في الحدائق اليابانية ، يمكنك العثور على فانوس حجري غير عادي ، يعلوه سقف عريض ذو حواف منحنية لأعلى. هذا يوكيمي تورو ، فانوس يحدق بالثلج. تهدف عطلة يوكيمي إلى منح الناس متعة جمال الحياة اليومية.
قررنا أيضًا مراعاة الجمال في الحياة اليومية واقتربنا من Yukimi-Toro أقرب قليلاً من المعتاد. توجد الملايين من رقاقات الثلج الصغيرة على السطح الحجري للفانوس ، كل منها فريد من نوعه ويستحق اهتمامك الوثيق. من خلال تعجبه من الشكل المعقد للغاية والتناسق المثالي والتنوع اللامتناهي من رقاقات الثلج ، ربط الناس من العصور القديمة خطوطهم العريضة بفعل القوى الخارقة للطبيعة أو العناية الإلهية.
حلم العديد من العلماء العظماء بحل لغز بلورات الثلج. في عام 1611 ، نشر عالم الرياضيات والفلك الألماني الشهير يوهانس كيبلر رسالة عن تناظر ستة أشعة لرقائق الثلج. تم إنشاء أول تصنيف منظم للأشكال الهندسية لرقائق الثلج في عام 1635 من قبل عالم الرياضيات والفيزياء والفسيولوجيا والفيلسوف الشهير رينيه ديكارت. كان قادرًا على الكشف بالعين المجردة حتى بلورات الثلج النادرة مثل الأعمدة ذات الأطراف والثلج المكون من اثني عشر شعاعًا. تم نشر الدراسة الأكثر اكتمالا حول بنية رقاقات الثلج وأنواعها من قبل الفيزيائي النووي الياباني أوكيشيرو ناكايا فقط في منتصف القرن الماضي. لكشف ألغاز تكوين بلورات الثلج ، كانت هناك حاجة إلى الفهم الحديث للبنية الجزيئية للجليد وتقنيات البحث المتطورة ، على سبيل المثال ، علم البلورات بالأشعة السينية.
على الرغم من إنجازات العلم الحديث ، يواصل الناس الآن طرح الأسئلة التي كانت مهتمة منذ آلاف السنين: لماذا رقاقات الثلج متماثلة ، ولماذا بياض الثلج ، هل صحيح أنه من بين جميع رقاقات الثلج في العالم لا يوجد اثنان متطابقان؟ أجاب كينيث ليبرخت ، أستاذ الفيزياء في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، على أسئلتنا. كرس جزءًا كبيرًا من حياته لدراسة بلورات الثلج ، بينما تعلم كيفية زراعة رقاقات الثلج في المختبر وحتى التحكم في شكلها. بالإضافة إلى ذلك ، يُعرف البروفيسور ليبرخت بأنه مؤلف أكبر مجموعة من صور رقاقات الثلج وأكثرها تنوعًا.
ثالوث الماء
يعتقد الكثير من الناس خطأً أن رقاقات الثلج هي قطرات مطر متجمدة في الطريق إلى الأرض. بالطبع ، تحدث مثل هذه الظاهرة الجوية أيضًا وتسمى "الثلج والمطر" ، ولكن لا توجد رقاقات ثلجية جميلة هندسية في هذا الكوكتيل. تنمو رقاقات الثلج الحقيقية عندما يتكثف بخار الماء على سطح بلورة جليدية ، متجاوزًا المرحلة السائلة. الماء هو المادة الوحيدة التي يمكن ملاحظتها في الحياة اليومية عند النقطة الثلاثية لمخطط الطور: يمكن أن تتعايش مراحلها الصلبة والغازية والسائلة عند درجة حرارة حوالي 0.01 درجة مئوية. يمكن أيضًا تشكيل أول بلورة جليدية ، والتي تعمل كأساس لندفة الثلج المستقبلية ، من قطرة مجهرية من الماء السائل ، ولكن تحدث جميع عمليات البناء الإضافية بسبب إضافة جزيئات بخار الماء.
يكمن مفتاح التماثل الغامض لرقائق الثلج في الشبكة البلورية للجليد. الجليد مادة فريدة من نوعها قادرة على تكوين أكثر من عشرة هياكل بلورية مختلفة. أصبح Cubic Ice IX محورًا لمهد Cat الخاص بـ Kurt Vonnegut ، والذي يُنسب إليه الفضل في القدرة الرائعة على تجميد كل الماء على الأرض بحبيبة صغيرة واحدة فقط. في الواقع ، يتبلور كل الجليد على الكوكب تقريبًا في نظام سداسي الأضلاع - تشكل جزيئاته مناشير منتظمة بقاعدة سداسية. إن الشكل السداسي للشبكة هو الذي يحدد في النهاية تناظر ستة أشعة للثلج.
ومع ذلك ، فإن العلاقة بين بنية الشبكة البلورية وشكل ندفة الثلج ، التي هي أكبر بعشرة ملايين مرة من جزيء الماء ، ليست واضحة: إذا تم ربط جزيئات الماء بالبلورة بترتيب عشوائي ، فإن شكل سوف يتضح أن ندفة الثلج غير صحيحة. الأمر كله يتعلق بتوجيه الجزيئات في الشبكة وترتيب الروابط الهيدروجينية الحرة ، مما يساهم في تكوين الوجوه المتساوية. تخيل لعبة تتريس: وضع مكعب أملس على سطح أملس أصعب إلى حد ما من ملء فجوة في خط مستقيم. في الحالة الأولى ، عليك أن تختار وتفكر في استراتيجية للمستقبل. وفي الثانية - وهكذا كل شيء واضح. وبالمثل ، من المرجح أن تملأ جزيئات بخار الماء الفراغات أكثر من الالتصاق بالحواف المسطحة ، لأن الفراغات تحتوي على المزيد من روابط الهيدروجين الحرة. نتيجة لذلك ، تأخذ رقاقات الثلج شكل مناشير سداسية منتظمة ذات حواف ناعمة. تسقط هذه المنشورات من السماء عند رطوبة هواء منخفضة نسبيًا في مجموعة متنوعة من ظروف درجات الحرارة.
