Salju di bagian tengah Rusia tidak cukup musim dingin ini. Di beberapa tempat ia jatuh, tentu saja, tetapi di bulan Januari orang bisa mengharapkan cuaca yang lebih dingin dan bersalju. Abu-abu kusam dan lumpur yang tidak menyenangkan membuatnya sulit untuk merasakan kegembiraan dari kesenangan musim dingin yang biasa. Karena itu, Cloud4Y menyarankan untuk menambahkan salju ke kehidupan kita dengan berbicara tentang ... kepingan salju. Diyakini hanya ada dua jenis kepingan salju. Dan salah satu ilmuwan, yang kadang-kadang disebut "bapak" fisika kepingan salju, memiliki teori baru yang menjelaskan alasannya.
Kenneth Libbrecht adalah orang yang luar biasa yang siap untuk meninggalkan California Selatan yang dipanaskan di tengah musim dingin untuk sampai ke Fairbanks (Alaska), mengenakan jaket hangat dan duduk di ladang beku dengan kamera dan sepotong busa di tangannya.
Mengapa Dia mencari kepingan salju yang paling berkilau, paling bertekstur, paling indah yang dapat diciptakan oleh alam. Menurutnya, pola yang paling menarik cenderung terbentuk di tempat terdingin - Fairbanks yang terkenal kejam dan di bagian utara New York yang bersalju. Salju terbaik yang pernah diamati Kenneth adalah di Cochrane, sebuah tempat di timur laut Ontario, tempat angin ringan mengitari kepingan salju yang jatuh dari langit.
Terpesona oleh unsur-unsur, Libbrecht, dengan keras kepala seorang arkeolog, mempelajari papan busa. Jika ada sesuatu yang menarik di sana, tampilan itu pasti akan menarik perhatian. Jika tidak, salju tersapu papan, dan semuanya dimulai lagi. Dan itu berlangsung berjam-jam.
Libbrecht adalah seorang ahli fisika. Dengan kebetulan yang lucu, laboratoriumnya di California Institute of Technology telah meneliti struktur internal Matahari dan bahkan telah mengembangkan instrumen canggih untuk mendeteksi gelombang gravitasi. Tapi 20 tahun terakhir, gairah sejati Libbrecht adalah salju - tidak hanya penampilannya, tetapi juga apa yang membuatnya terlihat seperti itu. "Pertanyaan tentang benda seperti apa yang jatuh dari langit, bagaimana ini terjadi dan mengapa mereka terlihat seperti itu, menyiksaku sepanjang waktu," aku Kenneth.
Untuk waktu yang lama, fisikawan memiliki pengetahuan yang cukup bahwa di antara banyak kristal salju kecil, dua jenis yang ada dapat dibedakan. Salah satunya adalah bintang datar dengan enam atau dua belas sinar, yang masing-masing dihiasi dengan renda indah yang memusingkan. Yang lainnya adalah semacam miniatur kolom, kadang-kadang terjepit di antara "topi" datar, dan kadang-kadang mirip dengan baut biasa. Bentuk-bentuk ini dapat dilihat pada suhu dan kelembaban yang berbeda, tetapi alasan pembentukan satu bentuk atau lainnya adalah misteri. Pengamatan Libbrecht selama bertahun-tahun membantu untuk lebih memahami proses kristalisasi kepingan salju.
Karya Libbrecht di bidang ini membantu menciptakan model baru yang menjelaskan mengapa butiran salju dan kristal salju lainnya membentuk apa yang biasa kita lihat. Menurut teorinya, yang
diterbitkan di Internet pada Oktober 2019, ia menggambarkan pergerakan molekul air di dekat titik beku (kristalisasi) dan bagaimana gerakan spesifik molekul-molekul ini dapat memunculkan sekumpulan kristal yang terbentuk dalam kondisi berbeda. Dalam
monograf setebal 540 halamannya
, Libbrecht menjelaskan semua pengetahuan tentang kristal salju.
