الثلوج في الجزء الأوسط من روسيا ليست كافية هذا الشتاء. في بعض الأماكن سقط ، بالطبع ، ولكن في شهر يناير ، يمكن للمرء أن يتوقع بعض الجو البارد والثلجي. تجعل الألوان الرمادية الباهتة والبطيئة غير السارة الشعور بفرحة المرح الشتوي المعتاد. لذلك ، يقترح Cloud4Y إضافة بعض الثلج إلى حياتنا من خلال الحديث عن ... رقاقات الثلج. ويعتقد أن هناك نوعين فقط من الثلج. وأحد العلماء ، الذي يُطلق عليه أحيانًا "أب" فيزياء ندفة الثلج ، لديه نظرية جديدة تشرح سبب ذلك.
كينيث ليبريشت هو شخص مذهل ومستعد لمغادرة جنوب كاليفورنيا الذي تسخينه الشمس في منتصف الشتاء للوصول إلى فيربانكس (ألاسكا) ، وارتداء سترة دافئة والجلوس في حقل متجمد مع كاميرا وقطعة من الرغوة في يديه.
لماذا؟ إنه يبحث عن رقاقات الثلج الأكثر تألقًا والأكثر جمالا وأجمل التي يمكن أن تخلقها الطبيعة. ووفقا له ، فإن الأنماط الأكثر إثارة للاهتمام تميل إلى تشكيل في أبرد الأماكن - فيربانكس سيئة السمعة وفي الجزء الشمالي الثلجي من نيويورك. كان أفضل ثلج شاهده كينيث على الإطلاق في كوكرين ، وهو مكان يقع في شمال شرق أونتاريو ، حيث حلقت رياح خفيفة تساقط الثلوج من السماء.
مفتونًا بالعناصر ، يدرس ليبريشت ، بعناد عالم الآثار ، لوحة الرغوة الخاصة به. إذا كان هناك شيء مثير للاهتمام هناك ، فستظهر النظرة بالتأكيد. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فإن الثلوج جرفت من على السبورة ، وكل شيء يبدأ من جديد. ويستمر لساعات.
ليبريشت هو فيزيائي. من قبيل الصدفة المضحكة ، قام مختبره في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا بالبحث في البنية الداخلية للشمس وحتى أنه طور أدوات متطورة للكشف عن موجات الجاذبية. لكن خلال العشرين عامًا الماضية ، كان الشغف الحقيقي لليبريشت هو الثلج - ليس فقط مظهره ، ولكن أيضًا ما الذي يجعله يبدو هكذا. يعترف كينيث قائلاً: "مسألة نوع الأشياء التي تسقط من السماء ، وكيف يحدث هذا ولماذا تبدو هكذا ، تعذبني طوال الوقت".
لفترة طويلة ، كان لدى الفيزيائيين معرفة كافية بأنه من بين العديد من بلورات الثلج الصغيرة ، يمكن تمييز نوعين سائدين. إحداها نجمة مسطحة بستة أو اثني عشر شعاعًا ، كل منها مزين بدانتيل جميل مذهل. والآخر هو نوع من الأعمدة المصغرة ، محصور في بعض الأحيان بين "أغطية" مسطحة ، وأحيانًا يشبه الترباس العادي. يمكن رؤية هذه الأشكال في درجات حرارة ورطوبة مختلفة ، لكن سبب تكوين شكل أو آخر كان لغزًا. ساعدت سنوات مراقبة Libbrecht على فهم عملية بلورة الثلج بشكل أفضل.
ساعد عمل Libbrecht في هذا المجال على إنشاء نموذج جديد يشرح لماذا تشكل الثلج والبلورات الثلجية الأخرى ما اعتدنا على رؤيته. وفقًا لنظريته ،
المنشورة على الإنترنت في أكتوبر 2019 ، فهي تصف حركة جزيئات الماء بالقرب من نقطة التجمد (التبلور) وكيف يمكن أن تؤدي حركات معينة من هذه الجزيئات إلى مجموعة من البلورات التي تتشكل في ظل ظروف مختلفة. في كتابه المؤلف من 540 صفحة
، يصف ليبريخت كل معرفة بلورات الثلج.
