A japán kertekben szokatlan kőlámpást találhat, tetején széles tető, felfelé ívelt szélekkel. Ez Yukimi Toro, a hóra néző lámpás. A Yukimi ünnep célja, hogy az emberek örömét leljék a mindennapi élet szépségében.
Úgy döntöttünk, hogy a mindennapi életben is figyelembe vesszük a szépséget, és a megszokottnál kicsit közelebb léptünk Yukimi-Toro-hoz. Millió apró hópehely található a lámpás kő tetején, amelyek mindegyike egyedi és méltó a legközelebbi figyelmére. A rendkívül összetett forma, a tökéletes szimmetria és a hópelyhek végtelen sokfélesége miatt az ókori emberek körvonalait a természetfölötti erők vagy az isteni gondviselés hatására társították.
Sok nagy tudós álmodozott a hókristályok rejtélyének megoldásáról. Még 1611-ben a hópelyhek hatsugaras szimmetriájáról szóló értekezést publikált a híres német matematikus és csillagász Johannes Kepler. A hópelyhek geometriai formáinak első rendszerezett osztályozását 1635 -ben nem más készítette, mint a híres matematikus, fizikus, fiziológus és filozófus, Rene Descartes. Szabad szemmel még olyan ritka hókristályokat is képes volt észlelni, mint a hegyes oszlopok és a tizenkét sugaras hópelyhek. A hópelyhek és fajtáik legteljesebb tanulmányát Ukichiro Nakaya japán atomfizikus csak a múlt század közepén tette közzé. A hókristályok képződésének rejtelmeinek feltárásához szükség volt a jég molekuláris szerkezetének modern megértésére és a kifinomult kutatási technológiákra, például a röntgenkristálygrafikára.
A modern tudomány vívmányai ellenére az emberek továbbra is olyan kérdéseket tesznek fel, amelyek évezredekkel ezelőtt érdeklődtek: miért szimmetrikusak a hópelyhek, miért hófehér, igaz, hogy a világ összes hópelyhe között nincs két egyforma? Kenneth Libbrecht, a Kaliforniai Műszaki Intézet fizika professzora válaszolt kérdéseinkre. Élete jelentős részét a hókristályok tanulmányozásának szentelte, miközben a laboratóriumban megtanulta a hópelyhek termesztését és még azok alakjának ellenőrzését is. Emellett Libbrecht professzor a hópelyhek legnagyobb és legváltozatosabb fényképgyűjteményének szerzőjeként ismert.
A víz háromsága
Sokan tévesen azt hiszik, hogy a hópelyhek a föld felé vezető úton megfagyott esőcseppek. Természetesen ilyen légköri jelenség is előfordul, és "hónak és esőnek" nevezik, de ebben a koktélban nincsenek gyönyörű geometriailag helyes hópelyhek. Az igazi hópelyhek akkor nőnek fel, amikor a vízgőz a jégkristály felületén kondenzálódik, megkerülve a folyékony fázist. A víz az egyetlen anyag, amely a fázisdiagram hármaspontján megfigyelhető a mindennapi életben: szilárd, gáz halmazállapotú és folyékony fázisa körülbelül 0,01 Celsius fokos hőmérsékleten együtt élhet. A legelső jégkristály, amely a jövő hópehely alapjául szolgál, szintén mikroszkopikus csepp folyékony vízből képződhet, de minden további építés a vízgőzmolekulák hozzáadása miatt következik be.
A hópelyhek titokzatos szimmetriájának nyomai a jég kristályrácsában rejlenek. A jég egyedülálló anyag, amely több mint tíz különböző kristályszerkezetet képes létrehozni. A Cubic Ice IX lett Kurt Vonnegut macskabölcsőjének középpontja, amelyet annak a fantasztikus képességnek tulajdonítottak, hogy egyetlen kis granulátummal lefagyaszthatja a Földön lévő vizet. Valójában a bolygó szinte minden jége hatszögletű rendszerben kristályosodik ki - molekulái szabályos prizmákat képeznek hatszögletű bázissal. A rács hatszögletű alakja határozza meg végső soron a hópelyhek hatsugaras szimmetriáját.
