Płatek śniegu • Arkady Kuramshin • Naukowy obraz dnia na temat "Elementów" • Fizyka, chemia

Płatek śniegu

Zdjęcie przedstawia płatek śniegu, jeden z symboli zimy i nadchodzących świąt noworocznych. Dlaczego płatek śniegu ma zawsze symetrię sześciopromową?

Już w 1611 r. Johannes Kepler w swojej pracy Strena Seu de Nive Sexangula (Prezent noworoczny lub na sześciokątnych płatkach śniegu) zasugerował, że płatek śniegu składa się z prostszych elementów, które mogą zjednoczyć się tylko w postać z symetrią sześciopromieniową (patrz C. Schneer, 1960 Snowflake i Ph. Ball, 2011. Z perspektywy czasu: Na płatku śniegu o sześciu rogach). Badania nad symetrią doprowadziły go do spekulacji na temat najbardziej efektywnego pakowania kulek w przestrzeni trójwymiarowej (patrz hipoteza Keplera). Pionierska praca Keplera w dziedzinie symetrii została później wykorzystana w krystalografii i teorii kodowania. Kepler miał rację. Rzeczywiście, cząsteczki wody, tworzące lód, są zorganizowane w sześciokątną sieć krystaliczną molekularną, która ostatecznie określa geometrię samego kryształu lodu – płatków śniegu.

Trójkątne płatki śniegu. Zdjęcie z snowcrystals.com

To prawda, że ​​nie wszystkie płatki śniegu docierają do ziemi sześciokątnej, są też trójkątne. Rozpoczynają swoją podróż jako sześciokąty, ale powietrze przepływające w atmosferze może przyspieszać wzrost trzech naprzemiennych promieni, a kryształ wygląda jak trójkątny.Może się również zdarzyć, że dwa heksagonalne kryształy skleją się i zaczną rosnąć jako jedno, formalnie tworząc dwunastopunktowy płatek śniegu.

Płatki dwunastu promieni. Zdjęcie z snowcrystals.com

Japoński fizyk Ukichiro Nakaya (Ukichiro Nakaya) był pierwszym naukowcem, który odkrył, że kształt płatka śniegu może opowiedzieć historię jego powstania. W 1930 roku został wynajęty za coś, co wydawało mu się obiecującą pozycją, ale okazało się, że uniwersytet, który go zatrudnił, nie miał pieniędzy na zakup sprzętu niezbędnego do planowanej pracy w dziedzinie analizy rentgenowskiej. Nakaya nie poddał się i zaczął robić to, na co pozwalała jego materialna baza, aby badać zwykłe płatki śniegu i uprawiać sztuczne na poszczególnych włosach królika (patrz jego książka "Śnieg kryształy: naturalny i sztuczny" – "Kryształy śniegu: naturalne i sztuczne").

Odkrył, że każdy płatek śniegu zaczyna się rozwijać, tworząc sześciokątny pryzmat, który może być tak długi, jak fasetowany ołówek, i prawie płaski, jak sześciokątne monety. Ponieważ naroża sześciokąta są bardziej chłodzone przez otaczające powietrze, wiązanie nowych porcji wody z rogami przebiega szybciej, a płatek śniegu zyskuje zwykłe promienie.

Tworzenie się płatków śniegu: a – cząsteczka pyłu atmosferycznego, która pełni rolę ośrodka krystalizacji; b – para wodna pokrywa powierzchnię pyłu, skraplając się na jego powierzchni w cieczy; w – ciekła woda krystalizuje w lodzie; g – sześć rogów uzyskanego kryształu lodu rośnie szybciej niż w innych obszarach, ponieważ są one bardziej chłodzone i mogą szybciej przyjmować nowe porcje wody; d – zaczyna się formowanie losowych i nie powtarzających się form – warunki mogą przyczyniać się do wzrostu nowych sześciokątów, promieni i tak dalej.

Kształt płatków śniegu może być bardzo różny. W górnej atmosferze kryształy lodu rosną w różnych temperaturach i wilgotności. Ponieważ ich wzrost przebiega w warunkach nierównowagi, powstałe kryształy mogą zupełnie różnić się od kanonicznego obrazu płatka noworocznego. W niektórych warunkach sześciokąty lodu silnie rosną wzdłuż osi, a następnie wydłużone płatki śniegu – tworzą się płatki śniegu – kolumny lub igły-płatki śniegu. W innych warunkach rosną prostopadle do osi, a następnie tworzą się płatki śniegu w postaci sześciokątnych płytek lub sześciokątnych gwiazd. Kropla wody może zamarznąć na spadający płatek śniegu – powstają nieregularne i asymetryczne płatki śniegu.

Jak powstają płatki śniegu (przyspieszone strzelanie)

Jako amerykański fizyk z Caltech Kenneth Libbrecht, amerykański fizyk z Caltech, przyznaje w swojej recenzji Fizyka kryształów śniegu (2005), dokładna mechanika tworzenia takich symetrycznych kryształów wody – płatków śniegu – jest nam nieznana nawet na poziomie jakości i nie zbliżyliśmy się do rozwiązania tajemnicy ich wyglądu w porównaniu z dziełami Nakai.

Rodzaje płatków śniegu. Zdjęcie witryny snowsrystals.com

Podczas opadów śniegu prawie niemożliwe jest znalezienie pary identycznych płatków śniegu (możliwe jest uprawianie identycznych płatków śniegu tylko w laboratorium, gdzie możliwa jest bardziej ścisła kontrola warunków). Mimo to człowiek zawsze chce znaleźć porządek w chaosie, więc istnieje długa tradycja klasyfikowania płatków śniegu. W 1675 niemiecki Friedrich Martens opisał 24 rodzaje płatków śniegu. W 1832 roku, dzięki daimyo Doi Toshitsura, liczba rodzajów płatków śniegu wzrosła do 86 (patrz jego książka Sekka Zusetu).

"Sekka Zusetsu" – japońska książka o płatkach śniegu, napisana przez Doi Tositsurę w 1832 roku. Zdjęcie z digitalcollections.nypl.org

Klasyfikacja jest kontynuowana w naszych czasach, a teraz możemy mówić o ponad stu typach płatków śniegu – od znanych dendrytów w kształcie gwiazd po połączone, sześciościenne kolumny.Zgodnie z dziełami Nakaya, największe i najpiękniejsze płatki dendrytyczne, czyli te, które kojarzą nam się z wakacjami noworocznymi, rosną w bardzo wilgotnych chmurach w temperaturze około -15 ° C.

Źródło: Katrina Krämer. Explainer: płatki śniegu // Świat chemii, 8 grudnia 2017 r.

Zdjęcie autorstwa Alexey Klyatov z flickr.com. Jak fotografować płatki śniegu, możesz przeczytać w wywiadzie z fotografem.

Arkady Kuramshin


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: