A Grande Teoria do Floco de Neve

A neve na parte central da Rússia não é suficiente neste inverno. Em alguns lugares, ele caiu, é claro, mas no mês de janeiro era possível esperar um tempo mais gelado e com neve. O cinza opaco e a lama desagradável tornam difícil sentir a alegria da diversão habitual do inverno. Portanto, o Cloud4Y sugere adicionar um pouco de neve às nossas vidas falando sobre ... flocos de neve.

Acredita-se que existem apenas dois tipos de flocos de neve. E um dos cientistas, que às vezes é chamado de "pai" da física dos flocos de neve, tem uma nova teoria que explica a razão disso. Kenneth Libbrecht é uma pessoa incrível que está pronta para deixar o sul da Califórnia aquecido pelo sol no meio do inverno para chegar a Fairbanks (Alasca), vestir uma jaqueta quente e sentar em um campo congelado com uma câmera e um pedaço de espuma nas mãos.

Porque Ele está procurando os flocos de neve mais brilhantes, texturizados e mais bonitos que a natureza pode criar. Segundo ele, os padrões mais interessantes tendem a se formar nos lugares mais frios - os notórios Fairbanks e na parte nevada do norte de Nova York. A melhor neve que Kenneth já observou foi em Cochrane, um lugar no nordeste de Ontário, onde um vento leve circulava flocos de neve caindo do céu.

Fascinado pelos elementos, Libbrecht, com a teimosia de um arqueólogo, estuda sua prancha de espuma. Se houver algo interessante por lá, o visual certamente o alcançará. Caso contrário, a neve é ​​removida do tabuleiro e tudo começa de novo. E dura por horas.

Libbrecht é um físico. Por uma coincidência engraçada, seu laboratório no Instituto de Tecnologia da Califórnia pesquisou a estrutura interna do Sol e até desenvolveu instrumentos avançados para detectar ondas gravitacionais. Mas nos últimos 20 anos, a verdadeira paixão da Libbrecht tem sido a neve - não apenas sua aparência, mas também o que a torna assim. "A questão de que tipo de objetos caem do céu, como isso acontece e por que eles se parecem com isso me atormenta o tempo todo", admite Kenneth.



Durante muito tempo, os físicos tinham conhecimento suficiente para que, dentre os muitos minúsculos cristais de neve, dois tipos predominantes pudessem ser distinguidos. Um deles é uma estrela plana com seis ou doze raios, cada um deles decorado com rendas estonteantes. A outra é uma espécie de coluna em miniatura, às vezes imprensada entre "tampas" planas, e às vezes semelhante a um parafuso comum. Essas formas podem ser vistas em diferentes temperaturas e umidade, mas o motivo da formação de uma forma ou de outra era um mistério. Os anos de observação da Libbrecht ajudaram a entender melhor o processo de cristalização dos flocos de neve.

O trabalho da Libbrecht nessa área ajudou a criar um novo modelo que explica por que flocos de neve e outros cristais de neve formam o que estamos acostumados a ver. De acordo com sua teoria, publicada na Internet em outubro de 2019, descreve o movimento de moléculas de água perto do ponto de congelamento (cristalização) e como movimentos específicos dessas moléculas podem dar origem a um conjunto de cristais que se formam sob diferentes condições. Em sua monografia de 540 páginas , Libbrecht descreve todo o conhecimento sobre cristais de neve.

Seis estrelas pontiagudas

É claro que você sabe que é impossível ver dois flocos de neve idênticos (exceto no estágio de origem). Este fato está relacionado à forma como os cristais se formam no céu. A neve é ​​um acúmulo de cristais de gelo que se formam na atmosfera e mantêm sua forma quando todos caem juntos na Terra. Eles se formam quando a atmosfera é fria o suficiente para impedir a fusão ou o derretimento e a transformação em neve ou chuva molhada.

Embora muitas temperaturas e níveis de umidade possam ser registrados em uma única nuvem, essas variáveis ​​serão constantes para um único floco de neve. É por isso que um floco de neve geralmente cresce simetricamente. Por outro lado, todo floco de neve é ​​exposto ao vento, luz solar e outros fatores. De fato, cada cristal está sujeito ao caos da nuvem e, portanto, assume várias formas.