ستة نجوم مدببة
أنت تعلم ، بالطبع ، أنه من المستحيل رؤية اثنين من رقاقات الثلج المتماثلة (باستثناء مرحلة الأصل). هذه الحقيقة مرتبطة بكيفية تشكيل البلورات في السماء. الثلج هو تراكم للبلورات الجليدية التي تتشكل في الغلاف الجوي وتحتفظ بشكلها عندما تسقط جميعها على الأرض معًا. تتشكل عندما يكون الجو باردًا بدرجة كافية لمنع الاندماج أو الانصهار والتحول إلى ثلوج أو أمطار مبللة.
على الرغم من أنه يمكن تسجيل العديد من درجات الحرارة ومستويات الرطوبة داخل سحابة واحدة ، إلا أن هذه المتغيرات ستكون ثابتة بالنسبة لثلج واحد. هذا هو السبب في أن ندفة الثلج غالبا ما تنمو بشكل متناظر. من ناحية أخرى ، يتعرض كل ندفة ثلجية للرياح وأشعة الشمس وعوامل أخرى. في الواقع ، كل الكريستال يخضع لفوضى السحابة ، وبالتالي يأخذ أشكالا مختلفة.
وفقا لدراسة أجرتها Libbrecht ، تم تسجيل انعكاس أقرب على هذه الأشكال الحساسة في 135 قبل الميلاد. في الصين. وكتب هان يين ، عالم ، يقول: "إن زهور النباتات والأشجار عادة ما تكون خماسية الخيط ، لكن زهور الثلج تكون دائمًا خماسية الرؤوس". وربما كان يوهانس كبلر ، العالم الألماني والباحث ، أول علماء حاولوا معرفة سبب حدوث ذلك.
في عام 1611 ، قدم كيبلر هدية رأس السنة لرعايته ، الإمبراطور الروماني المقدس رودولف الثاني:
أطروحة صغيرة بعنوان "على ثلج سداسي".
"لقد عبرت الجسر المعذّب من العار - تركتك دون هدية العام الجديد! وهنا فرصة جيدة تأتي لي! يسقط بخار الماء ، الذي يثخن من البرد في الثلج ، رقاقات الثلج على ملابسي ، كلها واحدة ، سداسية ، بأشعة رقيقة. أقسم لـ Hercules ، أن هذا الشيء ، الذي هو أصغر من أي قطرة ، له شكل ، ويمكن أن يكون بمثابة هدية السنة الجديدة التي طال انتظارها لمحبي Nothing ويستحق عالم رياضيات ليس لديه شيء ولا يتلقى أي شيء ، نظرًا لأنه يسقط من السماء ويخفي مظهر نجمة سداسية! "
"يجب أن يكون هناك سبب يجعل الثلج على شكل نجمة سداسية. لا يمكن أن يكون هذا حادثًا. "كان يوهانس كبلر متأكدًا. ربما تذكر رسالة من مؤلفه المعاصر توماس هاريوت ، العالم الإنجليزي وعلم الفلك الذي تمكن أيضًا من العمل كملاح للمستكشف السير والتر رالي. في حوالي عام 1584 ، كان Harriot يبحث عن الطريقة الأكثر فاعلية في تكديس الكرات المدفعية على أسطح سفن Raleigh. اكتشف Harriot أن الأنماط السداسية تبدو أفضل طريقة لترتيب المجالات ، وناقش هذه المسألة في مراسلات Kepler. تساءل كيبلر عما إذا كان هناك شيء مثل هذا يحدث في رقاقات الثلج ، وبفضل العنصر الذي ظهرت عليه هذه الأشعة الستة.
يمكن القول أن هذا كان فهمًا أوليًا لمبادئ الفيزياء الذرية ، والتي لن تتم مناقشتها إلا بعد 300 عام. في الواقع ، تميل جزيئات الماء مع ذرتين الهيدروجين والأكسجين الواحد إلى التآلف معًا لتكوين صفائف سداسية. لم يدرك كيبلر ومعاصروه مدى أهمية ذلك.
كما يقول الفيزيائيون ، وبفضل رابطة الهيدروجين وتفاعل الجزيئات مع بعضها البعض ، يمكننا ملاحظة بنية بلورية مفتوحة. بالإضافة إلى القدرة على زراعة رقاقات الثلج ، فإن الهيكل السداسي يجعل الجليد أقل كثافة من الماء ، والذي له تأثير كبير على الجيوكيمياء والجيوفيزياء والمناخ. بمعنى آخر ، إذا لم يسبح الثلج ، فستكون الحياة على الأرض مستحيلة.
