Ninsul de zăpadă din centrul Rusiei a fost destul de sărăcăcios în această iarnă. În unele locuri a căzut, desigur, dar în luna ianuarie ne-am așteptat la vreme mai geroasă și mai zăpezită. Griul plictisitor și mâzga neplăcută împiedică să simțim bucuria jocurilor de iarnă obișnuite. Așadar, Cloud4Y propune să aducem puțin zăpadă în viața noastră, vorbind despre... fulgii de zăpadă.
Se consideră că fulgii de zăpadă sunt doar de două tipuri. Iar unul dintre cercetătorii, pe care unii îl numesc uneori „tatăl” fizicii fulgilor de zăpadă, a dezvoltat o nouă teorie care explică motivul acestora. este un om uimitor, care este dispus să părăsească California de Sud, încălzită de soare, în mijlocul iernii, pentru a ajunge în Fairbanks (Alaska), a îmbrăca o jachetă călduroasă și a sta într-un câmp înghețat cu o cameră și o bucată de polistiren în mână.
De ce? El caută cei mai strălucitori, cei mai texturați, cei mai frumoși fulgi de zăpadă pe care natura îi poate crea. Potrivit lui, cele mai interesante exemplare tind să se formeze în cele mai reci locuri — celebrul Fairbanks și în partea nordică zăpezită a New York-ului. Totuși, cea mai bună zăpadă pe care Kenneth a văzut-o vreodată a căzut în Cochrane, un loc din nord-estul Ontarionului, unde un vânt slab făcea fulgii de zăpadă să se învârtă pe cer.
Fascinat de fenomen, Libbrecht studiază cu fervoare placa sa de polistiren, asemenea unui arheolog. Dacă există ceva interesant, privirea lui se va aținti asupra acestuia. Dacă nu — zăpada este măturată de pe placă și totul începe din nou. Și asta durează ore întregi.
Libbrecht este fizician. Dintr-o coincidență amuzantă, laboratorul său de la California Institute of Technology se ocupă cu cercetarea structurii interne a Soarelui și chiar a dezvoltat instrumente moderne pentru detectarea undelor gravitaționale. Însă, în ultimii 20 de ani, adevărata pasiune a lui Libbrecht a fost zăpada — nu doar aspectul ei, ci și ceea ce o face să arate astfel. „Întrebarea despre ce fel de obiecte cad din cer, cum se întâmplă acest lucru și de ce arată așa, mă chinuie mereu”, recunoaște Kenneth.
Multă vreme, pentru fizicieni, era suficient să știe că printre numeroasele cristale de zăpadă se pot distinge două tipuri predominante. Unul dintre ele este o stea plată cu șase sau douăsprezece raze, fiecare dintre ele decorată cu dantelă splendidă. Celălalt este un fel de mini-coloană, uneori prinsă între „capacete” plate, iar alteori asemănătoare unui șurub obișnuit. Aceste forme pot fi observate la diferite temperaturi și umidități, dar cauza formării fiecărei forme a rămas o enigmă. Anii de observații ai lui Libbrecht au contribuit la o mai bună înțelegere a procesului de cristalizare a fulgilor de zăpadă.
Contribuțiile lui Libbrecht în acest domeniu au ajutat la crearea unui nou model care explică de ce fulgii de zăpadă și alte cristale de zăpadă formează ceea ce suntem obișnuiți să vedem. Potrivit teoriei sale, în octombrie 2019 pe internet, descrie mișcarea moleculelor de apă în apropierea punctului de înghețare (cristalizare) și modul în care mișcările specifice ale acestor molecule pot genera un ansamblu de cristale care se formează în condiții diferite. În monografia sa Stele cu șase colțuri
Desigur, știți că este imposibil să vedeți două fulgi de zăpadă identici (cu excepția stadiului de formare). Acest fapt este legat de modul în care se formează cristalele în cer. Zăpada este un ansamblu de cristale de gheață care se formează în atmosferă și își păstrează forma atunci când toate cad împreună pe Pământ. Ele se formează atunci când atmosfera este suficient de rece pentru a împiedica fuziunea sau topirea și transformarea în zăpadă umedă sau ploaie.
Deși în interiorul unui singur nor se pot înregistra numeroase temperaturi și niveluri de umiditate, pentru un singur fulg de zăpadă aceste variabile vor fi constante. De aceea, un fulg de zăpadă crește adesea simetric. Pe de altă parte, fiecare fulg de zăpadă este afectat de vânt, lumina soarelui și alți factori. Practic, fiecare cristal se supune haosului norului și, prin urmare, adoptă forme variate.
Deși într-un singur nor pot fi măsurate numeroase temperaturi și niveluri de umiditate, pentru un singur fulg de zăpadă aceste variabile vor rămâne constante. De aceea, fulgul de zăpadă crește adesea simetric. Pe de altă parte, fiecare fulg de zăpadă este supus influenței vântului, luminii solare și altor factori. Practic, fiecare cristal se supune haosului norului și, prin urmare, ia forme diferite.
