, na internet em outubro de 2019, descreve o movimento das moléculas de água perto do ponto de congelamento (cristalização) e como movimentos específicos dessas moléculas podem gerar uma combinação de cristais que se formam em diferentes condições. Em seu de 540 páginas, Libbrecht descreve todo o conhecimento sobre cristais de neve.
Estrelas de seis pontas
Você certamente sabe que é impossível ver dois flocos de neve iguais (exceto na fase inicial de formação). Esse fato está relacionado a como os cristais se formam no céu. A neve é um agregado de cristais de gelo que se formam na atmosfera e mantém sua forma quando caem juntos na Terra. Eles se formam quando a atmosfera está suficientemente fria para impedir a fusão ou o derretimento, transformando-se em neve molhada ou chuva.
Embora dentro de uma nuvem se possa registrar muitas temperaturas e níveis de umidade, para um único floco de neve essas variáveis serão constantes. É por isso que um floco de neve frequentemente cresce de forma simétrica. Por outro lado, cada floco de neve é afetado pelo vento, luz solar e outros fatores. Na essência, cada cristal está sujeito ao caos da nuvem e, por isso, assume diferentes formas.
De acordo com o estudo de Libbrecht, as primeiras reflexões sobre essas formas delicadas foram registradas em 135 a.C. na China. "As flores das plantas e árvores normalmente têm cinco pétalas, mas as flores de neve sempre têm seis", escreveu o acadêmico Han Yin. E o primeiro cientista que tentou entender por que isso acontece foi, provavelmente, Johannes Kepler, um erudito e cientista alemão.
Em 1611, Kepler presenteou seu patrono, o imperador do Sacro Império Romano Rudolf II, com um pequeno intitulado "Sobre flocos de neve hexagonais".
"Eu atravesso a ponte atormentado pela vergonha – deixei você sem presente de Ano Novo! E aqui me aparece uma oportunidade conveniente! As moléculas de água, condensando-se do frio em neve, caem como flocos na minha roupa, todos, sem exceção, hexagonais, com raios fofos. Juro por Hércules, aqui está algo que menos que qualquer gota tem forma, pode servir como um tão esperado presente de Ano Novo para um aficionado pelo Nada e é digno de um matemático que possui Nada e obtém Nada, já que cai do céu e contém a semelhança de uma estrela hexagonal!".
"Deve haver uma razão pela qual a neve tem a forma de uma estrela hexagonal. Não pode ser uma coincidência", acreditava Johannes Kepler. Talvez ele tenha se lembrado de uma carta de seu contemporâneo Thomas Harriot, um estudioso e astrônomo inglês que também conseguiu trabalhar como navegador para o explorador Sir Walter Raleigh. Por volta de 1584, Harriot buscava a maneira mais eficiente de arranjar balas de canhão nos convés dos navios de Raleigh. Harriot descobriu que os padrões hexagonais parecem ser a melhor maneira de dispor esferas, e discutiu esse assunto em correspondência com Kepler. Kepler se perguntava se algo semelhante acontece nos flocos de neve e por qual elemento esses seis raios se formam e permanecem.
Formas dos flocos de neve
Pode-se dizer que essa foi uma compreensão inicial dos princípios da física atômica, que só será discutida 300 anos depois. Na verdade, as moléculas de água, com seus dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, tendem a se unir formando arranjos hexagonais. Kepler e seus contemporâneos nem faziam ideia de quão importante isso era.
Como dizem os físicos, graças à ligação de hidrogênio e à interação das moléculas entre si, podemos observar uma estrutura cristalina aberta. Além da capacidade de formar flocos de neve, a estrutura hexagonal permite que o gelo seja menos denso em comparação com a água, o que tem um enorme impacto na geoquímica, geofísica e clima. Em outras palavras, se o gelo não flutuasse, a vida na Terra seria impossível.
Mas após o tratado de Kepler, a observação de flocos de neve tornou-se mais um hobby do que uma ciência séria. Na década de 1880, um fotógrafo americano chamado Wilson Bentley, que vivia em uma pequena cidade fria e eternamente coberta de neve chamada Jericho (Vermont, EUA), começou a tirar fotos de flocos de neve usando placas fotográficas. Ele conseguiu criar mais de 5000 fotografias antes de morrer de pneumonia.
Mais tarde, na década de 1930, o pesquisador japonês Ukichiro Nakaya começou o estudo sistemático de diferentes tipos de cristais de neve. No meio do século, Nakaya cultivava flocos de neve em laboratório, utilizando pelos de coelho em um ambiente refrigerado. Ele ajustava a umidade e a temperatura, cultivando os tipos básicos de cristais e compilou seu catálogo original de formas possíveis. Nakaya descobriu que os flocos de neve em forma de estrela tendem a se formar a -2 °C e -15 °C. Colunas se formam a -5 °C e aproximadamente a -30 °C.
