Suntem într-o epocă în care oamenii de știință pot detecta particulele minuscule infinitimale care înzestrează atomii cu masă și testează unele dintre cele mai profunde mistere ale biologiei, cum ar fi modul în care experiențele și amintirile pot fi transmise prin genele unui organism.
Astfel, poate fi o surpriză faptul că încă nu înțelegem mecanica unui fenomen natural relativ simplu: zăpada.
Formarea fulgilor de zăpadă - în esență, modul idiosincratic prin care cristalizează apa atunci când este suspendată în atmosfera noastră - este un proces extrem de complex, care încă nu a fost pe deplin descris de formulele științifice. „Oamenii cred că un fulg de zăpadă este doar o ploaie înghețată”, spune profesorul de fizică Caltech, Kenneth Libbrecht, care a petrecut ultimele decenii studiind procesul de formare a fulgilor de zăpadă. „Dar asta este doar puțină cubuleță de gheață și nici măcar nu este aproape de ceea ce este un fulg de zăpadă”.
Un fulg de zăpadă crește în laboratorul Libbrecht, accelerat
De-a lungul cercetărilor sale, opera lui Libbrecht a crescut pentru a cuprinde arta și știința. A produs atât lucrări științifice, cât și sute de fotografii frumoase cu fulgi de zăpadă naturali (pe care a publicat-o în mai multe cărți diferite și a apărut pe timbre poștale din SUA) și a conceput, de asemenea, modalități ingenioase de a crește artificial fulgi de nea într-un laborator pentru a studia formarea lor în detaliu microscopic.
Dar totul a început, spune el, cu o călătorie înapoi în casa copilăriei sale din Dakota de Nord. „Am fost în vizită la familia mea acolo, și am ieșit afară, iar pe pământ era toată zăpada asta”, spune el. "M-am gândit brusc:„ De ce nu înțeleg mai multe despre acești fulgi de zăpadă? "
Aceasta l-a determinat pe Libbrecht să înceapă să studieze dinamica formării fulgilor de zăpadă în laboratorul său, între cercetarea subiectelor mai ezoterice precum laserele cu diode rotative și zgomotul emis de supernove. „Mi-am dat seama că multe despre fulgii de zăpadă nu sunt foarte bine înțeleși și că gheața este un material destul de ieftin cu care să lucrezi”, spune el.
Formarea chiar a unui singur fulg de zăpadă este un eveniment complex la nivel molecular. În natură, începe atunci când vaporii de apă ai unui nor se condensează în picături de apă. Chiar și la temperaturi sub îngheț, majoritatea acestor picături rămân de obicei sub formă lichidă, deoarece au nevoie de o particulă pe care să înghețe: fie o particulă de praf, fie câteva molecule de apă care s-au aranjat în matricea hexagonală care caracterizează gheața.
Odată ce picăturile încep să cristalizeze pe o particulă centrală, procesul accelerează rapid. Cu un nucleu de cristal în loc, moleculele de apă supra-răcite din picăturile de apă din jur se condensează ușor pe cristal, adăugându-se creșterii sale într-un mod geometric regulat. Până când cristalul mare (pe care îl numim fulg de zăpadă) a părăsit norul, Libbrecht estimează că va fi aburit de apa din aproximativ 100.000 de picături din apropiere.
Tot ce s-ar putea suna simplu, dar după cum au descoperit Libbrecht și alți oameni de știință, modificări ușoare în circumstanțele acestor cristale - umiditatea și temperatura norului, pentru început - pot duce la fulgi cu aspect radical diferit. Pentru a înțelege mai bine aceste dinamici, și-a dat seama Libbrecht, avea nevoie de o modalitate de a observa procesul de creștere reală a fulgilor de zăpadă. Fără un mod de a se îngloba într-un nor plutitor, a decis să dezvolte o metodă de creștere artificială a fulgilor de zăpadă în laboratorul său din California.
„Să crești un cristal individual în așa fel încât să pară un fulg de zăpadă nu este ușor”, spune el. „Dacă doriți îngheț - doar o mulțime de cristale crește toate dintr-o dată - este destul de simplu, dar cristale individuale sunt mai dificile.”
Procesul Libbrecht, dezvoltat în ultimii ani, se realizează într-o cameră rece și durează în total aproximativ 45 de minute. El începe cu o bucată de sticlă complet curată și împrăștie pe el multe cristale microscopice de gheață. Cu un microscop, izolează un anumit cristal, apoi sufla aerul umed ușor mai cald pe geam. Vaporii de apă se condensează pe cristalul de semințe, la fel ca într-un nor real, formând în cele din urmă un fulg de zăpadă vizibil.
Lucrând cu acest proces, Libbrecht a determinat nivelurile de temperatură și umiditate care duc la fiecare tip special de fulgi de zăpadă. „Le numesc„ fulgi de zăpadă ”, pentru că puteți schimba condițiile pe măsură ce le crești și prezice cum vor arăta”, spune el. Printre altele, a descoperit că un fulg de zăpadă cu o margine subțire crește mai repede, ceea ce face ca marginea să se ascuțească și mai mult, ducând în cele din urmă la un fulg relativ mare. Fulgi de zăpadă care încep cu margini mai neplăcute, totuși, cresc mai lent și rămân contonduiți, ducând la prisme blocante, mai degrabă decât plăci elegante.
În cele din urmă, când Libbrecht a dorit să publice o carte despre lucrarea sa, a descoperit că, deși erau bune pentru timpul lor, majoritatea fotografiilor cu fulgi de zăpadă disponibili erau demodate, precum cele realizate de Wilson Bentley în anii '30. Drept răspuns, el a început să le fotografieze el însuși în rezoluție înaltă, folosind echipamente specializate și, uneori, lumini colorate pentru a oferi fulgilor clare creșterea culorii și adâncimii.
Dar ideea comună că nu există doi fulgi de zăpadă? „Toată lumea mă întreabă întotdeauna”, spune Libbrecht.
S-a dovedit că răspunsul este o problemă de matematică. Dacă definiți un fulg de zăpadă ca fiind doar zece molecule de apă, atunci este posibil ca doi fulgi diferiți să fie identici la nivel molecular. El spune, este extrem de puțin probabil să-i amendați pe cei doi identici care apar în mod natural - la fel ca șansele a două amprente umane identice să fie extrem de mici. „Odată ce începeți să faceți lucrurile chiar ușor complicate, numărul de posibilități crește astronomic, iar probabilitatea de a avea chiar și doi fulgi de zăpadă care arată de la distanță scade la zero”, spune el.
