Không có đủ tuyết ở miền trung nước Nga vào mùa đông này. Tất nhiên, trời đã rơi ở một số nơi, nhưng vào tháng Giêng người ta có thể sẽ thấy thời tiết băng giá và có tuyết nhiều hơn. Màu xám xỉn và bùn lầy khó chịu khiến bạn không thể cảm nhận được niềm vui của niềm vui mùa đông thường ngày. Đó là lý do tại sao Cloud4Y đề xuất thêm một chút tuyết vào cuộc sống của chúng ta bằng cách nói về... những bông tuyết.
Người ta tin rằng chỉ có hai loại bông tuyết. Và một trong những nhà khoa học, đôi khi được gọi là “cha đẻ” của ngành vật lý bông tuyết, có một lý thuyết mới để giải thích nguyên nhân của điều này. là một con người tuyệt vời, sẵn sàng rời miền Nam California đầy nắng giữa mùa đông để đến Fairbanks (Alaska), khoác lên mình chiếc áo khoác ấm áp và ngồi trên cánh đồng băng giá với chiếc máy ảnh và một miếng bọt biển trên tay .
Để làm gì? Anh ấy tìm kiếm những bông tuyết lấp lánh nhất, có kết cấu đẹp nhất, đẹp nhất mà thiên nhiên có thể tạo ra. Theo ông, những mẫu vật thú vị nhất có xu hướng hình thành ở những nơi lạnh giá nhất - Fairbanks khét tiếng và vùng phía bắc đầy tuyết của New York. Trận tuyết đẹp nhất mà Kenneth từng thấy là ở Cochrane, một nơi ở phía đông bắc Ontario, nơi những cơn gió nhẹ cuốn theo những bông tuyết khi chúng từ trên trời rơi xuống.
Bị cuốn hút bởi các yếu tố tự nhiên, Libbrecht nghiên cứu tấm ván xốp của mình với sự kiên trì của một nhà khảo cổ học. Nếu có điều gì thú vị ở đó, chắc chắn mắt sẽ chú ý đến nó. Nếu không, tuyết sẽ bị cuốn khỏi bảng và mọi thứ sẽ bắt đầu lại. Và điều này kéo dài hàng giờ.
Libbrecht là một nhà vật lý. Bởi một sự trùng hợp thú vị, phòng thí nghiệm của ông tại Viện Công nghệ California đang tham gia nghiên cứu cấu trúc bên trong của Mặt trời và thậm chí còn phát triển các thiết bị hiện đại để phát hiện sóng hấp dẫn. Nhưng trong 20 năm qua, niềm đam mê thực sự của Libbrecht là tuyết—không chỉ vẻ ngoài mà còn cả điều khiến nó trông như vậy. Kenneth thừa nhận: “Câu hỏi về loại vật thể nào từ trên trời rơi xuống, nó xảy ra như thế nào và tại sao chúng lại trông như vậy, khiến tôi luôn đau khổ”.
Trong một thời gian dài, các nhà vật lý chỉ cần biết rằng trong số rất nhiều tinh thể tuyết nhỏ có thể phân biệt được hai loại chiếm ưu thế. Một trong số đó là một ngôi sao phẳng có sáu hoặc mười hai cánh tay, mỗi cánh tay được trang trí bằng ren đẹp đến choáng váng. Loại còn lại là một loại cột thu nhỏ, đôi khi được kẹp giữa các “nắp” phẳng, và đôi khi tương tự như một chiếc chốt thông thường. Những hình dạng này có thể được nhìn thấy ở các nhiệt độ và độ ẩm khác nhau, nhưng lý do hình thành một hình dạng cụ thể này vẫn còn là một bí ẩn. Những năm quan sát của Libbrecht đã giúp hiểu rõ hơn về quá trình kết tinh của bông tuyết.
Công việc của Libbrecht trong lĩnh vực này đã giúp tạo ra một mô hình mới giải thích tại sao bông tuyết và các tinh thể tuyết khác lại hình thành nên những gì chúng ta thường thấy. Theo lý thuyết của ông, trực tuyến vào tháng 2019 năm XNUMX, mô tả chuyển động của các phân tử nước gần điểm đóng băng (kết tinh) và cách các chuyển động cụ thể của các phân tử này có thể tạo ra một tập hợp các tinh thể hình thành trong các điều kiện khác nhau. Trong của anh ấy Trong 540 trang, Libbrecht mô tả tất cả những kiến thức về tinh thể tuyết.
Ngôi sao sáu cánh
Tất nhiên, bạn biết rằng không thể nhìn thấy hai bông tuyết giống hệt nhau (ngoại trừ ở giai đoạn bắt đầu). Thực tế này liên quan đến cách các tinh thể hình thành trên bầu trời. Tuyết là tập hợp các tinh thể băng hình thành trong khí quyển và giữ nguyên hình dạng khi chúng cùng rơi xuống Trái đất. Chúng hình thành khi bầu khí quyển đủ lạnh để ngăn chúng hợp nhất hoặc tan thành mưa đá hoặc mưa.
Mặc dù nhiều mức nhiệt độ và độ ẩm có thể được ghi lại trong một đám mây, nhưng đối với một bông tuyết, các biến này sẽ không đổi. Đây là lý do tại sao bông tuyết thường phát triển đối xứng. Mặt khác, mỗi bông tuyết đều tiếp xúc với gió, ánh sáng mặt trời và các yếu tố khác. Về cơ bản, mỗi tinh thể chịu sự hỗn loạn của đám mây và do đó có các dạng khác nhau.
Theo nghiên cứu của Libbrecht, suy nghĩ sớm nhất về những hình thức tinh tế này được ghi lại vào năm 135 trước Công nguyên. ở Trung Quốc. Học giả Han Yin viết: “Hoa của cây cối thường có năm cánh, nhưng hoa tuyết luôn có sáu cánh”. Và nhà khoa học đầu tiên cố gắng tìm ra lý do tại sao điều này lại xảy ra có lẽ là Johannes Kepler, một nhà khoa học và học giả người Đức.
Năm 1611, Kepler tặng một món quà năm mới cho người bảo trợ của mình, Hoàng đế La Mã thần thánh Rudolf II: một chiếc hộp nhỏ. có tựa đề "Giới thiệu về những bông tuyết hình lục giác".
“Anh qua cầu, tủi nhục - Anh bỏ em mà không có quà Tết! Và rồi một cơ hội đã đến với tôi! Hơi nước đặc lại vì lạnh thành tuyết, rơi như những bông tuyết trên quần áo của tôi, tất cả chúng như một, hình lục giác, với những tia sáng mịn màng. Tôi thề trước Hercules, đây là một thứ nhỏ hơn bất kỳ giọt nước nào, có hình dạng, có thể dùng làm món quà Năm mới được chờ đợi từ lâu cho những người yêu thích Không có gì và xứng đáng với một nhà toán học không có gì và không nhận được gì, vì nó từ trên trời rơi xuống và ẩn giấu bên trong nó hình dáng giống một ngôi sao lục giác!
“Chắc chắn phải có lý do tại sao tuyết lại có hình ngôi sao lục giác. Đây không thể là một tai nạn,” Johannes Kepler chắc chắn. Có lẽ ông nhớ đến một lá thư của Thomas Harriot, một nhà khoa học và thiên văn học người Anh, người cũng đã từng làm hoa tiêu cho nhà thám hiểm Sir Walter Raleigh. Khoảng năm 1584, Harriot đang tìm kiếm cách hiệu quả nhất để xếp những viên đạn đại bác trên boong tàu Raleigh. Harriot phát hiện ra rằng hình lục giác dường như là cách tốt nhất để sắp xếp các quả cầu, và ông đã thảo luận vấn đề này qua thư từ với Kepler. Kepler tự hỏi liệu điều gì đó tương tự có xảy ra trong những bông tuyết hay không và yếu tố nào chịu trách nhiệm tạo ra và duy trì sáu tia này.
Hình dạng bông tuyết
Chúng ta có thể nói rằng đây là sự hiểu biết ban đầu về các nguyên lý vật lý nguyên tử, sẽ chỉ được thảo luận 300 năm sau. Thật vậy, các phân tử nước, với hai nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, có xu hướng liên kết với nhau tạo thành các mảng lục giác. Kepler và những người cùng thời với ông không biết điều này quan trọng đến mức nào.
