Снігу в центральній частині Росії цієї зими обмаль. Подекуди він випав, звичайно, але в січні місяці можна було чекати якоїсь морознішої та снігової погоди. Похмура сірість і неприємна сльота заважають відчути радість від звичних зимових забав. Тому Cloud4Y пропонує додати трохи снігу в наше життя, поговоривши про сніжинки.
Вважається, що сніжинки бувають лише двох типів. І в одного з вчених, якого іноді називають "батьком" фізики сніжинок, з'явилася нова теорія, яка пояснює причину цього. — це дивовижна людина, яка готова посеред зими залишити нагріту сонцем Південну Каліфорнію, щоб дістатися Фербенкса (Аляска), одягнути теплу куртку і сісти в промороженому полі з камерою і шматком пінопласту в руках.
Навіщо? Він шукає найблискучіші, найфактурніші, найкрасивіші сніжинки, які може створити природа. За його словами, найцікавіші зразки мають тенденцію утворюватися в найхолодніших місцях — горезвісному Фербенксі та в засніженій північній частині Нью-Йорка. Найкращий сніг, який Кеннет коли-небудь спостерігав, йшов у Кокрейні, містечку на північному сході Онтаріо, де слабкий вітер кружляв сніжинки, що падали з неба.
Зачарований стихією, Ліббрехт із завзятістю археолога вивчає свою пінопластову дошку. Якщо там є щось цікаве, то погляд обов'язково зачепиться за це. Якщо ж ні, сніг змітається з дошки, і все починається заново. І це триває годинами.
Ліббрехт – фізик. За кумедним збігом обставин, його лабораторія в Каліфорнійському технологічному інституті займається дослідженнями внутрішньої структури Сонця і навіть розробила сучасні прилади виявлення гравітаційних хвиль. Але останні 20 років справжньою пристрастю Ліббрехта був сніг — не лише його зовнішній вигляд, а й те, що змушує його виглядати так. «Питання про те, що за об'єкти падають з неба, як це відбувається і чому вони так виглядають, постійно мучить мене», - визнає Кеннет.
Довгий час для фізиків було достатньо знання того, що серед безлічі крихітних снігових кристалів можна виділити два переважаючі типи. Один з них — плоска зірка з шістьма або дванадцятьма променями, кожен з яких прикрашений карколомно гарними мереживами. Інший - свого роду мініатюрна колона, іноді затиснута між плоских «кришок», а іноді схожа на звичайний болтик. Ці форми можна побачити при різній температурі та вологості, але причина утворення тієї чи іншої форми була загадкою. Роки спостережень Ліббрехта допомогли краще зрозуміти процес кристалізації сніжинок.
Доробки Ліббрехта в цій галузі допомогли створити нову модель, яка пояснює, чому сніжинки та інші снігові кристали утворюють те, що ми звикли бачити. Відповідно до його теорії, в інтернеті в жовтні 2019 року описує рух молекул води біля точки замерзання (кристалізації) і те, як конкретні рухи цих молекул можуть породжувати сукупність кристалів, які утворюються в різних умовах. В своїй об'ємом 540 сторінок Ліббрехт описує всі знання про снігові кристали.
Шестикінцеві зірки
Ви, звичайно, знаєте, що неможливо побачити дві однакові сніжинки (хіба що на етапі зародження). Цей факт пов'язаний із тим, як кристали формуються в небі. Сніг - це скупчення крижаних кристалів, які утворюються в атмосфері і зберігають свою форму, коли всі разом падають на Землю. Вони утворюються, коли атмосфера досить холодна, щоб не допустити злиття чи танення та перетворення на мокрий сніг чи дощ.
Хоча в межах однієї хмари можна зафіксувати безліч температур та рівнів вологості, для однієї сніжинки ці змінні будуть постійними. Ось чому сніжинка часто росте симетрично. З іншого боку, кожна сніжинка піддається впливу вітру, сонячного світла та інших факторів. По суті, кожен кристал підпорядковується хаосу хмари, і тому набуває різних форм.
Згідно з дослідженням Ліббрехта, ранні роздуми про ці делікатні форми зафіксовані в 135 р. до н.е. в Китаї. "Квіти рослин і дерев, як правило, п'ятикутні, але квіти снігу завжди шестикінцеві", - писав вчений Хань Інь. А першим ученим, який спробував розібратися, чому так відбувається, був, мабуть, Йоханнес Кеплер, німецький вчений та ерудит.
