To zimo v osrednjem delu Rusije ni dovolj snega. Ponekod ga je seveda padlo, a januarja bi lahko pričakovali nekaj več mraza in snega. Dolgočasna sivina in neprijetna brozga preprečujeta, da bi občutili veselje do običajne zimske zabave. Zato Cloud4Y predlaga, da v naša življenja dodamo malo snega s pogovorom o ... snežinkah.
Menijo, da obstajata samo dve vrsti snežink. Eden od znanstvenikov, ki ga včasih imenujejo "oče" fizike snežink, ima novo teorijo, ki pojasnjuje razlog za to. je neverjetna oseba, ki je sredi zime pripravljena zapustiti s soncem ogreto južno Kalifornijo, da pride v Fairbanks (Aljaska), obleče toplo jakno in sedi na zmrznjenem polju s kamero in kosom pene v rokah .
Za kaj? Išče najbolj bleščeče, najbolj teksturirane, najlepše snežinke, kar jih narava lahko ustvari. Po njegovem mnenju se najbolj zanimivi vzorci ponavadi oblikujejo v najhladnejših krajih - razvpitem Fairbanksu in zasneženem severnem delu New Yorka. Najboljši sneg, ki ga je Kenneth kdaj videl, je bil v Cochranu, kraju v severovzhodnem Ontariu, kjer je rahel veter vrtel snežinke, ko so padale z neba.
Libbrecht, očaran nad elementi, preučuje svojo penasto ploščo z vztrajnostjo arheologa. Če je tam kaj zanimivega, se oko zagotovo oprime. Če ne, se sneg zamete z deske in vse se začne znova. In to traja več ur.
Libbrecht je fizik. Po zabavnem naključju se njegov laboratorij na kalifornijskem tehnološkem inštitutu ukvarja z raziskovanjem notranje strukture Sonca in je celo razvil sodobne instrumente za zaznavanje gravitacijskih valov. Toda zadnjih 20 let je bil Libbrechtova resnična strast sneg – ne le njegov videz, ampak tudi tisto, zaradi česar je videti tako. »Ves čas me muči vprašanje, kakšni predmeti padajo z neba, kako se to zgodi in zakaj izgledajo tako,« priznava Kenneth.
Fizikom je dolgo zadoščalo, da so med številnimi drobnimi snežnimi kristali ločili dve prevladujoči vrsti. Ena izmed njih je ploščata zvezda s šestimi ali dvanajstimi kraki, od katerih je vsak okrašen z vrtoglavo lepo čipko. Drugi je nekakšen miniaturni steber, včasih stisnjen med ravnimi "pokrovi", včasih pa je podoben navadnemu vijaku. Te oblike je mogoče videti pri različnih temperaturah in vlažnosti, vendar je bil razlog za nastanek določene oblike skrivnost. Libbrechtova leta opazovanj so pomagala bolje razumeti proces kristalizacije snežink.
Libbrechtovo delo na tem področju je pomagalo ustvariti nov model, ki pojasnjuje, zakaj snežinke in drugi snežni kristali tvorijo to, kar smo vajeni videti. Po njegovi teoriji je na spletu oktobra 2019 opisuje gibanje molekul vode blizu zmrziščne točke (kristalizacija) in kako lahko določena gibanja teh molekul povzročijo zbirko kristalov, ki se oblikujejo pod različnimi pogoji. V njegovem Libbrecht na 540 straneh opisuje vse znanje o snežnih kristalih.
Šesterokrake zvezde
Seveda veste, da je nemogoče videti dve enaki snežinki (razen v začetni fazi). To dejstvo je povezano s tem, kako se kristali oblikujejo na nebu. Sneg je skupek ledenih kristalov, ki nastanejo v ozračju in obdržijo svojo obliko, ko skupaj padejo na Zemljo. Nastanejo, ko je ozračje dovolj hladno, da prepreči, da bi se združili ali stopili v žled ali dež.
Čeprav je v enem oblaku mogoče zabeležiti veliko temperatur in ravni vlažnosti, bodo te spremenljivke za eno snežinko konstantne. Zato snežinka pogosto raste simetrično. Po drugi strani pa je vsaka snežinka izpostavljena vetru, sončni svetlobi in drugim dejavnikom. V bistvu je vsak kristal podvržen kaosu oblaka in zato prevzame različne oblike.
Po Libbrechtovih raziskavah je najzgodnejše razmišljanje o teh občutljivih oblikah zabeleženo leta 135 pr. na Kitajskem. »Cvetovi rastlin in dreves so običajno peterokraki, snežni cvetovi pa so vedno šesterokraki,« je zapisal učenjak Han Yin. In prvi znanstvenik, ki je poskušal ugotoviti, zakaj se to dogaja, je bil verjetno Johannes Kepler, nemški znanstvenik in polihistor.
