V strednej časti Ruska je túto zimu málo snehu. Miestami samozrejme padalo, ale v januári sa dalo čakať ešte mrazivejšie a zasnežené počasie. Fádna šedivosť a nepríjemná kaša vám bránia v pociťovaní radosti z bežných zimných radovánok. Preto Cloud4Y navrhuje pridať trochu snehu do našich životov rozprávaním o... snehových vločkách.
Predpokladá sa, že existujú iba dva typy snehových vločiek. A jeden z vedcov, niekedy nazývaný „otec“ fyziky snehových vločiek, má novú teóriu, ktorá vysvetľuje dôvod. je úžasný človek, ktorý je pripravený opustiť slnkom prehriatu južnú Kaliforniu uprostred zimy, dostať sa do Fairbanks (Aljaška), obliecť si teplú bundu a sadnúť si na zamrznuté pole s fotoaparátom a kúskom peny v rukách .
Prečo? Hľadá tie najžiarivejšie, najštruktúrovanejšie a najkrajšie snehové vločky, aké môže príroda vytvoriť. Najzaujímavejšie vzorky sa podľa neho zvyknú vytvárať na najchladnejších miestach – notoricky známom Fairbanks a zasneženej severnej časti New Yorku. Najlepší sneh, aký kedy Kenneth videl, bol v Cochrane, mieste v severovýchodnom Ontáriu, kde ľahké vetry vírili snehové vločky, ktoré padali z oblohy.
Libbrecht, fascinovaný živlami, študuje svoju penovú dosku s húževnatosťou archeológa. Ak je tam niečo zaujímavé, oko to určite upúta. Ak nie, sneh sa pozametá z dosky a všetko sa začne odznova. A toto trvá hodiny.
Libbrecht je fyzik. Zábavnou zhodou okolností sa jeho laboratórium na Kalifornskom technologickom inštitúte zaoberá výskumom vnútornej štruktúry Slnka a dokonca vyvinulo moderné prístroje na detekciu gravitačných vĺn. Ale za posledných 20 rokov bol Libbrechtovou skutočnou vášňou sneh – nielen jeho vzhľad, ale aj to, vďaka čomu tak vyzerá. „Otázka, aké predmety padajú z neba, ako sa to deje a prečo tak vyzerajú, ma neustále mučí,“ priznáva Kenneth.
Fyzikom dlho stačilo vedieť, že medzi množstvom drobných snehových kryštálikov možno rozlíšiť dva prevládajúce typy. Jednou z nich je plochá hviezda so šiestimi alebo dvanástimi ramenami, z ktorých každé je zdobené závratne krásnou čipkou. Druhým je akýsi miniatúrny stĺpik, niekedy vložený medzi ploché „kryty“ a niekedy podobný obyčajnej skrutke. Tieto tvary je možné vidieť pri rôznych teplotách a vlhkosti, ale dôvod vzniku konkrétneho tvaru je záhadou. Libbrechtove roky pozorovaní pomohli lepšie pochopiť proces kryštalizácie snehových vločiek.
Libbrechtova práca v tejto oblasti pomohla vytvoriť nový model, ktorý vysvetľuje, prečo snehové vločky a iné snehové kryštály tvoria to, na čo sme zvyknutí. Podľa jeho teórie, online v októbri 2019 opisuje pohyb molekúl vody v blízkosti bodu mrazu (kryštalizácia) a ako môžu špecifické pohyby týchto molekúl viesť k zhluku kryštálov, ktoré sa tvoria za rôznych podmienok. V jeho Libbrecht na 540 stranách opisuje všetky poznatky o snehových kryštáloch.
Šesťcípe hviezdy
Vy, samozrejme, viete, že nie je možné vidieť dve rovnaké snehové vločky (okrem počiatočnej fázy). Táto skutočnosť súvisí s tým, ako sa na oblohe tvoria kryštály. Sneh je zbierka ľadových kryštálov, ktoré sa tvoria v atmosfére a zachovávajú si svoj tvar, keď spolu padnú na Zem. Vznikajú, keď je atmosféra dostatočne studená, aby sa zabránilo ich splynutiu alebo roztopeniu v daždi alebo daždi.
Hoci v rámci jedného oblaku možno zaznamenať veľa úrovní teplôt a vlhkosti, pre jednu snehovú vločku budú tieto premenné konštantné. To je dôvod, prečo snehová vločka často rastie symetricky. Na druhej strane je každá snehová vločka vystavená vetru, slnečnému žiareniu a iným faktorom. V podstate každý kryštál podlieha chaosu oblaku, a preto nadobúda rôzne podoby.
Podľa Libbrechtových výskumov sú prvé úvahy o týchto jemných formách zaznamenané v roku 135 pred Kristom. v Číne. „Kvety rastlín a stromov sú zvyčajne päťcípe, ale kvety snehu sú vždy šesťcípe,“ napísal učenec Han Yin. A prvý vedec, ktorý sa snažil prísť na to, prečo sa to deje, bol pravdepodobne Johannes Kepler, nemecký vedec a polyhistor.
