Lumihiutale

Lumihiutale  on erillinen lumi- tai jääkide , joka putoaa pilvistä sateen muodossa , jonka koko on murto-osista useisiin millimetreihin. Niiden muodostuminen ilmakehässä liittyy vesihöyryn kondensaatio- ja kiteytymisprosesseihin ilmasta. Nykyaikainen kansainvälinen ilmakehän jääkiteiden muotojen luokittelu, joka hyväksyttiin vuonna 1949, tunnistaa yli 40 päätyyppiä lumihiutaleita. Lumihiutaleiden yleisimmät muodot ovat dendriitit , tähdet, levyt ja pylväät, joiden tyvessä on kuuden säteen symmetria. Jäähiukkasten koko voi kasvaa törmäyksissä alijäähtyneen veden hiukkasten kanssa , minkä jälkeen nestefaasi jäätyy jään pinnalle, tai muodostaa monimutkaisia ​​aggregaatteja törmäämällä ja tarttumalla yhteen.

Lumihiutaleet ovat vuosisatojen ajan herättäneet sekä maallikoiden uteliaisuutta että tiedeyhteisön akateemista kiinnostusta esteettisten ominaisuuksiensa, monimutkaisten geometristen muotojensa ja symmetriaominaisuuksiensa vuoksi [1] . Vuonna 1885 amerikkalainen innostunut valokuvaaja Wilson Bentley julkaisi kirjan, jossa oli yli 5000 kuvaa lumihiutaleista.

Yleistä tietoa

Nykyaikainen kansainvälinen ilmakehän jääkiteiden muotojen luokittelu, joka hyväksyttiin vuonna 1949, tunnistaa yli 40 päätyyppiä lumihiutaleita [2] .

Lumihiutaleiden tilamitat ovat keskimäärin millimetrin murto-osista useisiin millimetreihin [3] . Yleensä ne ovat paljon alle 2 senttimetriä, mutta tieteellisessä kirjallisuudessa on raportteja lumihiutaleista, jotka ylittävät tämän arvon [4] . Yleensä ympäristön lämpötilan noustessa ja tuulen voimakkuuden heikkeneessä lumihiutaleet kasvavat yleensä [3] . Lumihiutalekonfiguraatioiden näennäisesti valtava kirjo kristallografisesta näkökulmasta perustuu yhteen perusmuotoon, nimittäin kuusikulmaiseen prismaan , jossa on ( 0001)-tyyppiset sivupinnat ja (10 1 0) -tyyppiset pohjapinnat. Tyyppien (10 1 2), (11 2 0) - kaksikulmaisen rakenteen sivupinnan ja (10 1 1) - pyramidin sivupinnan kidepinnat ovat metastabiileja ja niitä havaitaan erittäin harvoissa tapauksissa [5] .

Rauhallisessa ilmapiirissä lumihiutaleen putoamisnopeus on keskimäärin noin yksi metri sekunnissa, tyypillisesti vaihdellen kymmenesosasta kahteen metriin sekunnissa. Tämä arvo riippuu olennaisesti ilman lämpötilasta ja jääkiteiden aerodynaamisista ominaisuuksista. Ilmakehän saostumisprosessissa lumihiutaleet muuttuvat jatkuvasti koaguloitumisen, rakeistumisen ja huurtumisen vuoksi. Niillä on tapana kerätä alijäähtynyttä kosteutta päälleen, lukkiutua ja jäätyä yhdessä lumihiutaleiden muodostumisen kanssa . Pudottuaan maan pinnalle ne käyvät läpi voimakkaita muutoksia lumipeitteessä [3] [6] .

Muodostelu

Muodostumisprosessissaan lumihiutaleet voivat ottaa erilaisia ​​geometrisiä muotoja. Lumihiutaleiden yleisimmät muodot ovat dendriitit , tähdet, levyt ja pylväät, joiden pohjassa on kuusi sädesymmetriaa (60° säteiden välinen kulma liittyy jäässä olevien vesimolekyylien muodostamaan kuusikulmaiseen rakenteeseen ) [3] [6] .

Kasvavan kiteen jääpinnat peitetään aina ohuella nestekalvolla, jota kutsutaan kvasi-nestekerrokseksi. Tämä ilmiö liittyy pinnan sulamiseen, joka tapahtuu monien kiteisten materiaalien pinnalla ja on eräänlainen ensimmäisen asteen faasimuutos . Pinnan sulaminen tapahtuu kiinteän jään sulamispisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa, koska vesimolekyylien sidokset ovat heikommat kiteen pinnalla kuin sen syvyydessä. Tämä vaikutus sanelee olosuhteet kemiallisten reaktioiden esiintymiselle jään pinnalla, sen kasvuprosesseille sekä useille muille ilmakehän ilmiöille [7] .

