Walang sapat na snow sa gitnang bahagi ng Russia ngayong taglamig. Bumagsak ito sa ilang mga lugar, siyempre, ngunit sa Enero ay maaaring asahan ang ilang mas malamig at maniyebe na panahon. Pinipigilan ka ng mapurol na kulay abo at hindi kasiya-siyang slush na madama ang saya ng karaniwang kasiyahan sa taglamig. Kaya naman iminungkahi ng Cloud4Y na magdagdag ng kaunting snow sa ating buhay sa pamamagitan ng pag-uusap tungkol sa... mga snowflake.
Ito ay pinaniniwalaan na mayroon lamang dalawang uri ng mga snowflake. At ang isa sa mga siyentipiko, kung minsan ay tinatawag na "ama" ng snowflake physics, ay may bagong teorya upang ipaliwanag ang dahilan nito. ay isang kamangha-manghang tao na handang umalis sa pinainit ng araw na Southern California sa kalagitnaan ng taglamig upang makapunta sa Fairbanks (Alaska), magsuot ng mainit na jacket at umupo sa isang nagyelo na field na may camera at isang piraso ng foam sa kanyang mga kamay .
Para saan? Hinahanap niya ang mga sparkliest, pinaka-texture, pinakamagandang snowflake na maaaring gawin ng kalikasan. Ayon sa kanya, ang pinaka-kagiliw-giliw na mga sample ay may posibilidad na mabuo sa mga pinakamalamig na lugar - ang kilalang Fairbanks at ang maniyebe sa hilagang bahagi ng New York. Ang pinakamagandang snow na nakita ni Kenneth ay sa Cochrane, isang lugar sa hilagang-silangan ng Ontario, kung saan umiikot ang mahinang hangin sa mga snowflake habang nahulog sila mula sa langit.
Dahil nabighani sa mga elemento, pinag-aralan ni Libbrecht ang kanyang foam board na may katatagan ng isang arkeologo. Kung mayroong isang bagay na kawili-wili doon, tiyak na hahanapin ito ng mata. Kung hindi, ang snow ay swept off ang board, at ang lahat ay magsisimula muli. At ito ay tumatagal ng ilang oras.
Si Libbrecht ay isang physicist. Sa pamamagitan ng isang nakakatuwang pagkakataon, ang kanyang laboratoryo sa California Institute of Technology ay nakikibahagi sa pananaliksik sa panloob na istraktura ng Araw at nakagawa pa nga ng mga modernong instrumento para sa pag-detect ng mga gravitational wave. Ngunit sa nakalipas na 20 taon, ang tunay na pagnanasa ni Librecht ay ang niyebeβhindi lamang ang hitsura nito, kundi kung ano ang dahilan kung bakit ganito ang hitsura nito. "Ang tanong kung anong uri ng mga bagay ang nahuhulog mula sa langit, kung paano ito nangyayari at kung bakit ganoon ang hitsura ng mga ito, pinahihirapan ako sa lahat ng oras," pag-amin ni Kenneth.
Sa loob ng mahabang panahon, sapat na para sa mga physicist na malaman na sa maraming maliliit na kristal ng niyebe, dalawang pangunahing uri ang maaaring makilala. Ang isa sa kanila ay isang patag na bituin na may anim o labindalawang braso, na ang bawat isa ay pinalamutian ng nakakahilo na magagandang puntas. Ang isa pa ay isang uri ng pinaliit na haligi, kung minsan ay nasa pagitan ng mga patag na "takip", at kung minsan ay katulad ng isang ordinaryong bolt. Ang mga hugis na ito ay makikita sa iba't ibang temperatura at halumigmig, ngunit ang dahilan ng pagbuo ng isang partikular na hugis ay isang misteryo. Ang mga taon ng obserbasyon ni Libbrecht ay nakatulong upang mas maunawaan ang proseso ng crystallization ng mga snowflake.
Ang gawain ni Libbrecht sa lugar na ito ay nakatulong sa paglikha ng isang bagong modelo na nagpapaliwanag kung bakit ang mga snowflake at iba pang mga snow crystal ay bumubuo sa kung ano ang nakasanayan nating makita. Ayon sa kanyang teorya, online noong Oktubre 2019, ay naglalarawan sa paggalaw ng mga molekula ng tubig malapit sa nagyeyelong punto (crystallization) at kung paano maaaring magbunga ang mga partikular na paggalaw ng mga molekulang ito sa isang koleksyon ng mga kristal na nabubuo sa ilalim ng iba't ibang kundisyon. Sa kanyang Sa 540 na pahina, inilalarawan ng Libbrecht ang lahat ng kaalaman tungkol sa mga kristal ng niyebe.