V roku 1611 daroval Kepler svojmu patrónovi, cisárovi Svätej ríše rímskej Rudolfovi II., novoročný darček: s názvom „O šesťhranných snehových vločkách“.
„Prechádzam cez most, mučený hanbou - nechal som ťa bez novoročného darčeka! A potom sa mi naskytla príležitosť! Vodná para, zhustená od chladu na sneh, padá ako snehové vločky na moje šaty, všetky ako jeden, šesťuholníkový, s nadýchanými lúčmi. Prisahám pri Herkulesovi, tu je vec, ktorá je menšia ako ktorákoľvek kvapka, má tvar, môže slúžiť ako dlho očakávaný novoročný darček milovníkovi Ničoho a je hodná matematika, ktorý nič nemá a nič nedostane, keďže padá z neba a skrýva v sebe podobu šesťhrannej hviezdy!
„Musí existovať dôvod, prečo má sneh tvar šesťhrannej hviezdy. Toto nemôže byť náhoda,“ bol si istý Johannes Kepler. Možno si spomenul na list svojho súčasníka Thomasa Harriota, anglického vedca a astronóma, ktorému sa podarilo pracovať aj ako navigátor pre prieskumníka Sira Waltera Raleigha. Okolo roku 1584 hľadal Harriot najefektívnejší spôsob, ako ukladať delové gule na paluby lodí Raleigh. Harriot zistil, že šesťuholníkové vzory sa zdajú byť najlepším spôsobom usporiadania gúľ a diskutoval o tejto otázke v korešpondencii s Keplerom. Keplera zaujímalo, či sa niečo podobné deje v snehových vločkách a aký prvok je zodpovedný za vytvorenie a udržiavanie týchto šiestich lúčov.
Tvary snehových vločiek
Môžeme povedať, že to bolo prvé pochopenie princípov atómovej fyziky, o ktorých sa bude diskutovať až o 300 rokov neskôr. Molekuly vody so svojimi dvoma atómami vodíka a jedným kyslíkom majú skutočne tendenciu spájať sa a vytvárať šesťuholníkové polia. Kepler a jeho súčasníci netušili, aké dôležité to bolo.
Ako hovoria fyzici, vďaka vodíkovým väzbám a interakcii molekúl medzi sebou môžeme pozorovať otvorenú kryštalickú štruktúru. Okrem schopnosti rásť snehové vločky, šesťuholníková štruktúra umožňuje, aby bol ľad menej hustý ako voda, čo má obrovský vplyv na geochémiu, geofyziku a klímu. Inými slovami, ak by ľad neplával, život na Zemi by bol nemožný.
Ale po Keplerovom traktáte bolo pozorovanie snehových vločiek skôr koníčkom ako serióznou vedou. V 1880. rokoch 5000. storočia začal americký fotograf Wilson Bentley, ktorý žil v chladnom, vždy zasneženom malom mestečku Jericho (Vermont, USA), fotografovať snehové vločky pomocou fotografických dosiek. Pred smrťou na zápal pľúc sa mu podarilo vytvoriť viac ako XNUMX fotografií.
Ešte neskôr, v 1930. rokoch 2. storočia, začal japonský výskumník Ukichiro Nakaya systematicky študovať rôzne typy snehových kryštálov. V polovici storočia Nakaya pestoval snehové vločky v laboratóriu pomocou jednotlivých králičích chlpov umiestnených v chladiacej miestnosti. Pohral sa s nastavením vlhkosti a teploty, pestovaním základných typov kryštálov a zostavil svoj originálny katalóg možných tvarov. Nakaya zistil, že hviezdy snehových vločiek majú tendenciu tvoriť pri -15 °C a pri -5 °C. Kolóny sa tvoria pri -30 °C a približne -XNUMX °C.
Tu je dôležité poznamenať, že pri teplote okolo -2 °C sa objavujú tenké tanierovité formy snehových vločiek, pri -5 °C vytvárajú tenké stĺpiky a ihličky, pri poklese teploty na -15 °C skutočne stenčujú platne, a pri teplotách pod - Pri 30 °C sa vracajú do hrubších kolón.
V podmienkach nízkej vlhkosti tvoria hviezdne snehové vločky niekoľko vetiev a pripomínajú šesťhranné platne, ale pri vysokej vlhkosti sa stávajú zložitejšími a krajkovými.
Dôvody vzniku rôznych foriem snehových vločiek sa podľa Libbrechta vyjasnili vďaka Nakaiovej práci. Zistilo sa, že snehové kryštály sa vyvíjajú do plochých hviezd a dosiek (skôr ako trojrozmerných štruktúr), keď okraje rýchlo rastú smerom von a tváre pomaly nahor. Tenké stĺpy rastú inak, s rýchlo rastúcimi okrajmi a pomalšie rastúcimi okrajmi.
