¿Los copos de nieve son sólo blancos?
Sí
El paisaje cuando nieva es impresionante, pero lo que maravilla a los científicos y artistas son los patrones diminutos y delicados de los copos de nieve. Hace más de cien años, los glaciólogos comenzaron a describir en detalle la forma de los copos de nieve.
Tyndall, el creador de la glaciología occidental, describió los copos de nieve que vio en Roza Peak en su obra clásica de glaciología: "Estos copos de nieve... están todos compuestos de pequeños copos de hielo, cada uno de los cuales tiene cada pequeña flor de hielo. Seis pétalos. Algunos pétalos liberan pequeñas y hermosas lenguas como flores de shansu. Algunos son redondos, otros tienen forma de flecha o de zigzag, algunos están completos y otros tienen forma de cuadrícula, pero no exceden el alcance del. tipo de seis pétalos".
En nuestro país, ya en la era del emperador Wen de la dinastía Han Occidental hace más de 100 años, había un poeta llamado Han Ying que escribió un libro. "Han Shi Wai Zhuan" señala claramente en el libro: "Cada planta y árbol tiene cinco flores, pero los copos de nieve sólo tienen seis".
La forma básica de los copos de nieve es hexagonal, pero son casi imposibles de encontrar en En la naturaleza, dos copos de nieve idénticos son como si no hubiera dos personas idénticas en la tierra. Muchos estudiosos han observado miles de copos de nieve con microscopios. Estos estudios finalmente han demostrado que en la naturaleza no se pueden formar copos de nieve con exactamente la misma forma y tamaño y con una simetría completa en cada parte.
Entre los copos de nieve que han sido observados por la gente, por muy regulares y simétricos que sean los copos de nieve, también hay deformidades. ¿Por qué se deforman los copos de nieve? Porque el contenido de vapor de agua en la atmósfera alrededor del copo de nieve no puede ser el mismo en todas las direcciones, mientras haya una ligera diferencia, el lado con mayor contenido de vapor de agua siempre crecerá más rápido.
Hay muchos coleccionistas de patrones de copos de nieve en el mundo. Coleccionan todo tipo de fotografías de copos de nieve como coleccionistas de sellos. Hubo un estadounidense llamado Bentley que dedicó su vida a tomar casi 6.000 fotografías. Sigshan, entusiasta de la fotografía soviética, también fue fotógrafo de fotografías de copos de nieve. Sus extáticas obras son utilizadas a menudo por artistas industriales como modelos para patrones estructurales. El japonés Ukichiro Nakatani y sus colegas trabajaron duro durante veinte años en una cámara fría del laboratorio de la Universidad de Hokkaido en Japón y en una tienda de campaña en los campos nevados del norte de Japón, fotografiando y estudiando miles de copos de nieve.
Sin embargo, aunque las formas de los copos de nieve vienen en todas las formas y tamaños, siguen siendo las mismas, por lo que es posible que los científicos los clasifiquen en las siete formas mencionadas anteriormente. Entre estas siete formas, los copos de nieve hexagonales y los cristales de nieve prismáticos hexagonales son las formas más básicas de copos de nieve, y las otras cinco son solo el desarrollo, la metamorfosis o la combinación de estas dos formas básicas.
Ya en la dinastía Han Occidental a. C., "Han Shi Wai Zhuan" señaló: "Cada planta y árbol tiene cinco flores, pero los copos de nieve sólo tienen seis". Pero bajo diferentes circunstancias, puede mostrar diversas formas.
Hay muchos coleccionistas de patrones de copos de nieve en el mundo, y coleccionan varios patrones de copos de nieve. Alguien pasó toda su vida tomando miles de fotografías de copos de nieve y descubrió que había casi 6.000 tipos diferentes de copos de nieve. Sin embargo, antes de morir, pensó que se trataba sólo de una pequeña cantidad de copos de nieve que la naturaleza había caído en sus manos. Tanto es así que algunos dicen que no hay dos copos de nieve que tengan exactamente el mismo tamaño y forma.
¿Por qué las formas básicas de los copos de nieve son escamas y columnas hexagonales?
Esto está relacionado con el hábito cristalino cuando el vapor de agua se condensa y cristaliza. Los copos de nieve formados por la condensación de vapor de agua y el hielo congelado por agua natural pertenecen al sistema cristalino hexagonal. Nos sentimos fácilmente atraídos por el cristal puro y transparente del museo. Tanto los cristales como los cristales de hielo son cristales hexagonales, pero los cristales son cristales de dióxido de silicio (SiO2), mientras que los cristales de hielo son cristales de agua (H2O).
