Salju

Ilmu Butir-butir salju
Apakah tidak ada dua-kristal es sama?

Awan terdiri dari tetesan air, uap air dan menunda kotoran seperti partikel debu kecil. Jika suhu awan kemudian menurunkan molekul-molekul air dapat mulai crystallise, mengatur diri mereka sendiri di sekitar partikel-partikel debu di kisi heksagonal struktur yang dikenal sebagai Ice Ih (lihat gambar 1). Ada empat belas dikenal bentuk es, tapi es Ih, singkatan dari "bentuk heksagonal 1", stabil antara -100 ° C dan 0 ° C dan karena itu dilihat dalam bentuk kepingan salju. The hexagonally mengatur tumpukan molekul-molekul air dalam lembaran dengan sisi-sisi yang sangat lurus dan siku pada 120 ° satu sama lain, yang disebut 'segi' (lihat gambar 2).

Melampirkan Molelcules air ke tepi Rough
Gambar 1 Red bola mewakili atom oksigen dan bola putih mewakili atom hidrogen. Seperti udara didinginkan, tetangga terdekat molekul air mulai mengatur diri mereka sendiri ke dalam kisi, secara bertahap mengambil geometri heksagonal 'es Ih ". Setiap molekul air mempunyai empat tetangga terdekat (hanya satu lembar akan ditampilkan) sehingga bertindak sebagai donor hidrogen untuk dua dari mereka dan hidrogen akseptor dari dua lainnya.
Gambar 2 - Hal ini lebih mudah bagi molekul untuk menempel pada permukaan yang kasar daripada yang halus satu sebab permukaan kasar menawarkan lebih banyak situs di mana molekul baru yang dapat ikatan untuk beberapa molekul permukaan sekaligus.
Faset muncul karena lebih mudah bagi molekul untuk tetap secara permanen ke permukaan kasar daripada yang halus satu. Jadi pada awalnya daerah kasar diisi, dan kemudian tumbuh lebih lambat faset halus, yang kemudian menentukan bentuk kristal. Akibatnya, bentuk awal ada salju kristal prisma heksagonal yang sempurna. Hal ini diperlihatkan pada Gambar 3. Kemudian, sebagai prisma heksagonal tumbuh, ia menjadi kurang mampu mempertahankan bentuk dan bercabang menyebabkan ketidakstabilan kaki untuk muncul di sudut-sudut. Bentuk akhir dari kristal akan selalu memiliki simetri 6-lipat karena cara heksagonal molekul air crystallise. Pada kenyataannya, seperti gambar 4 menunjukkan, Anda masih dapat melihat prisma heksagonal awal di pusat banyak kepingan salju.
Kepingan salju yang jatuh ke tanah dapat bervariasi dalam ukuran dari hampir sempurna prisma heksagonal lebar hanya 0,2 mm (disebut berlian debu) hingga besar 'dendritik' salju kristal dengan lebar 5 mm. Kristal yang lebih kecil dari debu berlian terlalu llight untuk jatuh ke tanah sehingga mereka tetap tinggi-tinggi, sementara kristal rapuh yang lebih besar, sehingga mereka cenderung untuk memecah angin sedikit pun.
Tapi apa yang menyebabkan kepingan salju untuk mulai terbentuk dalam tempat pertama? Hal ini terjadi ketika dua kondisi tertentu ditemukan dalam awan: jenuh dan supercooling, dan bentuk akhir kristal salju dapat mengungkapkan bagaimana kondisi ini bervariasi.
Jenuh
Jenuh terjadi bila ada lebih banyak uap air di udara daripada batas kelembaban yang biasa (yang adalah 100%). Pada setiap suhu, ada jumlah maksimum uap air yang dapat didukung di udara. Semakin tinggi suhu, semakin banyak uap air dapat ditampung. Tetapi jika Anda udara sejuk yang sudah pada 100% kelembaban relatif maka itu menjadi jenuh, dan situasi ini tidak stabil. Akibatnya uap air kelebihan crystallises keluar, baik ke dalam tetesan air atau langsung ke es.
Supercooling
Keberadaan air cair di bawah 0 ° C adalah disebut supercooling. Anehnya, jika Anda dingin setetes air murni di bawah titik beku itu tidak akan membeku, dan ini karena molekul-molekul dalam setetes cairan yang memiliki gerak termal yang mencegah mereka dari crystallising. Bahkan suhu harus jatuh ke -42 ° C sebelum pembekuan terjadi. Sebagai perbandingan, setetes air keran siap membeku pada 0 ° C dan ini adalah karena berisi cairan pengotor yang menyediakan permukaan yang molekul-molekul air dapat melekat (dikenal sebagai nukleasi), dan ini mengurangi efek dari gerakan termal, membesarkan titik beku. Jika Anda bisa menyaksikan proses di bawah mikroskop Anda akan melihat lebih progresif menghubungkan molekul-molekul air sampai kecil membentuk kristal es. Jika kristal lebih besar dari ukuran kritis maka akan tumbuh tapi kalau terlalu kecil molekul akan pecah lagi. Hal yang sama terjadi di awan, dan akibatnya struktur dan komposisi dari kepingan salju dapat memberitahu para ilmuwan tentang kondisi suhu di dalam awan mengalami ketika kepingan salju terbentuk.

