Snowflake • Аркадий Курамшин • «Элементтерде» күннің ғылыми суреті • Физика, Химия

Snowflake

Фотосуретте қыстың символдарының бірі және алда келе жатқан Жаңа жылдық мерекелердің бірі болып табылады. Неліктен снежинкаға алты рентген симметрия бар?

1611 жылдан бастап Йоханнес Кеплер өз жұмысында Strena Seu de Nive Sexangula (Жаңа жылдық сыйлық немесе Он алтыбұрышты қар беткейлерінде) снежинкаға алты символды симметриялы фигураға біріктіре алатын қарапайым элементтерден тұрады деп ұсынды (C. Schneer, 1960). Snowflake және Ph. Ball, 2011. Қайта қарама-қайшы: алты бұрышты қар бүркітінде). Симметрия бойынша зерттеулер үш өлшемді кеңістіктегі шарлардың ең тиімді орау туралы пікірталастарына алып келді (Kepler гипотезасын қараңыз). Кеплердің симметрия саласындағы алғашқы ізденісі кейінірек кристаллография және кодтау теориясында қолданылды. Кеплер дұрыс болды. Шынында да, суды құрайтын су молекулалары алтыбұрыштық молекулярлық кристалды торға айналып, мұның өзі ақ мұз кристалының геометриясын – снежинкаларды анықтайды.

Үшбұрышты снежинки. Сурет snowcrystals.com

Рас, барлық снежинки жерге алтыбұрышты емес, үшбұрыштар да бар. Олар саяхат жасауды алты жақтан бастайды, бірақ атмосферада ауа ағыны үш ауыспалы сәуленің өсуін жеделдете алады, ал кристал үшбұрышты көрінеді.Сондай-ақ, екі алтыбұрышты кристалдар бір-біріне жабысып, он екі нүктелі қар ұштығын формалды түрде қалыптастыра бастайды.

Он екі сәулелі қар бүршіктері. Сурет snowcrystals.com

Жапон физигі Уикириро Накая (Ukichiro Nakaya) – бұл тұңғыш ғалым. 1930 жылы оған жалақысы жоғары перспективалық позицияға жалданған болатын, бірақ оны жалдаған университетте рентгендік талдау саласындағы жоспарланған жұмыс үшін қажетті жабдықты сатып алу үшін ақша жоқ екендігі анықталды. Накая бас тартпады және өз материалдық базасына рұқсат беріп, қарапайым қар бүршіктерін зерттеп, қоянның жеке шаштарында жасанды өсіруге кірісті («Кар кристалдары: табиғи және жасанды» – «Кар кристалдары: табиғи және жасанды» атты кітабын қараңыз).

Ол әр снегтің өсуі алтыбұрыштық призманы қалыптастыра бастайды, ол қарама-қарсы қарындашпен және жалпақ алтыбұрышты монеталар сияқты болуы мүмкін. Астыңғы бұрыштың бұрыштары қоршаған ауадан әлдеқайда салқындатылғандықтан, жаңа су бөліктерін бұрыштарға байлау жылдам жүреді, ал қар ұшуы әдеттегі сәулелерін өсіреді.

Снежинкаларды қалыптастыру: а – кристаллизация орталығының рөлін атқаратын атмосфералық шаңның бөлшектерін; б – су буы шаңның бетіне жабысып, оның үстіне сұйықтыққа конденсациялау; ішінде – мұздағы сұйықтық кристалдануы; g – Алынған мұз кристалының алты бұрышы басқа аудандарға қарағанда жылдамырақ өседі, өйткені олар суықтырылып, жаңа су бөліктерін жылдамырақ алады; d – кездейсоқ және қайталанбайтын пішіндердің қалыптасуы басталады – жағдайлар жаңа гексагондардың, сәулелердің және т.б. өсуіне ықпал етуі мүмкін.

Снежинкалардың пішіні әртүрлі болуы мүмкін. Жоғарғы атмосферада мұз кристалдары әртүрлі температура мен ылғалдылықта өседі. Олардың өсуі тепе-тең емес шарттарда жүретіндіктен, нәтижесінде алынған кристалдар Жаңа жыл қар ұшағының канондық кескінінен толығымен ерекшеленуі мүмкін. Кейбір жағдайларда мұз айдындары өз осі бойымен күшейе түседі, содан кейін снежинкалар ұзартылады – снежинки-колонналар немесе ине-снеждақтар пайда болады. Басқа жағдайларда, олар осіне перпендикуляр өседі, содан кейін снежинки алтыбұрыш түрінде пайда немесе алтыбұрышты жұлдыз. Су тамшылары құлдырап бара жатқан қар бүршіктеріне түсіп кетуі мүмкін, ал дұрыс емес және ассиметриялық снежеттер пайда болады.

Қар қабаты қалай қалыптасады (жеделдетілген ату)

Caltech американдық физигі Кальета Кеннет Либбретстің американдық физиктері, оның қар кристалдарының физика мәселесі бойынша (2005) пікірінше, осындай симметриялық су кристалдарының қалыптасуының дәл механикасы – снежинки – тіпті сапа деңгейінде бізге белгісіз және біз Накайдың жазбаларымен салыстырғанда олардың сыртқы келбетінің құпиясын ашуға жақындадық.

Снежинки түрлері. Сайт snowsrystals.com ресми сайты

Қар жауу кезінде бірдей сноубордтарды таба алмау мүмкін емес (жағдайларды қатаң бақылауға болатын зертханада бірдей снежинкаларды өсіруге болады). Дегенмен, адам әрдайым хаос тәртібін анықтағысы келеді, сондықтан снежинкалардың жіктелуінің ұзақ дәстүрі бар. 1675 жылы неміс Фридрих Мартенс қардың 24 түрін сипаттады. 1832 жылы daimyo Doi Toshitsura арқасында, снежинки түрлерінің саны 86-ға дейін өсті («Секка Зуресу» кітабын қараңыз).

«Секка Зусецу» – 1832 жылы Дои Тозиитура жазған қар соқпақтарындағы жапон кітап. Digitalcollections.nypl.org ішінен фотосурет

Қазіргі уақытта жіктелу жалғасуда, енді біз жүзден астам снежды түрлерін – белгілі жұлдызға ұқсас дендриттерден біріктірілген алты жақты колонкалардан бастап талқылай аламыз.Nakaya еңбектеріне сәйкес, ең үлкен және ең әдемі дендритті снежинки, яғни Жаңа жыл мерекелерімен байланыстыратындар, өте ылғалды бұлт -15 ° C температурада өседі.

Дерек көзі: Катрина Крэмер. Түсіндіруші: снежинки // Химия әлемі, 2017 жылғы 8 желтоқсан.

Flickr.com сайтынан Алексей Клятовтың суреті. Сноубордтарды қалай түсіруге болады, суретке түсірген сұхбатында оқи аласыз.

Аркадий Курамшин


Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

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