Conform unei cercetări realizate de Libbrecht, cele mai vechi reflecții asupra acestor forme delicate au fost înregistrate în anul 135 î.Hr. în China. „Florile plantelor și copacilor sunt, de obicei, cu cinci colțuri, dar florile zăpezii sunt întotdeauna cu șase colțuri”, a scris savantul Han Yin. Iar primul cercetător care a încercat să înțeleagă de ce se întâmplă acest lucru a fost, probabil, Johannes Kepler, un savant și erudit german.
În anul 1611, Kepler i-a făcut un cadou de Anul Nou patronului său, împăratului Sfântului Imperiu Roman Rudolf II: un mic intitulat „Despre fulgii de zăpadă hexagonali”.
„Traversând podul, mă frământă rușinea – te-am lăsat fără cadou de Anul Nou! Și dintr-o dată, îmi face cu ochiul o ocazie convenabilă! Vaporizarea apei, condensată de frig în zăpadă, se așterne sub formă de fulgi pe haina mea, toți, la fel, fiind hexagonali, cu raze pufoase. Jur pe Hercule, iată un lucru care, mai mic decât orice picătură, are formă și poate fi un cadou mult așteptat pentru iubitorul Nimicului și este demn de un matematician, care posedă Nimicul și primește Nimic, deoarece cade din cer și ascunde asemănarea unei stele hexagonale!”.
„Trebuie să existe un motiv pentru care zăpada are forma unei stele hexagonale. Nu poate fi o întâmplare”, era convins Johannes Kepler. Poate că și-a amintit de o scrisoare de la contemporanul său Thomas Harriot, un savant și astronom englez, care de asemenea a lucrat ca navigator pentru exploratorul sir Walter Raleigh. În jurul anului 1584, Harriot căuta cea mai eficientă modalitate de a aranja bilele de tun pe punțile corăbiilor lui Raleigh. Harriot a descoperit că modelele hexagonale păreau a fi cea mai bună opțiune pentru aranjarea sferelor și a discutat această chestiune în corespondența cu Kepler. Kepler se întreba dacă se întâmplă ceva similar în fulgii de zăpadă și ce anume provoacă și susține aceste șase raze.
Formele fulgilor de zăpadă
Se poate spune că aceasta a fost o înțelegere inițială a principiilor fizicii atomice, despre care se va vorbi abia peste 300 de ani. Într-adevăr, moleculele de apă cu cele două atomi de hidrogen și unul de oxigen au tendința de a se lega între ele, formând mase hexagonale. Kepler și contemporanii săi nici nu își imaginau cât de important este acest lucru.
După cum spun fizicienii, datorită legăturii de hidrogen și interacțiunii moleculelor între ele, putem observa o structură cristalină deschisă. Pe lângă capacitatea de a crește fulgi de zăpadă, structura hexagonală face ca gheața să fie mai puțin densă în comparație cu apa, ceea ce are un impact enorm asupra geochimiei, geofizicii și climatului. Cu alte cuvinte, dacă gheața nu ar pluti, viața pe Pământ ar fi imposibilă.
Însă, după tratatul lui Kepler, observarea fulgilor de zăpadă a devenit mai mult un hobby decât o știință serioasă. În anii 1880, un fotograf american pe nume Wilson Bentley, care trăia într-un mic oraș din Vermont, numit Jericho, mereu acoperit de zăpadă, a început să facă fotografii cu fulgi de zăpadă folosind placă fotografică. A reușit să creeze peste 5000 de fotografii înainte de a muri de pneumonie.
Mai târziu, în anii 1930, cercetătorul japonez Ukichiro Nakaya a început să studieze sistematic diferitele tipuri de cristale de zăpadă. La mijlocul secolului, Nakaya cultiva fulgi de zăpadă în laborator, folosind fire de păr de iepure plasate într-o cameră răcită. A experimentat cu ajustările de umiditate și temperatură, cultivând tipurile principale de cristale și a adunat catalogul său original de forme posibile. Nakaya a descoperit că fulgii de zăpadă în formă de stea tind să se formeze la -2 °C și la -15 °C. Coloanele se formează la -5 °C și aproximativ la -30 °C.
Este important de menționat că la temperaturi de aproximativ -2 °C apar forme subțiri de fulgi de zăpadă sub formă de plăci, la -5 °C formează coloane subțiri și ace, iar când temperatura scade sub -15 °C, devin cu adevărat plăci subțiri, iar la temperaturi mai mici de -30 °C revin la coloane mai groase.
În condiții de umiditate scăzută, fulgii de zăpadă în formă de stea formează mai multe ramificații și seamănă cu plăcile hexagonale, dar la umiditate ridicată devin mai complicate, cu un aspect dantelat.
