द ग्रेट स्नोफ्लेक थ्योरी

रूस के मध्य भाग में बर्फ इस सर्दियों में पर्याप्त नहीं है। कुछ स्थानों पर, वह निश्चित रूप से गिर गया, लेकिन जनवरी के महीने में एक और अधिक ठंढे और बर्फीले मौसम की उम्मीद कर सकता है। सुस्त ग्रेनेस और अप्रिय स्लेश सामान्य सर्दियों की मस्ती की खुशी को महसूस करना मुश्किल बनाते हैं। इसलिए, Cloud4Y के बारे में बात करके हमारे जीवन में कुछ बर्फ जोड़ने का सुझाव देता है ... बर्फ के टुकड़े।

यह माना जाता है कि केवल दो प्रकार के हिमपात होते हैं। और वैज्ञानिकों में से एक, जिसे कभी-कभी स्नोफ्लेक भौतिकी का "पिता" कहा जाता है, के पास इसका कारण बताने वाला एक नया सिद्धांत है। केनेथ लिब्रेब्रेच एक अद्भुत व्यक्ति है जो फेयरबैंक्स (अलास्का) जाने के लिए सर्दियों के बीच में धूप में गर्म दक्षिणी कैलिफोर्निया को छोड़ने के लिए तैयार है, एक गर्म जैकेट पर रखा गया है और एक जमे हुए क्षेत्र में एक कैमरा और हाथों में फोम का एक टुकड़ा लेकर बैठा है।

क्यों? वह सबसे शानदार, सबसे बनावट, सबसे सुंदर बर्फ के टुकड़े की तलाश कर रहा है जो प्रकृति बना सकती है। उनके अनुसार, सबसे दिलचस्प पैटर्न सबसे ठंडे स्थानों में बनते हैं - कुख्यात फेयरबैंक्स और न्यूयॉर्क के बर्फीले उत्तरी भाग में। सबसे अच्छी बर्फ केनेथ को कभी देखा गया था जो कोचीन में स्थित था, जो उत्तर-पूर्वी ओंटारियो में एक जगह थी, जहाँ एक हल्की हवा आसमान से गिरती हुई बर्फ के टुकड़ों की परिक्रमा करती थी।

एक पुरातत्वविद् की जिद के साथ, लिब्रेब्रेक्ट द्वारा तत्वों से प्रेरित, अपने फोम बोर्ड का अध्ययन करता है। अगर वहां कुछ दिलचस्प है, तो निश्चित रूप से इस पर नज़र डाली जाएगी। यदि नहीं, तो बर्फ बोर्ड से बह गई है, और सब कुछ नए सिरे से शुरू होता है। और यह घंटों तक रहता है।

Libbrecht एक भौतिक विज्ञानी है। एक मजेदार संयोग से, कैलिफोर्निया इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में उनकी प्रयोगशाला सूर्य की आंतरिक संरचना पर शोध कर रही है और यहां तक ​​कि गुरुत्वाकर्षण तरंगों का पता लगाने के लिए उन्नत उपकरण भी विकसित किए हैं। लेकिन पिछले 20 वर्षों में, लिब्रेब्रेच का असली जुनून बर्फ रहा है - न केवल इसकी उपस्थिति, बल्कि यह भी ऐसा दिखता है। "सवाल यह है कि किस तरह की वस्तुएं आकाश से गिरती हैं, यह कैसे होता है और वे इस तरह क्यों दिखते हैं, मुझे हर समय पीड़ा होती है," केनेथ मानते हैं।



लंबे समय तक, भौतिकविदों को पर्याप्त ज्ञान था कि कई छोटे बर्फ के क्रिस्टल के बीच, दो प्रचलित प्रकारों को प्रतिष्ठित किया जा सकता है। उनमें से एक छह या बारह किरणों वाला एक सपाट सितारा है, जिनमें से प्रत्येक को सुंदर फीता के साथ सजाया गया है। दूसरा एक प्रकार का लघु स्तंभ है, कभी-कभी फ्लैट "कैप" के बीच सैंडविच होता है, और कभी-कभी एक नियमित बोल्ट के समान होता है। इन रूपों को विभिन्न तापमानों और आर्द्रता पर देखा जा सकता है, लेकिन एक रूप या किसी अन्य के गठन का कारण एक रहस्य था। लिब्रेब्रेच के अवलोकन के वर्षों ने स्नोफ्लेक्स के क्रिस्टलीकरण की प्रक्रिया को बेहतर ढंग से समझने में मदद की।

