У централном делу Русије ове зиме нема довољно снега. Понегде је, наравно, пало, али се у јануару могло очекивати још мразно и снежно време. Тупа сивила и непријатна бљузгавица спречавају вас да осетите радост уобичајене зимске забаве. Зато Цлоуд4И предлаже да додамо мало снега у наше животе говорећи о... пахуљама.
Верује се да постоје само две врсте пахуљица. А један од научника, који се понекад назива и „оцем“ физике пахуљица, има нову теорију да објасни разлог за то. је невероватна особа која је спремна да усред зиме напусти сунцем загрејану јужну Калифорнију да би стигла у Фербанкс (Аљаска), обуче топлу јакну и седне у залеђено поље са камером и комадом пене у рукама .
За шта? Он тражи најсјајније, најтекстурније, најлепше пахуље које природа може да створи. Према његовим речима, најзанимљивији узорци имају тенденцију да се формирају на најхладнијим местима - озлоглашеном Фербанксу и снежном северном делу Њујорка. Најбољи снег који је Кенет икада видео био је у Кокрејну, месту на североистоку Онтарија, где су лагани ветрови ковитлали пахуље док су падале са неба.
Фасциниран елементима, Либрехт проучава своју плочу од пене са упорношћу археолога. Ако тамо има нечег занимљивог, око ће се сигурно запети. Ако не, снег се брише са даске и све почиње изнова. И ово траје сатима.
Либрехт је физичар. Забавном коинциденцијом, његова лабораторија на Калифорнијском институту за технологију бави се истраживањем унутрашње структуре Сунца и чак је развила модерне инструменте за детекцију гравитационих таласа. Али последњих 20 година, права Либрехтова страст је био снег — не само његов изглед, већ и оно што га чини таквим. „Питање какви предмети падају са неба, како се то дешава и зашто тако изгледају, мучи ме све време“, признаје Кенет.
Дуго времена је физичарима било довољно да знају да се међу мноштвом сићушних снежних кристала могу разликовати два преовлађујућа типа. Једна од њих је равна звезда са шест или дванаест кракова, од којих је сваки украшен вртоглаво лепом чипком. Други је нека врста минијатурног стуба, понекад у сендвичу између равних „поклопаца“, а понекад сличан обичном вијку. Ови облици се могу видети на различитим температурама и влажности, али разлог за формирање одређеног облика је био мистерија. Године Либбрехтова посматрања помогле су да се боље разуме процес кристализације пахуљица.
Либбрехтов рад у овој области помогао је у стварању новог модела који објашњава зашто пахуље и други снежни кристали формирају оно што смо навикли да видимо. Према његовој теорији, онлајн у октобру 2019., описује кретање молекула воде близу тачке смрзавања (кристализација) и како специфична кретања ових молекула могу довести до колекције кристала који се формирају под различитим условима. У његовој На 540 страница Либрехт описује сва сазнања о снежним кристалима.
Шестокраке звезде
Ви, наравно, знате да је немогуће видети две идентичне пахуље (осим у почетној фази). Ова чињеница има везе са начином на који се кристали формирају на небу. Снег је скуп кристала леда који се формирају у атмосфери и задржавају свој облик када заједно падну на Земљу. Настају када је атмосфера довољно хладна да спречи њихово спајање или топљење у суснежицу или кишу.
Иако се многе температуре и нивои влажности могу снимити унутар једног облака, за једну пахуљу ове варијабле ће бити константне. Због тога пахуља често расте симетрично. С друге стране, свака пахуља је изложена ветру, сунчевој светлости и другим факторима. У суштини, сваки кристал је подложан хаосу облака и стога поприма различите облике.
Према Либрехтовом истраживању, најраније размишљање о овим деликатним облицима забележено је 135. године пре нове ере. у Кини. „Цветови биљака и дрвећа су обично петокраки, али снежни цветови су увек шестокраки“, написао је научник Хан Јин. А први научник који је покушао да схвати зашто се то дешава је вероватно Јоханес Кеплер, немачки научник и полиматичар.
