Olyan korban vagyunk, amikor a tudósok felismerhetik a végtelenül apró részecskéket, amelyek atomokkal tömeges felhatalmazással bírnak és kipróbálják a biológia néhány legmélyebb rejtélyét, például azt, hogy a tapasztalatok és az emlékek hogyan továbbíthatók egy szervezet génjein keresztül.
Így meglepő lehet, hogy még mindig nem értjük egy viszonylag egyszerű természeti jelenség: a hó mechanikáját.
A hópelyhek képződése - lényegében az a sajátos sziszkrát mód, amellyel a víz kristályosodik, amikor a légkörben lebegnek - rendkívül összetett folyamat, amelyet még mindig nem ismertettek tudományos képletekkel. "Az emberek azt gondolják, hogy a hópehely csak fagyott esőcsepp" - mondja Kenneth Libbrecht, a Caltech fizika professzora, aki az elmúlt évtizedekben a hópelyhek kialakulásának folyamatát tanulmányozta. "De ez enyhe, csak kis jégkockák, és még ahhoz sem, hogy egy hópehely legyen."
Hópehely nő Libbrecht laboratóriumában, gyorsítva
Kutatása során Libbrecht munkája kiterjedt a művészetre és a tudományra. Mind tudományos dolgokat, mind több száz gyönyörű fotót készített a természetes hópelyhekről (amelyeket számos különféle könyvben közzétett, és az amerikai postai bélyegeken szerepelt), és ötletes módszereket dolgozott ki a hópelyhek mesterséges növesztésére laboratóriumban, hogy mikroszkopikus részletekkel tanulmányozzák azok kialakulását.
De az egész kezdődött - mondja - az utat vissza a gyermekkori otthonába, Észak-Dakotába. "Visszajöttem a családomhoz, odamentem, és minden a hó a földön volt" - mondja. "Hirtelen arra gondoltam:" Miért nem értek jobban ezeket a hópelyheket? "
Ez arra vezetett, hogy Libbrecht elkezdte tanulmányozni a hópehelyképződés dinamikáját laboratóriumában, az ezoterikusabb tárgyak, például a forgatható dióda lézerek és a szupernóvák által kibocsátott zaj között. "Rájöttem, hogy a hópelyhekkel kapcsolatban sokat nem értik jól, és hogy a jég nagyon olcsó anyag, amellyel együtt lehet dolgozni" - mondja.
Még egyetlen hópehely kialakulása is komplex esemény molekuláris szinten. A természetben akkor kezdődik, amikor egy felhő vízgőzje vízcseppekké kondenzálódik. Még a fagyás alatti hőmérsékleten is, ezeknek a cseppeknek a többsége folyékony formában marad, mert részecskére van szükségük, amelyen fagyni lehet: vagy porrészecske, vagy néhány vízmolekula, amelyek elrendeződtek a jég jellegzetes hatszögletű mátrixba.
Amint a cseppek elkezdenek kristályosodni egy központi részecskén, a folyamat gyorsan felgyorsul. A helyén lévő kristálymag mellett a környező vízcseppekben lévő hűtött vízmolekulák könnyen kondenzálódnak a kristályon, és növekedésüket geometriailag szabályos módon növelik. Mire a nagykristály (amelyet hópehelynek nevezünk) elhagyta a felhőt, Libbrecht becslései szerint mintegy 100 000 közeli cseppecskéből abszorbeálta a vizet.
Mindez egyszerűnek tűnhet, de amint Libbrecht és más tudósok felfedezték, ezen kristályok körülményeinek enyhe változása - a felhő páratartalma és hőmérséklete az indulók számára - radikálisan eltérő pelyhekhez vezethet. E dinamika jobb megértése érdekében Libbrecht rájött, hogy szüksége van egy módszerre a hópelyhek tényleges növekedési folyamatának megfigyelésére. Anélkül, hogy beágyazódott volna egy lebegő felhőbe, úgy döntött, hogy kidolgozza egy módszert hópelyhek mesterségesen növekvő életére Kaliforniai laboratóriumában.
"Nem könnyű megszerezni egy olyan kristályt, amely úgy néz ki, mintha hópehely lenne" - mondja. "Ha fagyra van szüksége - csak egy csomó kristály, amelyek egyszerre növekednek -, ez nagyon egyszerű, de az egyes kristályok trükkösebbek."
Az elmúlt években kifejlesztett Libbrecht-folyamat hidegkamrában zajlik, és összesen kb. 45 percig tart. Egy teljesen tiszta üvegdarabgal kezdődik, és sok mikroszkópos jégkristályt szór rá. Mikroszkóp segítségével izolálja az adott kristályt, majd kissé melegebb nedves levegőt fúj az üvegre. A vízgőz kondenzálódik a vetőmagkristályon, akárcsak egy igazi felhőben, és végül látható hópelyheket képez.
Ezzel a folyamattal a Libbrecht meghatározta azokat a hőmérsékleti és páratartalmi szinteket, amelyek az egyes fajtájú hópelyhekhez vezetnek. "Úgy hívom őket" tervező hópelyheknek ", mert megváltoztathatja a körülményeket, amikor növekszik, és megjósolja, hogy mik fognak kinézni" - mondja. Többek között azt találta, hogy egy vékony szélű hópehely gyorsabban növekszik, aminek következtében a szél még tovább élesedik, végül viszonylag nagy pelyhekké. A tompa szélekkel kezdődő hópelyhek lassabban növekednek és tompa maradnak, és az elegáns tányérok helyett kockás prizmákhoz vezetnek.
Végül, amikor Libbrecht könyvet akart közzétenni munkájáról, rájött, hogy noha a korukra jó voltak, a rendelkezésre álló hópelyhek legtöbb fotója elavult, mint például Wilson Bentley az 1930-as években. Válaszul elkezdte saját maga nagyfelbontású képeket fényképezni, speciális felszereléssel és időnként színes fényekkel, hogy az átlátszó pehely fokozza a színét és mélységét.
Mi a helyzet azzal a közös elképzeléssel, hogy nincs két hópehely egyforma? "Mindenki ezt kérdezi tőlem" - mondja Libbrecht.
Kiderül, hogy a válasz matematikai probléma. Ha egy hópehely pusztán tíz vízmolekulaként definiálja, akkor lehetséges, hogy két különböző pehely azonos molekuláris szinten. De a teljes méretű pelyhek esetében - mondja - rendkívül valószínűtlen, hogy finomít két azonos, természetesen előforduló egyet - ugyanúgy, mint a két azonos emberi ujjlenyomat esélye rendkívül kicsi. "Amint elkezdi a dolgok kissé bonyolulttá tételét, csillagászati szempontból növekszik a lehetőségek száma, és nullára esik annak a valószínűsége, hogy még két távolról egyaránt megjelenő hópehely is van" - mondja.
