معمای قدیمی دانه های برف

دانه های برف چگونه به وجود می آیند ؟ شکل های زیبا و متقارن دانه های برف چگونه ایجاد می شوند ؟ چرا بعضی دانه ها مسطح و بعضی دیگر حالت حجیم و استوانه ای دارند ؟ آیا می دانستید تا کنون حتی دو دانه برف کاملا مشابه یافت نشده اند ؟ شکل دانه های برف در نقاط مختلف متفاوت است ؟ آیا می دانستید مطالعه بلورهای برف یک شاخه از فیزیک است ؟ در اینجا پاسخ این پرسش ها را خواهید یافت …

 

تا کنون کسی را دیده اید که یک دانه برف را نگاه کند و از شکل ستاره مانند آن شگفت زده نشود؟البته این بلورهای یخی متنوع تر از آن هستند که بتوانید فکرش را بکنید. دانه های برف شکل های گوناگونی دارند.از قبیل دانه های سوزنی شکل دانه های ستونی تو خالی و دانه های ورقه ای که شکل دمبل هستند و در آنها دو ورقه با یک رابط به هم وصل می شوند.

Kenneth Libbrecht در زمینه ساختارهای کریستالی دانه های برف تحقیق می کند و تا کنون هفت کتاب از عکس های دانه های برف چاپ کرده است . مصاحبه او با لوس آنجلس تایمز در مورد اطلاعتش از دانه های برف را در اینجا می خوانیم.
 

اگر شما یک دانه برف را فقط کمی پایین تر از دمای انجماد قرار دهید ( زیر صفر ) به یک ورقه نازک شفاف تبدیل می شود ( شکل منطقی دانه های ستاره ای شکل ) .حال اگر دمای آن را کمتر کنید(پنج درجه زیر صفر)به جای یک ورقه نازک یک ستون باریک شفاف داریدکه شکلش کاملا مخالف یک ورقه نازک است. در شکل های ستاره ای سطح به آرامی و لبه ها به سرعت تغییر شکل می دهند.اما در شکل های استوانه ای لبه ها به آرامی و سطح به سرعت رشد می کنند.

 

بنابراین با تغییر اندکی در دما شکل دانه های برف از یک سطح تخت به یک استوانه تغییر می کند.و اگر آن را سردتر کنیم ( ۱۵ درجه زیر صفر ) دوباره به شکل ورقه ای اش تبدیل می شود. در دماهای پایین تر از ۳۰ درجه زیر صفر شکل دانه برف دوباره استوانه ای می شود. این گذارها ناشی از تغییر دما هستند و توضیح دادن علت آنها بسیار سخت است.این معما ۷۵ سال است که مطرح است و ما هنوز جواب آن را نمیدانیم.

 

البته میزان رطوبت هوا هم در شکل کریستال ها موثر است.در قسمتی از ابر که رطوبت بیشتر است کریستالها با سرعت بیشتری رشد میکنند.ضمنا شکل های پیچیده تر و ابعاد بزرگتری دارند.در حالی که در رطوبت های پایین تر دانه های برف شکل های ساده تر و ابعاد کوچکتری دارند.
 

چیزی که به آن رسیدم اثری است که آن را ” sharpening effect ” مینامم.وقتی لبه یک کریستال یخی تیز میشود ساختار مولکولی آن قسمت هم تغییر میکند و باعث میشود لبه با سرعت بیشتری باریک شود.این روند ادامه پیدا میکند تا شما به یک پوسته نازک به تیزی تیغ میرسید.این اثر نازک و مسطح بودن دانه های برف را توجیه میکند.

 

بنابراین اگر شما دما را تغییر دهید این تغییر به منزله تغییر در ” sharpening effect ” است.اگر ” sharpening effect ” روی لبه ها اثر کند یک پوسته نازک داریم.اما اگر روی قسمت های بالایی اثر کند به استوانه ای تو خالی میرسیم. یک تغییر دمایی کوچک میتواند مسیر را تغییر دهد. ” sharpening effect ” این تغییرات کوچک را توجیه میکند.
 

بلور های یخی هنگام فرود از قسمت های مختلف ابر عبور می کنند.دما و رطوبت در طی این فرود تغییر میکند.این تغییر شرایط همیشه وجود دارد.بنابراین ما به دانه هایی با شکل ها و شاخه های مختلف میرسیم.البته چون هیچ دو دانه برفی مسیر های دقیقا یکسانی را هنگام فرود طی نمیکنند هیچ دو دانه برفی یکسان نیستند و تفاوت هایی کوچک در انها دیده میشود.

شکل مورد علاقه من ” capped column ” است.کریستالی که در ابتدا استوانه است سپس به یک ورقه تبدیل شده و نهایتا استوانه میشود.

وقتی برای اولین بار شروع به مطالعه در این زمینه کردم عکس هایی از این نوع دانه برف را دیدم و به نظرم جالب رسید. من در North Dakota متولد شدم اما قبل از آن هیچ گاه این شکل از دانه های برف را ندیده بودم.

 

در سفری که در کریسمس برای دیدن خانواده داشتم با ذره بین بیرون از خانه رفتم و به دانه های برف که در حال بارش بود نگاه کردم. ”capped column ” ها همه جا دیده میشدند.اگر به چیزی دقت کافی نداشته باشید متوجه آن نمیشوید. چیزی که مرا به این شاخه از فیزیک علاقمند کرد این بود که به نظر میرسد اگر در یک شهر برفی زندگی میکنی باید کمی درباره آنچه از آسمان میبارد اطلاع داشته باشی.

مطالعه کریستالهای یخی نه تنها زیباست بلکه بسیار کم هزینه است . همانطور که میدانید کار کردن با یخ مسائل ایمنی خاصی ندارد . در حالی که برای مواد دیگر آزمایشات با رعایت نکات ایمنی آمیخته است . در آزمایشات دیگر به خاطر خطر مواد شیمیایی مجبور به صرف وقت و هزینه هستید.

 

من عاشق این هستم که می توانم مواد آزمایشم را بدون اینکه نگران مسائل ایمنی باشم دور بریزم یا تبخیر کنم و بخش جالب دیگر اینکه از آن دسته آزمایشاتی نیست که در آخر هم هیچ کس قدرت مشاهده آن را ندارد . بیشتر دانشمندان در مورد سیاهچاله یا ذرات Higg مطالعه میکنند.چیزهایی که هرگز در آزمایشات معمولی قابل مشاهده نیستند.در حالی که دانه های برف به طور طبیعی از آسمان می آیند پس حل کردن معماهایشان جالب هست.