Igale koolilapsele tuttav väide, et kahte ühesugust lumehelvest pole olemas, on korduvalt kahtluse alla seatud. Kuid California Tehnoloogiainstituudi ainulaadsed uuringud suutsid sellele tõeliselt uusaastanumbrile lõpu teha.
Lumi tekib siis, kui pilvedes olevad mikroskoopilised veepiisad tõmbavad ligi tolmuosakesi ja külmuvad.
Sel juhul tekkivad jääkristallid, mille läbimõõt ei ületa algul 0,1 mm, kukuvad alla ja kasvavad neile õhust tuleva niiskuse kondenseerumise tagajärjel. Sel juhul moodustuvad kuue otsaga kristalsed vormid.
Tänu veemolekulide ehitusele on kristalli kiirte vahel võimalikud vaid 60° ja 120° nurgad. Peamisel veekristallil on tasapinnas korrapärase kuusnurga kuju. Seejärel ladestuvad sellise kuusnurga tippudele uued kristallid, neile ladestuvad uued ja nii saadakse lumehelbetähtede mitmesugused vormid.
California ülikooli füüsikaprofessor Kenneth Libbrecht avaldas oma teadusrühma aastatepikkuse uurimistöö tulemused. "Kui näete kahte ühesugust lumehelvest, on need ikkagi erinevad!" ütleb professor.
Libbrecht tõestas, et iga viiesaja hapnikuaatomi kohta massiga 16 g/mol on lumemolekulide koostises üks aatom massiga 18 g/mol.
Sellise aatomiga molekuli sidemete struktuur on selline, et see eeldab kristallvõres olevate ühendite jaoks lugematul hulgal võimalusi.
Teisisõnu, kui kaks lumehelvest näevad tõesti ühesugused välja, tuleb nende identiteeti veel mikroskoopilisel tasemel kontrollida.
Lume (ja eelkõige lumehelveste) omaduste õppimine ei ole lapsemäng. Kliimamuutuste uurimisel on väga olulised teadmised lume ja lumepilvede olemusest.
"Lume teooria" uurimise pioneer oli noor talunik Wilson Alison Bentley, hüüdnimega "Lumehelbeke". Lapsepõlvest saati köitis teda taevast langevate kristallide ebatavaline kuju. Tema kodulinnas Jeerikos Ameerika Ühendriikide põhjaosas oli lumesadu tavaline nähtus ja noor Wilson veetis palju aega väljas lumehelbeid uurides.
Wisloni "Lumehelbed" Bentley
Bentley kohandas kaamera oma ema 15. sünnipäevaks kingitud mikroskoobi järgi ja püüdis jäädvustada lumehelbeid. Kuid tehnoloogia täiustamiseks kulus peaaegu viis aastat – alles 15. jaanuaril 1885 tehti esimene selge pilt.
Elu jooksul on Wilson pildistanud 5000 erinevat lumehelvest. Ta ei lakanud imetlemast nende miniatuursete loodusteoste ilu. Oma meistriteoste saamiseks töötas Bentley miinuskraadides, asetades kõik leitud lumehelbed mustale taustale.
Wilsoni tööd on kiitnud nii teadlased kui ka kunstnikud. Teda kutsuti sageli esinema teaduskonverentsidel või eksponeerima fotosid kunstigaleriides. Kahjuks suri Bentley 65-aastaselt kopsupõletikku, tõestamata, et identseid lumehelbeid pole olemas.
"Lumeteooria" teatepulga võttis sada aastat hiljem kätte riikliku atmosfääriuuringute keskuse teadur Nancy Knight. 1988. aastal avaldatud artiklis tõestas ta vastupidist – identsed lumehelbed võivad eksisteerida ja peaksidki eksisteerima!
Dr Knight üritas laboris lumehelveste valmistamise protsessi reprodutseerida. Selleks kasvatas ta mitu veekristalli, allutades neile samadele ülejahutus- ja üleküllastusprotsessidele. Katsete tulemusena õnnestus tal saada üksteisega täiesti identsed lumehelbed.
Täiendavad välivaatlused ja eksperimentaalsete vigade töötlemine võimaldasid Nancy Knightil väita, et identsete lumehelveste esinemine on võimalik ja selle määrab ainult tõenäosusteooria. Pärast taevakristallide võrdleva kataloogi koostamist jõudis Knight järeldusele, et lumehelvestel on 100 erinevuse märki. Seega on välimusvalikute koguarv 100! need. peaaegu 10 kuni 158. astmeni.
Saadud arv on kaks korda suurem kui aatomite arv universumis! Kuid see ei tähenda, et kokkusattumused on täiesti võimatud – lõpetab dr Knight oma töös.
Ja nüüd - uus uurimus "lume teooriast". Teisel päeval avaldas California ülikooli füüsikaprofessor Kenneth Libbrecht oma teadusrühma paljude aastate pikkuse uurimistöö tulemused. "Kui näete kahte ühesugust lumehelvest, on need ikkagi erinevad!" - ütleb professor.
Libbrecht tõestas, et iga viiesaja hapnikuaatomi kohta massiga 16 g/mol on lumemolekulide koostises üks aatom massiga 18 g/mol. Sellise aatomiga molekuli sidemete struktuur on selline, et see eeldab kristallvõres olevate ühendite jaoks lugematul hulgal võimalusi. Teisisõnu, kui kaks lumehelvest näevad tõesti ühesugused välja, tuleb nende identiteeti veel mikroskoopilisel tasemel kontrollida.
Lume (ja eelkõige lumehelveste) omaduste õppimine ei ole lapsemäng. Kliimamuutuste uurimisel on väga olulised teadmised lume ja lumepilvede olemusest. Ja mõned jää ebatavalised ja uurimata omadused võivad leida ka praktilisi rakendusi.
Kas olete kunagi kuulnud fraasi "see lumehelves on eriline", ütlevad nad, sest neid on tavaliselt palju ja nad on kõik kaunid, ainulaadsed ja põnevad, kui tähelepanelikult vaadata. Vana tarkus ütleb, et kahte ühesugust lumehelvest pole, aga kas see on tõesti tõsi? Kuidas saate seda isegi deklareerida, vaatamata kõiki langevaid ja langenud lumehelbeid? Järsku lumehelves kuskil Moskvas ei erine lumehelvestest kusagil Alpides.
Et seda küsimust teaduslikust vaatenurgast käsitleda, peame teadma, kuidas lumehelves sünnib ja kui suur on tõenäosus (või ebatõenäosus), et sünnib kaks identset.
Tavalise optilise mikroskoobiga pildistatud lumehelves
Lumehelves on oma tuumas vaid veemolekulid, mis seostuvad omavahel kindlas tahkes konfiguratsioonis. Enamikul neist konfiguratsioonidest on mingi kuusnurkne sümmeetria; see on seotud sellega, kuidas veemolekulid oma spetsiifiliste sidenurkadega – mis on määratud hapnikuaatomi, kahe vesinikuaatomi füüsika ja elektromagnetilise jõuga – saavad omavahel siduda. Lihtsaim mikroskoopiline lumekristall, mida mikroskoobi all näha on, on ühe miljondik meetri (1 mikron) suurune ja võib olla väga lihtsa kujuga, näiteks kuusnurkne kristallplaat. See on umbes 10 000 aatomit lai ja sarnaseid on palju.
Guinnessi rekordite raamatu andmetel avastas Nancy Knight riiklikust atmosfääriuuringute keskusest Wisconsini lumetormi ajal mikroskoopi kandes lumekristalle uurides kaks identset lumehelvest. Kuid kui esindajad tunnistavad kaks lumehelvest identseks, võivad nad mikroskoobi täpsuse jaoks tähendada ainult seda, et lumehelbed on identsed; kui füüsika nõuab, et kaks asja oleksid identsed, peavad nad olema identsed kuni subatomaarse osakeseni. Mis tähendab:
- vajate samu osakesi
- samades konfiguratsioonides
- samade ühendustega
- kahes täiesti erinevas makroskoopilises süsteemis.