Six-pointed na mga bituin
Siyempre, alam mo na imposibleng makakita ng dalawang magkaparehong snowflake (maliban sa yugto ng pagsisimula). Ang katotohanang ito ay may kinalaman sa kung paano nabubuo ang mga kristal sa kalangitan. Ang snow ay isang koleksyon ng mga ice crystal na nabubuo sa atmospera at nananatili ang kanilang hugis kapag sila ay bumagsak sa Earth. Nabubuo ang mga ito kapag ang kapaligiran ay sapat na malamig upang maiwasan ang mga ito mula sa pagsasama o pagtunaw sa sleet o ulan.
Bagama't maraming temperatura at antas ng halumigmig ang maaaring maitala sa loob ng iisang ulap, para sa isang snowflake ay magiging pare-pareho ang mga variable na ito. Ito ang dahilan kung bakit ang isang snowflake ay madalas na lumalaki nang simetriko. Sa kabilang banda, ang bawat snowflake ay nakalantad sa hangin, sikat ng araw at iba pang mga kadahilanan. Sa esensya, ang bawat kristal ay napapailalim sa kaguluhan ng ulap, at samakatuwid ay may iba't ibang anyo.
Ayon sa pananaliksik ni Libbrecht, ang pinakaunang pag-iisip tungkol sa mga maselang pormang ito ay naitala noong 135 BC. sa Tsina. βAng mga bulaklak ng mga halaman at mga puno ay kadalasang limang-tulis, ngunit ang mga bulaklak ng niyebe ay laging anim na tulis,β ang isinulat ng iskolar na si Han Yin. At ang unang siyentipiko na sinubukang malaman kung bakit ito nangyayari ay malamang na si Johannes Kepler, isang Aleman na siyentipiko at polymath.
Noong 1611, ipinakita ni Kepler ang isang regalo ng Bagong Taon sa kanyang patron, Holy Roman Emperor Rudolf II: isang maliit na pinamagatang "Tungkol sa Hexagonal Snowflakes".
"Tinawid ko ang tulay, pinahihirapan ng kahihiyan - iniwan kita nang walang regalo sa Bagong Taon! At pagkatapos ay isang pagkakataon ang dumating sa akin! Ang singaw ng tubig, na lumapot mula sa lamig hanggang sa niyebe, ay bumabagsak na parang mga snowflake sa aking damit, lahat sila, bilang isa, heksagonal, na may malalambot na sinag. Sumusumpa ako kay Hercules, narito ang isang bagay na mas maliit kaysa sa anumang patak, may hugis, maaaring magsilbing isang pinakahihintay na regalo ng Bagong Taon sa isang mahilig sa Wala at karapat-dapat sa isang mathematician na wala at walang natatanggap, dahil ito bumagsak mula sa langit at itinago sa loob nito ang pagkakahawig ng isang heksagonal na bituin!
"Dapat may dahilan kung bakit ang snow ay hugis tulad ng isang hexagonal na bituin. This cannot be an accident,β sigurado si Johannes Kepler. Marahil ay naalala niya ang isang liham mula sa kanyang kontemporaryong si Thomas Harriot, isang Ingles na siyentipiko at astronomer na nagawa ring magtrabaho bilang isang navigator para sa explorer na si Sir Walter Raleigh. Sa paligid ng 1584, si Harriot ay naghahanap ng pinakamabisang paraan upang mag-stack ng mga cannonball sa mga deck ng Raleigh ships. Nalaman ni Harriot na ang mga heksagonal na pattern ay tila ang pinakamahusay na paraan upang ayusin ang mga sphere, at tinalakay niya ang isyung ito sa pakikipag-ugnayan kay Kepler. Iniisip ni Kepler kung may katulad na nangyayari sa mga snowflake at kung anong elemento ang responsable para sa anim na sinag na ito na nilikha at pinapanatili.
Mga hugis ng snowflake
Masasabi nating ito ang unang pag-unawa sa mga prinsipyo ng atomic physics, na tatalakayin lamang pagkalipas ng 300 taon. Sa katunayan, ang mga molekula ng tubig, kasama ang kanilang dalawang hydrogen atoms at isang oxygen, ay may posibilidad na magsanib upang bumuo ng hexagonal arrays. Si Kepler at ang kanyang mga kontemporaryo ay walang ideya kung gaano ito kahalaga.