Enam bintang runcing
Anda, tentu saja, tahu bahwa tidak mungkin melihat dua kepingan salju yang identik (kecuali pada tahap asal). Fakta ini terkait dengan bagaimana kristal terbentuk di langit. Salju adalah akumulasi kristal es yang terbentuk di atmosfer dan mempertahankan bentuknya ketika semuanya jatuh ke Bumi bersama. Mereka terbentuk ketika atmosfer cukup dingin untuk mencegah penggabungan atau pencairan dan berubah menjadi salju atau hujan basah.
Meskipun banyak suhu dan tingkat kelembaban dapat direkam dalam satu awan, variabel-variabel ini akan konstan untuk satu kepingan salju. Inilah sebabnya mengapa kepingan salju sering tumbuh secara simetris. Di sisi lain, setiap kepingan salju terkena angin, sinar matahari dan faktor-faktor lainnya. Bahkan, setiap kristal tunduk pada kekacauan awan, dan karenanya mengambil berbagai bentuk.
Menurut sebuah studi oleh Libbrecht, refleksi paling awal pada bentuk-bentuk halus ini dicatat pada 135 SM. di Cina. “Bunga-bunga tanaman dan pohon biasanya berlekuk lima, tetapi bunga salju selalu berujung enam,” tulis Han Yin, seorang ilmuwan. Dan ilmuwan pertama yang mencoba mencari tahu mengapa ini terjadi mungkin adalah Johannes Kepler, seorang ilmuwan dan sarjana Jerman.
Pada 1611, Kepler mempersembahkan hadiah Tahun Baru kepada pelindungnya, Kaisar Romawi Suci Rudolph II:
risalah kecil berjudul "On Hexagonal Snowflakes".
"Aku menyeberangi jembatan tersiksa oleh rasa malu - aku meninggalkanmu tanpa hadiah Tahun Baru! Dan di sini kesempatan baik datang kepada saya! Uap air, menebal dari dingin di salju, menjatuhkan kepingan salju di pakaian saya, semua menjadi satu, heksagonal, dengan sinar lembut. Saya bersumpah kepada Hercules, benda itu, yang lebih kecil daripada tetesan apa pun, memiliki bentuk, dapat berfungsi sebagai hadiah Tahun Baru yang telah lama ditunggu-tunggu bagi pencinta Nothing dan layak bagi seorang ahli matematika yang memiliki Nothing dan menerima Nothing, karena ia jatuh dari langit dan menyembunyikan kemiripan bintang heksagonal! ”
“Pasti ada alasan mengapa salju memiliki bentuk bintang heksagonal. Ini bukan kecelakaan, ”Johannes Kepler yakin. Mungkin dia ingat surat dari Thomas Harriot sezamannya, seorang ilmuwan dan astronom Inggris yang juga berhasil bekerja sebagai navigator untuk penjelajah Sir Walter Raleigh. Sekitar tahun 1584, Harriot mencari cara paling efisien untuk menumpuk bola meriam di geladak kapal Raleigh. Harriot menemukan bahwa pola heksagonal tampaknya merupakan cara terbaik untuk mengatur bola, dan ia membahas masalah ini dalam korespondensi Kepler. Kepler bertanya-tanya apakah sesuatu seperti ini terjadi di kepingan salju, dan berkat elemen mana keenam sinar ini muncul dan ditahan.
Dapat dikatakan bahwa ini adalah pemahaman awal tentang prinsip-prinsip fisika atom, yang akan dibahas hanya setelah 300 tahun. Memang, molekul air dengan dua atom hidrogen dan satu oksigen cenderung bergabung bersama untuk membentuk array heksagonal. Kepler dan orang-orang sezamannya bahkan tidak menyadari betapa pentingnya hal ini.