ولكن بعد أطروحة كيبلر ، كانت مراقبة رقاقات الثلج مجرد هواية أكثر من كونها علمًا جادًا. في الثمانينيات من القرن التاسع عشر ، بدأ مصور أمريكي يدعى ويلسون بنتلي ، الذي عاش في مدينة أريحا الصغيرة الثلجية الأبدية في أريحا (فيرمونت ، الولايات المتحدة الأمريكية) بالتقاط صور لرقائق الثلج باستخدام لوحات فوتوغرافية. تمكن من إنشاء أكثر من 5000 صورة قبل موت الالتهاب الرئوي.
حتى في وقت لاحق ، في عام 1930 ، بدأ الباحث الياباني أوكيشيرو ناكايا دراسة منهجية لأنواع مختلفة من بلورات الثلج. في منتصف القرن ، نبت ناكايا رقاقات الثلج في المختبر باستخدام شعر أرنب منفصل يوضع في غرفة مبردة. لقد تخبط مع إعدادات الرطوبة ودرجة الحرارة ، مما أدى إلى نمو الأنواع الرئيسية من البلورات ، ووضع كتالوجه الأصلي للأشكال الممكنة. اكتشف ناكايا أن رقائق الثلج النجمية تتشكل عند -2 درجة مئوية و -15 درجة مئوية. تشكل الأعمدة عند -5 درجة مئوية وعند حوالي -30 درجة مئوية
تجدر الإشارة إلى أنه عند درجة حرارة تبلغ حوالي -2 درجة مئوية ، تظهر أشكال رقيقة من الثلج على شكل صفيحة ، عند درجة حرارة -5 درجة مئوية ، تُنشئ أعمدة رقيقة وإبر ، وعندما تنخفض درجة الحرارة إلى -15 درجة مئوية ، تصبح ألواح رقيقة بالفعل ، وفي درجة حرارة أقل 30 درجة مئوية يعودون إلى أعمدة أكثر سمكا.
في ظروف الرطوبة المنخفضة ، تشكل رقاقات الثلج النجمية عدة فروع وتشبه الصفائح السداسية ، لكن عند درجة رطوبة عالية تصبح أكثر تعقيدًا ، ودانتيل.
وفقًا لـ Libbrecht ، فإن أسباب ظهور أشكال مختلفة من رقاقات الثلج أصبحت أكثر وضوحًا بفضل عمل Nakai. لقد وجد أن بلورات الثلج تتحول إلى نجوم وألواح مسطحة (بدلاً من هياكل ثلاثية الأبعاد) ، عندما تنمو الحواف بسرعة للخارج وتنمو الوجوه ببطء. تنمو الأعمدة الرقيقة بشكل مختلف ، مع وجود وجوه سريعة النمو وحواف تنمو ببطء أكثر.
في الوقت نفسه ، بقيت العمليات الرئيسية التي تؤثر على ما إذا كانت ندفة الثلج نجمة أو عمودًا غير واضحة. ربما تم إخفاء السر في ظروف الحرارة. وحاول ليبريشت العثور على إجابة لهذا السؤال.
ندفة الثلج وصفة
جنبا إلى جنب مع فريقه الصغير من الباحثين ، حاول ليبريخت التوصل إلى وصفة من ندفة الثلج. وهذا هو ، مجموعة معينة من المعادلات والمعلمات التي يمكن تنزيلها على جهاز كمبيوتر وتلقيها من AI مجموعة كبيرة ومتنوعة من رقاقات الثلج.
بدأ كينيث ليبريخت بحثه منذ عشرين عامًا ، حيث تعلم الشكل الغريب لرقائق الثلج ، التي يطلق عليها العمود المغلق. يبدو وكأنه بكرة من الخيط أو عجلتين ومحور. ولد في شمال البلاد ، وقد صدم من حقيقة أنه لم ير قط مثل هذه ندفة الثلج.
بدأ صدمت من الأشكال التي لا نهاية لها من بلورات الثلج ،
لدراسة طبيعتها ، وإنشاء مختبر لزراعة الثلج. وقد ساعدت نتائج سنوات عديدة من الملاحظات على إنشاء نموذج يعتبره المؤلف نفسه طفرة. اقترح فكرة الانتشار الجزيئي على أساس الطاقة السطحية. تصف هذه الفكرة كيف يعتمد نمو بلورة الثلج على الظروف الأولية وسلوك الجزيئات التي تشكلها.