Leta 1611 je Kepler svojemu pokrovitelju, cesarju Svetega rimskega cesarstva Rudolfu II., podaril novoletno darilo: majhen z naslovom »O šesterokotnih snežinkah«.
»Prečkam most, mučen od sramu - pustil sem te brez novoletnega darila! In potem se mi je ponudila priložnost! Vodna para, zgoščena od mraza v sneg, pada kot snežinke na moja oblačila, vse kot eno, šesterokotno, s puhastimi žarki. Prisežem pri Herkulu, tukaj je stvar, ki je manjša od katere koli kapljice, ima obliko, lahko služi kot težko pričakovano novoletno darilo ljubitelju Niča in je vredna matematika, ki Nič nima in Nič prejema, saj pade z neba in v sebi skriva podobo šesterokotne zvezde!
»Mora obstajati razlog, zakaj je sneg oblikovan kot šestkotna zvezda. To ne more biti nesreča,« je bil prepričan Johannes Kepler. Morda se je spomnil pisma svojega sodobnika Thomasa Harriota, angleškega znanstvenika in astronoma, ki je prav tako uspel delati kot navigator pri raziskovalcu Sir Walterju Raleighu. Okrog leta 1584 je Harriot iskal najučinkovitejši način za zlaganje topovskih krogel na krove ladij Raleigh. Harriot je ugotovil, da se zdi, da so šesterokotni vzorci najboljši način za razporeditev krogel, in o tem vprašanju je razpravljal v korespondenci s Keplerjem. Kepler se je spraševal, ali se kaj podobnega zgodi v snežinkah in kateri element je odgovoren za ustvarjanje in vzdrževanje teh šestih žarkov.
Oblike snežinke
Lahko rečemo, da je bilo to začetno razumevanje principov atomske fizike, o katerem bo govora šele čez 300 let. Pravzaprav se molekule vode z dvema atomoma vodika in enim kisikom nagibajo k združevanju in tvorijo šesterokotne nize. Kepler in njegovi sodobniki si niso predstavljali, kako pomembno je to.
Kot pravijo fiziki, lahko zahvaljujoč vodikovi vezi in interakciji molekul med seboj opazimo odprto kristalno strukturo. Poleg sposobnosti rasti snežink heksagonalna struktura omogoča, da je led manj gost kot voda, kar močno vpliva na geokemijo, geofiziko in podnebje. Z drugimi besedami, če led ne bi plaval, bi bilo življenje na Zemlji nemogoče.
Toda po Keplerjevem traktatu je bilo opazovanje snežink bolj hobi kot resna znanost. V osemdesetih letih 1880. stoletja je ameriški fotograf Wilson Bentley, ki je živel v hladnem, vedno zasneženem mestecu Jericho (Vermont, ZDA), začel fotografirati snežinke s fotografskimi ploščami. Uspelo mu je ustvariti več kot 5000 fotografij, preden je umrl za pljučnico.
Še kasneje, v tridesetih letih prejšnjega stoletja, je japonski raziskovalec Ukichiro Nakaya začel načrtno preučevati različne vrste snežnih kristalov. Sredi stoletja je Nakaya v laboratoriju vzgojil snežinke z uporabo posameznih zajčjih dlak, ki so jih postavili v hladilni prostor. Poigraval se je z nastavitvami vlažnosti in temperature, gojil osnovne vrste kristalov in sestavil svoj originalni katalog možnih oblik. Nakaya je odkril, da se zvezde snežinke ponavadi oblikujejo pri -1930 °C in pri -2 °C. Kolone nastanejo pri -15 °C in pri približno -5 °C.
Pri tem je pomembno opozoriti, da se pri temperaturi okoli -2 °C pojavijo tanke ploščate oblike snežink, pri -5 °C ustvarijo tanke kolone in iglice, ko temperatura pade na -15 °C postanejo zelo tanke. plošče, pri temperaturah pod - Pri 30 °C pa se vrnejo v debelejše kolone.
Pri nizki vlažnosti zvezdne snežinke tvorijo več vej in spominjajo na šesterokotne plošče, pri visoki vlažnosti pa postanejo bolj zapletene in čipkaste.
Po besedah Libbrechta so razlogi za pojav različnih oblik snežink postali bolj jasni zahvaljujoč Nakaijevemu delu. Ugotovljeno je bilo, da se snežni kristali razvijejo v ploščate zvezde in plošče (namesto v tridimenzionalne strukture), ko robovi hitro rastejo navzven in ploskve rastejo počasi navzgor. Tanke kolone rastejo različno, s hitro rastočimi robovi in počasneje rastočimi robovi.