Seperti yang dikatakan oleh fisikawan, berkat ikatan hidrogen dan interaksi molekul satu sama lain, kita dapat mengamati struktur kristal terbuka. Selain kemampuan menumbuhkan kepingan salju, struktur heksagonal membuat es kurang padat daripada air, yang memiliki dampak besar pada geokimia, geofisika, dan iklim. Dengan kata lain, jika es tidak berenang, kehidupan di Bumi tidak mungkin terjadi.
Tetapi setelah risalah Kepler, mengamati kepingan salju lebih merupakan hobi daripada ilmu yang serius. Pada tahun 1880-an, seorang fotografer Amerika bernama Wilson Bentley, yang tinggal di kota kecil yang dingin dan bersalju di Jericho (Vermont, AS), mulai mengambil gambar kepingan salju menggunakan pelat fotografi. Dia berhasil membuat lebih dari 5.000 foto sebelum meninggal karena pneumonia.
Bahkan kemudian, pada 1930-an, peneliti Jepang Ukichiro Nakaya memulai studi sistematis berbagai jenis kristal salju. Pada pertengahan abad ini, Nakaya menanam kepingan salju di laboratorium menggunakan bulu kelinci terpisah yang ditempatkan di ruang dingin. Dia meraba-raba dengan pengaturan kelembaban dan suhu, menumbuhkan jenis kristal utama, dan menyusun katalog aslinya bentuk yang mungkin. Nakaya menemukan bahwa kepingan salju bintang cenderung terbentuk pada -2 ° C dan pada -15 ° C. Bentuk kolom pada -5 ° C dan sekitar -30 ° C.
Penting untuk dicatat bahwa pada suhu sekitar -2 ° C bentuk kepingan salju berbentuk pelat tipis muncul, pada -5 ° C mereka menciptakan kolom dan jarum tipis, ketika suhu turun ke -15 ° C, mereka menjadi pelat sangat tipis, dan pada suhu lebih rendah 30 ° C mereka kembali ke kolom yang lebih tebal.
Dalam kondisi kelembaban rendah, butiran salju bintang membentuk beberapa cabang dan menyerupai pelat heksagonal, tetapi pada kelembaban tinggi mereka menjadi lebih rumit, renda.
Menurut Libbrecht, alasan munculnya berbagai bentuk kepingan salju menjadi lebih jelas berkat karya Nakai. Ditemukan bahwa kristal-kristal salju berubah menjadi bintang-bintang dan lempeng-lempeng datar (daripada struktur tiga dimensi), ketika tepinya dengan cepat tumbuh keluar, dan wajah-wajah perlahan-lahan tumbuh. Kolom tipis tumbuh secara berbeda, dengan wajah yang tumbuh cepat dan tepi yang tumbuh lebih lambat.
Pada saat yang sama, proses utama yang mempengaruhi apakah kepingan salju menjadi bintang atau kolom tetap tidak jelas. Mungkin rahasianya tersembunyi dalam kondisi suhu. Dan Libbrecht berusaha menemukan jawaban untuk pertanyaan ini.
Resep kepingan salju
Bersama dengan tim peneliti yang kecil, Libbrecht berusaha membuat resep kepingan salju. Yaitu, seperangkat persamaan dan parameter tertentu yang dapat diunduh ke komputer dan diterima dari AI berbagai macam kepingan salju.
Kenneth Libbrecht memulai penelitiannya dua puluh tahun yang lalu, mempelajari tentang bentuk eksotis kepingan salju, yang disebut kolom tertutup. Itu terlihat seperti gulungan benang atau dua roda dan poros. Dilahirkan di utara negara itu, ia terkejut oleh kenyataan bahwa ia belum pernah melihat kepingan salju seperti itu.
Terperangkap oleh bentuk kristal salju yang tak berujung, ia mulai
mempelajari sifatnya, menciptakan laboratorium untuk menumbuhkan kepingan salju. Hasil pengamatan selama bertahun-tahun telah membantu menciptakan model yang oleh penulis sendiri dianggap sebagai terobosan. Dia mengusulkan gagasan difusi molekuler berdasarkan energi permukaan. Gagasan ini menjelaskan bagaimana pertumbuhan kristal salju tergantung pada kondisi awal dan perilaku molekul yang membentuknya.