تخيل أن جزيئات الماء موجودة بحرية ، لأن بخار الماء بدأ للتو في التجمد. إذا كان بإمكانك أن تكون داخل مرصد صغير ونظرت إلى هذه العملية ، يمكنك أن ترى كيف تبدأ جزيئات الماء المتجمد في تكوين شبكة صلبة ، حيث تحيط كل ذرة أكسجين بأربع ذرات هيدروجين. تنمو هذه البلورات عن طريق دمج جزيئات الماء من الهواء المحيط في بنيتها. يمكن أن تنمو في اتجاهين رئيسيين: أعلى أو خارج.
تتشكل بلورة مسطحة رفيعة (صفائحية أو على شكل نجمة) عندما تتشكل الحواف بشكل أسرع من وجهي البلورة. سوف تنمو الكريستال المتزايد الخارج. ومع ذلك ، عندما تنمو وجوهها بشكل أسرع من حوافها ، تصبح البلورة أطول ، وتشكل إبرة أو عمودًا مجوفًا أو قضيبًا.
لحظة أخرى. لاحظ الصورة الثالثة التي التقطتها ليبريخت في شمال أونتاريو. هذا عبارة عن بلورة "عمود مغلق" - لوحان متصلان بنهايات بلورة عمودية سميكة. في هذه الحالة ، يتم تقسيم كل لوحة إلى زوج من لوحات أرق بكثير. نلقي نظرة فاحصة على الحواف ، سترى كيف يتم تقسيم اللوحة إلى قسمين. إن حواف هاتين الطبقتين الرفيعتين تكون حادة مثل شفرة الشفرة. يبلغ طول العمود الجليدي حوالي 1.5 مم.
وفقًا لنموذج ليبريشت ، يستقر بخار الماء أولاً في زوايا البلورة ، ثم ينتشر (ينتشر) على طول السطح إما إلى حافة البلورة أو على وجوهها ، مما يتسبب في نمو البلورة إلى الخارج أو لأعلى. أي من هذه "العمليات" تعتمد بشكل رئيسي على درجة الحرارة.
تجدر الإشارة إلى أن النموذج شبه تجريبي. بمعنى أنه تم بناؤه جزئيًا بحيث يتوافق مع ما يحدث ، وليس لشرح مبادئ نمو ندفة الثلج. عدم الاستقرار والتفاعلات بين جزيئات لا تعد ولا تحصى معقدة للغاية بحيث لا يمكن اكتشافها بالكامل. ومع ذلك ، لا يزال هناك أمل في أن تكون أفكار Libbrecht بمثابة أساس لنموذج شامل لديناميات نمو الجليد ، والتي يمكن تفصيلها باستخدام قياسات وتجارب أكثر تفصيلاً.
لا أعتقد أن هذه الملاحظات تهم دائرة ضيقة من العلماء. تثور أسئلة مماثلة في فيزياء المادة المختصرة وفي مجالات أخرى. تعتمد جزيئات الأدوية وشرائح أشباه الموصلات لأجهزة الكمبيوتر والخلايا الشمسية والعديد من الصناعات الأخرى على بلورات عالية الجودة ، وتعمل مجموعات بأكملها على مسألة نموها. لذلك فإن الثلج المحبب بشدة من قبل ليبريخت قد يخدم العلم.
ما هو مفيد آخر للقراءة في مدونة Cloud4Y→
الطاقة الشمسية المالحة→
العاهرات في طليعة الأمن السيبرانيالشركات الناشئة التي يمكن أن مفاجأة→
الإنترنت عن طريق البالونات→
هل تحتاج الوسائد في مركز البيانات؟اشترك في قناة
Telegram الخاصة بنا حتى لا يفوتك مقال آخر! نكتب أكثر من مرتين في الأسبوع وفقط في الأعمال. بالمناسبة ، إذا لم تكن على دراية ، يمكن أن تحصل الشركات الناشئة على 10000 دولار من Cloud4Y. الشروط والأحكام لأولئك الذين يرغبون - على موقعنا:
bit.ly/2sj6dPK