El sistema cristalino hexagonal tiene cuatro ejes cristalográficos, de los cuales tres ejes auxiliares están en un plano base y se cruzan entre sí en un ángulo de 60º. El cuarto eje (eje principal del cristal) y los tres ejes auxiliares forman. La base es vertical. El representante más típico del sistema cristalino hexagonal tiene una geometría similar a un cilindro hexagonal regular. Cuando el vapor de agua se desublima y cristaliza, si el eje principal del cristal se desarrolla más lentamente que los otros tres ejes auxiliares y es muy corto, entonces el cristal formará una escama; si el eje principal del cristal se desarrolla rápidamente y se extiende mucho, entonces se formará el cristal; una forma columnar. La razón por la que los copos de nieve son generalmente hexagonales es porque la tasa de crecimiento de los cristales a lo largo del eje principal del cristal es mucho más lenta que a lo largo de los tres ejes auxiliares.
Varias formas de copos de nieve
Para un copo de nieve hexagonal, debido a sus diferentes curvaturas de superficie (convexa, plana y cóncava), la presión de vapor de agua saturado en cada superficie también es diferente. , se genera un gradiente mutuo de densidad de vapor de agua, lo que provoca una transferencia direccional de vapor de agua. La dirección de transferencia del vapor de agua es superficie convexa → plano → superficie cóncava, es decir, se mueve desde la superficie con gran curvatura a la superficie con pequeña curvatura. Las seis esquinas de un copo de nieve hexagonal tienen la curvatura más grande, seguidas por las superficies planas en los bordes y la curvatura más pequeña en el centro. De esta manera, los copos de nieve hexagonales están siempre en el proceso de migración direccional del vapor de agua. Dado que el vapor de agua de los bordes y las esquinas se transporta hacia los bordes y el centro, el grado de saturación del vapor de agua cerca de los bordes y las esquinas disminuye, lo que da como resultado la sublimación. A medida que la parte central recibe un flujo constante de vapor de agua, la superficie del hielo alcanza la saturación, lo que resulta en la sublimación. Este proceso de sublimación y cristalización continúa y los copos de nieve hexagonales evolucionan gradualmente hasta convertirse en cristales de nieve con forma de prisma hexagonal. (Diagrama esquemático de la migración del vapor de agua sobre los copos de nieve: fig42)
Esta es una situación ideal suponiendo que no se transporta vapor de agua desde el exterior. De hecho, las cosas están estrechamente relacionadas con el entorno que las rodea y siempre hay más o menos vapor de agua en el aire. Si el aire circundante introduce menos vapor de agua, lo que no es suficiente para que los bordes y esquinas de los copos de nieve transporten vapor de agua al centro, entonces continuará el proceso de desarrollo de los copos de nieve hasta formar cristales de nieve columnares. En latitudes altas y regiones polares, donde la temperatura es muy baja y hay poco vapor de agua, suelen caer cristales de nieve en forma de columnas por este motivo.
Cuando el nivel de saturación de vapor de agua en el aire es alto se produce otra situación. En este momento, el aire circundante transporta continuamente vapor de agua a los copos de nieve, lo que hace que los copos de nieve se sublimen rápidamente. La sublimación reduce la densidad del vapor de agua en la capa de aire que rodea los copos de nieve, lo que a su vez promueve el transporte de vapor de agua desde la capa exterior hacia el interior. De esta forma, los copos de nieve crecen rápidamente. Cuando el vapor de agua se transporta rápidamente a los copos de nieve, las seis esquinas del vértice son las más afectadas y el gradiente de densidad del vapor de agua es el mayor. El vapor de agua que no tiene tiempo de transportarse al interior del copo de nieve se condensa y cristaliza en las esquinas superiores, en este momento aparecerán algunas protuberancias y ramas en las esquinas superiores; Cuando estas ramas crezcan hasta cierto punto, se ramificarán nuevamente. Las ramas secundarias mantienen un ángulo de 60° con la rama principal, formando así un copo de nieve en forma de estrella de seis puntas.
Cuando hace buen tiempo, en las montañas o en las regiones polares, también se pueden ver una especie de agujas de hielo, que brillan como gemas, las gente las llama polvo de diamante. Hay dos situaciones para el crecimiento de agujas de hielo: una es el resultado de la cristalización espontánea del vapor de agua en condiciones de frío severo (por debajo de -30°C) cuando la humedad es muy baja, y la otra es el resultado de la cristalización espontánea del agua. vapor cuando la temperatura es alta (alrededor de -5°C) y la humedad es alta. El producto de un crecimiento particularmente rápido en el ángulo superior donde se encuentra uno de los ejes auxiliares del copo de nieve es el desarrollo anormal del copo de nieve.
Después de que se forman varios cristales de copos de nieve en el cielo, cuando su diámetro alcanza las 50 micras, pueden superar la flotabilidad del aire y comenzar a realizar un movimiento evidente hacia abajo, continuando creciendo y cambiando mientras caen elegantemente. Como resultado, los copos de nieve se presentan en una amplia variedad de formas. Siempre que los coloquemos sobre tela de lana negra o terciopelo negro, inicialmente podemos identificar sus formas a simple vista.
¿Qué tamaño tienen los copos de nieve?
El poeta Li Bai tenía un poema famoso al describir los copos de nieve en la montaña Yanshan: "Los copos de nieve en la montaña Yanshan son tan grandes como una estera". ¿Son realmente tan grandes los copos de nieve? En realidad, los copos de nieve son muy pequeños. Sin mencionar que no hay ningún registro de copos de nieve del tamaño de una estera en la historia de la ciencia. Incluso los copos de nieve del tamaño de plumas de ganso no son fáciles de encontrar.
De hecho, el diámetro de los copos de nieve individuales que podemos ver suele estar entre 0,5 y 3,0 mm. El peso de estos diminutos copos de nieve sólo puede medirse con una balanza analítica extremadamente precisa. Entre 3.000 y 10.000 copos de nieve suman un peso de un gramo. Un científico hizo un cálculo aproximado y descubrió que hay entre 6 y 8 mil millones de copos de nieve en un metro cúbico de nieve, que es más que la población total de la Tierra.
El tamaño de los cristales de los copos de nieve depende enteramente de las condiciones de temperatura en las que el vapor de agua se condensa y cristaliza. Los cristales de nieve que se forman durante el frío extremo son tan pequeños que son casi invisibles. Sólo cuando brillan a la luz del sol se puede descubrir su existencia como polvo de diamante.
Según las investigaciones, la temperatura influye en el tamaño de los cristales de nieve: cuando la temperatura es de -36°C, el área promedio de los cristales de nieve es de 0,017 milímetros cuadrados cuando la temperatura es de -24; °C, el área promedio es de 0,034 milímetros cuadrados, cuando la temperatura es de -18°C, el área promedio es de 0,084 milímetros cuadrados, cuando es de -6°C, es de 0,256 milímetros cuadrados, y cuando la temperatura es de -3. °C, el área media de los cristales de nieve aumenta a 0,811 milímetros cuadrados.
La gente tiene un sentimiento equivocado. Este sentimiento a menudo proviene de algunas obras literarias a las que les gusta describir el clima frío severo como "nieve intensa como pluma de ganso". De hecho, las "nieves intensas" son producto de temperaturas cercanas a los 0°C y no son un símbolo de un clima frío intenso. Por el contrario, cuanto más grandes sean los copos de nieve, mayor será la temperatura en ese momento. Rara vez se producen fuertes nevadas durante un clima frío intenso. Es posible que se produzcan fuertes nevadas sólo a finales de otoño y principios de invierno o a finales de invierno y principios de primavera. La llamada nieve de plumas de ganso en realidad no es un solo copo de nieve, sino que está formada por muchos copos de nieve pegados. El diámetro máximo de un cristal de copo de nieve no supera los 10 milímetros, lo que equivale como máximo al tamaño de nuestras uñas. No se le puede llamar nieve de plumas de ganso.
Cuando la temperatura es relativamente alta, los cristales de los copos de nieve pueden unirse fácilmente entre sí. Este fenómeno se llama fusión de copos de nieve. Especialmente cuando la temperatura es cercana a los 0°C y el aire es relativamente húmedo, la capacidad de los copos de nieve para fusionarse es particularmente fuerte, y cientos o incluso miles de copos de nieve a menudo pueden fusionarse en un gran trozo de nieve. Por lo tanto, estrictamente hablando, la nieve de plumas de ganso no puede llamarse copos de nieve, es solo una combinación de muchos copos de nieve.
Nieve de trabajo
Desde la antigüedad, siempre ha nevado cuando Dios está feliz, y no cuando Dios está infeliz. ¿Hay alguna manera de hacer que Dios deje nevar según las necesidades humanas?
Existe una manera, y esta es la nevada artificial.
Para que el vapor de agua del cielo se convierta en lluvia y nieve, debe cumplir dos condiciones. Una es que debe tener un cierto grado de saturación de vapor de agua (principalmente relacionada con la temperatura), y la otra es. que debe haber núcleos de condensación. Por lo tanto, las nevadas artificiales primero deben tener nubes en el cielo. Sin nubes, es como si una mujer hábil no pudiera preparar una comida sin arroz y no pudiera nevar. Las nubes que pueden provocar nevadas son "nubes frías" que están por debajo de 0 ℃. En las nubes frías hay tanto pequeñas gotas de agua donde se condensa el vapor de agua como pequeños cristales de nieve donde se condensa el vapor de agua. Pero son muy pequeños y livianos, si no hay condiciones para un crecimiento continuo, sólo pueden quedar suspendidos en el aire como humo y polvo, y es difícil caer. A menudo vemos grandes trozos de nubes en invierno, pero no se ven caer copos de nieve, porque los cristales de nieve que forman estas nubes son demasiado pequeños para superar la flotabilidad del aire y su capacidad de precipitación es muy pobre. Si se rocían algunas partículas en las nubes para promover que los cristales de nieve crezcan lo suficientemente rápido como para superar la flotabilidad del aire y caer, esta es la contribución de la nieve artificial.
¿Qué sustancias se pueden rociar para promover el rápido crecimiento de los cristales de nieve? En los primeros días, la gente usaba muchos métodos interesantes para mostrar su magia. Estos métodos incluyen principalmente: prender fuego en el suelo y liberar grandes cantidades de humo y polvo al cielo; usar cañones para atacar las nubes, usar cometas para volar alto hacia las nubes y luego electrificar las cometas para descargar chispas; Avión para rociar gotas de agua líquida y partículas de polvo. Sin embargo, los resultados de estos métodos no son ideales. No fue hasta 1946 que la gente descubrió que al colocar pequeñas partículas de hielo seco en nubes frías se podían formar millones de cristales de nieve. El 3 de noviembre de ese año, alguien roció bolitas de hielo seco desde un avión sobre las nubes altocúmulos con una temperatura de -20°C, y descubrió que de las nubes caía nieve.
El hielo seco mencionado aquí no es hielo congelado por agua, sino un estado sólido de dióxido de carbono, muy parecido a la nieve sólida en invierno. La temperatura del hielo seco es muy baja, por debajo de -78,5°C. Rocíe los cristales de hielo seco en la nube fría como una diosa esparciendo flores. Cada cristal de dióxido de carbono se convierte en un centro muy frío, lo que hace que el vapor de agua, las pequeñas gotas de agua y los pequeños cristales de nieve en la nube fría se acumulen rápidamente a su alrededor y se condensen. Cayeron copos de nieve más grandes.
En la actualidad, el yoduro de plata se utiliza habitualmente para producir nieve artificial. El yoduro de plata es un cristal químico amarillo que suele utilizarse como agente fotosensible en materiales fotográficos. Los tamaños de monómero hexagonal de los cristales de yoduro de plata y los cristales de nieve son muy similares, las disposiciones atómicas en sus monómeros también son muy similares y el espaciado de la red de los dos también es muy cercano (el yoduro de plata es de 4,58 angstroms, los cristales de nieve son de 4,52 angstroms) . Por lo tanto, si se rocían partículas de yoduro de plata en nubes con poca capacidad de precipitación, lo que les permite "falsificar" cristales de nieve, el vapor de agua y las pequeñas gotas de agua en las nubes pueden condensarse y cristalizarse en los cristales "falsos" y convertirse en copos de nieve.
¿Cómo propagar estos núcleos de condensación hacia las nubes? La mayoría de la gente moderna usa cañones, pone productos químicos en balas de cañón y luego usa los cañones para lanzarlos a las nubes. Sin embargo, este método pulveriza de manera desigual, desperdicia muchos medicamentos y aumenta el costo de las nevadas artificiales. Otros los ponen en cohetes de arcilla y los dejan volar hacia las nubes para rociarlos.
En general, las nevadas artificiales tienen una mayor tasa de éxito que las lluvias artificiales. Las precipitaciones artificiales pueden aumentar las precipitaciones en aproximadamente un 20%, mientras que en las zonas frías y de alta montaña, las nevadas artificiales pueden aumentar las precipitaciones entre un 30 y un 40%.
Esto se debe a que en las zonas alpinas y frías, donde las temperaturas son bajas, el vapor de agua puede alcanzar fácilmente un estado de saturación. Al mismo tiempo, los cristales de nieve se forman más fácilmente que las gotas de lluvia. Mientras se añadan artificialmente algunos núcleos de cristalización a la atmósfera, será más fácil favorecer las nevadas.