Vaatame, kuidas seda korraldada.
Üks veemolekul on üks hapnikuaatom ja kaks vesinikuaatomit, mis on omavahel seotud. Kui külmunud veemolekulid seovad, saab iga molekul läheduses neli teist kinnitatud molekuli: üks igas tetraeedrilises tipus iga üksiku molekuli kohal. See põhjustab veemolekulide voltimise võrekujuliseks: kuusnurkseks (või kuusnurkseks) kristallvõreks. Kuid suured jääkuubikud, nagu kvartsimaardlates, on äärmiselt haruldased. Kui vaatate väikseimaid skaalasid ja konfiguratsioone, leiate, et selle ruudustiku ülemine ja alumine tasapind on pakitud ja ühendatud väga tihedalt: teil on kahel küljel "lamedad servad". Ülejäänud külgedel olevad molekulid on avatumad ja täiendavad veemolekulid seostuvad nendega juhuslikumalt. Eelkõige on kuusnurksetel nurkadel kõige nõrgemad sidemed, mistõttu täheldame kristallide kasvus kuuekordset sümmeetriat.
ja lumehelbe kasv, jääkristalli konkreetne konfiguratsioon
Seejärel kasvavad uued struktuurid samade sümmeetriliste mustritena, luues pärast teatud suuruse saavutamist kuusnurkse asümmeetria. Suurtes keerulistes lumekristallides on mikroskoobi all vaadates sadu kergesti eristatavaid tunnuseid. Charles Knighti sõnul riiklikust atmosfääriuuringute keskusest on umbes 1019 veemolekuli hulgas sadu omadusi, mis moodustavad tüüpilise lumehelbe. Kõigi nende funktsioonide jaoks on miljoneid võimalikke kohti, kus saab moodustada uusi filiaale. Kui palju selliseid uusi omadusi võib lumehelves moodustada ja sellest ei saa ikkagi veel üks paljudest?
Igal aastal langeb üle maailma maapinnale ligikaudu 10 15 (kvadriljonit) kuupmeetrit lund ja iga kuupmeeter sisaldab suurusjärgus mitu miljardit (10 9) üksikut lumehelvest. Kuna Maa on eksisteerinud umbes 4,5 miljardit aastat, on ajaloo jooksul planeedile langenud 10 34 lumehelvest. Ja kas teate, kui palju statistiliselt võttes eraldiseisvaid, kordumatuid sümmeetrilisi hargnevaid tunnuseid võiks lumehelves olla ja kui palju võiks oodata kaksikut Maa ajaloo teatud ajahetkel? Ainult viis. Kui tõelistes suurtes looduslikes lumehelvestes on neid tavaliselt sadu.
Isegi ühe millimeetri kõrgusel lumehelves on näha puudusi, mida on raske dubleerida.
Ja ainult kõige argisemal tasemel võite ekslikult näha kahte ühesugust lumehelvest. Ja kui olete valmis laskuma molekulaarsele tasemele, lähevad asjad palju hullemaks. Hapnikus on tavaliselt 8 prootonit ja 8 neutronit, vesinikul aga 1 prooton ja 0 neutronit. Kuid 1 500 hapnikuaatomist sisaldab 10 neutronit, 1 5000 vesinikuaatomist on 1 neutron, mitte 0. Isegi kui te moodustate täiuslikud kuusnurksed lumekristallid ja loendasite kogu planeedi Maa ajaloo jooksul 10 34 lumekristalli, piisab mitme tuhande molekuli suurusest (vähem kui nähtava valguse pikkus), et leida ainulaadne struktuur, mida planeet pole kunagi varem näinud.
Aga kui te ignoreerite aatomi- ja molekulaarseid erinevusi ning loobute "looduslikust", on teil võimalus. Lumehelbete uurija Kenneth Libbrecht California Tehnoloogiainstituudist on välja töötanud tehnika lumehelvestest kunstlike "identsete kaksikute" loomiseks ja nende pildistamiseks spetsiaalse mikroskoobi, nimega SnowMaster 9000, abil.