Như các nhà vật lý cho biết, nhờ liên kết hydro và sự tương tác của các phân tử với nhau, chúng ta có thể quan sát được cấu trúc tinh thể mở. Ngoài khả năng tạo ra những bông tuyết, cấu trúc lục giác cho phép băng có mật độ thấp hơn nước, điều này có tác động rất lớn đến địa hóa, địa vật lý và khí hậu. Nói cách khác, nếu băng không nổi thì sự sống trên Trái đất sẽ không thể tồn tại.
Nhưng sau chuyên luận của Kepler, việc quan sát những bông tuyết chỉ là một sở thích hơn là một môn khoa học nghiêm túc. Vào những năm 1880, một nhiếp ảnh gia người Mỹ tên Wilson Bentley, sống ở thị trấn nhỏ lạnh giá, luôn đầy tuyết ở Jericho (Vermont, Mỹ), bắt đầu chụp ảnh những bông tuyết bằng kính ảnh. Ông đã chụp được hơn 5000 bức ảnh trước khi qua đời vì bệnh viêm phổi.
Thậm chí sau đó, vào những năm 1930, nhà nghiên cứu Nhật Bản Ukichiro Nakaya đã bắt đầu nghiên cứu một cách có hệ thống các loại tinh thể tuyết khác nhau. Vào giữa thế kỷ này, Nakaya đã trồng bông tuyết trong phòng thí nghiệm bằng cách sử dụng từng sợi lông thỏ đặt trong phòng lạnh. Anh ấy đã mày mò cài đặt độ ẩm và nhiệt độ, phát triển các loại tinh thể cơ bản và biên soạn danh mục ban đầu về các hình dạng có thể có. Nakaya phát hiện ra rằng các sao bông tuyết có xu hướng hình thành ở -2°C và -15°C. Cột hình thành ở -5°C và ở khoảng -30°C.
Điều quan trọng cần lưu ý ở đây là ở nhiệt độ khoảng -2°C xuất hiện các dạng bông tuyết mỏng dạng tấm, ở -5°C chúng tạo thành các cột và hình kim mỏng, khi nhiệt độ giảm xuống -15°C chúng trở nên rất mỏng. ở nhiệt độ dưới - Ở 30°C chúng trở lại cột dày hơn.
Trong điều kiện độ ẩm thấp, những bông tuyết hình sao tạo thành nhiều nhánh và trông giống như những tấm lục giác, nhưng ở độ ẩm cao, chúng trở nên phức tạp và có nhiều ren hơn.
Theo Libbrecht, nguyên nhân xuất hiện các dạng bông tuyết khác nhau trở nên rõ ràng hơn nhờ công trình của Nakai. Người ta đã phát hiện ra rằng các tinh thể tuyết phát triển thành các ngôi sao và mảng phẳng (chứ không phải là cấu trúc ba chiều) khi các cạnh phát triển nhanh chóng ra phía ngoài và các mặt phát triển từ từ hướng lên trên. Các cột mỏng phát triển khác nhau, với các cạnh phát triển nhanh và các cạnh phát triển chậm hơn.
Đồng thời, các quá trình cơ bản ảnh hưởng đến việc bông tuyết trở thành ngôi sao hay cột vẫn chưa rõ ràng. Có lẽ bí mật nằm ở điều kiện nhiệt độ. Và Libbrecht đã cố gắng tìm câu trả lời cho câu hỏi này.
Công thức bông tuyết
Cùng với nhóm nhỏ các nhà nghiên cứu của mình, Libbrecht đã cố gắng tìm ra công thức tạo ra bông tuyết. Nghĩa là, một bộ phương trình và tham số nhất định có thể được tải vào máy tính và thu được nhiều loại bông tuyết tuyệt đẹp từ AI.
Kenneth Libbrecht bắt đầu nghiên cứu của mình cách đây 20 năm sau khi biết về một hình dạng bông tuyết kỳ lạ được gọi là cột kín. Nó trông giống như một cuộn chỉ hoặc hai bánh xe và một trục xe. Sinh ra ở miền bắc đất nước, anh rất sốc vì chưa bao giờ nhìn thấy một bông tuyết như vậy.
Ngạc nhiên trước hình dạng vô tận của những tinh thể tuyết, anh bắt đầu bản chất của chúng bằng cách tạo ra một phòng thí nghiệm để trồng những bông tuyết. Kết quả nhiều năm quan sát đã giúp tạo ra một mô hình mà bản thân tác giả cho là có tính đột phá. Ông đề xuất ý tưởng khuếch tán phân tử dựa trên năng lượng bề mặt. Ý tưởng này mô tả sự phát triển của tinh thể tuyết phụ thuộc như thế nào vào các điều kiện ban đầu và hoạt động của các phân tử hình thành nên nó.