Zároveň zostávajú nejasné základné procesy, ktoré ovplyvňujú, či sa snehová vločka stane hviezdou alebo stĺpcom. Možno tajomstvo spočívalo v teplotných podmienkach. A Libbrecht sa snažil nájsť odpoveď na túto otázku.
Recept na snehové vločky
Spolu so svojím malým tímom výskumníkov sa Libbrecht pokúsil vymyslieť recept na snehovú vločku. To znamená, že určitý súbor rovníc a parametrov, ktoré možno načítať do počítača a získať z AI skvelú škálu snehových vločiek.
Kenneth Libbrecht začal svoj výskum pred dvadsiatimi rokmi po tom, čo sa dozvedel o exotickom tvare snehovej vločky nazývanej uzavretý stĺp. Vyzerá to ako cievka s niťou alebo dve kolesá a náprava. Narodil sa na severe krajiny a šokoval tým, že takú snehovú vločku ešte nevidel.
Ohromený nekonečnými tvarmi snehových kryštálov začal ich charakter vytvorením laboratória na pestovanie snehových vločiek. Výsledky dlhoročných pozorovaní pomohli vytvoriť model, ktorý sám autor považuje za prelomový. Navrhol myšlienku molekulárnej difúzie založenej na povrchovej energii. Táto myšlienka popisuje, ako rast snehového kryštálu závisí od počiatočných podmienok a správania molekúl, ktoré ho tvoria.
Predstavte si, že molekuly vody sú voľne umiestnené, pretože vodná para práve začína mrznúť. Ak by ste mohli byť v malom observatóriu a pozrieť sa na tento proces, mohli by ste vidieť, ako zamrznuté molekuly vody začínajú vytvárať tuhú mriežku, kde je každý atóm kyslíka obklopený štyrmi atómami vodíka. Tieto kryštály rastú začlenením molekúl vody z okolitého vzduchu do svojej štruktúry. Môžu rásť v dvoch hlavných smeroch: nahor alebo von.
Tenký plochý kryštál (lamelový alebo hviezdicový) sa vytvorí, keď sa okraje formujú rýchlejšie ako dve strany kryštálu. Rastúci kryštál sa rozšíri smerom von. Keď však jeho plochy rastú rýchlejšie ako okraje, kryštál rastie vyššie a vytvára ihlu, dutý stĺp alebo tyč.
Zriedkavé formy snehových vločiek
Ešte moment. Všimnite si tretiu fotografiu, ktorú urobil Libbrecht v severnom Ontáriu. Ide o kryštál „uzavretého stĺpca“ – dve platne pripevnené na konce hrubého stĺpcového kryštálu. V tomto prípade je každá platňa rozdelená na pár oveľa tenších platní. Pozrite sa pozorne na okraje, uvidíte, ako je tanier rozdelený na dve časti. Okraje týchto dvoch tenkých plátov sú ostré asi ako žiletka. Celková dĺžka ľadového stĺpca je asi 1,5 mm.
Podľa Libbrechtovho modelu sa vodná para najprv usadzuje v rohoch kryštálu a potom sa šíri (difunduje) po povrchu buď k okraju kryštálu alebo k jeho plochám, čo spôsobuje, že kryštál rastie smerom von alebo nahor. Ktorý z týchto procesov „vyhrá“, závisí hlavne od teploty.
Treba poznamenať, že model je „poloempirický“. To znamená, že je čiastočne štruktúrovaný tak, aby zodpovedal tomu, čo sa deje, a nie vysvetľoval princípy rastu snehových vločiek. Nestability a interakcie medzi nespočetnými molekulami sú príliš zložité na to, aby sa dali úplne odhaliť. Zostáva však nádej, že Libbrechtove myšlienky poslúžia ako základ pre komplexný model dynamiky rastu ľadu, ktorý je možné detailnejšie rozviesť pomocou podrobnejších meraní a experimentov.
Nemali by sme si myslieť, že tieto pozorovania sú zaujímavé pre úzky okruh vedcov. Podobné otázky vznikajú vo fyzike kondenzovaných látok a v iných oblastiach. Molekuly liekov, polovodičové čipy pre počítače, solárne články a celý rad ďalších odvetví sa spoliehajú na vysokokvalitné kryštály a celé tímy sa venujú ich pestovaniu. Takže Libbrechtove vrúcne milované snehové vločky môžu dobre slúžiť v prospech vedy.
Čo si ešte môžete prečítať na blogu?
→
→
→
→
→
Prihláste sa na odber -kanál, aby vám neušiel ďalší článok! Píšeme si maximálne dvakrát do týždňa a len služobne. Mimochodom, ak to ešte neviete, startupy môžu od Cloud10Y získať 000 4 dolárov. Podmienky a prihlášku pre záujemcov nájdete na našej stránke:
Zdroj: hab.com