عاجلاً أم آجلاً ، تظهر المخالفات على الحواف. تجذب كل درنة جزيئات إضافية وتبدأ في النمو. تنتقل ندفة الثلج في الهواء لفترة طويلة ، في حين أن فرص الالتقاء بجزيئات الماء الجديدة عند الحديبة البارزة أعلى قليلاً منها عند الحواف. لذلك تنمو الأشعة بسرعة كبيرة على ندفة الثلج. ينمو شعاع واحد سميك من كل وجه ، لأن الجزيئات لا يمكنها تحمل الفراغ. تنمو الفروع من الدرنات المتكونة على هذا الشعاع. أثناء سفر ندفة الثلج الصغيرة ، تكون جميع وجوهها في نفس الظروف ، وهو شرط أساسي لنمو نفس الأشعة على الوجوه الستة.
طريق الضوء
يعتمد مظهره بشكل مباشر على الطريق الذي تنتقل فيه ندفة الثلج من السماء إلى الأرض. في المناطق ذات الرطوبة المختلفة ودرجة الحرارة والضغط ، تنمو الحواف والأشعة بطرق مختلفة. ندفة الثلج ، التي تحملها الرياح على مساحة واسعة ، لديها كل فرصة لاكتساب الشكل الأكثر غرابة. كلما طالت مدة نزول ندفة الثلج على الأرض ، زاد حجمها. تم تسجيل أكبر ندفة ثلجية في عام 1887 في أمريكا مونتانا. كان قطرها 38 سم ، وسمكها 20 سم ، وسقطت أكبر رقاقات ثلجية في موسكو ، بحجم نخلة ، في 30 أبريل 1944.
عادةً ما تكون رقاقات الثلج صغيرة ، وقطرها بضعة ملليمترات ووزنها بضعة مليغرامات. ومع ذلك ، بحلول نهاية فصل الشتاء ، تصل كتلة الغطاء الثلجي لنصف الكرة الشمالي للكوكب إلى 13500 مليار طن. تعكس البطانية البيضاء ما يصل إلى 90٪ من ضوء الشمس في الفضاء. ولماذا ، في الواقع ، بياض الثلج؟ لماذا يبدو الثلج أبيض بينما رقاقات الثلج مصنوعة من الجليد الشفاف؟ يتم تفسير كل شيء من خلال الشكل المعقد لرقائق الثلج وعددها الكبير وقدرة الجليد على الانكسار وعكس الضوء. بالمرور عبر الأوجه العديدة للثلج ، تنكسر أشعة الضوء وتنعكس ، وتغير اتجاهها بشكل غير متوقع. الثلج مضاء بالشمس وجزئيا بأشعة من ألوان مختلفة تنعكس من الأشياء المحيطة. نتيجة للانكسارات المتعددة ، تتناثر الانعكاسات من الأجسام ويعود الثلج في الغالب إلى ضوء الشمس الأبيض. يمتلك جبل الجليد المجروش أو الزجاج المكسور نفس الخاصية تمامًا. بالطبع ، خلال الانعكاسات المتعددة ، يمتص الثلج جزءًا من الضوء ، ويتم امتصاص ضوء الطيف الأحمر بشكل أكثر نشاطًا من ضوء الطيف الأزرق. على السطح ، يكون لون الثلج المزرق بالكاد ملحوظًا ، حيث ينعكس كل الضوء تقريبًا في اتصال مباشر. حاول عمل حفرة عميقة وضيقة في الثلج حتى لا يتمكن أي ضوء من اختراق القاع. في أعماق الحفرة ، يمكنك رؤية الضوء الذي مر عبر سماكة الثلج - وسيكون أزرق.
في بعض الحالات ، يمكن للثلج أن يتخذ ظلالاً غير متوقعة تمامًا. في مناطق القطب الشمالي ، يمكنك رؤية الثلج الأحمر: فهو لا يذوب لفترة طويلة ، لذلك تعيش الطحالب بين بلوراتها. في منتصف القرن الماضي ، تساقطت الثلوج السوداء في المدن الأوروبية الصناعية ، يغذيها الفحم بشكل أساسي.أخبرنا سكان تشيليابينسك الحديثة عن الثلج الأسود.
دائمًا ما يكون الثلج الطازج في يوم فاتر مصحوبًا بأزمة مبهجة تحت الأقدام. هذا ليس أكثر من صوت انكسار البلورات. لا أحد يستطيع أن يسمع كيف تتكسر ندفة واحدة ، لكن الآلاف من البلورات الصغيرة هي أوركسترا صلبة. كلما انخفض مقياس الحرارة ، أصبحت رقاقات الثلج أكثر صلابة وهشاشة ، وكلما ارتفعت درجة الحرارة تحت القدم. مع المزيد من الخبرة ، يمكنك استخدام خاصية الثلج هذه لتحديد درجة الحرارة عن طريق الأذن.