इस क्षेत्र में लिब्रेब्रेच के काम ने एक नया मॉडल तैयार करने में मदद की, जो बताता है कि स्नोफ्लेक्स और अन्य स्नो क्रिस्टल क्यों बनते हैं जो हम देखने के आदी हैं। अक्टूबर 2019 में इंटरनेट पर प्रकाशित उनके सिद्धांत के अनुसार, यह हिमांक (क्रिस्टलीकरण) के पास पानी के अणुओं की गति का वर्णन करता है और इन अणुओं के विशिष्ट आंदोलनों से क्रिस्टल के एक सेट को जन्म दिया जा सकता है जो विभिन्न परिस्थितियों में बनते हैं। अपने 540 पन्नों के मोनोग्राफ में, लिब्रेब्रच ने बर्फ के क्रिस्टल के सभी ज्ञान का वर्णन किया है।

छह इंगित सितारे

आप, निश्चित रूप से, जानते हैं कि दो समान स्नोफ्लेक्स (मूल के चरण को छोड़कर) को देखना असंभव है। यह तथ्य इस बात से संबंधित है कि क्रिस्टल आकाश में कैसे बनते हैं। हिमपात बर्फ के क्रिस्टल का एक संचय है जो वायुमंडल में बनता है और जब वे सभी एक साथ पृथ्वी पर गिरते हैं तो अपना आकार बनाए रखते हैं। वे तब बनते हैं जब वायुमंडल ठंडा होता है जो विलय या पिघलने और गीली बर्फ या बारिश में बदलने से रोकता है।

यद्यपि एक बादल के भीतर कई तापमान और आर्द्रता के स्तर दर्ज किए जा सकते हैं, ये चर एक हिमपात का एक खंड के लिए स्थिर रहेंगे। यही कारण है कि एक हिमपात का एक खंड अक्सर सममित रूप से बढ़ता है। दूसरी ओर, हर बर्फ के टुकड़े हवा, धूप और अन्य कारकों के संपर्क में हैं। वास्तव में, प्रत्येक क्रिस्टल बादल की अराजकता के अधीन है, और इसलिए विभिन्न रूप लेता है।

लिब्रेक्ट के एक अध्ययन के अनुसार, इन नाजुक रूपों पर सबसे पहला प्रतिबिंब 135 ईसा पूर्व में दर्ज किया गया था। चीन में। "पौधों और पेड़ों के फूल आमतौर पर पांच-नुकीले होते हैं, लेकिन बर्फ के फूल हमेशा छह-नुकीले होते हैं," हान यिन, एक वैज्ञानिक ने लिखा है। और पहले वैज्ञानिक जिन्होंने यह पता लगाने की कोशिश की कि ऐसा क्यों होता है, शायद जोहान्स केपलर, एक जर्मन वैज्ञानिक और विद्वान थे।

1611 में, केपलर ने अपने संरक्षक, पवित्र रोमन सम्राट रूडोल्फ द्वितीय: को "हेक्सागोनल स्नोफ्लेक्स" नामक एक छोटा सा ग्रंथ , नए साल का उपहार दिया।

“मैं शर्म से तड़पता पुल पार करता हूँ - मैंने तुम्हें नए साल के उपहार के बिना छोड़ दिया! और यहाँ एक अच्छा अवसर मेरे पास आता है! जल वाष्प, बर्फ में ठंड से अधिक मोटा होना, मेरे कपड़े पर बर्फ के टुकड़े, सभी एक, हेक्सागोनल, शराबी किरणों के साथ। मैं हरक्यूलिस की कसम खाता हूं, वह चीज, जो किसी भी बूंद से छोटी है, जिसकी आकृति है, लंबे समय से प्रतीक्षित नए साल के उपहार के रूप में सेवा कर सकता है और कुछ भी नहीं और गणितज्ञ के योग्य है, जिसके पास कुछ भी नहीं है और कुछ भी नहीं प्राप्त करता है, क्योंकि आकाश से गिरता है और एक हेक्सागोनल स्टार की समानता को छुपाता है! "