Lumihiutaleiden ilmaantuminen ilmakehän ilmaan tapahtuu useiden eri tekijöiden yhdistelmän monimutkaisen vaikutuksen alaisena [8] . Puhtaiden kiteiden kasvu tapahtuu vesihöyrymolekyylien laskeutumisen seurauksena jään pinnalle. Kasvavan jääkiteen kuusisivuinen symmetria antoi nimensä ja nimityksensä ns. normaalille kuusikulmaiselle jäälle Ih . Jääkidehila Ih on tärkein ja yleisimmin tavattu, mutta vain yksi mahdollinen jään muunnos vähintään 13:sta muusta, joka on koskaan havaittu ilman lämpötilan ja ilmanpaineen eri yhdistelmillä [9] . Seka- ja jäisissä pilvissä jään sublimaatiokasvua vauhdittavat tyypilliset olosuhteet -40 °C:n lämpötiloissa, jolloin vesihöyryn paine vastaa kyllästymistä veden päällä, mutta ei jään päällä. Tällä tavalla syntyvä jään ylikyllästyminen voi nousta kymmeniin prosenttiin, mikä käynnistää kaiken saatavilla olevan kosteuden tislausprosessin nestefaasista kiinteään faasiin. Tämä on erityisen havaittavissa noin -12,5 °C:n lämpötiloissa [10] .

Lisäksi jäähiukkasten koko voi kasvaa törmäyksissä alijäähtyneen veden hiukkasten kanssa , mitä seuraa nestefaasin jäätyminen jään pinnalle. Toinen kiinteiden hiukkasten kasvun tyyppi on aggregaatio, kun ne törmäävät toisiinsa ja tarttuvat toisiinsa muodostaen monimutkaisia ​​komposiittiaggregaatteja [8] .

Havainnoinnin ja tutkimuksen historia

Uskotaan, että ensimmäisen kuvauksen lumihiutaleista kiteisiksi esineiksi antoi saksalainen matemaatikko ja tähtitieteilijä Johannes Kepler vuonna 1611 tutkielmassaan Hexagonal Snowflakes [11 ] . Samaan aikaan on kuitenkin todisteita siitä, että Kepler oli tältä osin tanskalaisen tähtitieteilijän Tycho Brahen havaintojen seuraaja , jonka luonnokset putoavista lumihiutaleista ovat säilyneet tähän päivään asti [12] . Vuonna 1635 lumihiutaleiden geometriset ominaisuudet herättivät ranskalaisen luonnontieteilijän ja matemaatikon René Descartesin kiinnostuksen . Descartes löysi ensin harvinaisen lumihiutalemuodon, jossa oli kaksitoista terälehteä, joiden alkuperä on edelleen epäselvä. Vuonna 1665 englantilainen keksijä Robert Hooke teki sarjan havaintoja lumihiutaleista mikroskoopilla ja julkaisi tulokset piirustusten muodossa [11] .

1800-luku

Vuonna 1820 englantilainen tutkimusmatkailija ja edelläkävijä William Scoresby loi maailman ensimmäisen systemaattisen lumihiutaleluokituksen. Hänestä tuli myös ensimmäinen niistä, jotka kiinnittivät huomiota jääkiteiden muodon ja ympäröivän ilman lämpötilan väliseen kiistattomaan suhteeseen [13] .

1870-luvulla suuren määrän lumihiutalevalokuvia teki venäläinen amatöörivalokuvaaja Andrey Sigson . Antautuessaan täysin harrastukselleen hän jäähdytti kätensä ja hengitti erityisen ilmakanavan kautta, jotta se ei vahingoittaisi hauraita jääkiteitä. Tutkimuksen tulos oli Moskovan ammattikorkeakoulun näyttelyn hopeamitali vuonna 1872 ja terveysongelmat - sormien reuma [11] [14] . Hänen jälkeensä vuonna 1885 amerikkalainen innostunut valokuvaaja Wilson Bentley julkaisi kirjan, jossa oli yli 5 000 mikroskoopilla valokuvaamalla otettua kuvaa [15] .