Hãy tưởng tượng rằng các phân tử nước nằm lỏng lẻo khi hơi nước mới bắt đầu đóng băng. Nếu bạn có thể ở bên trong một đài quan sát nhỏ và quan sát quá trình này, bạn có thể thấy các phân tử nước đóng băng bắt đầu hình thành một mạng tinh thể cứng như thế nào, trong đó mỗi nguyên tử oxy được bao quanh bởi bốn nguyên tử hydro. Những tinh thể này phát triển bằng cách kết hợp các phân tử nước từ không khí xung quanh vào cấu trúc của chúng. Chúng có thể phát triển theo hai hướng chính: hướng lên trên hoặc hướng ra ngoài.
Một tinh thể mỏng, phẳng (tấm mỏng hoặc hình ngôi sao) được hình thành khi các cạnh hình thành nhanh hơn hai mặt của tinh thể. Tinh thể đang phát triển sẽ lan ra bên ngoài. Tuy nhiên, khi các mặt của nó phát triển nhanh hơn các cạnh của nó, tinh thể sẽ cao hơn, tạo thành hình kim, cột rỗng hoặc hình que.
Những dạng bông tuyết hiếm gặp
Một khoảnh khắc nữa. Hãy chú ý đến bức ảnh thứ ba được chụp bởi Libbrecht ở phía bắc Ontario. Đây là tinh thể "cột kín" - hai tấm gắn vào hai đầu của tinh thể cột dày. Trong trường hợp này, mỗi tấm được chia thành một cặp tấm mỏng hơn nhiều. Nhìn kỹ vào các cạnh, bạn sẽ thấy chiếc đĩa được chia làm hai như thế nào. Các cạnh của hai tấm mỏng này sắc nét như một lưỡi dao cạo. Tổng chiều dài của cột băng là khoảng 1,5 mm.
Theo mô hình của Libbrecht, hơi nước đầu tiên lắng đọng ở các góc của tinh thể và sau đó lan truyền (khuếch tán) dọc theo bề mặt đến rìa của tinh thể hoặc tới các mặt của nó, làm cho tinh thể phát triển ra ngoài hoặc hướng lên trên. Quá trình nào trong số này “thắng” phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ.
Cần lưu ý rằng mô hình này là “bán thực nghiệm”. Nghĩa là, nó được cấu trúc một phần để tương ứng với những gì đang xảy ra chứ không phải để giải thích các nguyên tắc phát triển của bông tuyết. Sự bất ổn và tương tác giữa vô số phân tử quá phức tạp để có thể làm sáng tỏ hoàn toàn. Tuy nhiên, người ta vẫn hy vọng rằng ý tưởng của Libbrecht sẽ làm cơ sở cho một mô hình toàn diện về động lực phát triển của băng có thể được tinh chỉnh thông qua các phép đo và thí nghiệm chi tiết hơn.
Người ta không nên nghĩ rằng những quan sát này chỉ được một nhóm nhỏ các nhà khoa học quan tâm. Những câu hỏi tương tự nảy sinh trong vật lý vật chất ngưng tụ và trong các lĩnh vực khác. Các phân tử thuốc, chip bán dẫn cho máy tính, pin mặt trời và một loạt ngành công nghiệp khác đều dựa vào tinh thể chất lượng cao và toàn bộ đội ngũ đều tận tâm phát triển chúng. Vì vậy, những bông tuyết yêu quý của Libbrecht có thể phục vụ tốt cho lợi ích của khoa học.
Bạn có thể đọc gì khác trên blog?
→
→
→
→
→
Đăng ký của chúng tôi -channel để không bỏ lỡ bài viết tiếp theo nhé! Chúng tôi viết không quá hai lần một tuần và chỉ viết về công việc. Nhân tiện, nếu bạn chưa biết, các công ty khởi nghiệp có thể nhận được 10 USD từ Cloud000Y. Điều kiện và mẫu đơn đăng ký dành cho những người quan tâm có thể tìm thấy trên trang web của chúng tôi:
Nguồn: www.habr.com