ทฤษฎีเกล็ดหิมะอันยิ่งใหญ่

ฤดูหนาวนี้ทางตอนกลางของรัสเซียมีหิมะไม่เพียงพอ แน่นอนว่ามันตกลงมาในบางแห่ง แต่ในเดือนมกราคม คาดว่าจะมีอากาศหนาวจัดและมีหิมะตกมากขึ้น ความหม่นหมองและโคลนที่ไม่พึงประสงค์ทำให้คุณไม่รู้สึกถึงความสุขจากความสนุกสนานในฤดูหนาวตามปกติ นั่นเป็นเหตุผลที่ Cloud4Y เสนอที่จะเพิ่มหิมะเล็กๆ น้อยๆ เข้ามาในชีวิตของเราด้วยการพูดถึง... เกล็ดหิมะ

เชื่อกันว่าเกล็ดหิมะมีเพียงสองประเภทเท่านั้น และนักวิทยาศาสตร์คนหนึ่งซึ่งบางครั้งเรียกว่า "บิดา" ของฟิสิกส์เกล็ดหิมะ มีทฤษฎีใหม่ที่จะอธิบายเหตุผลของเรื่องนี้ เคนเน็ธ ลิบเบรชท์ เป็นคนที่น่าทึ่งที่พร้อมจะออกจากแคลิฟอร์เนียตอนใต้ที่มีแสงแดดอันอบอุ่นในช่วงกลางฤดูหนาวเพื่อไปแฟร์แบงค์ส (อลาสกา) สวมแจ็กเก็ตอุ่นๆ และนั่งในทุ่งน้ำแข็งพร้อมกล้องและโฟมในมือ .

เพื่ออะไร? เขามองหาเกล็ดหิมะที่แวววาว มีพื้นผิวมากที่สุด และสวยงามที่สุดที่ธรรมชาติสามารถสร้างขึ้นได้ ตามที่เขาพูด ตัวอย่างที่น่าสนใจที่สุดมักจะก่อตัวในสถานที่ที่หนาวที่สุด - แฟร์แบงค์ที่โด่งดังและทางตอนเหนือที่เต็มไปด้วยหิมะของนิวยอร์ก หิมะที่ดีที่สุดที่เคนเนธเคยเห็นคือใน Cochrane สถานที่ทางตะวันออกเฉียงเหนือของออนแทรีโอ ที่ซึ่งมีลมพัดเบาๆ เกล็ดหิมะขณะที่พวกมันตกลงมาจากท้องฟ้า

Libbrecht หลงใหลในองค์ประกอบต่างๆ ศึกษาแผ่นโฟมของเขาด้วยความดื้อรั้นของนักโบราณคดี ถ้ามีอะไรน่าสนใจคงสะดุดตาแน่นอน ถ้าไม่อย่างนั้น หิมะก็จะถูกพัดออกจากกระดาน และทุกอย่างก็เริ่มต้นใหม่อีกครั้ง และสิ่งนี้กินเวลานานหลายชั่วโมง

Libbrecht เป็นนักฟิสิกส์ ด้วยความบังเอิญที่น่าขบขัน ห้องทดลองของเขาที่สถาบันเทคโนโลยีแคลิฟอร์เนียมีส่วนร่วมในการวิจัยเกี่ยวกับโครงสร้างภายในของดวงอาทิตย์ และยังได้พัฒนาเครื่องมือสมัยใหม่ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงอีกด้วย แต่ตลอด 20 ปีที่ผ่านมา ความหลงใหลที่แท้จริงของ Libbrecht คือหิมะ ไม่ใช่แค่รูปลักษณ์ภายนอกเท่านั้น แต่ยังมีสิ่งที่ทำให้มันดูเป็นแบบนั้นอีกด้วย “คำถามว่าวัตถุชนิดใดที่ตกลงมาจากท้องฟ้า มันเกิดขึ้นได้อย่างไร และเหตุใดมันจึงมีลักษณะเช่นนั้น ทำให้ฉันทรมานอยู่ตลอดเวลา” เคนเน็ธยอมรับ

เป็นเวลานานที่นักฟิสิกส์รู้ว่าในบรรดาผลึกหิมะเล็ก ๆ จำนวนมากสามารถแยกแยะความแตกต่างสองประเภทที่เด่นได้ หนึ่งในนั้นคือดาวแบนที่มีแขนหกหรือสิบสองแขน แต่ละข้างตกแต่งด้วยลูกไม้ที่สวยงามน่าเวียนหัว อีกอันเป็นเสาขนาดเล็กซึ่งบางครั้งคั่นระหว่าง "ฝาครอบ" แบนและบางครั้งก็คล้ายกับสลักเกลียวธรรมดา รูปร่างเหล่านี้สามารถมองเห็นได้ที่อุณหภูมิและความชื้นต่างกัน แต่สาเหตุของการก่อตัวของรูปร่างใดรูปร่างหนึ่งนั้นเป็นปริศนา การสังเกตการณ์หลายปีของ Libbrecht ช่วยให้เข้าใจกระบวนการตกผลึกของเกล็ดหิมะได้ดีขึ้น

งานของ Libbrecht ในพื้นที่นี้ได้ช่วยสร้างแบบจำลองใหม่ที่อธิบายว่าทำไมเกล็ดหิมะและผลึกหิมะอื่นๆ จึงก่อตัวเป็นสิ่งที่เราคุ้นเคย ตามทฤษฎีของเขา ที่ตีพิมพ์ ออนไลน์ในเดือนตุลาคม 2019 บรรยายถึงการเคลื่อนที่ของโมเลกุลของน้ำใกล้จุดเยือกแข็ง (การตกผลึก) และการเคลื่อนที่เฉพาะของโมเลกุลเหล่านี้ทำให้เกิดการสะสมของผลึกที่ก่อตัวภายใต้สภาวะที่ต่างกันได้อย่างไร ในตัวเขา เอกสาร ใน 540 หน้า Libbrecht อธิบายความรู้ทั้งหมดเกี่ยวกับผลึกหิมะ

ดาวหกแฉก

แน่นอนว่าคุณรู้ว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะเห็นเกล็ดหิมะสองอันที่เหมือนกัน (ยกเว้นในช่วงเริ่มต้น) ข้อเท็จจริงนี้เกี่ยวข้องกับวิธีที่คริสตัลก่อตัวบนท้องฟ้า หิมะเป็นกลุ่มผลึกน้ำแข็งที่ก่อตัวในชั้นบรรยากาศและคงรูปร่างไว้เมื่อตกลงสู่พื้นโลก พวกมันก่อตัวขึ้นเมื่อบรรยากาศเย็นพอที่จะป้องกันไม่ให้มันรวมตัวกันหรือละลายเป็นลูกเห็บหรือฝน

แม้ว่าจะสามารถบันทึกอุณหภูมิและความชื้นได้หลายระดับภายในเมฆก้อนเดียว แต่สำหรับเกล็ดหิมะเพียงเกล็ดเดียว ตัวแปรเหล่านี้จะคงที่ นี่คือสาเหตุที่เกล็ดหิมะมักจะเติบโตแบบสมมาตร ในทางกลับกัน เกล็ดหิมะแต่ละชิ้นต้องเผชิญกับลม แสงแดด และปัจจัยอื่นๆ โดยพื้นฐานแล้ว คริสตัลแต่ละอันขึ้นอยู่กับความโกลาหลของเมฆ ดังนั้นจึงมีรูปแบบที่แตกต่างกัน

จากการวิจัยของ Libbrecht ความคิดแรกสุดเกี่ยวกับรูปแบบที่ละเอียดอ่อนเหล่านี้ได้รับการบันทึกไว้ใน 135 ปีก่อนคริสตกาล ในประเทศจีน. “ดอกไม้ของพืชและต้นไม้มักจะมีห้าแฉก แต่ดอกไม้ของหิมะมักจะมีหกแฉกเสมอ” นักวิชาการ Han Yin เขียน และนักวิทยาศาสตร์คนแรกที่พยายามคิดว่าเหตุใดจึงเกิดเหตุการณ์เช่นนี้ น่าจะเป็นโยฮันเนส เคปเลอร์ นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันและนักพหูสูต

ในปี ค.ศ. 1611 เคปเลอร์ได้มอบของขวัญปีใหม่แก่จักรพรรดิโรมันอันศักดิ์สิทธิ์ รูดอล์ฟที่ XNUMX ผู้อุปถัมภ์ ซึ่งเป็นของขวัญชิ้นเล็กๆ บทความ ชื่อ "เกี่ยวกับเกล็ดหิมะหกเหลี่ยม"

“ ฉันข้ามสะพานด้วยความอับอาย - ฉันทิ้งคุณไว้โดยไม่มีของขวัญปีใหม่! และแล้วโอกาสก็มาถึง! ไอน้ำที่ข้นจากความเย็นจนกลายเป็นหิมะ ตกลงมาราวกับเกล็ดหิมะบนเสื้อผ้าของฉัน ทั้งหมดนี้รวมกันเป็นหนึ่งเดียว เป็นรูปหกเหลี่ยมและมีรังสีปุย ฉันสาบานโดย Hercules นี่คือสิ่งที่เล็กกว่าหยดใด ๆ มีรูปร่างสามารถใช้เป็นของขวัญปีใหม่ที่รอคอยมานานแก่ผู้รักความว่างเปล่าและคู่ควรกับนักคณิตศาสตร์ผู้ไม่มีอะไรและได้รับอะไรเลยเนื่องจากมัน ตกลงมาจากฟากฟ้าและปกปิดรูปลักษณ์ของดาวหกเหลี่ยมไว้ในตัว!

“ต้องมีเหตุผลว่าทำไมหิมะจึงมีรูปร่างเหมือนดาวหกเหลี่ยม นี่จะไม่ใช่อุบัติเหตุ” โยฮันเนส เคปเลอร์มั่นใจ บางทีเขาอาจจำจดหมายฉบับหนึ่งจากโทมัส แฮร์ริออต ซึ่งเป็นนักวิทยาศาสตร์และนักดาราศาสตร์ชาวอังกฤษผู้เคยทำงานเป็นนักเดินเรือให้กับนักสำรวจ เซอร์ วอลเตอร์ ราลีห์ ด้วยเช่นกัน ประมาณปี 1584 Harriot มองหาวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการซ้อนลูกกระสุนปืนใหญ่บนดาดฟ้าเรือ Raleigh แฮร์ริออตพบว่ารูปแบบหกเหลี่ยมดูเหมือนจะเป็นวิธีที่ดีที่สุดในการจัดเรียงทรงกลม และเขาได้หารือปัญหานี้โดยติดต่อกับเคปเลอร์ เคปเลอร์สงสัยว่ามีสิ่งที่คล้ายกันเกิดขึ้นในเกล็ดหิมะหรือไม่ และองค์ประกอบใดที่รับผิดชอบต่อรังสีทั้งหกนี้ที่ถูกสร้างขึ้นและบำรุงรักษา

รูปร่างเกล็ดหิมะ





เราสามารถพูดได้ว่านี่เป็นความเข้าใจเบื้องต้นเกี่ยวกับหลักการของฟิสิกส์อะตอม ซึ่งจะกล่าวถึงในอีก 300 ปีต่อมา แท้จริงแล้ว โมเลกุลของน้ำซึ่งมีไฮโดรเจน XNUMX อะตอมและออกซิเจน XNUMX อะตอม มีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันจนเกิดเป็นอาร์เรย์หกเหลี่ยม เคปเลอร์และผู้ร่วมสมัยของเขาไม่รู้ว่าสิ่งนี้สำคัญเพียงใด

ดังที่นักฟิสิกส์กล่าวไว้ว่า ต้องขอบคุณพันธะไฮโดรเจนและปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลซึ่งกันและกัน เราจึงสามารถสังเกตโครงสร้างผลึกแบบเปิดได้ นอกจากความสามารถในการเติบโตของเกล็ดหิมะแล้ว โครงสร้างหกเหลี่ยมยังช่วยให้น้ำแข็งมีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ ซึ่งส่งผลกระทบอย่างมากต่อธรณีเคมี ธรณีฟิสิกส์ และสภาพอากาศ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้าน้ำแข็งไม่ลอย สิ่งมีชีวิตบนโลกคงเป็นไปไม่ได้

แต่หลังจากบทความของเคปเลอร์ การสังเกตเกล็ดหิมะถือเป็นงานอดิเรกมากกว่าวิทยาศาสตร์ที่จริงจัง ในช่วงทศวรรษที่ 1880 ช่างภาพชาวอเมริกันชื่อ Wilson Bentley ซึ่งอาศัยอยู่ในเมืองเล็กๆ ที่หนาวเย็นและมีหิมะตกอย่าง Jericho (เวอร์มอนต์ สหรัฐอเมริกา) ได้เริ่มถ่ายภาพเกล็ดหิมะโดยใช้แผ่นถ่ายภาพ เขาสามารถสร้างภาพถ่ายได้มากกว่า 5000 ภาพก่อนที่เขาจะเสียชีวิตด้วยโรคปอดบวม

ต่อมาในช่วงทศวรรษที่ 1930 นักวิจัยชาวญี่ปุ่น อุคิจิโระ นากายะ ก็เริ่มศึกษาผลึกหิมะประเภทต่างๆ อย่างเป็นระบบ ในช่วงกลางศตวรรษ Nakaya ปลูกเกล็ดหิมะในห้องปฏิบัติการโดยใช้ขนกระต่ายแต่ละตัววางไว้ในห้องเย็น เขาปรับแต่งการตั้งค่าความชื้นและอุณหภูมิ ปลูกคริสตัลประเภทพื้นฐาน และรวบรวมแคตตาล็อกรูปร่างที่เป็นไปได้ดั้งเดิมของเขา Nakaya ค้นพบว่าดาวเกล็ดหิมะมีแนวโน้มที่จะก่อตัวที่อุณหภูมิ -2°C และที่ -15°C คอลัมน์ก่อตัวที่อุณหภูมิ -5 °C และที่ประมาณ -30 °C

สิ่งสำคัญคือต้องทราบที่นี่ว่าที่อุณหภูมิประมาณ -2 °C เกล็ดหิมะรูปแบบบางคล้ายแผ่นบางจะปรากฏขึ้น ที่อุณหภูมิ -5 °C พวกมันจะสร้างเสาและเข็มบาง ๆ เมื่ออุณหภูมิลดลงถึง -15 °C พวกมันจะบางมาก และที่อุณหภูมิต่ำกว่า - ที่อุณหภูมิ 30 °C จะกลับคืนสู่เสาที่หนาขึ้น

ในสภาพที่มีความชื้นต่ำ เกล็ดหิมะดาวจะก่อตัวหลายกิ่งและมีลักษณะคล้ายแผ่นหกเหลี่ยม แต่เมื่อมีความชื้นสูง เกล็ดหิมะจะมีความซับซ้อนและเป็นลูกไม้มากขึ้น

จากข้อมูลของ Libbrecht สาเหตุของการปรากฏตัวของเกล็ดหิมะในรูปแบบต่างๆ นั้นชัดเจนยิ่งขึ้นด้วยผลงานของ Nakai พบว่าผลึกหิมะพัฒนาเป็นดาวและแผ่นเปลือกโลกแบน (แทนที่จะเป็นโครงสร้างสามมิติ) เมื่อขอบขยายออกไปด้านนอกอย่างรวดเร็วและใบหน้าค่อยๆ ขยายขึ้นด้านบน คอลัมน์บางจะเติบโตแตกต่างกัน โดยมีขอบที่เติบโตเร็วและขอบที่เติบโตช้ากว่า

ในเวลาเดียวกัน กระบวนการพื้นฐานที่มีอิทธิพลต่อการที่เกล็ดหิมะกลายเป็นดาวฤกษ์หรือเป็นเสายังไม่มีความชัดเจน บางทีความลับอาจอยู่ในสภาวะอุณหภูมิ และลิบเบรทช์พยายามค้นหาคำตอบสำหรับคำถามนี้

สูตรเกล็ดหิมะ

Libbrecht ร่วมกับทีมนักวิจัยเล็กๆ ของเขาพยายามคิดสูตรสำหรับเกล็ดหิมะ นั่นคือชุดสมการและพารามิเตอร์บางชุดที่สามารถโหลดลงในคอมพิวเตอร์และรับเกล็ดหิมะที่หลากหลายจาก AI

Kenneth Libbrecht เริ่มค้นคว้าเมื่อยี่สิบปีที่แล้วหลังจากเรียนรู้เกี่ยวกับรูปร่างเกล็ดหิมะแปลกตาที่เรียกว่าคอลัมน์ปิด ดูเหมือนแกนด้ายหรือสองล้อและเพลา เกิดทางตอนเหนือของประเทศ เขาต้องตกใจมากที่ไม่เคยเห็นเกล็ดหิมะขนาดนี้มาก่อน

เขาเริ่มประหลาดใจกับรูปร่างที่ไม่มีที่สิ้นสุดของผลึกหิมะ กำลังเรียน โดยการสร้างห้องปฏิบัติการปลูกเกล็ดหิมะ ผลลัพธ์ของการสังเกตเป็นเวลาหลายปีช่วยสร้างแบบจำลองที่ผู้เขียนเองก็มองว่าเป็นความก้าวหน้า เขาเสนอแนวคิดเรื่องการแพร่กระจายของโมเลกุลโดยอาศัยพลังงานพื้นผิว แนวคิดนี้อธิบายว่าการเติบโตของผลึกหิมะขึ้นอยู่กับสภาวะเริ่มต้นและพฤติกรรมของโมเลกุลที่ก่อตัวขึ้นอย่างไร

ลองจินตนาการว่าโมเลกุลของน้ำตั้งอยู่อย่างหลวมๆ ขณะที่ไอน้ำเพิ่งจะเริ่มแข็งตัว หากคุณสามารถอยู่ในหอดูดาวเล็กๆ และมองดูกระบวนการนี้ คุณจะเห็นว่าโมเลกุลของน้ำที่แช่แข็งเริ่มก่อตัวเป็นตาข่ายแข็งได้อย่างไร โดยที่อะตอมออกซิเจนแต่ละอะตอมถูกล้อมรอบด้วยอะตอมไฮโดรเจนสี่อะตอม ผลึกเหล่านี้เติบโตโดยการรวมโมเลกุลของน้ำจากอากาศโดยรอบเข้าไปในโครงสร้าง พวกเขาสามารถเติบโตได้ในสองทิศทางหลัก: ขึ้นหรือออกไปด้านนอก

คริสตัลแบนบาง (ลาเมลลาร์หรือรูปดาว) เกิดขึ้นเมื่อขอบก่อตัวเร็วกว่าทั้งสองด้านของคริสตัล คริสตัลที่กำลังเติบโตจะแผ่ออกไปด้านนอก อย่างไรก็ตาม เมื่อหน้าของมันยาวเกินขอบ คริสตัลก็จะสูงขึ้น กลายเป็นเข็ม เสากลวง หรือท่อนไม้

