今年冬天俄羅斯中部地區降雪量不足。當然，有些地方會下雪，但一月可能會出現更多的霜凍和降雪天氣。暗淡的灰色和令人不快的雪泥讓你無法感受到平常冬天的樂趣。這就是為什麼 Cloud4Y 提議透過談論…雪花為我們的生活增添一點雪。
人們相信雪花只有兩種類型。一位有時被稱為雪花物理學「之父」的科學家提出了一種新理論來解釋原因。 是一個了不起的人，他準備在隆冬離開陽光溫暖的南加州，前往費爾班克斯（阿拉斯加州），穿上溫暖的夾克，坐在冰凍的田野裡，手裡拿著相機和一塊泡沫。
為了什麼？他尋找大自然所能創造出的最閃亮、最有質感、最美麗的雪花。據他介紹，最有趣的樣本往往形成於最冷的地方——臭名昭著的費爾班克斯和白雪皚皚的紐約北部。肯尼斯見過的最好的雪是在安大略省東北部的科克倫，那裡的微風吹動著雪花從天而降。
利布雷希特對這些元素著迷，他以考古學家般的堅韌研究他的泡沫板。如果那裡有什麼有趣的東西，眼睛肯定會被吸引住。如果沒有，板上的雪就會被掃掉，一切都會重新開始。這持續了幾個小時。
利布雷希特是一位物理學家。一個有趣的巧合是，他在加州理工學院的實驗室致力於太陽內部結構的研究，甚至開發了用於探測重力波的現代儀器。但在過去的 20 年裡，利布雷希特真正熱愛的是雪——不僅僅是它的外觀，還有它看起來如此的原因。 「什麼樣的物體從天上掉下來、它是如何發生的以及為什麼它們看起來像那樣的問題一直困擾著我，」肯尼斯承認。
長期以來，物理學家只要知道在許多微小的雪晶中可以區分出兩種主要類型就足夠了。其中一顆是一顆扁平的星星，有六隻或十二隻手臂，每根手臂都裝飾著令人眼花撩亂的美麗蕾絲。另一種是一種微型柱，有時夾在扁平的“蓋”之間，有時類似於普通的螺栓。這些形狀可以在不同的溫度和濕度下看到，但形成特定形狀的原因一直是個謎。利布雷希特多年的觀察有助於更了解雪花的結晶過程。
利布雷希特在這一領域的工作幫助創建了一個新模型，解釋了為什麼雪花和其他雪晶會形成我們習慣看到的形狀。根據他的理論， 2019 年 XNUMX 月在線，描述了水分子在冰點附近的運動（結晶），以及這些分子的特定運動如何產生在不同條件下形成的晶體集合。在他的 Libbrecht 在 540 頁中描述了有關雪晶的所有知識。
六角星
當然，您知道不可能看到兩片相同的雪花（除了在初始階段）。這一事實與晶體在天空中的形成方式有關。雪是在大氣中形成的冰晶的集合，當它們一起落到地球上時，它們會保持其形狀。當大氣足夠冷以防止它們合併或融化成雨夾雪或雨水時，它們就會形成。
儘管可以在單一雲中記錄許多溫度和濕度水平，但對於單一雪花來說，這些變數將是恆定的。這就是為什麼雪花經常對稱生長的原因。另一方面，每一片雪花都暴露在風、陽光和其他因素的作用下。本質上，每個晶體都會受到雲的混亂影響，因此呈現出不同的形式。
根據利布雷希特的研究，最早對這些精緻形式的思考記錄在西元前 135 年。在中國。學者韓胤寫道：“草木之花多為五尖，而雪之花多為六尖。”第一個試圖弄清楚為什麼會發生這種情況的科學家可能是約翰內斯·開普勒，一位德國科學家和博學者。
1611年，開普勒向他的贊助人神聖羅馬帝國皇帝魯道夫二世贈送了一份新年禮物：一個小型的 題為「關於六角形雪花」。
「我帶著恥辱過橋——我沒有帶新年禮物給你！然後一個機會來了！水汽因寒冷而凝結成雪，像雪花一樣落在我的衣服上，它們渾然一體，呈六邊形，帶著蓬鬆的光芒。我向赫拉克勒斯發誓，這裡有一個東西，比任何水滴都小，有形狀，可以作為給虛無愛好者期待已久的新年禮物，配得上一個一無所有、一無所有的數學家，因為它從天而降，其內藏有六角星的模樣！
「雪的形狀像六角星一定是有原因的。這不可能是意外。」約翰內斯·開普勒確信。也許他記得一封來自他同時代的托馬斯·哈里奧特的信，托馬斯·哈里奧特是一位英國科學家和天文學家，也曾擔任探險家沃爾特·羅利爵士的航海家。 1584 年左右，哈里奧特正在尋找在羅利船的甲板上堆疊砲彈的最有效方法。哈里奧特發現六邊形圖案似乎是排列球體的最佳方式，他在與開普勒的通信中討論了這個問題。開普勒想知道雪花中是否會發生類似的情況，以及什麼元素負責產生和維持這六種光線。
雪花形狀
可以說，這是對原子物理原理的初步認識，直到300年後才會被討論。事實上，含有兩個氫原子和一個氧原子的水分子往往會結合在一起形成六角形陣列。開普勒和他的同時代人不知道這有多重要。