Године 1611. Кеплер је свом заштитнику, цару Светог Римског Рима Рудолфу ИИ, поклонио новогодишњи поклон: мали под називом „О хексагоналним пахуљама“.
„Прелазим мост, измучен срамотом – оставио сам те без новогодишњег поклона! А онда ми се указала прилика! Водена пара, од хладноће згуснута у снег, пада као пахуље на моју одећу, све као једна, шестоугаона, са пахуљастим зрацима. Кунем се Херкулом, ево ствари која је мања од сваке капи, има облик, може да послужи као дуго очекивани новогодишњи поклон љубитељу Ништа и достојна је математичара који има Ништа и прима Ништа, пошто је пада са неба и крије у себи лик шестоугаоне звезде!
„Мора да постоји разлог зашто је снег у облику хексагоналне звезде. Ово не може бити несрећа“, сигуран је Јоханес Кеплер. Можда се сећао писма свог савременика Томаса Хариота, енглеског научника и астронома који је такође успео да ради као навигатор за истраживача сер Волтера Релија. Око 1584. године, Хариот је тражио најефикаснији начин да сложи топовске кугле на палубе Ролијевих бродова. Хариот је открио да се чини да су хексагонални обрасци најбољи начин да се сфере распореде, па је о овом питању разговарао у преписци са Кеплером. Кеплер се запитао да ли се нешто слично дешава у пахуљама и који елемент је одговоран за стварање и одржавање ових шест зрака.
Облици пахуљица
Можемо рећи да је то било почетно разумевање принципа атомске физике, о чему ће бити речи тек 300 година касније. Заиста, молекули воде, са своја два атома водоника и једним кисеоником, теже да се удруже и формирају хексагоналне низове. Кеплер и његови савременици нису имали појма колико је то важно.
Како кажу физичари, захваљујући водоничној вези и интеракцији молекула једни са другима, можемо посматрати отворену кристалну структуру. Поред своје способности да узгаја пахуље, хексагонална структура омогућава леду да буде мање густ од воде, што има огроман утицај на геохемију, геофизику и климу. Другим речима, да лед не плута, живот на Земљи би био немогућ.
Али после Кеплеровог трактата, посматрање пахуља било је више хоби него озбиљна наука. 1880-их, амерички фотограф по имену Вилсон Бентли, који је живео у хладном, увек заснеженом градићу Џерико (Вермонт, САД), почео је да фотографише пахуље помоћу фотографских плоча. Успео је да направи више од 5000 фотографија пре него што је умро од упале плућа.
Чак и касније, 1930-их, јапански истраживач Укичиро Накаја почео је систематски да проучава различите врсте снежних кристала. Средином века, Накаја је узгајао пахуље у лабораторији користећи појединачне зечје длаке смештене у расхлађену просторију. Бавио се поставкама влажности и температуре, узгајајући основне врсте кристала и саставио свој оригинални каталог могућих облика. Накаиа је открио да звезде пахуљице имају тенденцију да се формирају на -2°Ц и на -15°Ц. Колоне се формирају на -5 °Ц и на приближно -30 °Ц.
Овде је важно напоменути да се на температури од око -2 °Ц појављују танки плочасти облици пахуљица, на -5 °Ц стварају танке стубове и иглице, када температура падне на -15 °Ц постају заиста танке. плоче, а на температурама испод - На 30 °Ц враћају се у дебље стубове.
У условима ниске влажности, звездасте пахуље формирају неколико грана и подсећају на шестоугаоне плоче, али у високој влажности постају сложеније и чипкасте.
Према Либрехту, разлози за појаву различитих облика снежних пахуља постали су јаснији захваљујући Накаијевом раду. Утврђено је да се снежни кристали развијају у равне звезде и плоче (а не у тродимензионалне структуре) када ивице брзо расту према споља, а лица полако расту. Танке колоне расту другачије, са брзо растућим ивицама и ивицама које расту спорије.