Bayangkan molekul air berada bebas, karena uap air baru saja mulai membeku. Jika seseorang dapat berada di dalam sebuah observatorium kecil dan melihat proses ini, seseorang dapat melihat bagaimana molekul-molekul air beku mulai membentuk kisi-kisi yang kaku, di mana setiap atom oksigen dikelilingi oleh empat atom hidrogen. Kristal-kristal ini tumbuh dengan memasukkan molekul-molekul air dari udara di sekitarnya ke dalam strukturnya. Mereka dapat tumbuh dalam dua arah utama: naik atau turun.
Kristal pipih tipis (berbentuk pipih atau bintang) terbentuk ketika ujung-ujungnya terbentuk lebih cepat dari kedua sisi kristal. Kristal yang tumbuh akan menyebar ke luar. Namun, ketika wajahnya tumbuh lebih cepat dari tepinya, kristal menjadi lebih tinggi, membentuk jarum, pilar berongga atau batang.
Momen lain. Perhatikan foto ketiga yang diambil oleh Libbrecht di Ontario utara. Ini adalah kristal “kolom tertutup” - dua lempeng yang melekat pada ujung kristal kolumnar tebal. Dalam hal ini, setiap lempeng dibagi menjadi sepasang lempeng yang jauh lebih tipis. Lihatlah lebih dekat pada tepinya, Anda akan melihat bagaimana piring dibagi menjadi dua. Tepi kedua lempeng tipis ini setajam pisau cukur. Panjang total kolom es sekitar 1,5 mm.
Menurut model Libbrecht, uap air pertama-tama mengendap di sudut-sudut kristal, dan kemudian menyebar (berdifusi) di sepanjang permukaan ke tepi kristal atau ke permukaannya, menyebabkan kristal tumbuh ke luar atau ke atas. Manakah dari proses ini "menang" tergantung terutama pada suhu.
Perlu dicatat bahwa model ini semi-empiris. Artinya, sebagian dibangun agar sesuai dengan apa yang terjadi, dan bukan untuk menjelaskan prinsip-prinsip pertumbuhan kepingan salju. Ketidakstabilan dan interaksi antara molekul yang tak terhitung jumlahnya terlalu rumit untuk dibuka sepenuhnya. Namun, masih ada harapan bahwa ide-ide Libbrecht akan berfungsi sebagai dasar untuk model komprehensif dinamika pertumbuhan es, yang dapat dirinci menggunakan pengukuran dan eksperimen yang lebih rinci.
Jangan berpikir bahwa pengamatan ini menarik bagi kalangan ilmuwan yang sempit. Pertanyaan serupa muncul dalam fisika benda terkondensasi dan di bidang lain. Molekul obat, chip semikonduktor untuk komputer, sel surya dan banyak industri lainnya bergantung pada kristal berkualitas tinggi, dan seluruh kelompok bekerja pada masalah pengembangannya. Jadi, kepingan salju yang sangat dicintai oleh Libbrecht mungkin bermanfaat untuk kepentingan sains.
Apa lagi yang berguna untuk dibaca di blog Cloud4Y→
Energi matahari asin→
Pentester di garis depan keamanan dunia maya→
Startup yang dapat mengejutkan→
Internet dengan balon→
Apakah Anda membutuhkan bantal di pusat data?Berlangganan saluran
Telegram kami agar tidak ketinggalan artikel lain! Kami menulis tidak lebih dari dua kali seminggu dan hanya untuk bisnis. Omong-omong, jika Anda tidak tahu, startup bisa mendapatkan $ 10.000 dari Cloud4Y. Syarat dan ketentuan untuk mereka yang ingin - di situs web kami:
bit.ly/2sj6dPK