Conform lui Libbrecht, motivele apariției diferitelor forme de fulgi de zăpadă au devenit mai clare datorită lucrării lui Nakaya. S-a stabilit că cristalele de zăpadă se transformă în stele și plăci plate (nu structuri tridimensionale) atunci când marginile cresc rapid în exterior, iar fețele cresc mai încet în sus. Coloanele subțiri cresc diferit, cu fețe care cresc rapid și margini care cresc mai încet.
În același timp, procesele principale care influențează dacă un fulg de zăpadă devine o stea sau o coloană rămân neexploatate. Poate că secretul se află în condițiile de temperatură. Iar Libbrecht a încercat să găsească răspunsul la această întrebare.
Rețeta fulgului de zăpadă
Împreună cu micuța sa echipă de cercetători, Libbrecht a încercat să elaboreze rețeta fulgului de zăpadă. Adică un set de ecuații și parametrii care pot fi încărcați în computer pentru a obține de la IA o diversitate splendidă de fulgi.
Cercetările sale au început acum douăzeci de ani, când a aflat despre o formă exotică de fulg de zăpadă numită coloană închisă. Aceasta seamănă cu o bobină de fir sau cu două roți și un ax. Născut în nordul țării, a fost șocat de faptul că nu a văzut niciodată un astfel de fulg.
Impresionat de formele infinite ale cristalelor de zăpadă, s-a ocupat naturii acestora, creând un laborator pentru cultivarea fulgilor de zăpadă. Rezultatele observațiilor de-a lungul anilor au ajutat la crearea unui model pe care autorul însuși îl consideră revoluționar. El a propus ideea difuziei moleculare pe baza energiei superficiale. Această idee descrie cum creșterea unui cristal de zăpadă depinde de condițiile inițiale și de comportamentul moleculelor care îl formează.
Imaginați-vă că moleculele de apă sunt dispuse liber, deoarece vaporii de apă încep abia să înghețe. Dacă ai putea fi în interiorul unei mici observatorii și să privești acest proces, ai putea vedea cum moleculele de apă înghețată încep să formeze o rețea rigidă, unde fiecare atom de oxigen este înconjurat de patru atomi de hidrogen. Aceste cristale cresc prin includerea moleculelor de apă din aerul înconjurător în structura lor. Ele pot crește în două direcții principale: în sus sau în exterior.
Un cristal subțire și plat (fie el în formă de plăcuță sau stea) se formează atunci când marginile se formează mai repede decât cele două fețe ale cristalului. Cristalul în creștere se va extinde în exterior. Totuși, când fețele sale cresc mai repede decât marginile, cristalul devine mai înalt, formând o ac, un stâlp gol sau un tijă.
Forme rare de fulgi de zăpadă
Un alt aspect. Vă rugăm să observați a treia fotografie, realizată de Libbrecht în Ontario de Nord. Acesta este un cristal cu „colonne închise” - două plăci atașate la capetele unui cristal masiv. În acest caz, fiecare placă este împărțită în câteva plăci mult mai subțiri. Uitați-vă la margini, veți vedea cum placa se împarte în două. Marginile acestor două plăci subțiri sunt aproximativ la fel de ascuțite ca o lamă de ras. Lungimea totală a coloanei de gheață este de aproximativ 1,5 mm.
Conform modelului lui Libbrecht, vaporii de apă se depun întâi pe colțurile cristalului și apoi se răspândesc (difuzează) pe suprafață, fie spre marginea cristalului, fie spre fețele sale, determinând cristalul să crească spre exterior sau în sus. Care dintre aceste procese „câștigă” depinde în principal de temperatură.
Trebuie remarcat că modelul este „semi-empiric”. Adică este construit parțial pentru a se potrivi cu ceea ce se întâmplă, nu pentru a explica principiile creșterii fulgilor de zăpadă. Instabilitățile și interacțiunile dintre nenumăratele molecule sunt prea complexe pentru a putea fi complet dezvăluite. Cu toate acestea, există speranța că ideile lui Libbrecht vor servi drept bază pentru un model cuprinzător al dinamicii creșterii gheții, care va putea fi detaliat prin măsurători și experimente mai precise.
Nu trebuie să vă gândiți că aceste observații sunt interesante doar pentru un cerc restrâns de oameni de știință. Întrebări similare apar în fizica mediilor condensate și în alte domenii. Moleculele medicamentelor, cipurile semiconductoare pentru calculatoare, panourile solare și multe alte domenii depind de cristale de înaltă calitate, iar grupuri întregi se ocupă cu problema cultivării lor. Astfel, fulgii de zăpadă, atât de iubiți de Libbrecht, ar putea foarte bine să servească științei.
Ce altceva util se poate citi în blog
→
→
→
→
→
Abonați-vă la canalul nostru -canal pentru a nu rata următorul articol! Scriem nu mai des de două ori pe săptămână și doar la obiect. Apropo, dacă nu știți, startup-urile pot obține $10,000 de la Cloud4Y. Condițiile și formularul pentru cei interesați sunt pe site-ul nostru:
Sursa: habr.com
