Jesteśmy w epoce, w której naukowcy mogą wykryć nieskończenie małe cząsteczki, które nadają atomom masę i badają niektóre z najgłębszych tajemnic biologii, takie jak sposób przekazywania doświadczeń i wspomnień przez geny organizmu.
Dlatego może dziwić, że wciąż nie rozumiemy mechaniki stosunkowo prostego zjawiska naturalnego: śniegu.
Powstawanie płatków śniegu - w zasadzie idiosynkratyczny sposób krystalizacji wody po zawieszeniu w naszej atmosferze - jest niezwykle złożonym procesem, który wciąż nie został w pełni opisany w formułach naukowych. „Ludzie myślą, że płatek śniegu to po prostu zamarznięta kropla deszczu” - mówi profesor fizyki Caltech Kenneth Libbrecht, który przez ostatnie kilkadziesiąt lat studiował proces powstawania płatków śniegu. „Ale to jest deszcz ze śniegiem, tylko małe kostki lodu, a nawet nie bliskie, czym jest płatek śniegu”.
Przyspieszony rośnie płatek śniegu w laboratorium Libbrechta
W trakcie swoich badań prace Libbrechta stały się sztuką i nauką. Wyprodukował zarówno artykuły naukowe, jak i setki pięknych zdjęć naturalnych płatków śniegu (które opublikował w kilku różnych książkach i przedstawił na amerykańskich znaczkach pocztowych), a także opracował genialne sposoby sztucznego hodowania płatków śniegu w laboratorium, aby zbadać ich powstawanie w mikroskopijnych szczegółach.
Ale wszystko zaczęło się, jak mówi, podróżą do domu z dzieciństwa w Północnej Dakocie. „Odwiedzałem tam moją rodzinę i wyszedłem na zewnątrz, a na ziemi leżał cały śnieg” - mówi. „Nagle pomyślałem:„ Dlaczego nie rozumiem więcej o tych płatkach śniegu? ”
Doprowadziło to Libbrechta do rozpoczęcia badań nad dynamiką formowania się płatków śniegu w jego laboratorium, między badaniem bardziej ezoterycznych tematów, takich jak obrotowe lasery diodowe, a hałasem emitowanym przez supernowe. „Uświadomiłem sobie, że wiele na temat płatków śniegu nie jest po prostu zbyt dobrze rozumianych i że lód jest dość niedrogim materiałem do pracy”, mówi.
Tworzenie się nawet pojedynczego płatka śniegu jest złożonym wydarzeniem na poziomie molekularnym. W naturze zaczyna się, gdy para wodna chmury skrapla się w kropelki wody. Jednak nawet w temperaturach poniżej zera większość tych kropelek zwykle pozostaje w postaci płynnej, ponieważ potrzebują one cząstki, na której marzną: cząsteczki pyłu lub kilka cząsteczek wody, które ułożyły się w heksagonalną matrycę charakteryzującą lód.
Gdy jednak krople zaczynają krystalizować na centralnej cząstce, proces przyspiesza gwałtownie. Mając jądro kryształu na miejscu, przechłodzone cząsteczki wody w otaczających kropelkach wody łatwo kondensują na krysztale, zwiększając jego wzrost w geometrycznie regularny sposób. Zanim duży kryształ (który nazywamy płatkiem śniegu) opuścił chmurę, Libbrecht szacuje, że zetrze wodę z około 100 000 pobliskich kropelek.
Wszystko to może wydawać się proste, ale jak odkryli Libbrecht i inni naukowcy, niewielkie zmiany w warunkach tych kryształów - wilgotność i temperatura chmury, na początek - mogą prowadzić do radykalnie odmiennych płatków. Libbrecht uświadomił sobie, że aby lepiej zrozumieć tę dynamikę, potrzebował sposobu na obserwację rzeczywistego procesu wzrostu płatków śniegu. Bez możliwości zanurzenia się w unoszącą się chmurę postanowił opracować metodę sztucznego wzrostu płatków śniegu w swoim kalifornijskim laboratorium.
„Uzyskanie pojedynczego kryształu rosnącego w taki sposób, aby wyglądał jak płatek śniegu, nie jest łatwe” - mówi. „Jeśli chcesz mieć mróz - tylko garść kryształów narastających jednocześnie - to całkiem proste, ale poszczególne kryształy są trudniejsze”.
Proces Libbrechta, opracowany w ciągu ostatnich kilku lat, odbywa się w zimnej komorze i zajmuje łącznie około 45 minut. Zaczyna od całkowicie czystego kawałka szkła i rozprasza na nim wiele mikroskopijnych kryształków lodu. Mikroskopem izoluje konkretny kryształ, a następnie wdmuchuje na szkło nieco cieplejsze wilgotne powietrze. Para wodna skrapla się na krysztale zaszczepiającym, podobnie jak w prawdziwej chmurze, ostatecznie tworząc widoczny płatek śniegu.
Pracując z tym procesem, Libbrecht określił poziomy temperatury i wilgotności, które prowadzą do każdego rodzaju płatka śniegu. „Nazywam je„ designerskimi płatkami śniegu ”, ponieważ możesz zmieniać warunki w miarę ich wzrostu i przewidywać, jak będą wyglądać” - mówi. Odkrył między innymi, że płatek śniegu z cienką krawędzią rośnie szybciej, co powoduje, że krawędź wyostrza się jeszcze bardziej, co ostatecznie prowadzi do stosunkowo dużego płatka. Płatki śniegu, które zaczynają się od tępszych krawędzi, rosną jednak wolniej i pozostają tępe, co prowadzi do blokowych pryzmatów, a nie eleganckich talerzy.
W końcu, kiedy Libbrecht chciał opublikować książkę o swojej pracy, odkrył, że chociaż były one dobre na swój czas, większość dostępnych zdjęć płatków śniegu była nieaktualna, podobnie jak te zrobione przez Wilsona Bentleya w latach 30. XX wieku. W odpowiedzi sam zaczął je fotografować w wysokiej rozdzielczości, używając specjalistycznego sprzętu, a czasem kolorowych świateł, aby nadać czystym płatkom zwiększony kolor i głębię.
A co z powszechnym przekonaniem, że nie ma dwóch takich samych płatków śniegu? „Wszyscy zawsze mnie o to pytają” - mówi Libbrecht.
Okazuje się, że odpowiedź jest problemem matematycznym. Jeśli zdefiniujesz płatek śniegu jako zaledwie dziesięć cząsteczek wody, możliwe jest, że dwa różne płatki będą identyczne na poziomie molekularnym. Ale w przypadku pełnowymiarowego płatka, mówi, jest bardzo mało prawdopodobne, abyś wykończył dwa identyczne, które występują naturalnie - w ten sam sposób, że szanse dwóch identycznych ludzkich odcisków palców są wyjątkowo małe. „Gdy zaczniesz komplikować sprawy, liczba możliwości rośnie astronomicznie, a prawdopodobieństwo nawet dwóch płatków śniegu, które wyglądają podobnie, spada do zera”, mówi.