Tulad ng sinasabi ng mga physicist, salamat sa hydrogen bonding at ang pakikipag-ugnayan ng mga molecule sa isa't isa, maaari nating obserbahan ang isang bukas na mala-kristal na istraktura. Bilang karagdagan sa kakayahang magpatubo ng mga snowflake, pinapayagan ng hexagonal na istraktura ang yelo na maging mas siksik kaysa sa tubig, na may malaking epekto sa geochemistry, geophysics at klima. Sa madaling salita, kung hindi lumutang ang yelo, magiging imposible ang buhay sa Earth.
Ngunit pagkatapos ng treatise ni Kepler, ang pagmamasid sa mga snowflake ay higit na isang libangan kaysa isang seryosong agham. Noong 1880s, isang Amerikanong photographer na nagngangalang Wilson Bentley, na naninirahan sa malamig, palaging nalalatagan ng niyebe na maliit na bayan ng Jericho (Vermont, USA), ay nagsimulang kumuha ng litrato ng mga snowflake gamit ang mga photographic plate. Nakagawa siya ng mahigit 5000 litrato bago siya namatay sa pneumonia.
Kahit mamaya, noong 1930s, ang Japanese researcher na si Ukichiro Nakaya ay nagsimulang sistematikong pag-aralan ang iba't ibang uri ng snow crystals. Sa kalagitnaan ng siglo, si Nakaya ay nagtanim ng mga snowflake sa laboratoryo gamit ang mga indibidwal na buhok ng kuneho na inilagay sa isang refrigerated room. Pinag-isipan niya ang mga setting ng halumigmig at temperatura, lumalaki ang mga pangunahing uri ng mga kristal, at pinagsama-sama ang kanyang orihinal na katalogo ng mga posibleng hugis. Natuklasan ni Nakaya na ang mga snowflake na bituin ay may posibilidad na mabuo sa -2Β°C at sa -15Β°C. Nabubuo ang mga column sa -5 Β°C at humigit-kumulang -30 Β°C.
Mahalagang tandaan dito na sa temperatura na humigit-kumulang -2 Β°C lumilitaw ang manipis na plate-like form ng snowflakes, sa -5 Β°C lumilikha sila ng manipis na mga haligi at karayom, kapag bumaba ang temperatura sa -15 Β°C sila ay nagiging talagang manipis. mga plato, at sa mga temperatura sa ibaba - Sa 30 Β°C bumalik sila sa mas makapal na mga haligi.
Sa mababang kondisyon ng halumigmig, ang mga star snowflake ay bumubuo ng ilang mga sanga at kahawig ng mga hexagonal plate, ngunit sa mataas na kahalumigmigan sila ay nagiging mas masalimuot at lacy.
Ayon kay Libbrecht, ang mga dahilan para sa paglitaw ng iba't ibang anyo ng mga snowflake ay naging mas malinaw salamat sa trabaho ni Nakai. Napag-alaman na ang mga kristal ng niyebe ay nagiging mga patag na bituin at mga plato (sa halip na mga three-dimensional na istruktura) kapag ang mga gilid ay mabilis na lumaki palabas at ang mga mukha ay dahan-dahang lumalaki pataas. Iba-iba ang paglaki ng mga manipis na column, na may mabilis na paglaki ng mga gilid at mas mabagal na paglaki ng mga gilid.
Kasabay nito, ang mga pangunahing proseso na nakakaimpluwensya kung ang isang snowflake ay magiging isang bituin o isang haligi ay nananatiling hindi maliwanag. Marahil ang lihim ay nasa mga kondisyon ng temperatura. At sinubukan ni Libbrecht na makahanap ng sagot sa tanong na ito.
Recipe ng snowflake
Kasama ang kanyang maliit na pangkat ng mga mananaliksik, sinubukan ni Libbrecht na makabuo ng isang recipe para sa isang snowflake. Iyon ay, isang tiyak na hanay ng mga equation at parameter na maaaring i-load sa isang computer at makakuha ng napakagandang iba't ibang mga snowflake mula sa AI.
Sinimulan ni Kenneth Libbrecht ang kanyang pananaliksik dalawampung taon na ang nakararaan matapos malaman ang tungkol sa kakaibang hugis ng snowflake na tinatawag na closed column. Mukhang isang spool ng sinulid o dalawang gulong at isang ehe. Ipinanganak sa hilaga ng bansa, nabigla siya sa katotohanang hindi pa siya nakakita ng gayong snowflake.
Namangha sa walang katapusang mga hugis ng mga kristal ng niyebe, nagsimula siyang kanilang kalikasan sa pamamagitan ng paglikha ng isang laboratoryo para sa lumalaking snowflake. Ang mga resulta ng maraming taon ng mga obserbasyon ay nakatulong sa paglikha ng isang modelo na ang may-akda mismo ay itinuturing na isang pambihirang tagumpay. Iminungkahi niya ang ideya ng pagsasabog ng molekular batay sa enerhiya sa ibabaw. Ang ideyang ito ay naglalarawan kung paano ang paglaki ng isang snow crystal ay nakasalalay sa mga paunang kondisyon at pag-uugali ng mga molekula na bumubuo nito.
Isipin na ang mga molekula ng tubig ay matatagpuan nang maluwag habang ang singaw ng tubig ay nagsisimula pa lamang mag-freeze. Kung maaari kang nasa loob ng isang maliit na obserbatoryo at tingnan ang prosesong ito, makikita mo kung paano nagsimulang bumuo ng matibay na sala-sala ang mga frozen na molekula ng tubig, kung saan ang bawat atom ng oxygen ay napapalibutan ng apat na atomo ng hydrogen. Ang mga kristal na ito ay lumalaki sa pamamagitan ng pagsasama ng mga molekula ng tubig mula sa nakapaligid na hangin sa kanilang istraktura. Maaari silang lumaki sa dalawang pangunahing direksyon: pataas o palabas.
Ang isang manipis, patag na kristal (lamellar o hugis-bituin) ay nabuo kapag ang mga gilid ay nabuo nang mas mabilis kaysa sa dalawang mukha ng kristal. Ang lumalagong kristal ay kakalat palabas. Gayunpaman, kapag ang mga mukha nito ay lumalaki nang mas mabilis kaysa sa mga gilid nito, ang kristal ay tumataas, na bumubuo ng isang karayom, guwang na haligi, o baras.
Mga bihirang anyo ng mga snowflake
Isang sandali pa. Pansinin ang ikatlong larawan, na kinunan ni Libbrecht sa hilagang Ontario. Ito ay isang kristal na "closed column" - dalawang plato na nakakabit sa mga dulo ng isang makapal na columnar crystal. Sa kasong ito, ang bawat plato ay nahahati sa isang pares ng mas manipis na mga plato. Tingnang mabuti ang mga gilid, makikita mo kung paano nahahati ang plato sa dalawa. Ang mga gilid ng dalawang manipis na plato na ito ay halos kasingtulis ng talim ng labaha. Ang kabuuang haba ng haligi ng yelo ay humigit-kumulang 1,5 mm.
Ayon sa modelo ni Libbrecht, ang singaw ng tubig ay unang tumira sa mga sulok ng kristal at pagkatapos ay kumakalat (kumakalat) sa ibabaw alinman sa gilid ng kristal o sa mga mukha nito, na nagiging sanhi ng paglaki ng kristal palabas o pataas. Alin sa mga prosesong ito ang "panalo" ay pangunahing nakasalalay sa temperatura.
Dapat pansinin na ang modelo ay "semi-empirical". Iyon ay, ito ay bahagyang nakabalangkas upang tumutugma sa kung ano ang nangyayari, at hindi upang ipaliwanag ang mga prinsipyo ng paglago ng snowflake. Ang mga kawalang-tatag at pakikipag-ugnayan sa pagitan ng hindi mabilang na mga molekula ay masyadong kumplikado upang ganap na malutas. Gayunpaman, nananatili ang pag-asa na ang mga ideya ni Libbrecht ay magsisilbing batayan para sa isang komprehensibong modelo ng dynamics ng paglaki ng yelo, na maaaring detalyado sa pamamagitan ng mas detalyadong mga sukat at eksperimento.
Hindi dapat isipin ng isang tao na ang mga obserbasyon na ito ay interesado sa isang makitid na bilog ng mga siyentipiko. Ang mga katulad na tanong ay lumitaw sa condensed matter physics at sa iba pang mga larangan. Ang mga molekula ng droga, semiconductor chip para sa mga computer, solar cell at maraming iba pang industriya ay umaasa sa mataas na kalidad na mga kristal, at ang buong koponan ay nakatuon sa pagpapalaki ng mga ito. Kaya't ang pinakamamahal na mga snowflake ng Libbrecht ay maaaring magsilbi sa pakinabang ng agham.
Ano pa ang mababasa mo sa blog?
β
β
β
β
β
Mag-subscribe sa aming -channel para hindi mo makaligtaan ang susunod na artikulo! Nagsusulat kami ng hindi hihigit sa dalawang beses sa isang linggo at sa negosyo lamang. Siyanga pala, kung hindi mo pa alam, ang mga startup ay maaaring makatanggap ng $10 mula sa Cloud000Y. Ang mga kondisyon at application form para sa mga interesado ay matatagpuan sa aming website:
Pinagmulan: www.habr.com