الكثير كريستالات الثلج لقد كانوا دائمًا موضع دراسة من قبل العلماء نظرًا لشكلهم الغريب والمذهل. إذا نظرنا إليهم تحت المجهر ، يمكننا أن نرى أن لديهم أشكالًا هندسية مذهلة ، ومن المذهل سبب إنشاء هذه الأشكال الهندسية في الطبيعة.
في هذه المقالة سوف نخبرك ما هي استنتاجات الدراسات المختلفة المتعلقة ببلورات الجليد وما تم اكتشافه حتى الآن.
تشكيل بلورات الجليد
يرجع الشكل المتماثل للغاية إلى نمو الخزان ، حيث يترسب الماء مباشرة على بلورات الجليد ويتبخر. اعتمادًا على درجة الحرارة المحيطة والرطوبة ، يمكن أن تتطور بلورات الجليد من المنشورات السداسية الأولية بعدة طرق متناظرة. الأشكال الممكنة لبلورات الجليد هي عمودي ، وشكل إبرة ، وشكل لوحة ، وشجيري. إذا انتقلت البلورة إلى منطقة ذات ظروف بيئية مختلفة ، فقد يتغير وضع النمو وقد تُظهر البلورة النهائية أوضاعًا مختلطة.
تميل البلورات الجليدية إلى السقوط بمحاورها الطويلة المحاذاة أفقيًا ، وبالتالي تكون مرئية على رادارات الطقس القطبية ذات قيم الانعكاس التفاضلي المحسّنة (الإيجابية). يمكن أن يتسبب تحميل بلورات الثلج في محاذاة غير أفقية. يمكن لرادار الطقس المستقطب أيضًا اكتشاف بلورات الجليد المشحونة جيدًا. تحدد درجة الحرارة والرطوبة العديد من أشكال الكريستال المختلفة. بلورات الجليد مسؤولة عن عدة مظاهر بصرية في الغلاف الجوي.
تتكون السحب المتجمدة من بلورات الجليد ، وخاصة الغيوم الرقيقة والضباب المتجمد. تتسبب بلورات الجليد في طبقة التروبوسفير في تحول السماء الزرقاء إلى اللون الأبيض قليلاً ، وهو ما قد يكون علامة على اقتراب الجبهة (والمطر) مع ارتفاع الهواء الرطب وتجمده إلى بلورات ثلجية.
في درجة الحرارة والضغط الطبيعيين ، تكون جزيئات الماء على شكل حرف V وترتبط ذرتان من الهيدروجين بذرات الأكسجين بزاوية 105 درجة. بلورات الجليد الشائعة متماثلة وسداسية
عند ضغطها بين طبقتين من الجرافين ، تتشكل بلورات جليد مربعة في درجة حرارة الغرفة. المادة عبارة عن طور بلوري جليدي جديد يتحد مع 17 جليدًا آخر. يتبع البحث اكتشافًا سابقًا أن بخار الماء والماء السائل يمكن أن يمر عبر صفائح من أكسيد الجرافين الرقائقي ، على عكس الجزيئات الأصغر مثل الهيليوم. يُعتقد أن هذا التأثير ناتج عن قوى فان دير فال ، والتي يمكن أن تنطوي على ضغوط تزيد عن 10.000 ضغط جوي.
دراسات على بلورات الجليد
أكدت عمليات المحاكاة التي أجريت على الكمبيوتر العملاق MareNostrum في برشلونة من قبل باحثين من CSIC وجامعة كومبلوتنسي في مدريد أن مفتاح النمو الغريب لبلورات الجليد يكمن في هيكل سطحها.
يمكن أن تكون الأسطح الجليدية في ثلاث حالات مختلفة ، بدرجات متفاوتة من الفوضى. الممرات من واحد إلى الآخر تخلق تغييرات مفاجئة في معدلات النمو مع ارتفاع درجات الحرارة وشرح الطرق المختلفة (مفلطح ، سداسي ، أو كليهما) من بلورات الجليد أو الثلج في الغلاف الجوي.
مفتاح هذه التغييرات البلورية المحددة والنمو هو هيكل سطحها. أظهرت دراسة أجراها الباحثان لويس غونزاليس ماكدويل من جامعة كومبلوتنسي في مدريد (UCM) وإيفا نويا من معهد روكا سولانو للكيمياء الفيزيائية (IQFR) التابع للمفوض السامي للبحث العلمي وبابلو لومبارت من كلا المؤسستين هذا إلى حد ما. . نُشر المقال في مجلة Science Advances.