Истовремено, остају нејасни основни процеси који утичу на то да ли пахуља постане звезда или стуб. Можда је тајна у температурним условима. И Либрехт је покушао да пронађе одговор на ово питање.
Рецепт за пахуљице
Заједно са својим малим тимом истраживача, Либбрехт је покушао да смисли рецепт за пахуљицу. То јест, одређени скуп једначина и параметара који се могу учитати у рачунар и добити величанствену разноликост пахуљица од АИ.
Кенет Либрехт је започео своје истраживање пре двадесет година након што је сазнао за егзотични облик пахуљице који се зове затворени стуб. Изгледа као калем конца или два точка и осовина. Рођен на северу земље, био је шокиран чињеницом да никада није видео такву пахуљу.
Задивљен бескрајним облицима снежних кристала, почео је да њихову природу стварањем лабораторије за узгој пахуљица. Резултати дугогодишњег посматрања помогли су да се створи модел који сам аутор сматра пробојом. Предложио је идеју молекуларне дифузије засноване на површинској енергији. Ова идеја описује како раст снежног кристала зависи од почетних услова и понашања молекула који га формирају.
Замислите да се молекули воде налазе лабаво док водена пара тек почиње да се смрзава. Ако бисте могли да будете унутар мале опсерваторије и погледате овај процес, могли бисте да видите како замрзнути молекули воде почињу да формирају круту решетку, где је сваки атом кисеоника окружен са четири атома водоника. Ови кристали расту уграђивањем молекула воде из околног ваздуха у своју структуру. Могу расти у два главна правца: према горе или према споља.
Танак, раван кристал (ламеларан или звездаст) настаје када се ивице формирају брже од две стране кристала. Растући кристал ће се ширити напоље. Међутим, када његова лица расту брже од ивица, кристал расте, формирајући иглу, шупљи стуб или шипку.
Ретки облици пахуљица
Још један тренутак. Обратите пажњу на трећу фотографију, коју је снимио Либбрехт у северном Онтарију. Ово је кристал "затворене колоне" - две плоче причвршћене за крајеве дебелог стубастог кристала. У овом случају, свака плоча је подељена на пар много тањих плоча. Пажљиво погледајте ивице, видећете како је плоча подељена на два. Ивице ове две танке плоче су оштре отприлике као жилет. Укупна дужина леденог стуба је око 1,5 мм.
Према Либрехтовом моделу, водена пара се прво таложи на угловима кристала, а затим се шири (дифундира) дуж површине или до ивице кристала или до његових лица, узрокујући да кристал расте према споља или према горе. Који од ових процеса „побеђује“ зависи углавном од температуре.
Треба напоменути да је модел „полу-емпиријски“. То јест, делимично је структурисано да одговара ономе што се дешава, а не да објашњава принципе раста пахуљица. Нестабилности и интеракције између безбројних молекула су превише сложене да би се у потпуности разоткриле. Ипак, остаје нада да ће Либрехтове идеје послужити као основа за свеобухватан модел динамике раста леда, који се може детаљније разјаснити кроз детаљнија мерења и експерименте.
Не треба мислити да су ова запажања од интереса за уски круг научника. Слична питања се јављају у физици кондензоване материје иу другим областима. Молекули лекова, полупроводнички чипови за рачунаре, соларне ћелије и низ других индустрија ослањају се на висококвалитетне кристале, а читави тимови су посвећени њиховом узгоју. Дакле, Либбрехтове драге снежне пахуље могу добро послужити науци.
Шта још можете прочитати на блогу?
→
→
→
→
→
Претплатите се на наш -канал тако да не пропустите следећи чланак! Пишемо не више од два пута недељно и само пословно. Успут, ако већ не знате, стартапи могу добити 10 долара од Цлоуд000И. Услове и образац за пријаву за заинтересоване можете пронаћи на нашем сајту:
Извор: ввв.хабр.цом