Bagaimana Butir-butir salju Formulir
Gambar 5. Cara membuat kepingan salju. Pertumbuhan kristal salju dimulai ketika beberapa molekul kecil nukleasi sekitar kenajisan. Perubahan dalam kondisi lokal dapat kemudian mengubah bentuk dan ukuran kristal seperti bentuk. © Kenneth Libbrecht
Selain itu, kepingan salju ditiup di dalam awan saat mereka tumbuh, yang berarti bahwa mereka mengalami kondisi yang berbeda pada waktu yang berbeda, yang menyebabkan bentuk pertumbuhan untuk berubah. Gambar 5 menggambarkan bagaimana sejarah lingkungan kepingan salju dicatat dalam strukturnya dan bagaimana hal ini dapat digunakan untuk mengumpulkan informasi tentang orang tua kepingan salju awan. Dan sebagai sosok 6 menunjukkan, pemahaman proses ini mans bahwa para ilmuwan dapat membuat desainer kepingan salju, yang memberikan informasi tentang fisika kristal pola pertumbuhan dan pembentukan.
Designer kepingan salju
Designer kepingan salju. Dengan memahami bagaimana bentuk kepingan salju, fisikawan dapat tumbuh mereka di laboratorium. Cara yang mempengaruhi pertumbuhan suhu masih belum diketahui dan mempelajari kristal salju ini membantu untuk menginformasikan fisika kristal pola pertumbuhan dan pembentukan. © Kenneth Libbrecht
Apakah benar bahwa tidak ada dua kepingan salju yang pernah sama?
Setiap anak sekolah belajar kalimat yang "tidak ada dua kepingan salju yang sama" dan untuk dendritik besar kepingan salju yang pasti benar. Mengapa? Bayangkan Anda mengatur rak bumbu anda. Anda memiliki lima rempah-rempah dan lima ruang di mana untuk menempatkan mereka. Ada lima cara untuk memposisikan botol pertama di rak, empat cara untuk menempatkan jar kedua, tiga untuk ketiga dan seterusnya. Secara total, terdapat 120 cara untuk mengatur lima botol di atas rak.
Sekarang untuk kristal salju ada lebih banyak seperti 100 fitur yang berbeda yang dapat diidentifikasi, yang memberikan 10.158 (itu 1 yang diikuti oleh 158 nol) cara untuk membangun kepingan salju. Itu sekitar dua kali lebih banyak susunan yang mungkin karena ada atom di alam semesta, jadi sangat tidak mungkin bahwa Anda akan menemukan dua yang sama! Dan karena kepingan salju pertumbuhan adalah hasil dari lingkungan, bahkan yang terkecil perbedaan suhu dan kelembaban akan mempengaruhi bentuk kepingan salju. Jika perubahan itu terjadi pada skala panjang lebih kecil dari kristal salju itu sendiri, maka kristal salju akan tidak teratur (seperti banyak dari kepingan salju di alam). Simetris radial bentuk kristal salju karena setiap bagian dari kepingan salju telah ditaklukkan kepada kondisi yang sama pada saat yang sama, jadi mirip kepingan salju melihat lebih umum ketika mereka sangat kecil.
Tapi Mengapa Studi Butir-butir salju?
Air itu sendiri memiliki banyak tidak biasa dan sifat kontra-intuitif, beberapa di antaranya kita semua terbiasa dengan seperti fakta bahwa es (padat air) kurang padat daripada air cair sehingga mengapung. Awan ilmu adalah salah satu aspek yang paling aktif riset perubahan iklim saat ini dan karena pola-pola yang membuat kepingan salju begitu indah berisi cerita tentang awan mereka berasal, maka sifatnya, yang rendah hati kristal salju kecil melakukan perannya untuk membantu kami memahami ilmu lingkungan kita.
Kristal salju montase