Snön i centrala delar av Ryssland har varit ganska knapp denna vinter. Visst har det fallit snö pÄ vissa stÀllen, men i januari kunde man förvÀnta sig kallare och snörikare vÀder. Den trista grÄheten och det obehagliga slasket gör det svÄrt att kÀnna glÀdje över de vanliga vinteraktiviteterna. DÀrför föreslÄr Cloud4Y att vi lÀgger till lite snö i vÄra liv, genom att prata om⊠snöflingor.
Det anses att snöflingor bara förekommer i tvĂ„ typer. En av de forskare som ibland kallas âfadernâ till snöflingefysik har kommit med en ny teori som förklarar orsaken till detta. Ă€r en fantastisk person som Ă€r beredd att mitt i vintern lĂ€mna det solbelysta södra Kalifornien för att ta sig till Fairbanks (Alaska), ta pĂ„ sig en varm jacka och sĂ€tta sig i ett fruset fĂ€lt med en kamera och en bit av frigolit i hĂ€nderna.
Varför? Han letar efter de mest gnistrande, mest strukturella, de vackraste snöflingor som naturen kan skapa. Enligt honom har de mest intressanta exemplaren en tendens att bildas pĂ„ de kallaste platserna â den berömda Fairbanks och i den snöiga norra delen av New York. Den allra bĂ€sta snön som Kenneth nĂ„gonsin har sett föll i Cochrane, en plats i nordöstra Ontario, dĂ€r en svag vind snurrade snöflingorna som föll frĂ„n himlen.
Fascinerad av elementet studerar Libbrecht sin frigolitbrĂ€da med en arkeologs uthĂ„llighet. Om det finns nĂ„got intressant kommer blicken definitivt att fastna pĂ„ det. Om inte â sopas snön bort frĂ„n brĂ€dan, och allt börjar om pĂ„ nytt. Och detta kan pĂ„gĂ„ i timmar.
Libbrecht Ă€r fysiker. Av en lustig tillfĂ€llighet handlar hans laboratorium vid California Institute of Technology om att forska kring Solens inre struktur och har till och med utvecklat moderna instrument för att upptĂ€cka gravitationsvĂ„gor. Men under de senaste 20 Ă„ren har Libbrechts verkliga passion varit snö â inte bara dess utseende, utan Ă€ven vad som gör att den ser ut som den gör. "FrĂ„gan om vilka objekt som faller frĂ„n himlen, hur det hĂ€nder och varför de ser ut som de gör, plĂ„gar mig hela tiden", erkĂ€nner Kenneth.
LĂ€nge var det tillrĂ€ckligt för fysiker att veta att bland mĂ€ngder av smĂ„ snöflingekristaller kunde man sĂ€rskilja tvĂ„ framtrĂ€dande typer. Den ena Ă€r en platt stjĂ€rna med sex eller tolv strĂ„lar, var och en utsmyckad med otroligt vackra spetsar. Den andra Ă€r en slags mini-kolonn, ibland fastklĂ€md mellan platta "lock", och ibland liknande en vanlig bult. Dessa former kan ses vid olika temperaturer och luftfuktighet, men orsaken till bildandet av en eller annan form var en gĂ„ta. Ă
r av observationer av Libbrecht har bidragit till en bÀttre förstÄelse av processerna för kristallisation av snöflingor.
Libbrechts arbete inom detta omrÄde har hjÀlpt till att skapa en ny modell som förklarar varför snöflingor och andra snökristaller bildar det vi Àr vana vid att se. Enligt hans teori, online i oktober 2019, beskriver rörelsen av vattenmolekyler nÀra fryspunkten (kristallisation) och hur specifika rörelser av dessa molekyler kan skapa en uppsÀttning kristaller som bildas under olika förhÄllanden. I sin om 540 sidor beskriver Libbrecht all kunskap om snökristaller.
Sexuddiga stjÀrnor
Du vet sÀkert att det Àr omöjligt att se tvÄ identiska snöflingor (förutom kanske i början av deras tillkomst). Denna fakta Àr relaterad till hur kristaller bildas i luften. Snö Àr en samling isiga kristaller som bildas i atmosfÀren och bevarar sin form nÀr de faller till jorden. De bildas nÀr atmosfÀren Àr tillrÀckligt kall för att förhindra sammanslagning eller smÀltning till blöt snö eller regn.
Ăven om det inom en och samma moln kan förekomma mĂ„nga temperaturer och fuktighetsnivĂ„er, kommer dessa variabler att vara konstant för en enskild snöflinga. Det Ă€r dĂ€rför en snöflinga ofta vĂ€xer symmetrisk. Ă andra sidan utsĂ€tts varje snöflinga för vind, solljus och andra faktorer. I grunden följer varje kristall kaoset i molnet och antager dĂ€rför olika former.
Enligt Libbrecht-studien dokumenterades de tidigaste tankarna om dessa delikata former Är 135 f.Kr. i Kina. "Blommorna hos vÀxter och trÀd har vanligtvis fem kronor, men snöflingornas blommor Àr alltid sexkantiga", skrev forskaren Han Yin. Den första personen som försökte förstÄ varför detta sker var förmodligen Johannes Kepler, den tyske forskaren och lÀrde.
