Smo v dobi, ko lahko znanstveniki odkrijejo neskončno drobne delce, ki dajejo atome z maso in sondirajo nekatere najgloblje skrivnosti biologije, na primer, kako se skozi gene organizma lahko prenašajo izkušnje in spomini.
Tako nas lahko preseneti, da še vedno ne razumemo mehanike relativno preprostega naravnega pojava: snega.
Oblikovanje snežink - v bistvu idiosinkratski način, da voda kristalizira, ko je suspendirana v našem ozračju - je izredno zapleten postopek, ki ga znanstvene formule še vedno niso v celoti opisale. "Ljudje mislijo, da je snežinka le zamrznjena dežja, " pravi profesor fizike Caltech Kenneth Libbrecht, ki je zadnjih nekaj desetletij preučil proces nastajanja snežinke. "Ampak to je mehka, le majhne kocke ledu, in niti blizu tega, kaj je snežinka."
V Libbrechtovem laboratoriju raste snežinka, pospešena
Tekom njegovega raziskovanja je Libbrechtovo delo preraslo v umetnost in znanost. Izdelal je tako znanstvene prispevke kot stotine čudovitih fotografij naravnih snežink (ki jih je objavil v več različnih knjigah in jih objavljal na ameriških poštnih znamkah), prav tako pa je zasnoval iznajdljive načine, kako umetno gojiti snežinke v laboratoriju, da preuči njihovo tvorbo v mikroskopskih podrobnostih.
A vse se je začelo, pravi, s potovanjem nazaj v otroštvo domov Severne Dakote. "Tam sem obiskal svojo družino in sem šel zunaj. In ves ta sneg je bil na tleh, " pravi. "Nenadoma sem pomislil:" Zakaj ne razumem več o teh snežinkah? "
Zaradi tega je Libbrecht začel proučevati dinamiko nastajanja snežinke v svojem laboratoriju, med raziskovanjem bolj ezoteričnih tem, kot so vrtljivi diodni laserji, in hrupom, ki ga sproščajo supernove. "Spoznal sem, da veliko o snežinkah preprosto ni dobro razumljeno in da je led precej poceni material, s katerim se je treba ukvarjati, " pravi.
Nastanek celo ene same snežinke je kompleksen dogodek na molekularni ravni. V naravi se začne, ko se oblačna vodna para kondenzira v kapljice vode. Tudi pri temperaturah pod zmrzovanjem večina teh kapljic običajno ostane v tekoči obliki, saj potrebujejo delček, na katerem lahko zmrznejo: bodisi delci prahu ali nekaj molekul vode, ki so se namestile v šestkotno matrico, ki označuje led.
Ko se kapljice začnejo kristalizirati na osrednjem delcu, se postopek hitro pospeši. Ko je kristalno jedro nameščeno, se super ohlajene molekule vode v okoliških kapljicah vode zlahka kondenzirajo na kristalu in se na njegovo geometrijsko pravilen način povečajo. Ko bo velik kristal (ki mu rečemo snežinka) zapustil oblak, Libbrecht ocenjuje, da bo vodo odnesel iz približno 100.000 bližnjih kapljic.
Vse se lahko sliši preprosto, a kot so ugotovili Libbrecht in drugi znanstveniki, lahko majhne spremembe okoliščin teh kristalov - vlaga in temperatura oblaka za začetek - privedejo do korenito drugačnih kosmičev. Libbrecht je za boljše razumevanje te dinamike potreboval način za opazovanje dejanskega procesa rasti snežink. Ne da bi se lahko vtikal v plavajoči oblak, se je odločil, da bo v svojem kalifornijskem laboratoriju razvil metodo za umetno rastoče snežinke.
"Pridobiti posamezen kristal, ki raste tako, da je videti kot snežinka, ni enostavno, " pravi. "Če želite mraz - le kup kristalov, ki raste naenkrat - je to precej preprosto, vendar so posamezni kristali zapletenejši."
Libbrechtov postopek, razvit v zadnjih nekaj letih, poteka v hladni komori in traja približno 45 minut. Začne s povsem čistim koščkom stekla in nanj raztrese veliko mikroskopskih ledenih kristalov. Z mikroskopom izolira določen kristal, nato pa na kozarec napihne nekoliko toplejši vlažen zrak. Vodna para se kondenzira na semenskem kristalu, tako kot v pravem oblaku, sčasoma tvori vidno snežinko.
Libbrecht je s tem postopkom določil temperaturo in vlažnost, ki vodita do posamezne vrste snežinke. "Pravim jim" oblikovalske snežinke ", ker lahko spreminjate pogoje, ko jih gojite, in predvidevate, kako bodo videti, " pravi. Med drugim je ugotovil, da snežinka s tankim robom raste hitreje, zaradi česar se rob še bolj ostri, kar na koncu privede do razmeroma velikega luska. Snežinke, ki se začnejo s temnejšimi robovi, pa rastejo počasneje in ostajajo nejasne, kar vodi v blokadne prizme in ne na elegantne plošče.
Sčasoma, ko je Libbrecht želel izdati knjigo o svojem delu, je ugotovil, da je večina fotografij snežin, ki so bile na voljo, zastarala, podobno kot Wilson Bentley v tridesetih letih 20. stoletja. V odgovor jih je sam fotografiral v visoki ločljivosti z uporabo specializirane opreme in na trenutke obarvanih luči, da so jasni kosmiči povečali barvo in globino.
Kaj pa skupna ideja, da si dve snežinki nista podobni? "Vsi me vedno vprašajo, " pravi Libbrecht.
Zdi se, da je odgovor matematična težava. Če definirate snežinko kot zgolj deset molekul vode, potem je možno, da sta dva različna kosmiča na molekularni ravni enaka. Toda glede lusk v polni velikosti, pravi, je zelo malo verjetno, da ne bi poravnali dveh enakih, ki se pojavita po naravni poti - na enak način, da sta verjetnost dveh enakih človeških prstnih odtisov zelo majhna. "Ko začnete stvari še nekoliko zakomplicirati, se število možnosti astronomsko povečuje in verjetnost, da bi imeli celo dve snežinki, ki sta na videz oddaljeni, pade na nič, " pravi.