Hkrati ostajajo nejasni osnovni procesi, ki vplivajo na to, ali snežinka postane zvezda ali steber. Morda je bila skrivnost v temperaturnih razmerah. In Libbrecht je poskušal najti odgovor na to vprašanje.
Recept za snežinke
Skupaj s svojo majhno ekipo raziskovalcev je Libbrecht poskušal priti do recepta za snežinko. To je določen niz enačb in parametrov, ki jih je mogoče naložiti v računalnik in iz umetne inteligence pridobiti čudovito paleto snežink.
Kenneth Libbrecht je svoje raziskovanje začel pred dvajsetimi leti, potem ko je izvedel za eksotično obliko snežinke, imenovano zaprt stolpec. Videti je kot tuljava niti ali dve kolesi in os. Rojen na severu države je bil šokiran nad dejstvom, da takšne snežinke še ni videl.
Presenečen nad neskončnimi oblikami snežnih kristalov, je začel njihove narave z ustvarjanjem laboratorija za gojenje snežink. Rezultati dolgoletnih opazovanj so pomagali ustvariti model, ki ga avtor sam šteje za prelomnega. Predlagal je idejo o molekularni difuziji, ki temelji na površinski energiji. Ta ideja opisuje, kako je rast snežnega kristala odvisna od začetnih pogojev in obnašanja molekul, ki ga tvorijo.
Predstavljajte si, da so molekule vode ohlapno nameščene, saj vodna para šele začenja zmrzovati. Če bi bili lahko v majhnem observatoriju in opazovali ta proces, bi lahko videli, kako molekule zamrznjene vode začnejo tvoriti togo mrežo, kjer je vsak atom kisika obdan s štirimi atomi vodika. Ti kristali rastejo tako, da v svojo strukturo vključijo molekule vode iz okoliškega zraka. Lahko rastejo v dveh glavnih smereh: navzgor ali navzven.
Tanek ploščat kristal (lamelast ali zvezdast) nastane, ko se robovi oblikujejo hitreje kot obe ploskvi kristala. Rastoči kristal se bo razširil navzven. Ko pa njegove ploskve rastejo hitreje od robov, kristal zraste višje in oblikuje iglo, votel steber ali palico.
Redke oblike snežink
Še trenutek. Bodite pozorni na tretjo fotografijo, ki jo je posnel Libbrecht v severnem Ontariu. To je kristal "zaprtega stolpca" - dve plošči, pritrjeni na konca debelega stolpičastega kristala. V tem primeru je vsaka plošča razdeljena na par precej tanjših plošč. Pozorno poglejte robove in videli boste, kako je krožnik razdeljen na dva dela. Robovi teh dveh tankih plošč so približno tako ostri kot britev. Celotna dolžina ledenega stebra je približno 1,5 mm.
Po Libbrechtovem modelu se vodna para najprej usede na vogalih kristala in se nato razširi (razprši) po površini do roba kristala ali njegovih ploskev, zaradi česar kristal raste navzven ali navzgor. Kateri od teh procesov »zmaga«, je odvisno predvsem od temperature.
Opozoriti je treba, da je model "polempiričen". To pomeni, da je delno strukturiran tako, da ustreza temu, kar se dogaja, in ne da pojasnjuje načela rasti snežinke. Nestabilnost in interakcije med neštetimi molekulami so preveč zapletene, da bi jih v celoti razvozlali. Vendar pa ostaja upanje, da bodo Libbrechtove ideje služile kot osnova za celovit model dinamike rasti ledu, ki ga je mogoče podrobneje opisati s podrobnejšimi meritvami in poskusi.
Ne bi smeli misliti, da so ta opažanja zanimiva za ozek krog znanstvenikov. Podobna vprašanja se pojavljajo v fiziki kondenzirane snovi in na drugih področjih. Molekule zdravil, polprevodniški čipi za računalnike, sončne celice in množica drugih industrij so odvisni od visokokakovostnih kristalov in cele ekipe so predane njihovemu gojenju. Zato lahko Libbrechtove zelo ljubljene snežinke dobro služijo znanosti.
Kaj še lahko preberete na blogu?
→
→
→
→
→
Naročite se na našo -kanal, da ne zamudite naslednjega članka! Pišemo največ dvakrat na teden in samo poslovno. Mimogrede, če še ne veste, lahko startupi od Cloud10Y prejmejo 000 $. Pogoje in prijavnico za zainteresirane najdete na naši spletni strani:
Vir: www.habr.com