à r 1611 gav Kepler en nyÄrsgÄva till sin beskyddare, den heliga romerska kejsaren Rudolf II: en liten med titeln "Om sexkantiga snöflingor".
âJag gĂ„r över en bro plĂ„gad av skam â jag lĂ€mnade dig utan nyĂ„rsgĂ„va! Och hĂ€r fĂ„r jag en lĂ€mplig möjlighet! VattenĂ„ngor, som kondenserats av kylan till snö, faller i flingor pĂ„ mina klĂ€der, alla, som en, sexkantiga med fluffiga strĂ„lar. Jag svĂ€r vid Herkules, hĂ€r Ă€r nĂ„got som Ă€r mindre Ă€n varje droppe, har form, kan fungera som den efterlĂ€ngtade nyĂ„rsgĂ„van till en MĂ„ngal och Ă€r vĂ€rd en matematiker som besitter Intet och fĂ„r Ingenting, eftersom den faller frĂ„n himlen och bĂ€r likheten av en sexkantig stjĂ€rna!".
âDet mĂ„ste finnas en anledning till att snö har formen av en sexkantig stjĂ€rna. Det kan inte vara en tillfĂ€llighet", var Johannes Keplers övertygelse. Kanske kom han ihĂ„g ett brev frĂ„n sin samtida Thomas Harriot, en engelsk forskare och astronom, som ocksĂ„ hann arbeta som navigatör för upptĂ€cktsresanden sir Walter Raleigh. Cirka 1584 sökte Harriot det mest effektiva sĂ€ttet att stapla kanonkulor pĂ„ dĂ€cken av Raleghs skepp. Harriot upptĂ€ckte att hexagonala mönster verkade vara det bĂ€sta sĂ€ttet att arrangera sfĂ€rer, och han diskuterade denna frĂ„ga i sin korrespondens med Kepler. Kepler undrade om nĂ„got liknande hĂ€nde i snöflingor och vilket element som skapade och höll dessa sex strĂ„lar.
Former av snöflingor
Det kan sÀgas att detta var en inledande förstÄelse av principerna för atomfysik, som först kommer att diskuteras om 300 Är. Faktiskt har vattenmolekyler med sina tvÄ vÀteatomer och en syreatom en tendens att förena sig, bildande hexagonala strukturer. Kepler och hans samtida hade ingen aning om hur viktigt detta var.
Som fysiker sÀger, tack vare vÀtebindningar och samverkan mellan molekyler kan vi observera en öppen kristallstruktur. Förutom förmÄgan att odla snöflingor, gör den hexagonala strukturen att is blir mindre tÀt jÀmfört med vatten, vilket har en enorm pÄverkan pÄ geokemi, geofysik och klimat. Med andra ord, om is inte flöt, skulle livet pÄ jorden vara omöjligt.
Men efter Keplers traktat blev observation av snöflingor mer av en hobby Àn en seriös vetenskap. PÄ 1880-talet började en amerikansk fotograf vid namn Wilson Bentley, som bodde i den kalla, stÀndigt snötÀckta lilla staden Jericho (Vermont, USA), att ta bilder av snöflingor med hjÀlp av fotoplattor. Han hann skapa över 5000 fotografier innan han dog av lunginflammation.
Lite senare, under 1930-talet, inledde den japanske forskaren Ukichiro Nakaya en systematisk studie av olika typer av snökristaller. I mitten av Ärhundradet odlade Nakaya snöflingor i laboratoriet genom att anvÀnda enskilda hÄrstrÄn frÄn kaniner som placerades i ett kylrum. Han lekte med fukt- och temperaturinstÀllningar, odlade de huvudsakliga typerna av kristaller och samlade sin unika katalog över möjliga former. Nakaya upptÀckte att stjÀrnformiga snöflingor tenderar att bildas vid -2 °C och -15 °C. Kolumner bildas vid -5 °C och ungefÀr vid -30 °C.
Det Àr viktigt att notera att vid temperaturer runt -2 °C bildas tunna plattformer av snöflingor, vid -5 °C skapar de tunna kolumner och nÄlar, nÀr temperaturen sjunker till -15 °C, blir de verkligen tunna plattor, och vid temperaturer under -30 °C ÄtergÄr de till mer tjocka kolumner.
Under förhÄllanden med lÄg luftfuktighet bildar stjÀrnformiga snöflingor flera grenar och liknar hexagonala plattor, men under hög luftfuktighet blir de mer invecklade och spetsiga.
Enligt Libbrecht har orsaken till uppkomsten av olika former av snöflingor blivit tydligare tack vare Nakayas arbete. Det har konstaterats att snökristaller omvandlas till platta stjÀrnor och plattor (snarare Àn tredimensionella strukturer) nÀr kanterna vÀxer snabbt utÄt, medan sidorna vÀxer lÄngsamt uppÄt. Tunga kolumner vÀxer annorlunda, med snabbt vÀxande sidor och lÄngsammare vÀxande kanter.