Segundo um estudo de Libbrecht, a primeira reflexão sobre essas formas delicadas foi registrada em 135 aC. na China. "As flores das plantas e das árvores são geralmente de cinco pontas, mas as flores da neve são sempre de seis pontas", escreveu Han Yin, um cientista. E o primeiro cientista que tentou descobrir por que isso aconteceu foi provavelmente Johannes Kepler, um cientista e estudioso alemão.

Em 1611, Kepler apresentou um presente de Ano Novo ao seu padroeiro, o Sacro Imperador Romano Rudolph II: um pequeno tratado intitulado "Flocos de neve hexagonais".

“Atravesso a ponte atormentada pela vergonha - deixei você sem um presente de Ano Novo! E aqui surge uma boa oportunidade! O vapor de água, espessado pelo frio na neve, deixa cair flocos de neve em minhas roupas, tudo como um, hexagonal, com raios fofos. Juro por Hércules que essa coisa, que é menor do que qualquer gota, tem uma forma, pode servir como um presente de Ano Novo tão esperado para o amante de Nothing e é digno de um matemático que não tem Nada e nada recebe, já que ele cai do céu e oculta a semelhança de uma estrela hexagonal! ”

“Deve haver uma razão pela qual a neve tem a forma de uma estrela hexagonal. Isso não pode ser um acidente ”, Johannes Kepler tinha certeza. Talvez ele tenha se lembrado de uma carta de seu contemporâneo Thomas Harriot, um cientista e astrônomo inglês que também conseguiu trabalhar como navegador do explorador Sir Walter Raleigh. Por volta de 1584, Harriot estava procurando a maneira mais eficiente de empilhar balas de canhão nos conveses dos navios de Raleigh. Harriot descobriu que os padrões hexagonais pareciam ser a melhor maneira de organizar esferas, e discutiu esse assunto na correspondência de Kepler. Kepler se perguntou se algo assim estava acontecendo nos flocos de neve e, graças a qual elemento esses seis raios apareceram e se sustentaram.


Pode-se dizer que esse foi um entendimento inicial dos princípios da física atômica, que serão discutidos somente após 300 anos. De fato, as moléculas de água com seus dois átomos de hidrogênio e um oxigênio tendem a se unir para formar matrizes hexagonais. Kepler e seus contemporâneos nem perceberam o quanto isso era importante.

Como dizem os físicos, graças à ligação de hidrogênio e à interação de moléculas entre si, podemos observar uma estrutura cristalina aberta. Além da capacidade de produzir flocos de neve, a estrutura hexagonal torna o gelo menos denso que a água, o que tem um enorme impacto na geoquímica, geofísica e clima. Em outras palavras, se o gelo não nadar, a vida na Terra seria impossível.

Porém, após o tratado de Kepler, observar flocos de neve era mais um hobby do que uma ciência séria. Na década de 1880, um fotógrafo americano chamado Wilson Bentley, que vivia na pequena cidade fria e eternamente nevada de Jericho (Vermont, EUA), começou a tirar fotos de flocos de neve usando placas fotográficas. Ele conseguiu criar mais de 5.000 fotografias antes de morrer de pneumonia.



Ainda mais tarde, na década de 1930, o pesquisador japonês Ukichiro Nakaya iniciou um estudo sistemático de vários tipos de cristais de neve. Em meados do século, Nakaya cultivou flocos de neve em laboratório usando pêlos de coelho separados, colocados em uma sala refrigerada. Ele se atrapalhou com as configurações de umidade e temperatura, cultivando os principais tipos de cristais e montando seu catálogo original de formas possíveis. Nakaya descobriu que os flocos de neve estelares tendem a se formar a -2 ° C e a -15 ° C. As colunas se formam a -5 ° C e a cerca de -30 ° C.

É importante notar que, a uma temperatura de cerca de -2 ° C, aparecem formas finas de flocos de neve, a -5 ° C, criam colunas e agulhas finas; quando a temperatura cai para -15 ° C, elas se tornam placas realmente finas e a uma temperatura mais baixa 30 ° C eles retornam para colunas mais espessas.



Em condições de baixa umidade, os flocos de neve estrelados formam vários galhos e se assemelham a placas hexagonais, mas com alta umidade tornam-se mais complicados, rendas.