正如物理學家所說，由於氫鍵和分子之間的相互作用，我們可以觀察到開放的晶體結構。除了能夠生長雪花之外，六角形結構還使冰的密度低於水，這對地球化學、地球物理學和氣候產生巨大影響。換句話說，如果冰不漂浮，地球上的生命就不可能存在。
但在開普勒的論文之後，觀察雪花更多的是一種嗜好，而不是一門嚴肅的科學。 1880年代，居住在寒冷、常年下雪的美國佛蒙特州傑里科小鎮的威爾遜·本特利（Wilson Bentley）開始用感光底片拍攝雪花。在他死於肺炎之前，他拍攝了 5000 多張照片。
更晚的時候，在 1930 世紀 2 年代，日本研究人員 Ukichiro Nakaya 開始有系統地研究不同類型的雪晶。在本世紀中葉，Nakaya 在實驗室中使用放置在冷藏室中的兔毛來培育雪花。他修改了濕度和溫度設置，種植了基本類型的晶體，並編制了他最初的可能形狀目錄。中谷發現雪花星往往在 -15°C 和 -5°C 時形成。色譜柱在 -30 °C 和約 -XNUMX °C 下形成。
這裡要注意的是，在-2 °C 左右的溫度下，會出現薄板狀的雪花，在-5 °C 時，它們會形成薄柱狀和針狀，當溫度降至-15 °C 時，它們會變得非常薄板，並且在低於 30°C 的溫度下，它們會返回到更厚的柱子。
在低濕度條件下，星形雪花會形成多個分支，類似於六角形板，但在高濕度條件下，它們會變得更加複雜和花邊。
根據利布雷希特的說法，由於中井的工作，出現不同形式的雪花的原因變得更加清晰。人們發現，當邊緣快速向外生長而面緩慢向上生長時，雪晶會發展成扁平的星形和板狀（而不是三維結構）。細柱的生長方式不同，邊緣生長較快，邊緣生長較慢。
同時，影響雪花變成星形還是柱形的基本過程仍不清楚。也許秘密就在於溫度條件。利布雷希特試圖找出這個問題的答案。
雪花食譜
利布雷希特與他的研究小組一起試圖想出雪花的配方。也就是說，可以將一組特定的方程式和參數載入到電腦中，並從人工智慧中獲得各種各樣的雪花。
二十年前，肯尼斯·利布雷希特 (Kenneth Libbrecht) 在了解到一種稱為封閉柱的奇異雪花形狀後開始了他的研究。它看起來像一個線軸或兩個輪子和一個軸。他出生在北方，從未見過這樣的雪花，讓他感到震驚。
他對雪晶無窮無盡的形狀感到驚訝，他開始 透過創建一個生長雪花的實驗室來了解它們的性質。多年觀察的結果幫助創建了一個作者本人認為具有突破性的模型。他提出了基於表面能的分子擴散的思想。這個想法描述了雪晶的生長如何取決於初始條件和形成雪晶的分子的行為。
想像一下，當水蒸氣剛開始凍結時，水分子的位置是鬆散的。如果您可以在微型天文台內觀察這個過程，您可以看到凍結的水分子如何開始形成剛性晶格，其中每個氧原子都被四個氫原子包圍。這些晶體透過將周圍空氣中的水分子納入其結構中來生長。它們可以向兩個主要方向生長：向上或向外。
當邊緣形成速度快於晶體的兩個面時，就會形成薄而扁平的晶體（層狀或星狀）。生長的晶體將向外擴散。然而，當它的表面生長得比邊緣快時，晶體就會長得更高，形成針、空心柱或棒。
罕見的雪花形式
再過一會兒。請注意第三張照片，由 Libbrecht 在安大略省北部拍攝。這是一種「封閉柱」晶體 - 兩個板附在厚柱狀晶體的兩端。在這種情況下，每個板被分成一對薄得多的板。仔細觀察邊緣，您會看到盤子是如何分成兩部分的。這兩塊薄板的邊緣大約像剃刀刀片一樣鋒利。冰柱總長約1,5毫米。
根據利布雷希特的模型，水蒸氣首先沉積在晶體的角落，然後沿著表面擴散（擴散）到晶體的邊緣或表面，導致晶體向外或向上生長。這些過程中哪一個「獲勝」主要取決於溫度。
應該指出的是，該模型是“半經驗的”。也就是說，它的部分結構是為了與正在發生的事情相對應，而不是為了解釋雪花生長的原理。無數分子之間的不穩定性和相互作用太複雜，無法完全闡明。然而，利布雷希特的想法仍有望成為冰生長動力學綜合模型的基礎，該模型可以透過更詳細的測量和實驗來詳細說明。
人們不應該認為這些觀察結果只對一小部分科學家感興趣。凝聚態物理學和其他領域也存在類似的問題。藥物分子、電腦半導體晶片、太陽能電池和許多其他行業都依賴高品質的晶體，整個團隊都致力於生長它們。因此，利布雷希特深受喜愛的雪花很可能有益於科學。
您還可以在博客上閱讀什麼？
→
→
→
→
→
訂閱我們的 -頻道，這樣您就不會錯過下一篇文章！我們每週寫信不超過兩次，而且僅限於公務。順便說一句，如果您還不知道的話，新創公司可以從 Cloud10Y 獲得 000 美元。有興趣的人可以在我們的網站上找到條件和申請表：
來源： www.habr.com