1900-luku

Vuonna 1910 venäläinen tutkija I. B. Shushkevich laati yhden ensimmäisistä venäläisistä putoavien jääkiteiden luokitteluista ottaen huomioon siihen liittyvät sääolosuhteet. Muutama vuosikymmen myöhemmin tätä järjestelmää jalosti Neuvostoliiton jäätikologi Boris Veinberg [12] .

Merkittävän panoksen lumihiutaleiden tutkimukseen antoi japanilainen fyysikko ja luonnontieteilijä Ukishiro Nakaya Hokkaidon yliopistosta Sapporossa . Hän aloitti tutkimuksensa vuonna 1932, ja useiden vuosien työn jälkeen hän pystyi toistamaan melkein minkä tahansa jäämuodon laboratoriossaan. Hän tutki yli 3000 valokuvaa luonnollisista lumihiutaleista ja ehdotti niiden perusteella putoavien jääkiteiden luokittelua 40 morfologiseen luokkaan. Hänen tulokset tiivistettiin ja systematisoitiin ns. Nakaya-diagrammiin, joka liitti ilman lämpötilan ja kosteuden havaittujen lumihiutalemuotojen ominaisuuksiin. Nakaya-kaavion ansiosta oli mahdollista päätellä yläilmakehän olosuhteita tarkkailemalla sieltä putoavien jääkiteiden morfologiaa. Löytöidensä valossa Nakaya kutsui lumihiutaleita usein "kirjeiksi taivaasta" [16] .

Vuonna 1940 itseoppinut amerikkalainen keksijä Vincent Schaefer kehitti tekniikan jääkidejäljen kiinnittämiseksi ohuen muovikalvon pinnalle . Dikloorietaanin ja polyvinyylikromaalin seos valittiin tämän kalvon päämateriaaliksi [15] . Tämä lähestymistapa kiinnosti toista amerikkalaista tutkijaa - kemisti Irving Langmuiria , joka vuonna 1946 houkutteli yritteliäs Schäferin assistenttikseen. Pakastimessa alijäähdytetyn vesiaerosolin kokeiden ja havaintojen aikana havaittiin, että kosteuden tiivistymistä oli mahdollista hallita kuivajäällä ja muilla kemiallisilla reagensseilla. Tämä löytö johti nykyaikaisten menetelmien syntymiseen pilviin vaikuttamiseen ja sään säätelyyn [17] .

Vuonna 1949 W. Nakayan ideoiden pohjalta luotiin ja otettiin käyttöön kansainvälinen ilmakehän alkuperää olevien jäähiukkasten muotoluokitus, joka sisälsi yli 40 lumihiutaleen muotoa ja kokoonpanoa [2] .

Neuvostoliiton tutkija F. Ya. Klinov suoritti 1900-luvun 40-50-luvulla monimutkaisen tutkimuksen havaittujen jääkiteiden morfologiasta käyttämällä kytkettyjä radiosondipalloja Verhojanskin kaupungin alueella. Jäähiukkasten parametrien lisäksi tallennettiin niiden muodostumisen aikaiset hydrotermiset olosuhteet ja pilvisyyden tyyppi [12] .

Vuonna 1966 meteorologit K. Magono ja K. Lee ehdottivat luokitusjärjestelmää, joka standardoi havaittujen jää- ja lumihiukkasten eri muodot antamalla niille erityiset koodit [18] . Aivan kuten Nakaya, nämä tutkijat hahmottelivat eri tyyppisten hiukkasten tilastollisen esiintyvyyden alueita lämpötilan ja vesihöyryn suhteellisen ylikyllästymisen perusteella yläilmakehässä [19] .

Aiheeseen liittyvät ilmiöt

Lumikiteet herättävät paljon tavallisten ihmisten ja tiedemiesten huomion vaikutuksensa vuoksi tiettyjen optisten ilmiöiden muodostumiseen, joita usein havaitaan ilmakehän pintakerroksessa. Näistä ilmiöistä ei voi olla mainitsematta tunnettuja aurinkopylväitä , halo , parhelion ja anthelium , joihin voi liittyä koko joukko vähemmän ilmeisiä sivuvaikutuksia . Niiden esiintyminen taivaalla liittyy auringonvalon taittumiseen jäähiukkasten tasaisilla pinnoilla, joiden kasvun aikana jääkiderakenteen eri elementtien välille muodostuu tiukasti määritellyt kulmat [20] [21] .

