今年冬天俄罗斯中部地区降雪量不足。 当然，有些地方会下雪，但一月份可能会出现更多的霜冻和降雪天气。 暗淡的灰色和令人不快的雪泥让你无法感受到平常冬天的乐趣。 这就是为什么 Cloud4Y 提议通过谈论……雪花为我们的生活增添一点雪。
人们相信雪花只有两种类型。 一位有时被称为雪花物理学“之父”的科学家提出了一种新理论来解释其原因。 是一个了不起的人，他准备在隆冬离开阳光温暖的南加州，前往费尔班克斯（阿拉斯加州），穿上温暖的夹克，坐在冰冻的田野里，手里拿着相机和一块泡沫。
为了什么？ 他寻找大自然所能创造出的最闪亮、最有质感、最美丽的雪花。 据他说，最有趣的样本往往形成于最冷的地方——臭名昭著的费尔班克斯和白雪皑皑的纽约北部。 肯尼斯见过的最好的雪是在安大略省东北部的科克伦，那里的雪花从天而降，微风吹过，旋转着。
利布雷希特对这些元素着迷，他以考古学家般的坚韧研究他的泡沫板。 如果那里有什么有趣的东西，眼睛肯定会被吸引住。 如果没有，板上的雪就会被扫掉，一切都会重新开始。 这持续了几个小时。
利布雷希特是一位物理学家。 一个有趣的巧合是，他在加州理工学院的实验室致力于太阳内部结构的研究，甚至开发出了用于探测引力波的现代仪器。 但在过去的 20 年里，利布雷希特真正热爱的是雪——不仅仅是它的外观，还有它看起来如此的原因。 “什么样的物体从天上掉下来、它是如何发生的以及它们为什么看起来像那样的问题一直困扰着我，”肯尼斯承认。
长期以来，物理学家只要知道在许多微小的雪晶中可以区分出两种主要类型就足够了。 其中一颗是一颗扁平的星星，有六只或十二只手臂，每根手臂都装饰着令人眼花缭乱的美丽蕾丝。 另一种是一种微型柱，有时夹在扁平的“盖”之间，有时类似于普通的螺栓。 这些形状可以在不同的温度和湿度下看到，但形成特定形状的原因一直是个谜。 利布雷希特多年的观察有助于更好地了解雪花的结晶过程。
利布雷希特在这一领域的工作帮助创建了一个新模型，解释了为什么雪花和其他雪晶会形成我们习惯看到的形状。 根据他的理论， 2019 年 XNUMX 月在线，描述了水分子在冰点附近的运动（结晶），以及这些分子的特定运动如何产生在不同条件下形成的晶体集合。 在他的 Libbrecht 在 540 页中描述了有关雪晶的所有知识。
六角星
当然，您知道不可能看到两片相同的雪花（除了在初始阶段）。 这一事实与晶体在天空中的形成方式有关。 雪是在大气中形成的冰晶的集合，当它们一起落到地球上时，它们会保持其形状。 当大气足够冷以防止它们合并或融化成雨夹雪或雨水时，它们就会形成。
尽管可以在单个云中记录许多温度和湿度水平，但对于单个雪花来说，这些变量将是恒定的。 这就是为什么雪花经常对称生长的原因。 另一方面，每一片雪花都暴露在风、阳光和其他因素的作用下。 本质上，每个晶体都会受到云的混乱影响，因此呈现出不同的形式。
根据利布雷希特的研究，最早对这些精致形式的思考记录于公元前 135 年。 在中国。 学者韩胤写道：“草木之花多为五尖，而雪之花多为六尖。” 第一个试图弄清楚为什么会发生这种情况的科学家可能是约翰内斯·开普勒，一位德国科学家和博学者。
1611年，开普勒向他的赞助人神圣罗马帝国皇帝鲁道夫二世赠送了一份新年礼物：一个小型的 题为“关于六角形雪花”。
“我带着耻辱过桥——我没有给你带新年礼物！ 然后一个机会来了！ 水汽因寒冷而凝结成雪，像雪花一样落在我的衣服上，它们浑然一体，呈六边形，带着蓬松的光芒。 我向赫拉克勒斯发誓，这里有一个东西，比任何水滴都小，有形状，可以作为给虚无爱好者期待已久的新年礼物，配得上一个一无所有、一无所有的数学家，因为它从天而降，其内藏有六角星的模样！
“雪的形状像六角星一定是有原因的。 这不可能是一次意外。”约翰内斯·开普勒确信。 也许他记得一封来自他同时代的托马斯·哈里奥特的信，托马斯·哈里奥特是一位英国科学家和天文学家，也曾担任探险家沃尔特·罗利爵士的航海家。 1584 年左右，哈里奥特正在寻找在罗利船的甲板上堆放炮弹的最有效方法。 哈里奥特发现六边形图案似乎是排列球体的最佳方式，他在与开普勒的通信中讨论了这个问题。 开普勒想知道雪花中是否会发生类似的情况，以及什么元素负责产生和维持这六种光线。
雪花形状
可以说，这是对原子物理原理的初步认识，直到300年后才会被讨论。 事实上，含有两个氢原子和一个氧原子的水分子往往会结合在一起形成六边形阵列。 开普勒和他的同时代人不知道这有多重要。