У 1611 році Кеплер зробив новорічний подарунок своєму покровителю, імператору Священної Римської імперії Рудольфу II: невеликий під назвою «Про шестикутні сніжинки».
«Я переходжу міст, який мучить сором – я залишив тебе без новорічного подарунка! І тут мені підвертається зручний випадок! Водяні пари, згустившись від холоду в сніг, випадають сніжинками на мій одяг, усе, як одна, шестикутними, з пухнастими променями. Клянуся Гераклом, ось річ, яка менша за будь-яку краплю, має форму, може служити довгоочікуваним новорічним подарунком любителю Нічого і гідна математика, який має Ніч і отримує Ніщо, оскільки падає з неба і таїть у собі подобу шестикутної зірки!».
«Має бути причина, через яку сніг має форму шестикутної зірочки. Це не може бути випадковістю», — впевнений Йоханнес Кеплер. Можливо, йому згадався лист від свого сучасника Томаса Харріота, англійського вченого та астронома, який також встиг попрацювати штурманом для дослідника сера Волтера Ролі. Близько 1584 Харріот шукав найбільш ефективний спосіб складати гарматні ядра на палубах кораблів Ролі. Харріот виявив, що гексагональні візерунки здаються найкращим способом розташування сфер, і він обговорював це питання у листуванні Кеплером. Кеплер ставив питання, чи відбувається щось подібне в сніжинках і завдяки якому елементу виникають і тримаються ці шість променів.
Форми сніжинок
Можна сказати, що це було початкове розуміння принципів атомної фізики, про яку заговорять лише через 300 років. Дійсно, молекули води з їхніми двома атомами водню та одним киснем мають тенденцію з'єднуватися разом, утворюючи гексагональні масиви. Кеплер та його сучасники навіть не уявляли, наскільки це важливо.
Як кажуть фізики, завдяки водневому зв'язку та взаємодії молекул одна з одною ми можемо спостерігати відкриту кристалічну структуру. Крім здатності вирощувати сніжинки, шестикутна структура дозволяє зробити лід менш щільним порівняно з водою, що дуже впливає на геохімію, геофізику і клімат. Іншими словами, якби лід не плавав, життя на Землі було б неможливим.
Але після трактату Кеплера спостереження за сніжинками було скоріш хобі, ніж серйозною наукою. У 1880-х роках американський фотограф на ім'я Вілсон Бентлі, який жив у холодному, вічно засніженому маленькому містечку Ієрихон (штат Вермонт, США), почав робити знімки сніжинок за допомогою фотопластин. Він устиг створити понад 5000 фотографій, перш ніж помер від пневмонії.
Ще пізніше, у 1930-х роках, японський дослідник Укічіро Накая розпочав систематичне вивчення різних типів снігових кристалів. У середині століття Накая вирощував сніжинки у лабораторії, використовуючи окремі волоски кролика, поміщені в охолоджене приміщення. Він порався з налаштуваннями вологості та температури, вирощуючи основні типи кристалів, і зібрав свій оригінальний каталог можливих форм. Ная виявив, що сніжинки-зірки мають тенденцію утворюватися при -2 °C і при -15 °C. Стовпці утворюються при -5 °C і приблизно -30 °C.
Тут важливо відзначити, що при температурі близько -2 ° C з'являються тонкі пластинчасті форми сніжинок, при -5 ° С вони створюють тонкі стовпчики та голки, коли температура опускається до -15 ° C, вони стають дійсно тонкими пластинами, а при температурі нижче - 30 °C вони повертаються в товстіші колони.
В умовах низької вологості сніжинки-зірки утворюють кілька гілок і нагадують гексагональні пластини, але при високій вологості стають більш хитромудрими, мереживними.
На думку Ліббрехта причини появи різних форм сніжинок стали зрозумілішими саме завдяки роботі Накая. Було встановлено, що снігові кристали перетворюються на плоскі зірки та пластини (а не тривимірні структури), коли краї швидко ростуть назовні, а грані повільно ростуть нагору. Тонкі колони ростуть по-іншому, з гранями, що швидко ростуть, і більш повільно зростаючими краями.