Kulttuurissa ja massatietoisuudessa

Jääkiteiden esteettisen pohdiskelun historia ulottuu useiden kymmenien vuosisatojen taakse. Ensimmäinen, joka kiinnitti huomion jäähiukkasten kuusisivuisen symmetrian muuttumattomuuteen, oli kiinalainen ajattelija Han Yun vuonna 135. Hänen jälkeensä kiinalaiset tiedemiehet ja kirjailijat mainitsivat tämän tosiasian usein kirjoituksissaan. Se löysi tiensä myös klassiseen kiinalaiseen runouteen, esimerkiksi eräässä runossa, joka juontaa juurensa 500-luvulle [22] . Muinaisten kiinalaisten maailmankuvassa lumikiteet kuuluivat elementtiin Yin . Niiden luonne ja kuusikulmainen symmetria tunnistettiin kiinalaiselle kulttuurille perinteiseen symboliikkaan, mutta havaituille ilmiöille ei yritetty antaa edes jotain selitystä [23] .

Muinaiset kreikkalaiset ja varhaisen arabi-idän ajattelijat eivät jättäneet asiakirjoissaan mainintaa lumihiutaleista [24] . Todennäköisesti tämä johtuu yksinkertaisesti siitä, että ilmakehän jää on erittäin harvinainen ilmiö Välimeren ilmastossa [25] .

Monia vuosisatoja myöhemmin keskiaikaisen Euroopan valistuneet mielet kiinnittivät huomiota ilmakehän lumihiukkasiin . Ensimmäinen tunnettu niistä oli saksalainen teologi Albertus Magnus , joka noin 1260 jätti viittaukset tähdenmuotoisiin jääkiteisiin, jotka putoavat vasta helmi- ja maaliskuussa [25] . Skandinaavinen piispa Olaf Magnus kuvasi lumihiutaleiden omituisuutta kirjassaan, joka julkaistiin Roomassa vuonna 1555. Sanojen lisäksi hän jätti jälkeläisilleen puisen kaiverruksen , jossa oli kuvia 23 lumihiutaleesta, joilla oli erittäin outoja muotoja ja ääriviivoja. Tämän todisteen historiallisuus on kyseenalainen [22] , koska tämän kuvan tehnyt kaivertajamestari ei ilmeisesti ymmärtänyt kirjoittajan ohjeiden merkitystä tai kadonnut luonnoksinsa [26] .

Teknologinen kehitys on tehnyt omat säätönsä lumen kaunottareiden käsitykseen. 1600-luvulla elänyt englantilainen luonnontieteilijä Robert Hooke järkyttyi jäähiukkasten epätäydellisyydestä mikroskoopin alla, ja hänen laitteensa optisen suurennuksen lisääntyessä niiden pinnalla olevien näkyvien vikojen määrä vain lisääntyi. Robert Hooke ei uskaltanut ehdottaa, että Kaikkivaltiaan suunnitelman mukaan luotu luomus voisi olla ainakin jossain määrin epätäydellinen, ja katsoi kaikki näkyvät puutteet lumihiutaleen pitkän matkan taivaasta maan päälle [27] . Yleisemmässä yhteydessä Hooke päätteli samalla tavalla kuin Joseph Glanvillen ja John Locken filosofinen linja . Näiden ajatusten mukaisesti kyvyttömyys nähdä Jumalan kaitselmuksen todellista kauneutta ja todellista olemusta johtuu inhimillisen havainnon puutteista, jotka heikkenivät lankeemuksen aikaan . Toisin sanoen luonnontutkijoiden mahdolliset virheet ovat seurausta heidän aistielintensa vääristymisestä, jotka ovat menettäneet Luojan asettamat mahdollisuudet ihmisen syntialttiuden vuoksi [28] .

Itämaisessa taiteessa lumihiutaleiden motiivi tyypillisellä symmetrialla lipsahti japanilaisen taiteilijan Utagawa Kunisadan visuaalisten teosten läpi . Sen uskotaan saaneen inspiraationsa japanilaisen valtiomiehen Toshitsura Doin vuonna 1832 julkaisemista lumipiirroksista.[29] . Toshitsura Doin havaintojen merkitys johtuu siitä, että hänen teoksensa julkaisuhetkellä japanilainen tiede oli lapsenkengissään [13] .

2000-luvulla Isossa-Britanniassa syntyi halventava termi " lumihiutalesukupolvi " , jota alettiin käyttää jokapäiväisessä suhteessa nuorempaan sukupolveen (useimmiten opiskelijat), joiden kasvukausi osui 2010-luvulle. Korostaen heidän lisääntynyttä herkkyyttään ja kyvyttömyyttään kohdata arjen vaikeuksia, tätä ilmaisua alettiin käyttää välineenä poliittisessa keskustelussa. Sitä käytetään erityisen usein populistisissa tai oikeistolaisissa poliittisissa kommenteissa [30] .