Neid laboris kõrvuti kasvatades näitas ta, et on võimalik luua kaks lumehelvest, mis olid eristamatud.
Kaks peaaegu identset lumehelvest, mis on kasvatatud Caltechi laboris
Peaaegu. Inimesele, kes vaatab oma silmaga läbi mikroskoobi, on need eristamatud, kuid tegelikult ei ole nad identsed. Nagu identsetel kaksikutel, on neil palju erinevusi: neil on erinevad molekulaarsed sidumissaidid, erinevad hargnemisomadused ja mida suuremad nad on, seda suuremad on need erinevused. Seetõttu on need lumehelbed väga väikesed ja mikroskoop on võimas: nad on sarnasemad, kui nad on vähem keerukad.
Kaks peaaegu identset lumehelvest, mis on kasvatatud Caltechi laboris
Sellest hoolimata on paljud lumehelbed üksteisega sarnased. Kuid kui otsite tõeliselt identseid lumehelbeid struktuursel, molekulaarsel või aatomilisel tasandil, ei anna loodus teile seda kunagi. Selline hulk võimalusi on suurepärane mitte ainult Maa, vaid ka Universumi ajaloo jaoks. Kui soovite teada, mitu planeeti on vaja kahe identse lumehelbe saamiseks universumi ajaloo 13,8 miljardi aasta jooksul, on vastus suurusjärgus 10 10000000000000000000000000. Arvestades, et vaadeldavas universumis on ainult 1080 aatomit, on see väga ebatõenäoline. Nii et jah, lumehelbed on tõeliselt ainulaadsed. Ja see on pehmelt öeldes.
Koolilastele ja nende vanematele mõeldud sait Zateevo.ru sai teada, et identseid lumehelbeid pole olemas!
S E G I N K I
PEAL
JAROSLAV GNATIUKI FOTOD!
Pole midagi kaalutumat kui pisikesed lumehelbed. Kukkuge käe peale, te ei tunne seda!
Nad kaaluvad umbes milligrammi, harva - 2 ... 3 milligrammi.
Inimesed vaatavad lumehelbeid harva ja kahte täiesti identset lumehelvest ei leia. Parimates mikrofotode kogudes on üle 5 tuhande kaadri lumehelvestest, mis erinevad üksteisest.
ZATEVO esitleb Ukraina fotograafi Jaroslav Jurjevitš Gnatjuki lumehelveste kollektsiooni. Jaroslav Gnatiuk elab ja töötab Dnepropetrovskis, tema töö on seotud panga maksesüsteemidega, hobiks on mikrofotograafia. Kuid tema fotod on nii professionaalsed, et ta võitis sel aastal Yandexi fotokonkursi.
Miks on kõik lumehelbed nii erinevad?
Algul näevad kõik lumehelveste embrüod välja nagu pisikesed kuusnurksed prismad. Seejärel hakkavad prisma kuuest nurgast kasvama täiesti identsed jäänõelad - külgmised protsessid. Identsed nõelad, sest embrüot ümbritsev temperatuur ja niiskus on samuti samad. Neil omakorda kasvavad nagu puul külgmised protsessid - oksad. Lumehelves hakkab kiiresti kasvama. Sel juhul kasvavad lumehelbe kumerad lõigud kiiremini. Niisiis kasvab algselt kuusnurksest plaadist kuueharuline tärn. Pilves üles-alla liikudes satub lumehelves erineva temperatuuri ja veeaurusisaldusega oludesse. Tema vorm muutub. Nii muutuvad lumehelbed teistsuguseks. Kuigi samas pilves samal kõrgusel võivad nad sama "pärineda". Igal lumehelbel on oma tee maapinnale. See tähendab, et igaühel on oma lõplik vorm. Lumehelbed langevad kiirusega umbes 15 meetrit minutis. Nad on peaaegu mitteseotud ja isegi väike tuul kiirusega 2 meetrit sekundis paneb nad liikuma. Õhus muutub lumehelveste kuju pidevalt. Lumehelveste teket ja kasvu mõjutavad paljud tegurid.