Segundo Libbrecht, as razões para o aparecimento de várias formas de flocos de neve se tornaram mais claras, precisamente graças ao trabalho de Nakai. Verificou-se que os cristais de neve se transformam em estrelas e placas planas (em vez de estruturas tridimensionais), quando as bordas crescem rapidamente para fora e as faces crescem lentamente. As colunas finas crescem de maneira diferente, com rostos de crescimento rápido e bordas de crescimento mais lento.

Ao mesmo tempo, os principais processos que influenciam se um floco de neve se torna uma estrela ou uma coluna permanecem incertos. Talvez o segredo estivesse oculto em condições de temperatura. E a Libbrecht tentou encontrar a resposta para essa pergunta.

Receita de floco de neve

Juntamente com sua pequena equipe de pesquisadores, Libbrecht estava tentando criar uma receita de floco de neve. Ou seja, um certo conjunto de equações e parâmetros que podem ser baixados em um computador e recebidos da IA ​​uma grande variedade de flocos de neve.

Kenneth Libbrecht iniciou sua pesquisa há vinte anos, aprendendo sobre a forma exótica de flocos de neve, chamada de coluna fechada. Parece um carretel de linha ou duas rodas e um eixo. Nascido no norte do país, ficou chocado com o fato de nunca ter visto um floco de neve.

Impressionado com as infinitas formas de cristais de neve, ele começou a estudar sua natureza, criando um laboratório para o cultivo de flocos de neve. Os resultados de muitos anos de observações ajudaram a criar um modelo que o próprio autor considera um avanço. Ele propôs a idéia de difusão molecular baseada na energia da superfície. Essa idéia descreve como o crescimento de um cristal de neve depende das condições iniciais e do comportamento das moléculas que o formam.



Imagine que as moléculas de água estejam localizadas livremente, pois o vapor de água está começando a congelar. Se você pudesse estar dentro de um pequeno observatório e observar esse processo, poderia ver como as moléculas de água congelada começam a formar uma estrutura rígida, onde cada átomo de oxigênio é cercado por quatro átomos de hidrogênio. Esses cristais crescem incorporando moléculas de água do ar circundante em sua estrutura. Eles podem crescer em duas direções principais: para cima ou para fora.

Um cristal plano fino (lamelar ou em forma de estrela) é formado quando as bordas se formam mais rapidamente do que as duas faces do cristal. Um cristal crescente se espalhará para fora. No entanto, quando suas faces crescem mais rapidamente do que suas bordas, o cristal se torna mais alto, formando uma agulha, pilar oco ou haste.


Outro momento. Observe a terceira fotografia tirada por Libbrecht no norte de Ontário. Este é um cristal de “coluna fechada” - duas placas presas às extremidades de um grosso cristal colunar. Nesse caso, cada placa é dividida em um par de placas muito mais finas. Dê uma olhada nas bordas, você verá como a placa é dividida em duas. As bordas dessas duas chapas finas são tão afiadas quanto uma lâmina de barbear. O comprimento total da coluna de gelo é de cerca de 1,5 mm.

De acordo com o modelo de Libbrecht, o vapor de água primeiro se deposita nos cantos do cristal e depois se espalha (difunde) ao longo da superfície pela borda do cristal ou por suas faces, fazendo com que o cristal cresça para fora ou para cima. Qual desses processos "vence" depende principalmente da temperatura.

Note-se que o modelo é semi-empírico. Ou seja, é parcialmente construído para corresponder ao que está acontecendo e não para explicar os princípios do crescimento dos flocos de neve. Instabilidades e interações entre inúmeras moléculas são complexas demais para serem totalmente descobertas. No entanto, ainda há esperança de que as idéias da Libbrecht sirvam de base para um modelo abrangente da dinâmica do crescimento do gelo, que pode ser detalhado usando medições e experimentos mais detalhados.

Não pense que essas observações são de interesse de um círculo restrito de cientistas. Questões semelhantes surgem na física da matéria condensada e em outros campos. Moléculas de medicamentos, chips semicondutores para computadores, células solares e muitas outras indústrias dependem de cristais de alta qualidade, e grupos inteiros estão trabalhando na questão de cultivá-los. Portanto, os flocos de neve queridos por Libbrecht podem servir para o benefício da ciência.

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