“वहाँ एक कारण होना चाहिए कि बर्फ में एक हेक्सागोनल स्टार का आकार है। यह एक दुर्घटना नहीं हो सकती है, “जोहान्स केप्लर निश्चित था। शायद उन्होंने अपने समकालीन थॉमस हैरिट, एक अंग्रेजी वैज्ञानिक और खगोलशास्त्री के एक पत्र को याद किया, जो अन्वेषक सर वाल्टर रैले के लिए एक नाविक के रूप में काम करने में कामयाब रहे। 1584 के आसपास, हैरिएट रैले के जहाजों के डेक पर तोप के गोले को ढेर करने के सबसे कुशल तरीके की तलाश में था। हैरियट ने पाया कि हेक्सागोनल पैटर्न को गोले की व्यवस्था करने का सबसे अच्छा तरीका लग रहा था, और उन्होंने केप्लर के पत्राचार में इस मुद्दे पर चर्चा की। केपलर ने आश्चर्यचकित किया कि क्या ऐसा कुछ बर्फ के टुकड़ों में हो रहा था, और धन्यवाद कि किस तत्व से ये छह किरणें प्रकट हुईं और धारण की गईं।


यह कहा जा सकता है कि यह परमाणु भौतिकी के सिद्धांतों की प्रारंभिक समझ थी, जिस पर 300 वर्षों के बाद ही चर्चा होगी। दरअसल, अपने दो हाइड्रोजन परमाणुओं और एक ऑक्सीजन के साथ पानी के अणु मिलकर हेक्सागोनल सरणियों का निर्माण करते हैं। केपलर और उनके समकालीनों को भी यह एहसास नहीं था कि यह कितना महत्वपूर्ण है।

जैसा कि भौतिक विज्ञानी कहते हैं, हाइड्रोजन बंधन और एक दूसरे के साथ अणुओं की बातचीत के लिए धन्यवाद, हम एक खुले क्रिस्टलीय संरचना का निरीक्षण कर सकते हैं। स्नोफ्लेक्स बढ़ने की क्षमता के अलावा, हेक्सागोनल संरचना पानी की तुलना में बर्फ को कम घना बनाती है, जिसका भू-रसायन, भूभौतिकी और जलवायु पर भारी प्रभाव पड़ता है। दूसरे शब्दों में, यदि बर्फ नहीं तैरती, तो पृथ्वी पर जीवन असंभव होता।

लेकिन केप्लर के ग्रंथ के बाद, बर्फ के टुकड़ों का अवलोकन एक गंभीर विज्ञान की तुलना में अधिक शौक था। 1880 के दशक में, विल्सन बेंटले नाम का एक अमेरिकी फोटोग्राफर, जो जेरिको (वर्मोंट, यूएसए) के ठंडे, बर्फीले छोटे शहर में रहता था, ने फोटोग्राफिक प्लेटों का उपयोग करके बर्फ के टुकड़े की तस्वीरें लेना शुरू किया। वह निमोनिया से मरने से पहले 5,000 से अधिक तस्वीरें बनाने में कामयाब रहे।