يقول غونزاليس ماكدويل: "كان سبب هذا التغيير لغزا حتى الآن" ، متذكرا أن الباحث الياباني أوكيشيرو ناكايا اكتشف في ثلاثينيات القرن الماضي أصغر بلورات جليدية ، تسمى غبار الماس ، على شكل موشور سداسي. يمكن أن تكون هذه المناشير مسطحة ، مثل معينات ، أو ممدودة ، مثل قلم رصاص أو موشور سداسي ، ويمكن أن تتحول من شكل إلى آخر عند درجة حرارة معينة.
المحاكاة
لاحظ الباحثون أنه في درجات الحرارة المنخفضة ، كان سطح الجليد أملسًا ومنظمًا نسبيًا. عندما تصطدم جزيئات البخار بالسطح ، لا يمكنهم العثور على مكان يندفعون إليه ويتبخرون بسرعة ، مما يجعل نمو البلورات بطيئًا جدًا.
ولكن في درجات الحرارة المرتفعة ، يصبح سطح الجليد أكثر اضطرابًا بخطوات عديدة. يمكن لجزيئات البخار أن تجد مكانها بسهولة على الدرجات وتنمو البلورات بسرعة.
"لاحظنا أن هذا التغيير لم يكن تدريجيًا ، ولكنه حدث بسبب انتقال محدد للغاية يسمى الانتقال الطوبولوجي. ولكن ما جعل الجليد أكثر غرابة هو أنه فجأة ، عندما ذابت القشرة الخارجية للبلورة ، أصبح السطح أكثر نعومة وفوضى مرة أخرى ، "قال نوح.
عندما يصبح أملسًا جدًا مرة أخرى ، يصبح نمو البلورات بطيئًا جدًا على هذا الجانب من البلورة ، ولكن ليس على الجانب الآخر. فجأة ينمو البعض بسرعة ، والبعض الآخر ينمو ببطء ، ويتغير شكل البلورات ، كما لاحظ ناكاتاني في التجارب منذ أكثر من 90 عامًا.
المحاكاة في MareNostrum
بالنظر إلى أن الجليد مادة معقدة يجب دراستها باستخدام تقنيات تجريبية بسبب تبخرها السريع ، تم إجراء عمليات محاكاة لمدة ثمانية أشهر على أكبر جهاز كمبيوتر في إسبانيا ، MareNostrum (BSC-CNS).
"لقد سمح لنا العمل الحسابي بتحديد مسار كل جزيء ماء يشكل البلورة ؛ لكن بالطبع ، لتشكيل بلورة صغيرة ، نحتاج إلى مئات الآلاف من الجزيئات ، لذا فإن كمية الحسابات المطلوبة لإجراء هذه الدراسة هائلة. يقول لومبارت ساي.
خلص غونزاليس ماكدويل إلى أن هذه النتائج "مثيرة جدًا للاهتمام ، لكن البحث العلمي يحتاج دائمًا إلى تأكيد من خلال حسابات وعمليات تحقق جديدة. على الرغم من هذا الحذر ، يسعدنا أن جهودنا قد أثمرت في شكل نتائج مثيرة للاهتمام ، لأن الأمر استغرق العديد من المحاولات الفاشلة للحصول على التمويل ".
بالإضافة إلى ذلك ، يتذكر الكيميائي أن بلورات الثلج الموجودة في الغلاف الجوي تلعب دورًا مهمًا في ظاهرة الاحتباس الحراري: "لفهم التأثير على تغير المناخ ، نحتاج إلى فهم شكله ومعدل نموه. لذا فإن فهمنا الأفضل يسمح لنا بوضع قطعة أخرى في اللغز الذي تبلغ تكلفته عدة ملايين من الدولارات ".
آمل أن تتمكن من خلال هذه المعلومات من معرفة المزيد عن بلورات الجليد وخصائصها.
يجب أن نقدر الموضوعات الشيقة والرائعة التي تقدمها لنا الطبيعة الأم ، لأنها تزودنا بالمعرفة التي يتمتع بها الخيال ... إنه لمن دواعي سروري أن نلاحظ بلورات الجليد التي تشبه عملًا فنيًا ...