Samtidigt förblev de viktigaste processerna som pÄverkar om en snöflinga blir en stjÀrna eller en kolonn oavklarde. Hemligheten kan ligga i temperaturförhÄllandena. Och Libbrecht försökte hitta svaret pÄ denna frÄga.
Receptet för snöflingan
Tillsammans med sitt lilla team av forskare försökte Libbrecht ta fram ett recept för snöflingan. Det vill sÀga en uppsÀttning ekvationer och parametrar som kan laddas upp i en dator för att fÄ en fantastisk mÄngfald av snöflingor frÄn AI.
Kenneth Libbrecht började sina studier för tjugo Är sedan, dÄ han lÀrde sig om den exotiska formen av snöflingan som kallas stÀngd kolonn. Den liknar en spole för trÄd eller tvÄ hjul med en axel. Född i norra landet blev han chockad över att han aldrig sett en sÄdan snöflinga.
Fascinerad av de oÀndliga formerna av snökristaller började han deras natur och skapade ett labb för att odla snöflingor. Resultaten av mÄnga Ärs observationer hjÀlpte honom att skapa en modell som han sjÀlv anser vara banbrytande. Han föreslog idén om molekylÀr diffusion baserad pÄ ytenergi. Denna idé beskriver hur tillvÀxten av en snökristall beror pÄ de initiala förhÄllandena och beteendet hos de molekyler som bildar den.
FörestÀll dig att vattenmolekylerna Àr fritt placerade, eftersom vattenÄngor precis börjar frysa. Om man kunde vara inuti ett litet observatorium och titta pÄ denna process skulle man kunna se hur molekylerna av fryst vatten börjar bilda ett stabilt gitter dÀr varje syreatom omges av fyra vÀteatomer. Dessa kristaller vÀxer genom att ta in vattenmolekyler frÄn den omgivande luften i sin struktur. De kan vÀxa i tvÄ huvudsakliga riktningar: uppÄt eller utÄt.
En tunn platt kristall (platt eller stjÀrnformad) bildas nÀr kanterna vÀxer snabbare Àn de tvÄ sidorna av kristallen. Den vÀxande kristallen sprider sig utÄt. Men nÀr dess sidor vÀxer snabbare Àn dess kanter, blir kristallen högre och bildar en nÄl, en ihÄlig pelare eller en stÄng.
SÀllsynta former av snöflingor
En annan sak. Titta pÄ det tredje fotot, taget av Libbrecht i norra Ontario. Det Àr en kristall med "stÀngda pelare" - tvÄ plattor fÀsta vid Àndarna av en tjock pelarkristall. I det hÀr fallet Àr varje platta delad i ett par mycket tunnare plattor. Titta noga pÄ kanterna, sÄ ser du hur plattan delas i tvÄ. KantskÀrpan pÄ dessa tvÄ tunna plattor Àr ungefÀr lika vass som en rakbladskant. Den totala lÀngden pÄ den isiga pelaren Àr cirka 1,5 mm.
Enligt Libbrechts modell sÀtter vattenÄnga först sig vid hörnen av kristallen och sprider sig sedan (diffunderar) pÄ ytan antingen mot kanten av kristallen eller mot dess sidor, vilket fÄr kristallen att vÀxa utÄt eller uppÄt. Vilken av dessa processer som "vinner" beror huvudsakligen pÄ temperaturen.
Det Ă€r vĂ€rt att notera att modellen Ă€r "halvempirisk". Det vill sĂ€ga den Ă€r delvis byggd för att överensstĂ€mma med det som sker, snarare Ă€n att förklara principerna för snöflingornas tillvĂ€xt. Instabiliteter och interaktioner mellan de otaliga molekylerna Ă€r för komplexa för att helt avslöjas. ĂndĂ„ kvarstĂ„r förhoppningen att Libbrechts idĂ©er ska lĂ€gga grunden för en heltĂ€ckande modell av isens tillvĂ€xtdynamik, som kan detaljstuderas genom mer noggranna mĂ€tningar och experiment.
Man bör inte tro att dessa observationer Àr intressanta bara för en liten grupp forskare. Liknande frÄgor uppstÄr inom fysik av kondenserade medier och andra omrÄden. Molekyler av lÀkemedel, halvledarchip för datorer, solceller och mÄnga andra branscher Àr beroende av högkvalitativa kristaller, och hela grupper arbetar med att odla dem. SÄ de kÀra snöflingorna som Libbrecht Àlskar kan mycket vÀl tjÀna vetenskapen.
Vad mer intressant kan man lÀsa i bloggen
â
â
â
â
â
Prenumerera pÄ vÄr -kanal, sÄ att du inte missar nÀsta artikel! Vi skriver högst tvÄ gÄnger i veckan och bara om viktiga Àmnen. Förresten, om du inte visste det, kan startups fÄ 10 000 USD frÄn Cloud4Y. Villkor och ansökan för intresserade finns pÄ vÄr webbplats:
KĂ€lla: habr.com