A kristályrács szerkezete és a vízmolekulánál tízmilliószor nagyobb hópehely alakja közötti összefüggés azonban nem nyilvánvaló: ha a vízmolekulák véletlenszerű sorrendben kapcsolódnak a kristályhoz, akkor a a hópehely hibásnak bizonyulna. Minden a molekulák orientációjáról szól a rácsban és a szabad hidrogénkötések elrendezéséről, ami hozzájárul az egyenletes arcok kialakulásához. Képzeljünk el egy Tetris játékot: egy sima kocka sima felületre helyezése valamivel nehezebb, mint az egyenes vonalban lévő hiány kitöltése. Az első esetben választania kell, át kell gondolnia a jövő stratégiáját. És a másodikban - és így minden világos. Hasonlóképpen, a vízgőzmolekulák nagyobb valószínűséggel töltik ki az üregeket, mint a lapos élekhez tapadnak, mivel az üregek több szabad hidrogénkötést tartalmaznak. Ennek eredményeképpen a hópelyhek szabályos hatszögletű prizmákat öltenek, sima élekkel. Az ilyen prizmák viszonylag alacsony páratartalom mellett hullnak az égből, sokféle hőmérsékleti körülmény között.
Előbb vagy utóbb a széleken szabálytalanságok jelennek meg. Minden tuberkulózis további molekulákat vonz, és növekedni kezd. Egy hópehely sokáig járja a levegőt, míg a kiálló tubercle -nél valamivel nagyobb az esélye, hogy új vízmolekulákkal találkozik, mint a szélein. Tehát a sugarak nagyon gyorsan nőnek a hópelyheken. Minden arcból egy vastag sugár nő ki, mivel a molekulák nem tolerálják az ürességet. Az ezen a sugáron kialakult gumókból ágak nőnek. Egy apró hópehely utazása során minden arca azonos körülmények között van, ami előfeltétele annak, hogy mind a hat arcán ugyanazok a sugarak növekedjenek.
A fény útja
Megjelenése közvetlenül attól az útvonaltól függ, amelyen a hópehely az égből a földre halad. A különböző páratartalmú, hőmérsékletű és nyomású területeken az élek és a sugarak különböző módon nőnek. Egy hópehelynek, amelyet a szél széles területen hordozott, minden esélye megvan arra, hogy a legkülönösebb formát nyerje. Minél tovább ereszkedik a hópehely a talajra, annál nagyobb lehet. A legnagyobb hópelyhet 1887 -ben regisztrálták az amerikai Montanában. Átmérője 38 cm, vastagsága 20 cm Moszkvában a legnagyobb hópelyhek, tenyérnyi méretűek, 1944. április 30 -án hullottak le.
Általában a hópelyhek kicsik, pár milliméter átmérőjűek és pár milligramm súlyúak. Ennek ellenére a tél végére a bolygó északi féltekéjének hótakarójának tömege eléri a 13 500 milliárd tonnát. A hófehér takaró a napfény 90% -át visszaveri az űrbe. És valójában miért hófehér? Miért tűnik fehérnek a hó, miközben a hópelyhek átlátszó jégből készülnek? Mindent a hópelyhek összetett alakja, nagy száma és a jég fénytörő és visszaverő képessége magyaráz. A hópelyhek számos aspektusán áthaladva a fénysugarak megtörik és visszaverődnek, és beláthatatlanul megváltoztatják az irányt. A havat a nap és részben különböző színű sugarak világítják meg, amelyek a környező tárgyakról tükröződnek. A többszörös fénytörés következtében a tárgyakról visszaverődő fények szétszóródnak, és a hó többnyire fehér napfényt ad vissza. Egy hegy zúzott jégnek vagy üvegtörésnek pontosan ugyanaz a tulajdonsága. Természetesen a többszörös visszaverődések során a hó elnyeli a fény egy részét, és a vörös spektrum fénye aktívabban szívódik fel, mint a kék spektrum. A felszínen a hó kékes árnyalata alig észrevehető, mivel szinte minden fény közvetlen érintkezésben tükröződik. Próbáljon mély, keskeny lyukat készíteni a hóban, hogy ne kerüljön fény az aljára. A lyuk mélyén látható a fény, amely áthaladt a hó vastagságán - és kék lesz.
Bizonyos esetekben a hó teljesen váratlan árnyalatokat vehet fel. Az Északi -sarkvidéken vörös havat lehet látni: nem olvad sokáig, ezért algák élnek kristályai között. A múlt század közepén fekete hó esett az ipari európai városokban, főként szénnel. A modern Cseljabinszk lakói meséltek nekünk a fekete hóról.
A fagyos napon friss hóhoz mindig vidám ropogás társul. Ez nem más, mint a kristálytörés hangja. Senki sem hallja, hogyan törik el egy hópehely, de több ezer kis kristály szilárd zenekar. Minél alacsonyabb a hőmérő, annál keményebbek és törékenyebbek lesznek a hópelyhek, és annál magasabb lesz a ropogó hang a láb alatt. Több tapasztalat birtokában használhatja ezt a hó tulajdonságot a hőmérséklet fülön keresztüli meghatározására.
