Bóng của tuyết lấp lánh

Bóng của tuyết lấp lánh

V. PTUSHENKO

HAI THÁNG TRƯỚC TÔI PHẢI XUẤT BẢN những bức ảnh chụp một hiện tượng tự nhiên bất thường - bóng tuyết (Khoa học và Đời sống, 2017, số 2), điều này bất ngờ thu hút được sự quan tâm lớn từ cả những người tôi biết và những người tôi không biết. Ví dụ, trên một trong những “diễn đàn khoa học” trên Internet, một cuộc thảo luận sôi nổi đã nổ ra về bản chất của hiện tượng này, điều mà tôi biết được từ những người tham gia diễn đàn đã tìm đến tôi để làm rõ chi tiết - điều kiện thời tiết, địa điểm và thời gian quan sát. Tôi nghĩ sẽ hữu ích nếu xem xét ít nhất một số giả thuyết được cộng đồng quan tâm đến khoa học đưa ra. Hữu ích cho cả việc tìm hiểu bản thân hiện tượng hóa ra rất hấp dẫn và như một ví dụ về “hạt giống” cho nghiên cứu trong tương lai mà những độc giả không hài lòng với việc chỉ trao đổi ý kiến ​​​​và sẵn sàng chi tiêu của riêng mình sẽ dám tiến hành.

thời gian đi tìm chân lý khoa học. Chỉ các ấn phẩm có sẵn trên Internet mới được sử dụng làm nguồn cung cấp số lượng vật lý cần thiết cho việc tính toán nhằm nhấn mạnh mức độ đơn giản của phân tích được đề xuất ở đây. Nhiều biến thể của cơ chế hình thành “dấu ấn” trên tuyết do những người tham gia thảo luận đề xuất (xem các bức ảnh được đưa ra trong bài báo và trên trang thứ tư của trang bìa) có thể được rút gọn thành bốn giả thuyết chính. 1) Hình ảnh trên tuyết là một cái bóng thật được chụp: mặt trời đột ngột ló dạng làm tan chảy (làm nóng) tuyết trên toàn bộ bề mặt cánh đồng, ngoại trừ những khu vực mà bóng đổ xuống. Sau đó, tuyết bắt đầu trôi, bông tuyết dính vào tuyết ấm hơn trên sân, nhưng không dính vào tuyết lạnh trong bóng râm. 2) Giả thuyết thứ hai cũng xem xét

11

BÓNG

lấp lánh

bề mặt tuyết bị mặt trời làm nóng không đều, nhưng gợi ý một cơ chế khác để hình dung sự phân bố nhiệt độ đang nổi lên: dưới ánh mặt trời, tuyết thiêu kết, tạo thành lớp vỏ băng và sau đó quá trình phong hóa của nó diễn ra chậm hơn so với các khu vực không bị thiêu kết trong bóng râm. 3) Giả thuyết thứ ba cũng cho rằng nguyên nhân là do bề mặt tuyết nóng lên không đều, nhưng vào thời điểm tuyết rơi: ở cả hai phía của bề mặt có bóng râm, trên ranh giới của tuyết ấm hơn và lạnh hơn, xuất hiện các luồng không khí đối lưu tăng dần ngăn cản bông tuyết rơi vào vùng bóng tối. 4) Cuối cùng, giả thuyết thứ tư cho rằng sự hình thành của bức tranh này là do sự phản chiếu của ánh sáng mặt trời từ cành và thân cây (giống như tia nắng chiếu vào tuyết, làm tan chảy tuyết) hoặc do bức xạ nhiệt từ thân và cành được đốt nóng bởi mặt trời. Ba giả thuyết đầu tiên đề xuất các cơ chế liên quan đến một yếu tố chung: bề mặt tuyết nóng lên không đều. Chúng tôi sẽ cố gắng đánh giá sự sưởi ấm này. Để làm điều này, chúng ta sẽ cần những dữ liệu sau, có thể dễ dàng tìm thấy trong sách tham khảo vật lý: cường độ bức xạ mặt trời gần bề mặt Trái đất mà không tính đến sự suy giảm của khí quyển (được gọi là hằng số mặt trời), mức độ suy giảm của bức xạ trong khí quyển, độ xícha của mặt trời, suất phản chiếu của tuyết (tỷ lệ ánh sáng phản chiếu bởi nó), cũng như một số đặc tính truyền nhiệt của tuyết mà chúng ta sẽ thảo luận dưới đây. Chúng ta hãy ước tính năng lượng E của ánh sáng mặt trời chiếu xuống trên một đơn vị bề mặt ngang của trái đất trên một đơn vị thời gian vào một ngày không mây vào cuối tháng 2 ở vĩ độ Moscow (thời gian và địa điểm khi và nơi hiện tượng này được quan sát thấy; hình1): $E = E_{0} a_{атм}$ sin h,

trong đó $E_{0} = 1367$ W $м^{2}$ – năng lượng mặt trời

TUYẾT

Hình 1

một hằng số không đổi, h là độ cao góc của mặt trời so với đường chân trời, $a_{атм}$ là mức độ suy giảm của ánh sáng mặt trời khi đi qua bầu khí quyển, phụ thuộc vào h. Độ cao cao nhất và do đó giá trị tối đa của E được quan sát vào buổi trưa, khi $h = 90 ^\circ - \phi + \delta$, trong đó $\phi$ là vĩ độ của địa điểm, $\delta$ là độ lệch của mặt trời. Vĩ độ của Moscow là $\phi = 56 ^\circ$, độ xích vĩ của mặt trời tại thời điểm quan sát là $\delta \approx - 8 ^\circ$ [1], tức là $h \approx 26 ^\circ$, và ở độ cao này $\alpha_{атм} \approx 0,5$ [2]. Do đó, $E \approx \approx 300$ W $м^{2}$. Lấy suất phản chiếu của tuyết bằng 0,9 [3], ta thấy $1 м^{2}$ hấp thụ khoảng 30 W năng lượng mặt trời trong 1 s. Năng lượng này có thể dẫn đến làm nóng lớp phủ tuyết, được bù đắp một phần bằng dòng chảy ra từ lớp tuyết bề mặt do trao đổi nhiệt với các lớp bên dưới và với không khí. Không khí có thể loại bỏ bao nhiêu năng lượng? Truyền nhiệt tại bề mặt

14

KVANT 2017/№4

một nửa được chiếu sáng) sẽ không vượt quá 5 W, sẽ cho khoảng 0,4 W $м^{2}$ ở khu vực đầu bóng - tức là thấp hơn không thể so sánh được với cường độ bức xạ mặt trời! Về tính định hướng, sẽ không chỉ đủ nếu không chỉ tạo ra một bóng hẹp với các đầu rõ ràng mà còn đối với bất kỳ hình ảnh có cấu trúc nào là đủ. Để kết luận, tôi sẽ trình bày một ý tưởng “tích cực” - theo ý kiến ​​​​của tôi, vẫn có thể giải thích hiện tượng quan sát được như thế nào. Bản thân tôi nghĩ rất có thể là giả thuyết đơn giản này: những “bóng” quan sát được chính xác là bóng do tuyết rơi. Cụm từ “mưa xiên” đã được hình thành trong tiếng Nga (ví dụ: trong Mayakovsky: “Tôi sẽ đi bộ qua quê hương của mình như mưa xiên”), nhưng có lẽ không tìm thấy khái niệm “tuyết xiên” hoặc “tuyết rơi xiên”. Tuy nhiên, đối với tôi, có vẻ như đây có thể là dấu vết của một trận tuyết rơi như vậy. Làm thế nào giả thuyết này có thể được xác nhận hoặc bác bỏ? Ở đây bạn có thể di chuyển từ hai hướng, “trên những con đường ngược nhau”. Bạn có thể cố gắng chứng minh rằng chuyển động như vậy của các hạt nhỏ - bông tuyết - trong không khí (tức là chuyển động thẳng, hoặc ít nhất là nằm trong cùng một mặt phẳng thẳng đứng) là không thể xảy ra trong bất kỳ điều kiện nào. Hoặc ngược lại, bạn có thể cố gắng chứng minh chuyển động như vậy bằng ít nhất một ví dụ. Trong trường hợp này, bài toán sẽ chia thành hai phần. Phần đầu tiên, hãy gọi nó là “vật lý”, nhằm chứng tỏ rằng trong một tập hợp các điều kiện vật lý nhất định (tốc độ gió, kích thước hạt, nhiệt độ, v.v.) thì chuyển động đó có thể xảy ra. Và phần thứ hai không kém phần quan trọng, phần “khí tượng học”, là chỉ ra rằng về nguyên tắc, các thông số vật lý như vậy có thể được hiện thực hóa trong tự nhiên khi có tuyết rơi. Tất nhiên, những con đường này không thay thế mà bổ sung cho nhau, và con đường nào thành công không phụ thuộc vào chúng ta mà phụ thuộc vào bản chất thực tế của hiện tượng. Tuy nhiên, con đường đầu tiên trong hai con đường này đòi hỏi phải vượt xa ranh giới của vật lý “trường học”, trong khi con đường thứ hai, đối với tôi, có vẻ như

có thể không chỉ là một nhiệm vụ khả thi mà còn là một nhiệm vụ rất thú vị ngay cả đối với một học sinh. Vì vậy, đối với những người đột nhiên thấy điều này thú vị, tôi sẽ đưa ra một số lời khuyên về cách thực hiện công việc đó và những vấn đề nào sẽ phải giải quyết. Trước hết, chúng ta phải hiểu rằng trong điều kiện thực tế trong phòng thí nghiệm tại nhà, rất có thể chúng ta sẽ phải làm việc không chính xác với hệ thống vật lý mà chúng ta quan tâm mà với một số mô hình của nó, tức là với thứ gì đó giống nhất với nó về các thông số chính của nó. Vì vậy, bạn khó có thể có được một khẩu pháo tuyết. Nhưng ngay cả khi bạn trở thành chủ sở hữu hạnh phúc của nó, bạn khó có thể thay đổi tốc độ gió và kích thước hạt mà nó tạo ra trong giới hạn đủ rộng. Điều này có nghĩa là bạn sẽ phải làm việc với một số hạt khác lơ lửng trong không khí. Ở nhà, cách dễ nhất để thử nghiệm là với những giọt nước - bạn có thể thu được dòng nước bằng cách sử dụng máy tạo độ ẩm, bình xịt và trong trường hợp nghiêm trọng là ấm đun nước. Máy phun sẽ tạo ra các giọt lớn hơn máy tạo độ ẩm và các máy phun có cấu hình khác nhau sẽ tạo ra các kích thước giọt khác nhau, tức là trong một số giới hạn nhất định, bạn có thể chọn loại cần thiết. “Mô hình hóa” của thí nghiệm sẽ không chỉ bao gồm vật liệu hạt khác nhau mà còn bao gồm các kích thước hình học của hệ thống: kích thước của bụi cây, cây cối và bóng của chúng thể hiện trong các bức ảnh rõ ràng vượt quá kích thước, nếu không phải của một căn hộ thì của một nơi làm việc có thể chấp nhận được cho thí nghiệm. Bạn sẽ phải làm việc với các mô hình nhỏ hơn và bạn sẽ cần chọn kích thước phù hợp. Sẽ không thể có được bóng rõ ràng từ những hình quá nhỏ bằng cách sử dụng những giọt tương đối lớn. Và những con số lớn sẽ yêu cầu tính đồng nhất của dòng chảy bạn tạo ra trên một diện tích lớn hơn và khoảng cách lớn hơn. Vì vậy, bạn sẽ cần phải tìm một kích thước thỏa hiệp. Nhân tiện, tất cả các nguồn “sương mù bay” được liệt kê hoàn toàn không tạo ra một dòng song song mà là một dòng tách ra khỏi