¿Por qué los casos de Snowflake son tan regulares?
Ding Duoer, el creador de la glaciología occidental, describió los copos de nieve que vio en el pico Loza en su clásico trabajo de glaciología: "Estos copos de nieve... están todos compuestos de pequeños copos de hielo, cada uno de los cuales La flor de hielo tiene seis pétalos, algunos de los cuales liberan hermosas lengüetas laterales como Suhua, algunos son redondos, algunos tienen forma de flecha o de zigzag, algunos están completos y otros tienen forma de celosía, pero no han trascendido. p>En China, ya en el año 100 a.C., en la era del emperador Wen de la dinastía Han Occidental, había un poeta llamado Han Ying que escribió una "Biografía de la poesía coreana", que decía claramente: “Donde hay cinco flores en plantas y árboles, hay seis copos de nieve. ”
La forma básica de los copos de nieve es hexagonal, pero es casi imposible encontrar dos copos de nieve idénticos en la naturaleza, al igual que no hay dos personas idénticas en la Tierra. Muchos estudiosos usan microscopios para encontrar miles de copos de nieve. Estos estudios demostraron de manera concluyente que es imposible formar copos de nieve en la naturaleza que sean completamente simétricos en forma y tamaño.
Incluso entre los copos de nieve que se observaron, los copos de nieve que son regulares y simétricos también están deformados. ¿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 más vapor de agua siempre crecerá más rápido. Hay muchos coleccionistas de patrones de copos de nieve en el mundo, que coleccionan diversas fotografías de copos de nieve como coleccionistas de sellos. Un estadounidense llamado Bentley tomó cerca de 6.000 "Fotos de copos de nieve" en su vida. El fotógrafo Sig Yama también fue un fotógrafo soviético cuyo fascinante trabajo se utilizó a menudo. un modelo de patrones estructurales realizado por el japonés Yujiro Nakatani y sus colegas en una cámara frigorífica del laboratorio de la Universidad de Hokkaido en el norte de Japón p>
Sin embargo, aunque las formas de los copos de nieve son diversas, siguen siendo las mismas, por lo que es posible. Los científicos los clasificaron en las siete formas mencionadas anteriormente. Entre estas siete formas, los copos de nieve hexagonales y los cristales de nieve de prisma hexagonal son la forma más básica de los copos de nieve, las otras cinco son solo el desarrollo, transformación o combinación de estos dos básicos. formas
Ya en la dinastía Han occidental a.C., "Hanshu·Shizhuan" señaló: "Cada planta y árbol. Cinco flores y seis copos de nieve. "La forma básica de la nieve es hexagonal, pero puede mostrar varias formas en diferentes entornos.
Hay muchos coleccionistas de patrones de copos de nieve en el mundo. Coleccionan varios patrones de copos de nieve. A algunas personas les llevó toda la vida Tomó miles de fotos de Zhang Xuehua y descubrió cerca de 6.000 copos de nieve diferentes, pero antes de su muerte, creía que eran sólo unos pocos copos de nieve que la naturaleza había caído en sus manos, por lo que algunas personas dicen que no hay dos. mismo tamaño y forma.
¿Por qué las formas básicas de los copos de nieve son hexagonales y columnares?
Esto está relacionado con el hábito cristalino de la condensación y cristalización del vapor de agua y el agua congelada. El hielo pertenece al sistema de cristales hexagonales. Nos atraen fácilmente los cristales puros y transparentes del museo. Al igual que los cristales de hielo, los cristales son sistemas de cristales hexagonales, pero son cristales de dióxido de silicio (SiO2_2). agua (H2O)
El sistema cristalino hexagonal tiene cuatro ejes cristalográficos, tres de los cuales se cruzan en ángulos de 60°, y el cuarto eje (el eje cristalográfico principal) es perpendicular a los tres ejes auxiliares. formado por el eje. El representante más típico del sistema cristalino hexagonal es geométricamente como un cilindro hexagonal regular. Cuando el vapor de agua se condensa y cristaliza, si el eje cristalográfico principal se desarrolla más lento y más corto que los otros tres ejes cristalográficos menores, el cristal. forma una hoja si el eje cristalográfico principal se desarrolla rápidamente y se extiende durante mucho tiempo, entonces el cristal formará una forma de columna, porque el cristal crece más rápido a lo largo del eje cristalográfico principal que a lo largo de los tres ejes auxiliares. La tasa de crecimiento es mucho más lenta. /p>
Varios copos de nieve
Para los copos de nieve hexagonales, debido a sus diferentes curvaturas de superficie (convexa, plana, cóncava), la saturación en cada superficie es diferente, por lo que la densidad del vapor de agua. Se genera un gradiente entre ellos, lo que hace que el vapor de agua se transfiera en una dirección convexa → plana → cóncava, es decir, desde la superficie con gran curvatura hasta la curvatura del copo de nieve hexagonal más grande, seguida por el plano en el borde. y la curvatura de la parte central es la más grande. Debido a que el vapor de agua en los bordes se transporta a los bordes y al centro, la saturación de vapor de agua cerca de los bordes se reduce. El centro se satura con vapor de agua, provocando la sublimación.
Este proceso de sublimación y cristalización continúa y los copos de nieve hexagonales evolucionan gradualmente hasta convertirse en cristales de nieve con prismas hexagonales. (Diagrama esquemático de la migración del vapor de agua sobre los copos de nieve: Figura 42)
Suponiendo que el vapor de agua no se transporta desde el exterior, esta es una situación ideal. De hecho, las cosas están estrechamente relacionadas con el entorno que las rodea y siempre hay vapor de agua en el aire. Si el aire circundante transporta menos vapor de agua hacia el centro, continuará el desarrollo de copos de nieve hasta convertirse en cristales de nieve columnares. En latitudes altas y regiones polares donde las temperaturas son bajas y el vapor de agua es bajo, a menudo caen cristales de nieve en forma de columnas por este motivo.
Otra situación se produce cuando el aire se llena de vapor de agua. En este momento, el aire circundante continúa transportando vapor de agua a los copos de nieve, lo que hace que los copos de nieve se condensen rápidamente. La condensación reduce la densidad del vapor de agua en la capa de aire que rodea al copo de nieve, lo que a su vez facilita el transporte del vapor de agua desde el exterior al interior. De esta forma, los copos de nieve crecieron rápidamente. Cuando el vapor de agua se transporta rápidamente al copo de nieve, las seis esquinas del vértice son las más afectadas y el gradiente de densidad del vapor de agua es el mayor. Ya es demasiado tarde para transportar vapor de agua al interior del copo de nieve. 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 madre, formando un copo de nieve en forma de estrella de seis puntas.
Cuando hace buen tiempo, en zonas montañosas o regiones polares, también podemos ver una especie de agujas de hielo que brillan como gemas, que la gente llama polvo de diamante. Hay dos condiciones para el crecimiento de las 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 cuando la temperatura es alta (alrededor de -30°C). 5°C) y la humedad es alta a lo largo de un cierto borde de los copos de nieve. Esto es producto del crecimiento particularmente rápido del ángulo del vértice del eje secundario.
Después de que un cristal de copo de nieve con forma de * * * se genera en el cielo, cuando su diámetro alcanza las 50 micras, puede superar la flotabilidad del aire y comenzar a moverse significativamente hacia abajo, y continuar creciendo y cambiando mientras cayendo con gracia. De esta forma se producen diversas formas de copos de nieve. Siempre que los aceptemos sobre lana negra o terciopelo negro, inicialmente podremos identificar sus formas a simple vista.
¿Qué tamaño tienen los copos de nieve?
El poeta Li Bai escribió un famoso poema 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? De hecho, los copos de nieve son muy pequeños. Sin mencionar que no hay ningún registro en la historia de la ciencia de los copos de nieve, ni siquiera la "nieve de plumas de ganso" es fácil de encontrar.
De hecho, el diámetro de un único copo de nieve que podemos ver suele estar entre 0,5 y 3,0 mm. Estos diminutos copos de nieve sólo pueden pesarse en una balanza analítica extremadamente precisa, y sólo entre 3.000 y 65.438+00.000 copos de nieve suman 1 gramo. Según un cálculo aproximado de un científico, en un metro cúbico de nieve hay entre 6 y 8 mil millones de copos de nieve, lo que es incluso más que la población total de la Tierra.
El tamaño de los cristales de los copos de nieve depende enteramente de la temperatura a la que se condensa y cristaliza el vapor de agua. Los cristales de nieve que se forman en ambientes extremadamente fríos son tan pequeños que son casi invisibles. Sólo cuando brillan al 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 0,017m2 cuando la temperatura es de -24°; C, el área promedio es de 0,034 mm2; a -18°C, el área promedio es de 0,084 milímetros cuadrados, a -6°C es de 0,256 milímetros cuadrados, y a -3°C, el área promedio de los cristales de nieve aumenta a 0,811 milímetros cuadrados.
La gente tiene un sentimiento equivocado al describir el clima frío severo en algunas obras literarias, a menudo usan la palabra "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 severo. Por el contrario, cuanto más grandes sean los copos de nieve, mayor será la temperatura en ese momento. Es raro ver fuertes nevadas durante el frío intenso, y solo es posible nevar a finales de otoño, principios de invierno o principios de primavera. En realidad no es un copo de nieve, sino que está formado por muchos copos de nieve pegados entre sí. El diámetro máximo de un solo cristal de copo de nieve no excederá los 10 mm y puede ser tan grande como nuestras uñas. No se llama nieve intensa.
A temperaturas relativamente altas, los cristales de los copos de nieve se conectan fácilmente entre sí, lo que se denomina fusión de copos de nieve. Especialmente cuando la temperatura es cercana a los 0°C y el aire es más húmedo que una bisagra, la capacidad de los copos de nieve para fusionarse es particularmente grande. Cientos de copos de nieve viven en él, formando una gran nieve con forma de pluma de ganso. Por lo tanto, estrictamente hablando, la nieve de ganso no puede llamarse copos de nieve, es solo un polímero de muchos copos de nieve.
Nevadas industriales
Desde la antigüedad, Dios siempre ha estado feliz con la nieve, pero no feliz.
¿Hay alguna manera de hacer que Dios nieve en función de las necesidades humanas?
Hay una manera, y es la nevada artificial.
Se requieren dos condiciones para que el vapor de agua del cielo se convierta en lluvia y nieve. Una es que debe tener un cierto grado de saturación de vapor de agua (principalmente relacionado con la temperatura), y la otra es que debe tener núcleos de condensación. Por lo tanto, las nevadas artificiales deben tener primero nubes en el cielo. Sin nubes, es como si una mujer inteligente no supiera cocinar. No hay posibilidades de que nieve. Las nubes que pueden producir nieve son "nubes frías" por debajo de 0 ℃. En las nubes frías, el vapor de agua se condensa. Si no hay condiciones para seguir creciendo, solo pueden quedar suspendidos en el aire como humo y polvo, y es difícil caer. A menudo vemos grandes nubes en invierno, pero no podemos ver los copos de nieve cayendo porque los cristales de nieve que forman estas nubes son demasiado pequeños para superar la flotabilidad del aire y su capacidad para precipitar es muy pobre. Si se rocían algunas partículas en las nubes, los cristales de nieve crecerán lo suficientemente rápido como para superar la flotabilidad del aire, que es el resultado de las nevadas artificiales.
¿Qué sustancia se puede pulverizar para favorecer el rápido crecimiento de los cristales de nieve? En los primeros tiempos, la gente utilizaba muchos métodos interesantes. Estos métodos incluyen principalmente: prender fuego en el suelo y emitir grandes cantidades de humo al cielo; usar cañones para atacar las nubes con cometas que vuelan alto y luego electrificar las cometas para hacer volar flores hacia las nubes y rociar líquido; gotas de agua y partículas de polvo. Sin embargo, los resultados de estos métodos no son satisfactorios. No fue hasta 1946 que se descubrió que arrojar partículas muy pequeñas de hielo seco a las nubes frías podía formar millones de cristales de nieve. El 3 y 11 de junio de ese año, alguien roció partículas de hielo seco sobre los cúmulos con una temperatura de -20°C en un avión, y la gente descubrió que de esas nubes caía nieve.
El hielo seco mencionado aquí no es hielo congelado por agua, sino una forma sólida de dióxido de carbono, que es muy similar a la nieve compactada en invierno. La temperatura del hielo seco es muy baja, por debajo de -78,5°C. Si los cristales de hielo seco se esparcen como hadas en las nubes frías, cada cristal de dióxido de carbono se convertirá en un centro de enfriamiento repentino, lo que provocará que el vapor de agua, las pequeñas gotas de agua y los pequeños cristales de nieve de la nube fría se acumulen rápidamente a su alrededor y se condensen en copos de nieve más grandes.
Hoy en día, el yoduro de plata se utiliza habitualmente para las nevadas artificiales. El yoduro de plata es un cristal químico amarillo comúnmente utilizado como fotosensibilizador en materiales fotográficos. El tamaño de los cristales de yoduro de plata es muy similar a los monómeros hexagonales de los cristales de nieve, la disposición de los átomos en sus monómeros también es muy similar y el espacio reticular entre ellos también es muy cercano (4,58 angstroms para yoduro de plata y 4,52 angstroms para nieve). cristales). Por lo tanto, las partículas de yoduro de plata se dispersan en nubes con poca capacidad de precipitación, lo que las convierte en "impostoras".
¿Cómo pueden estos núcleos condensados difundirse en las nubes? Los humanos modernos usan principalmente cañones para poner químicos en proyectiles y luego dispararlos a las nubes. Sin embargo, este método es desigual, desperdicia muchos medicamentos y aumenta el coste de las nevadas artificiales. Algunas personas los ponen en cohetes de arcilla y los dejan volar hacia las nubes y rociar.
En general, la tasa de éxito de las nevadas artificiales es mayor que la de la lluvia artificial. La lluvia artificial puede aumentar las precipitaciones en aproximadamente un 20%, pero en las altas montañas y zonas alpinas puede aumentar las precipitaciones entre un 30 y un 40%. Esto se debe a que en las altas montañas y zonas alpinas la temperatura es baja y el vapor de agua se satura fácilmente. Al mismo tiempo, los cristales de nieve se forman más fácilmente que las gotas de lluvia. Si se añaden artificialmente algunos núcleos de cristal a la atmósfera, será más fácil provocar nevadas.