Lumehelbe moodustav jää on läbipaistev. Aga kui lumehelbeid on palju, siis lumehelveste arvukatel nägudel peegelduv ja hajuv päikesevalgus jätab meile mulje valgest läbipaistmatust massist - me nimetame seda lumeks. Teel silmitsi ülejahutatud väikeste veepiiskadega on lumehelbe kuju lihtsustatud. Suure tilgaga silmitsi seistes võib see muutuda rahekiviks. Erinevates kohtades sajab "nende" lund, olenevalt ilmastikutingimustest.
Teadaolevalt sadas Moskvas 1944. aasta kevadel alla kuni 10 sentimeetri suuruseid lumehelbeid. Siberis täheldati kuni 30-sentimeetriseid lumehelbeid. Selle vajalik tingimus on täielik rahulikkus. Lumehelbed keerlevad õhus pikka aega, tõusevad ja langevad, rändavad kaua, põrkuvad ja maadlevad üksteisega. Väikseim tuul purustab sellised helbed eraldi osadeks. Madala temperatuuri ja tugeva tuule korral põrkuvad lumehelbed õhus kokku, murenevad ja kukuvad prahi kujul maapinnale.
Kõik laste saidi Zateevo.ru materjalid on kogutud siia:. Lastele mõeldud sait Zateevo.ru on laste saitide kataloogides leiduvate hulgas ainus sedalaadi haridusressurss. Zateevo.ru muudab kooli Interneti tavapärast vaadet!
Teadlased tuvastavad kaks võimalust lumekristallide moodustamiseks. Esimesel juhul võib tuulega väga kõrgele, kus temperatuur on umbes 40 °C, kantud veeaur ootamatult külmuda, moodustades jääkristalle. Alumises pilvede kihis, kus vesi külmub aeglasemalt, tekib väikese tolmu- või mullatüki ümber kristall. See kristall, mida ühes lumehelves on 2 kuni 200, on kuusnurkse kujuga, nii et enamik lumehelbeid on kuueharulised tähed.
"Lummete maa" – sellise poeetilise nime mõtlesid Tiibetile välja selle elanikud.
Lumehelbe kuju sõltub paljudest teguritest: ümbritsevast temperatuurist, niiskusest, rõhust. Sellegipoolest eristatakse 7 peamist tüüpi kristalle: plaadid (kui temperatuur pilves on -3 kuni 0 ° C), tähtkristallid, sambad (-8 kuni -5 ° C), nõelad, ruumilised dendriidid, veerud ots ja valed kujundid. Tähelepanuväärne on see, et kui lumehelves pöörleb kukkudes, on selle kuju täiesti sümmeetriline ja kui see kukub külili või muul viisil, siis mitte.
Jääkristallid on kuusnurksed: nad ei saa nurga all ühendada - ainult servaga. Seetõttu kasvavad lumehelbe kiired alati kuues suunas ja tala hargnemine võib lahkuda ainult 60 või 120 ° nurga all.
Alates 2012. aastast tähistatakse ülemaailmset lumepäeva jaanuari eelviimasel pühapäeval. Selle algatas Rahvusvaheline Suusaliit.
Lumehelbed tunduvad valged nendes sisalduva õhu tõttu: erineva sagedusega valgus peegeldub kristallide vahelistel servadel ja hajub. Tavalise lumehelbe läbimõõt on umbes 5 mm ja mass 0,004 g.
Filmi "Aleksandr Nevski" skoorides saadi lume kriuksumist segatud suhkrut ja soola pigistades.
Arvatakse, et kahte ühesugust lumehelvest pole. Seda tõestati esmakordselt 1885. aastal, kui Ameerika farmer Wilson Bentley tegi esimese eduka mikroskoopilise pildi lumehelbest. Ta pühendas sellele 46 aastat ja tegi üle 5000 foto, mille põhjal teooria kinnitust leidis.
