Nghiên cứu: Bông tuyết bay tuân theo một mô hình toán học đơn giản

Mặc dù khi bông tuyết bay trong không gian thì chúng không ngừng biến hóa theo các hình dạng, nhưng hành trình rơi xuống mặt đất của chúng rất giống nhau và thậm chí có thể dự đoán được. Các nhà nghiên cứu đã theo dõi hơn 500.000 bông tuyết rơi và phát hiện ra mô hình toán học mô tả chính xác quy luật cách chúng quay trong không khí.

Nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Vật lý Chất lỏng (Physics Of Fluids) vào tháng 12, tác giả chính là ông Timothy J. Garrett – nhà khoa học khí quyển của Đại học Utah, đã nghiên cứu về những bông tuyết trong gần một thập kỷ. Mặc dù biểu hiện chuyển động của những bông tuyết nhỏ tồn tại trong thời gian ngắn tưởng có vẻ không quan trọng, nhưng tốc độ rơi của chúng là một biến số quan trọng trong dự báo thời tiết và khí hậu, ngay cả ở vùng nhiệt đới. Hầu hết lượng mưa, bất kể nó kết thúc ở đâu, đều bắt đầu dưới dạng tuyết.

Chuyển động của bông tuyết thường được nghiên cứu phòng thí nghiệm trong điều kiện được kiểm soát, nhưng những nghiên cứu như vậy không phản ánh được tính phức tạp của tự nhiên. Trong nhiều thập kỷ qua, vấn đề hiểu tường tận về bông tuyết rơi trong tự nhiên luôn là thách thức đối với các nhà khoa học khí quyển.

Để nghiên cứu một phương pháp mới, Garrett đã hợp tác với các kỹ sư Dhiraj Kumar Singh và Eric Pardyjak của Đại học Utah để chế tạo một chiếc máy sử dụng để đo khối lượng, mật độ, diện tích và hình dạng của từng bông tuyết. Bằng cách đặt thiết bị bên dưới nhiều camera và mặt phẳng laser, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi cách mỗi bông tuyết di chuyển để phản ứng với sự hỗn loạn của không khí bên ngoài.

Ông Garrett nói: “Chúng tôi thực hiện dưới bầu khí quyển  tự nhiên hoàn toàn nằm ngoài tầm kiểm soát của các nhà khoa học, cuối cùng chúng tôi đã khám phá được hiện tượng một cách phi thường”.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện tương quan tuyến tính giữa gia tốc trung bình của bông tuyết (trong nghiên cứu này tương ứng tốc độ quay của bông tuyết) và số Stokes của nó (giá trị mô tả tốc độ phản ứng của một vật thể với những thay đổi trong nhiễu loạn không khí).

Bằng cách sử dụng hệ số Stokes, các nhà nghiên cứu giờ đây có thể dự đoán một bông tuyết sẽ quay bao nhiêu khi rơi xuống. Ở quy mô rộng hơn, nhóm nghiên cứu đã rất ngạc nhiên khi phát hiện ra rằng mặc dù có sự biến đổi lớn về nhiễu loạn không khí cũng như hình dạng và kích thước bông tuyết, sự phân bố mức độ quay trung bình của bông tuyết luôn tuân theo một đường cong chỉ số gần như hoàn hảo (một mô hình toán học cố định).

Các nhà khoa học chưa thể giải thích được nguyên nhân tính quy luật này, nhưng ông Garrett cho biết có thể liên quan đến việc nhiễu loạn không khí đã khiến bông tuyết dao động về hình dạng và kích thước như thế nào, từ đó có thể điều chỉnh phản ứng của chúng trước nhiễu loạn.

Kỹ sư cơ khí Jiarong Hong tại Đại học Minnesota cho biết, cần nghiên cứu thêm để đánh giá tính quy luật của mô hình toán học. Ông nói thêm: “Chúng tôi sẽ ứng dụng kết quả nghiên cứu này để thu thập dữ liệu về bông tuyết trong các điều kiện khác nhau, bao gồm các độ cao và độ nhám khác nhau của mặt đất”.

Ông Garrett nói rằng nếu mô hình này thực sự phổ biến, sự tồn tại của tính chất đơn giản này cho thấy lời giải thích cho vấn đề cũng nên đơn giản và chúng ta cần tìm được.