बाद में भी, 1930 के दशक में, जापानी शोधकर्ता उकिचिरो नकाया ने विभिन्न प्रकार के बर्फ क्रिस्टल का एक व्यवस्थित अध्ययन शुरू किया। सदी के मध्य में, नाकाया ने प्रयोगशाला में बर्फ के टुकड़े उगाए और अलग-अलग खरगोश के बाल का इस्तेमाल किया। वह नमी और तापमान सेटिंग्स से लड़ता था, क्रिस्टल के मुख्य प्रकारों को बढ़ाता था, और संभव आकृतियों के अपने मूल कैटलॉग को एक साथ रखता था। नकाया ने पता लगाया कि स्टार स्नोफ्लेक्स -2 डिग्री सेल्सियस और -15 डिग्री सेल्सियस पर बनता है। कॉलम -5 डिग्री सेल्सियस और लगभग -30 डिग्री सेल्सियस पर बनता है।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि बर्फ के टुकड़ों के लगभग -2 ° C पतले प्लेट के आकार के तापमान पर, -5 ° C तापमान पर वे पतले स्तंभ और सुइयाँ बनाते हैं, जब तापमान -15 ° C तक गिर जाता है, तो वे वास्तव में पतली प्लेट बन जाते हैं, और तापमान कम हो जाता है। 30 ° C वे मोटे स्तंभों पर लौटते हैं।



कम आर्द्रता की स्थितियों में, स्टार स्नोफ्लेक्स कई शाखाएं बनाते हैं और हेक्सागोनल प्लेटों से मिलते जुलते हैं, लेकिन उच्च आर्द्रता पर वे अधिक जटिल, फीता बन जाते हैं।

लिब्रेब्रेच के अनुसार, बर्फ के विभिन्न रूपों के दिखने के कारण नकई के काम की बदौलत अधिक स्पष्ट हो गए। यह पाया गया कि बर्फ के क्रिस्टल समतल तारों और प्लेटों (तीन आयामी संरचनाओं के बजाय) में बदल जाते हैं, जब किनारे जल्दी से बाहर की ओर बढ़ते हैं, और चेहरे धीरे-धीरे बड़े होते हैं। तेजी से बढ़ते चेहरे और अधिक धीरे-धीरे बढ़ते किनारों के साथ पतले कॉलम अलग-अलग बढ़ते हैं।

इसी समय, मुख्य प्रक्रियाएं जो प्रभावित करती हैं कि क्या एक हिमपात का एक तारा बन जाता है या एक स्तंभ अस्पष्ट बना हुआ है। शायद तापमान की स्थिति में रहस्य छिपा हुआ था। और लिब्रेब्रेच ने इस प्रश्न का उत्तर खोजने की कोशिश की।

स्नोफ्लेक रेसिपी

शोधकर्ताओं की अपनी छोटी टीम के साथ, लिब्रेब्रेच एक स्नोफ्लेक नुस्खा के साथ आने की कोशिश कर रहा था। यही है, समीकरणों और मापदंडों का एक निश्चित सेट जिसे कंप्यूटर पर डाउनलोड किया जा सकता है और एआई से हिमपात का एक बड़ा हिस्सा प्राप्त किया जा सकता है।

केनेथ लिब्रेब्रेच ने बीस साल पहले अपने शोध की शुरुआत की थी, जो बर्फ़ के गुच्छों के विदेशी रूप के बारे में सीखते थे, जिसे बंद स्तंभ कहा जाता है। यह धागे या दो पहियों के एक स्पूल और एक एक्सल की तरह दिखता है। देश के उत्तर में जन्मे, वह इस तथ्य से हैरान था कि उसने कभी ऐसा हिमपात नहीं देखा था।

बर्फ के क्रिस्टल के अंतहीन रूपों से टकराते हुए, उन्होंने अपनी प्रकृति का अध्ययन करना शुरू कर दिया, जिससे बढ़ते बर्फ के टुकड़े के लिए एक प्रयोगशाला बनाई गई। कई वर्षों के अवलोकन के परिणामों ने एक मॉडल बनाने में मदद की है जिसे लेखक स्वयं एक सफलता मानता है। उन्होंने सतह की ऊर्जा के आधार पर आणविक प्रसार के विचार का प्रस्ताव रखा। यह विचार बताता है कि बर्फ के क्रिस्टल की वृद्धि प्रारंभिक स्थितियों और इसे बनाने वाले अणुओं के व्यवहार पर निर्भर करती है।