É importante notar que, a uma temperatura em torno de -2 °C, surgem formas finas e planas de flocos de neve, a -5 °C formam colunas finas e agulhas; quando a temperatura cai para -15 °C, tornam-se realmente placas finas, e a temperaturas abaixo de -30 °C, retornam a colunas mais grossas.
Em condições de baixa umidade, flocos de neve em forma de estrela formam vários ramos e lembram placas hexagonais, mas em alta umidade tornam-se mais elaborados e rendados.
De acordo com Libbrecht, as razões para o aparecimento das diferentes formas de flocos de neve tornaram-se mais claras graças ao trabalho de Nakaya. Foi estabelecido que os cristais de neve se transformam em estrelas planas e placas (e não em estruturas tridimensionais) quando as bordas crescem rapidamente para fora, enquanto as faces crescem lentamente para cima. Colunas finas crescem de maneira diferente, com faces que crescem rapidamente e bordas que crescem mais lentamente.
Ao mesmo tempo, os principais processos que influenciam se um floco de neve se tornará uma estrela ou uma coluna permanecem desconhecidos. Talvez o segredo esteja nas condições de temperatura. E Libbrecht tentou encontrar a resposta para essa questão.
A Receita do Floco de Neve
Junto com sua pequena equipe de pesquisadores, Libbrecht tentou criar a receita de um floco de neve. Ou seja, um conjunto de equações e parâmetros que poderia ser carregado em um computador para gerar uma magnífica variedade de flocos de neve com a ajuda da IA.
Kennet Libbrecht começou suas pesquisas há vinte anos, ao descobrir uma forma exótica de floco de neve chamada coluna fechada. Ela se assemelha a um carretel de fio ou a duas rodas unidas por um eixo. Nascido no norte do país, ele ficou chocado ao descobrir que nunca tinha visto um floco de neve assim.
Impressionado com as infinitas formas dos cristais de neve, ele se dedicou de sua natureza, criando um laboratório para cultivar flocos de neve. Os resultados de anos de observações ajudaram a criar um modelo que o próprio autor considera inovador. Ele propôs a ideia de difusão molecular com base na energia de superfície. Essa ideia descreve como o crescimento de um cristal de neve depende das condições iniciais e do comportamento das moléculas que o formam.
Imagine que as moléculas de água estão posicionadas livremente, pois os vapores de água estão apenas começando a congelar. Se você pudesse estar dentro de um minúsculo observatório e observar esse processo, poderia ver as moléculas de água congelada começando a formar uma grade rígida, onde cada átomo de oxigênio é cercado por quatro átomos de hidrogênio. Esses cristais crescem ao incorporar moléculas de água do ar ao seu redor em sua estrutura. Eles podem crescer em duas direções principais: para cima ou para fora.
Um cristal fino e plano (flocado ou em forma de estrela) se forma quando as bordas crescem mais rapidamente do que as duas faces do cristal. O cristal em crescimento se expandirá para fora. No entanto, quando suas faces crescem mais rapidamente do que suas bordas, o cristal se torna mais alto, formando uma agulha, uma coluna oca ou um bastão.
Formas raras de flocos de neve
Um outro ponto. Preste atenção na terceira fotografia, tirada por Libbrecht no norte de Ontário. Este é um cristal com "colunas fechadas" — duas lâminas anexadas às extremidades de um grosso cristal coluna. Neste caso, cada lâmina é dividida em um par de lâminas muito mais finas. Observe as bordas, você verá como a lâmina se divide em duas. As extremidades dessas duas lâminas finas são aproximadamente tão afiadas quanto a lâmina de uma navalha. O comprimento total da coluna de gelo é de cerca de 1,5 mm.
De acordo com o modelo de Libbrecht, o vapor d'água inicialmente se deposita nos cantos do cristal e, em seguida, se espalha (difunde) pela superfície, seja em direção à borda do cristal ou às suas faces, fazendo com que o cristal cresça para fora ou para cima. Qual desses processos "vence" depende principalmente da temperatura.
É importante notar que o modelo é "semi-empírico". Ou seja, ele é parcialmente construído para coincidir com o que acontece, e não para explicar os princípios de crescimento dos flocos de neve. As instabilidades e interações entre as inúmeras moléculas são complexas demais para serem totalmente reveladas. No entanto, ainda há esperança de que as ideias de Libbrecht sirvam de base para um modelo abrangente da dinâmica de crescimento do gelo, que possa ser detalhado por medições e experimentos mais precisos.
Não se deve pensar que essas observações são interessantes apenas para um pequeno grupo de cientistas. Questões semelhantes surgem na física de meios condensados e em outras áreas. Moléculas de medicamentos, chips semicondutores para computadores, elementos solares e muitos outros setores dependem de cristais de alta qualidade, e grupos inteiros se dedicam ao cultivo deles. Portanto, os delicadamente amados flocos de neve de Libbrecht podem realmente servir à ciência.
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Fonte: habr.com