เกล็ดหิมะรูปแบบหายาก





อีกสักครู่หนึ่ง สังเกตภาพถ่ายที่สาม ถ่ายโดย Libbrecht ทางตอนเหนือของออนแทรีโอ นี่คือคริสตัล "คอลัมน์ปิด" - แผ่นสองแผ่นติดอยู่ที่ปลายของคริสตัลเรียงเป็นแนวหนา ในกรณีนี้ แต่ละแผ่นจะแบ่งออกเป็นแผ่นบางกว่ามากคู่หนึ่ง มองดูขอบใกล้ๆ จะเห็นว่าจานแบ่งออกเป็นสองส่วนอย่างไร ขอบของแผ่นบางทั้งสองนี้มีความคมราวกับใบมีดโกน ความยาวรวมของเสาน้ำแข็งประมาณ 1,5 มม.

ตามแบบจำลองของ Libbrecht ไอน้ำจะเกาะอยู่ที่มุมของคริสตัลก่อน จากนั้นจึงกระจาย (กระจาย) ไปตามพื้นผิวจนถึงขอบของคริสตัลหรือไปที่หน้าของมัน ทำให้คริสตัลงอกออกมาด้านนอกหรือด้านบน กระบวนการใดที่ "ชนะ" เหล่านี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเป็นหลัก

ควรสังเกตว่าโมเดลเป็นแบบ "กึ่งเชิงประจักษ์" นั่นคือมีโครงสร้างบางส่วนเพื่อให้สอดคล้องกับสิ่งที่เกิดขึ้นและไม่ได้อธิบายหลักการของการเติบโตของเกล็ดหิมะ ความไม่เสถียรและปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลจำนวนนับไม่ถ้วนนั้นซับซ้อนเกินกว่าจะคลี่คลายได้อย่างสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ความหวังยังคงอยู่ที่แนวคิดของ Libbrecht จะเป็นพื้นฐานสำหรับแบบจำลองที่ครอบคลุมของพลวัตของการเติบโตของน้ำแข็ง ซึ่งสามารถให้รายละเอียดผ่านการวัดและการทดลองที่มีรายละเอียดมากขึ้น

เราไม่ควรคิดว่าข้อสังเกตเหล่านี้เป็นที่สนใจของนักวิทยาศาสตร์ในวงแคบ คำถามที่คล้ายกันเกิดขึ้นในฟิสิกส์เรื่องควบแน่นและในสาขาอื่นๆ โมเลกุลยา ชิปเซมิคอนดักเตอร์สำหรับคอมพิวเตอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ อาศัยคริสตัลคุณภาพสูง และทีมงานทั้งหมดก็ทุ่มเทให้กับการเติบโต ดังนั้นเกล็ดหิมะอันเป็นที่รักของ Libbrecht อาจเป็นประโยชน์ต่อวิทยาศาสตร์ได้เป็นอย่างดี

คุณสามารถอ่านอะไรได้อีกในบล็อก คลาวด์4วาย

→ พลังงานแสงอาทิตย์เค็ม
→ Pentesters อยู่ในระดับแนวหน้าของความปลอดภัยทางไซเบอร์
→ สตาร์ทอัพที่สามารถเซอร์ไพรส์ได้
→ อินเทอร์เน็ตบนบอลลูน
→ หมอนจำเป็นในศูนย์ข้อมูลหรือไม่?

สมัครสมาชิกของเรา Telegram-channel เพื่อให้คุณไม่พลาดบทความถัดไป! เราเขียนไม่เกินสัปดาห์ละสองครั้งและเขียนเกี่ยวกับธุรกิจเท่านั้น อย่างไรก็ตาม หากคุณยังไม่รู้ สตาร์ทอัพสามารถรับเงิน 10 ดอลลาร์จาก Cloud000Y เงื่อนไขและแบบฟอร์มการสมัครสำหรับผู้ที่สนใจสามารถดูได้ที่เว็บไซต์ของเรา: bit.ly/2sj6dPK

ที่มา: will.com