कल्पना करें कि पानी के अणु स्वतंत्र रूप से स्थित हैं, क्योंकि जल वाष्प बस जमने लगा है। यदि आप एक छोटे वेधशाला के अंदर हो सकते हैं और इस प्रक्रिया को देख सकते हैं, तो आप देख सकते हैं कि कैसे जमे हुए पानी के अणु एक कठोर जाली बनाने लगते हैं, जहाँ प्रत्येक ऑक्सीजन परमाणु चार हाइड्रोजन परमाणुओं से घिरा होता है। ये क्रिस्टल आसपास की हवा से पानी के अणुओं को अपनी संरचना में शामिल करके बढ़ते हैं। वे दो मुख्य दिशाओं में बढ़ सकते हैं: ऊपर या बाहर।

एक पतली सपाट क्रिस्टल (लैमेलर या स्टार के आकार का) का निर्माण तब होता है जब किनारों का निर्माण क्रिस्टल के दो चेहरों की तुलना में तेजी से होता है। एक बढ़ता हुआ क्रिस्टल बाहर की ओर फैल जाएगा। हालांकि, जब इसके चेहरे अपने किनारों की तुलना में तेजी से बढ़ते हैं, तो क्रिस्टल लंबा हो जाता है, जिससे सुई, खोखले स्तंभ या रॉड बनते हैं।


एक और पल। उत्तरी ओंटारियो में लिबरेक्ट द्वारा ली गई तीसरी तस्वीर पर ध्यान दें। यह एक "बंद स्तंभ" क्रिस्टल है - एक मोटी स्तंभ क्रिस्टल के सिरों से जुड़ी दो प्लेटें। इस मामले में, प्रत्येक प्लेट को बहुत पतले प्लेटों की एक जोड़ी में विभाजित किया जाता है। किनारों पर करीब से देखें, आप देखेंगे कि प्लेट को दो में कैसे विभाजित किया गया है। इन दोनों पतली प्लेटों का किनारा रेजर ब्लेड जितना तेज होता है। बर्फ स्तंभ की कुल लंबाई लगभग 1.5 मिमी है।

लिब्रेब्रेट मॉडल के अनुसार, जल वाष्प पहले क्रिस्टल के कोनों पर बसता है, और फिर सतह के साथ या तो फैलता है (फैलता है) या तो क्रिस्टल के किनारे या उसके चेहरे पर, जिससे क्रिस्टल बाहर या ऊपर की ओर बढ़ता है। इनमें से कौन सी प्रक्रिया "जीत" मुख्य रूप से तापमान पर निर्भर करती है।

यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि मॉडल अर्ध-अनुभवजन्य है। यही है, यह आंशिक रूप से निर्मित है, ताकि जो हो रहा है, उसके अनुरूप हो, और बर्फबारी के विकास के सिद्धांतों की व्याख्या न कर सके। अनगिनत अणुओं के बीच अस्थिरता और बातचीत पूरी तरह से उजागर करने के लिए बहुत जटिल हैं। हालांकि, इस बात की उम्मीद बनी हुई है कि लिब्रेब्रेच के विचार बर्फ के विकास के एक व्यापक मॉडल के आधार के रूप में काम करेंगे, जिसे अधिक विस्तृत माप और प्रयोगों का उपयोग करके विस्तृत किया जा सकता है।

ऐसा मत सोचो कि ये अवलोकन वैज्ञानिकों के एक संकीर्ण दायरे के लिए रुचि रखते हैं। इसी तरह के प्रश्न संघनित भौतिकी और अन्य क्षेत्रों में भी उठते हैं। कंप्यूटर, सौर कोशिकाओं और कई अन्य उद्योगों के लिए ड्रग अणु, अर्धचालक चिप्स उच्च गुणवत्ता वाले क्रिस्टल पर निर्भर करते हैं, और पूरे समूह उन्हें विकसित करने के मुद्दे पर काम कर रहे हैं। लिब्राब्रत द्वारा प्रिय रूप से प्रिय स्नोफ्लेक्स विज्ञान के लाभ के लिए अच्छी तरह से काम कर सकते हैं।

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