Водночас, основні процеси, що впливають на те, чи стане сніжинка зіркою чи колоною, залишилися нез'ясованими. Можливо, секрет крився у температурних умовах. І Ліббрехт намагався знайти відповідь це питання.
Рецепт сніжинки
Разом зі своєю маленькою командою дослідників Ліббрехт намагався вигадати рецепт сніжинки. Тобто якийсь набір рівнянь та параметрів, які можна завантажити в комп'ютер та отримати від ІІ чудову різноманітність сніжинок.
Свої дослідження Кеннет Ліббрехт почав двадцять років тому, дізнавшись про екзотичну форму сніжинки, яка називається закритою колоною. Вона схожа на котушку для ниток або на два колеса та вісь. Народжений на півночі країни, він був шокований тим фактом, що жодного разу не бачив такої сніжинки.
Вражений нескінченними формами снігових кристалів, він зайнявся їх природи, створивши лабораторію для вирощування сніжинок. Результати багаторічних спостережень допомогли створити модель, яку автор вважає проривною. Він запропонував ідею молекулярної дифузії з урахуванням поверхневої енергії. Ця ідея описує, як зростання снігового кристала залежить від початкових умов та поведінки молекул, що його утворюють.
Уявіть, що молекули води розташовані вільно, оскільки пари води лише замерзають. Якби можна було опинитися всередині крихітної обсерваторії і дивитися на цей процес, то можна було б побачити, як молекули змерзлої води починають утворювати жорсткі грати, де кожен атом кисню оточений чотирма атомами водню. Ці кристали ростуть шляхом включення молекул води з навколишнього повітря на їхню структуру. Вони можуть зростати у двох основних напрямках: вгору чи назовні.
Тонкий плоский кристал (пластинчастий або зіркоподібний) утворюється, коли краї формуються швидше ніж дві грані кристала. Зростаючий кристал поширюватиметься назовні. Однак, коли його грані ростуть швидше, ніж його краї, кристал стає вищим, утворюючи голку, порожнистий стовп або стрижень.
Рідкісні форми сніжинок
Ще момент. Зверніть увагу на третю фотографію, зроблену Ліббрехтом у північному Онтаріо. Це кристал із «закритими колонами» — дві пластини, прикріплені до кінців товстого стовпчастого кристала. У цьому випадку кожна пластина розділена на пару набагато тонших пластин. Придивіться до країв, ви побачите, як пластина поділяється на дві. Краї цих двох тонких пластин приблизно такі ж гострі, як лезо бритви. Загальна довжина крижаної колони становить близько 1,5 мм.
Згідно з моделлю Ліббрехта, водяна пара спочатку осідає по кутах кристала, а потім поширюється (дифундує) по поверхні або до краю кристала, або до його меж, змушуючи кристал рости назовні або вгору. Який із цих процесів «виграє», залежить головним чином від температури.
Слід зазначити, що модель є «напівемпіричною». Тобто вона частково побудована так, щоб відповідати тому, що відбувається, а не пояснювати принципи зростання сніжинок. Нестабільності та взаємодії між незліченними молекулами надто складні, щоб повністю їх розкрити. Втім, залишається надія на те, що ідеї Ліббрехта послужать основою для всеосяжної моделі динаміки зростання льоду, яку можна буде деталізувати за допомогою більш детальних вимірів та експериментів.
Не варто думати, що ці спостереження цікаві вузькому колу вчених. Подібні питання виникають у фізиці конденсованих середовищ та інших сферах. Молекули ліків, напівпровідникові чіпи для комп'ютерів, сонячні елементи та безліч інших галузей покладаються на високоякісні кристали і цілі групи займаються питанням їх вирощування. Так що ніжно улюблені Ліббрехтом сніжинки можуть послужити на благо науки.
Що ще корисного можна почитати у блозі
→
→
→
→
→
Підписуйтесь на наш -Канал, щоб не пропустити чергову статтю! Пишемо не частіше двох разів на тиждень і лише у справі. До речі, якщо ви ще не знаєте, стартапи можуть отримати $10 000 від Cloud4Y. Умови та анкета для бажаючих – на нашому сайті:
Джерело: habr.com