正如物理学家所说，由于氢键和分子之间的相互作用，我们可以观察到开放的晶体结构。 除了能够生长雪花之外，六角形结构还使冰的密度低于水，这对地球化学、地球物理学和气候产生巨大影响。 换句话说，如果冰不漂浮，地球上的生命就不可能存在。
但在开普勒的论文之后，观察雪花更多的是一种爱好，而不是一门严肃的科学。 1880年代，居住在寒冷、常年下雪的美国佛蒙特州杰里科小镇的威尔逊·本特利（Wilson Bentley）开始用感光底片拍摄雪花。 在他死于肺炎之前，他拍摄了 5000 多张照片。
更晚的时候，在 1930 世纪 2 年代，日本研究人员 Ukichiro Nakaya 开始系统地研究不同类型的雪晶。 在本世纪中叶，Nakaya 在实验室中使用放置在冷藏室中的兔毛来培育雪花。 他修改了湿度和温度设置，种植了基本类型的晶体，并编制了他最初的可能形状目录。 中谷发现雪花星往往在 -15°C 和 -5°C 时形成。 色谱柱在 -30 °C 和约 -XNUMX °C 下形成。
这里需要注意的是，在 -2 °C 左右的温度下，会出现薄板状的雪花，在 -5 °C 时，它们会形成薄柱状和针状，当温度降至 -15 °C 时，它们会变得非常薄板，并且在低于 30°C 的温度下，它们会返回到更厚的柱。
在低湿度条件下，星形雪花会形成多个分支，类似于六角形板，但在高湿度条件下，它们会变得更加复杂和花边。
根据利布雷希特的说法，由于中井的工作，出现不同形式的雪花的原因变得更加清晰。 人们发现，当边缘快速向外生长而面缓慢向上生长时，雪晶会发展成扁平的星形和板状（而不是三维结构）。 细柱的生长方式不同，边缘生长较快，边缘生长较慢。
与此同时，影响雪花变成星形还是柱形的基本过程仍不清楚。 也许秘密就在于温度条件。 利布雷希特试图找到这个问题的答案。
雪花食谱
利布雷希特与他的研究小组一起试图想出雪花的配方。 也就是说，可以将一组特定的方程和参数加载到计算机中，并从人工智能中获得各种各样的雪花。
二十年前，肯尼思·利布雷希特 (Kenneth Libbrecht) 在了解到一种称为封闭柱的奇异雪花形状后开始了他的研究。 它看起来像一个线轴或两个轮子和一个轴。 他出生在北方，从未见过这样的雪花，这让他感到震惊。
他对雪晶无穷无尽的形状感到惊讶，他开始 通过创建一个生长雪花的实验室来了解它们的性质。 多年观察的结果帮助创建了一个作者本人认为具有突破性的模型。 他提出了基于表面能的分子扩散的思想。 这个想法描述了雪晶的生长如何取决于初始条件和形成雪晶的分子的行为。
想象一下，当水蒸气刚刚开始冻结时，水分子的位置是松散的。 如果您可以在一个微型天文台内观察这个过程，您可以看到冻结的水分子如何开始形成刚性晶格，其中每个氧原子都被四个氢原子包围。 这些晶体通过将周围空气中的水分子纳入其结构中来生长。 它们可以向两个主要方向生长：向上或向外。
当边缘形成速度快于晶体的两个面时，就会形成薄而扁平的晶体（层状或星形）。 生长的晶体将向外扩散。 然而，当它的表面生长得比边缘快时，晶体就会长得更高，形成针、空心柱或棒。
罕见的雪花形式
再过一会儿。 请注意第三张照片，由 Libbrecht 在安大略省北部拍摄。 这是一种“封闭柱”晶体 - 两个板附在厚柱状晶体的两端。 在这种情况下，每个板被分成一对薄得多的板。 仔细观察边缘，您会看到盘子是如何分成两部分的。 这两块薄板的边缘大约像剃须刀刀片一样锋利。 冰柱总长度约为1,5毫米。
根据利布雷希特的模型，水蒸气首先沉积在晶体的角落，然后沿着表面扩散（扩散）到晶体的边缘或表面，导致晶体向外或向上生长。 这些过程中哪一个“获胜”主要取决于温度。
应该指出的是，该模型是“半经验的”。 也就是说，它的部分结构是为了与正在发生的事情相对应，而不是为了解释雪花生长的原理。 无数分子之间的不稳定性和相互作用太复杂，无法完全阐明。 然而，利布雷希特的想法仍有望成为冰生长动力学综合模型的基础，该模型可以通过更详细的测量和实验来详细说明。
人们不应该认为这些观察结果只对一小部分科学家感兴趣。 凝聚态物理学和其他领域也存在类似的问题。 药物分子、计算机半导体芯片、太阳能电池和许多其他行业都依赖于高质量的晶体，整个团队都致力于生长它们。 因此，利布雷希特深受喜爱的雪花很可能有益于科学。
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来源： habr.com