Afroamerikkalaisessa slangissa englanninkielinen sana "lumihiutale" ( englanniksi  lumihiutale ) tarkoittaa mitä tahansa valkoisen rodun edustajaa, ja sillä on loukkaava konnotaatio. Tässä mielessä se kiertää usein elokuvissa ja televisiosarjoissa [31] . Sillä on sama slangin merkitys brittienglanniksi [32] . Sitä vastoin amerikanenglannin slangissa käsite "lumihiutale" ( englanniksi  lumihiutale ) viittaa usein kokaiiniin [32] .

Unicodessa on useita lumihiutalemerkkejä : U+2744 ❄ lumihiutale , U+2745 ❅ tiukka kolmilehtinen lumihiutale , U+2746 ❆ raskas chevron lumihiutale [33] .

Muistiinpanot

  1. ↑ Singh, 2011 , Snow Crystal Structure, s. 1038.
  2. ↑ 1 2 Golubev, 2013 , s. 54.
  3. ↑ 1 2 3 4 Khromov, Mamontova, 1974 , Snezhinka, s. 427.
  4. ↑ Pruppacher, Klett, 2004 , Pilvien ja jäähiukkasista koostuvan sateen mikrorakenne, s. 40.
  5. ↑ Pruppacher, Klett, 2004 , Lumikiteiden muoto, mitat, bulkkitiheys ja lukumääräpitoisuus, s. 40, 41.
  6. ↑ 1 2 Kotlyakov, 1984 , Snezhinka, s. 407.
  7. ↑ Singh, 2011 , Ice, s. 558.
  8. ↑ 1 2 Pruppacher, Klett, 2004 , Pilvien ja jäähiukkasista koostuvan sateen mikrorakenne, s. 39.
  9. ↑ Singh, 2011 , Ice, s. 557.
  10. ↑ Tverskoy, 1962 , Sade jäistä ja sekapilvistä, s. 444, 445.
  11. ↑ 1 2 3 Lumihiutaleista Arkistokopio 4.6.2020 Venäjän Wayback Machinen hydrometeorologisessa keskuksessa
  12. ↑ 1 2 3 Golubev, 2013 , s. 53.
  13. ↑ 1 2 Hobbs, 1974 , Lumikiteiden varhaiset havainnot, s. 525.
  14. ↑ N. A. Petukhova Andrey Andreevich Sigson Arkistokopio 27. lokakuuta 2020 Wayback Machine Yarkipediassa, 2016
  15. ↑ 1 2 Chemistry and Life, 1961 , s. 77-78.
  16. ↑ Singh, 2011 , Ice, s. 559.
  17. ↑ Keene, 2018 , Weather Wars, s. 151.
  18. ↑ Wang, 2013 , Magono–Lee-luokitus, s. 59.
  19. ↑ Golubev, 2013 , s. 57.
  20. ↑ Tape, 1994 , Halos from Plate Crystals, s. 3-7.
  21. ↑ Tape, 1994 , The Role of Sun Elevation, s. 58-60.
  22. ↑ 1 2 Libbrecht, Wing, 2015 , Snowflake Watching, s. 19.
  23. ↑ Liou ja Yang, 2016 , Jotkut historialliset näkökulmat, s. 30, 31.
  24. ↑ Liou ja Yang, 2016 , Jotkut historialliset näkökulmat, s. 31.
  25. ↑ 1 2 Hobbs, 1974 , Lumikiteiden varhaiset havainnot, s. 524.
  26. ↑ Noble ja Gottesman, 2001 , Huomautus.
  27. ↑ Wragge-Morley, 2020 , Robert Hooke ja lumihiutaleen rauniot, s. 86.
  28. ↑ Wragge-Morley, 2020 , Robert Hooke ja lumihiutaleen rauniot, s. 84.
  29. ↑ Libbrecht, Wing, 2015 , Lumihiutaleiden katselu, s. 22.
  30. ↑ Creasy, Corby, 2019 , Snowflakes, s. 38.39.
  31. ↑ Widawski, 2015 , lumihiutale, s. 255.
  32. ↑ 1 2 Datzell ja Victor, 2006 , lumihiutale, s. 1807.
  33. ↑ Lumihiutale-symboli - Anna tekstin lumi Arkistoitu 3. marraskuuta 2020 Wayback Machine -sivustolle fsymbols.com

Lähteet

Linkit

  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa