تستطيع الثلجة أن تتشكل بشكل صفيحة أو عمود، ولكن لم يفهم أحد لماذا – حتى قام الفيزيائي كينيث ليبريخت بالتحقيق. نظريته هي نتيجة عشرين عامًا من صنع الثلج في المختبر.
البشر
تعتبر الثلوج في باسادينا بولاية كاليفورنيا نادرة جدًا، ولكن في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا، يمكن لكينيث ليبريخت أن يخلق الثلج باستخدام أكثر معدات صنع الثلج تطورًا في العالم.
اهتمام ليبريخت بالثلج
بصفته فيزيائيًا، تعامل ليبريخت مع بعض الأسئلة الضخمة، مثل طبيعة الموجات الجاذبية والعمليات الداخلية للشمس. ولكن لديه أيضًا هواية ساحرة في علم الثلج، الذي يعقد فيه الكثير من التعقيد والغموض مما قد تعتقد.
السؤال الكبير حول الثلج
الثلجة القياسية التي تراها في الزينة العطلية – سداسية الشكل، رقيقة ومسطحة – حسنًا، هذه ليست الطريقة التي تتشكل بها دائمًا. بالإضافة إلى الصفائح الرقيقة والسداسية، يمكن أن تنمو الثلجة في أعمدة سداسية طويلة، مثل شكل قلم رصاص بحجم صغير. تم اكتشاف هذين النوعين من الثلج في اليابان في الثلاثينيات من القرن الماضي، حيث يتشكل الصفائح عند حوالي -2 درجة مئوية، والأعمدة عند حوالي -5 درجات مئوية، ثم تعود الصفائح مرة أخرى عند حوالي -15 درجة مئوية. إنه نمط غريب جدًا يتذبذب بهذه الطريقة. أردت حقًا أن أعرف لماذا يحدث ذلك، لكنه تبين أنه لا يوجد إجابة – إنه لغز كامل.
تحقيق ليبريخت في هذا اللغز
قررت أن الطريقة للإجابة على هذا السؤال هي زراعة الكثير من الثلجات بظروف مختلفة وقياس نموها بشكل منهجي. كان ذلك قبل 20 عامًا، ولعدة سنوات واجهت مشاكل ولم أحقق أي تقدم. في النهاية، توصلت إلى أنه يجب أن يتم إغلاق التجربة بالكامل في صندوق. تضيف بخار الماء، لكن يجب ضبط الظروف مثل درجة الحرارة والضغط بدقة. لدي قضبان صغيرة تدخل الصندوق وأستخدمها لدفع الأشياء وتشغيلها وإيقافها. بعد ذلك يمكنني زراعة البلورات – في الغالب زرعت بلورات أصغر من عرض شعرة الإنسان ودرستها تحت المجهر. إذا كانت كبيرة جدًا، فإنها تكون معقدة جدًا في الشكل وصعبة في الدراسة.
نظرية ليبريخت الموحدة الكبرى للثلج
كان الناس دائمًا يعتقدون أنه إذا كان لديك سطحًا مسطحًا في بلورة، فإنه ينمو بنفس الطريقة في ظروف معينة. ما اكتشفته هو أن حجم السطح يهم كثيرًا في الثلجات. إذا تخيلت ثلجة مثلثة سداسية الشكل ومشابهة للصفيحة، فإن لديها سطحين واسعين وستة سطوح أرق حول الحافة. تتبين أن هذه السطوح الأرق تنمو بسرعة أسرع من السطوح الأوسع، وهذا يخلق تأثيرًا متسارعًا حيث تصبح الصفائح أكثر رقة ورقة. الشيء الممتع هو أن هذا الاتجاه يعكس – في درجات حرارة معينة، يكون السطح الأوسع هو الذي ينمو بسرعة أكبر، وبالتالي تحصل على بلورات عمودية.
تأثير الثلج على الكواكب الأخرى
تؤثر انتشار جزيئات الماء عبر الهواء على نمو الثلج بطريقة تعزز التأثيرات الجزيئية لخلق الحواف الرقيقة المرئية في البلورات المشابهة للصفيحة والأعمدة الفارغة. عندما أزرع البلورات في فراغ، لا يحدث أي من هذا. لذا، نعم، ستكون هناك اختلافات في الثلج على الكواكب الأخرى. إذا لم يكن هناك جو، فستحصل على بلورات مكعبة، ولكن في ضغط عالٍ ستحصل على بلورات رقيقة للغاية. بالطبع، يمكن أن تغير الكيمياء في الغلاف الجوي هذا أيضًا بطرق صعبة التنبؤ بها.
نمو بلورتين متطابقتين
بدأت هذه العملية عندما أدركت، في وقت مبكر من عملي على الثلج، أنه لا توجد مقاطع فيديو جيدة لنمو الثلج. أردت أن أصنع فيديو يظهر بلورة تبدو مثالية. في النهاية، توصلت إلى كيفية زراعة البلورات على دعم ثابت وتصويرها. بدت أفضل بكثير من البلورات التي تسقط من السماء. كانت أكثر وضوحًا وحدة. الثلج الحقيقي قد مر بحياة صعبة، حيث يسقط عبر الغلاف الجوي ويصطدم ببلورات أخرى. كما أنها بدأت في التبخر، لذا الحواف دائمًا ما تكون مستديرة قليلاً.
الأسئلة التي لا تزال بدون إجابة حول الثلج
نموذجي معقد جدًا. لكنه يقدم الكثير من التوقعات وأرغب في اختبارها ورؤية ما يحدث ونأمل تحسين النموذج. أحد التوقعات هو أن أشياء مثيرة قد تحدث للثلجات قرب نقطة الانصهار. قد ترى ما يسمى بالانصهار المبكر، حيث يكون معظم الثلجة بلورة صلبة، ولكن الجزيئات على السطح تصبح غير منتظمة. لقد حاولت استكشاف ذلك. أحاول أيضًا زراعة بلورات أكبر؛ أود أن أصنع أكبر بلورة ثلج في العالم. لا يوجد سبب محدد… هناك دائمًا شيء جديد لتجربته.
رؤية ليبريخت للثلج اليوم
نشأت في نورث داكوتا، حيث يكون الطقس باردًا جدًا ويكون لدينا الكثير من الثلج. كنت أرى بلورات نجمة سداسية، كبيرة، ولكنني لم أكن أعرف أي شيء من هذا. الآن أعرف بشكل أفضل ما يجب البحث عنه. سأخرج وأحمل مكبرًا وأبحث عن أنواع مختلفة من البلورات – مثل الأعمدة المغطاة، على سبيل المثال، والتي تشبه الهجين الخاص بين الصفيحة والعمود. أسميها مشاهدة الثلج. الشيء المضحك هو أن زوجتي عالمة نباتية، وعندما نخرج معًا، فهي دائمًا تنظر إلى النباتات المختلفة – لكنها تبدو لي جميعها مثل الأعشاب.
اترك تعليقاً