چرا دانه‌های برف شبیه هم نیستند؟

کنت لیبرکت، دانشمند ماجراجویی است که در میانه‌ی زمستان، کالیفرنیای جنوبی را به مقصد فیربانکس آلاسکا ترک می‌کند؛ جایی که دما در زمستان به‌ندرت به بالای دمای انجماد می‌رسد. او لباس گرمی می‌پوشید و با دوربین و تخته‌ای برای جمع‌آوری برف‌ها، به انتظار باریدن برف می‌نشست.

هدف او ثبت زیبا‌ترین، شفاف‌ترین و درخشان‌ترین کریستال‌های برفی طبیعت بود. دانه‌های بزرگ‌تر برف، معمولا در سردترین نقاط مانند فیربنکس و شمال ایالت نیویورک تشکیل می‌شوند. بهترین برف را می‌توان در کوکران، نقطه‌ای دورافتاده در شمال شرقی اونتاریو پیدا کرد؛ در این منطقه شدت وزش باد زیاد نیست و دانه‌های برف نظم خود را حفظ می‌کنند. لیبرکت با صبر زیادی تخته‌ی برفی را بررسی می‌کند و به جستجوی دانه‌های برفی بی‌نقص و دیگر کریستال‌های برفی می‌‌پردازد. او می‌گوید:

اگر دانه‌ی برفی زیبایی وجود داشته باشد، چشم به‌سرعت آن را پیدا می‌کند؛ در غیر این صورت، باید ساعت‌ها وقت صرف کنید تا دانه‌ی خوبی را پیدا کنید.

لیبرکت در آزمایشگاه خود در مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا به بررسی ساختار داخلی خورشید پرداخته و ابزارهای پیشرفته‌ای را برای کشف امواج گرانشی ساخته است؛ اما علاقه‌ی اصلی او در ۲۰ سال گذشته، برف‌ها بوده‌اند. دلیل این علاقه نه فقط ظاهر بلکه ساختار تشکیل‌دهنده‌ی برف است. او می‌گوید: «خجالت‌آور است وقتی ماده‌ای از آسمان می‌بارد و ما هنوز نمی‌دانیم چرا ظاهرش این‌گونه است؟ این بی‌اطلاعی آزارم می‌دهد.»

کنت لیبرکت، فیزیک‌دان مؤسسه‌ی فناوری کالیفرنیا، در کوکران اونتاریو، سال ۲۰۰۶. وقتی کریستال‌های برفی باکیفیت روی تخته‌ی او می‌نشینند، آن را با قلم‌موی کوچکی برمی‌دارد و روی اسلاید شیشه‌ای قرار می‌دهد و سپس با میکروسکوپ به بررسی آن می‌پردازد.

بیش از ۷۵ سال است که فیزیک‌دان‌ها کریستال‌های کوچک برفی را به دو دسته‌ی متداول تقسیم کرده‌اند: یک دسته دارای شکل مسطح ستاره‌ای با شش یا دوازده نقطه هستند که هرکدام با شاخه‌های نواری تزئین شده‌اند. دسته‌ی دوم، ستونی شکل هستند که گاهی با پوشش‌های مسطح فشرده شده‌اند و گاهی گلوله‌ای شکل هستند. شکل‌های متفاوت دانه‌های برف در دماها و رطوبت‌های مختلف به وجود می‌آیند اما دلیل این فرایند هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است.

ستاره‌‌های شش ضلعی

تقریبا همه می‌دانند که هیچ دو دانه‌ی برفی یکسان نیستند؛ این حقیقت به نحوه‌ی شکل‌گیری کریستال‌های برفی در آسمان وابسته است. برف شامل مجموعه‌ای از کریستال‌های یخی است که در هوا تشکیل می‌شوند و شکل خود را حفظ می‌کنند. وقتی هوا به‌قدری سرد باشد که مانع از انجماد یا ذوب کریستال‌ها و تبدیل آن‌ها به تگرگ و باران شود، برف به وجود می‌آید.

معمولا یک ابر شامل دامنه‌ای از سطوح دما و رطوبت است اما این متغیرها در دانه‌های برف ثابت هستند. به همین دلیل اغلب دانه‌های برفی به‌صورت متقارن رشد می‌کنند. مری جین شولتز، شیمی‌دان دانشگاه تافتز در رساله‌ای با عنوان فیزیک دانه‌های برفی می‌نویسد:«هر دانه‌ی برفی تحت تأثیر عواملی مثل بادهای متغیر، نور خورشید و متغیرهای دیگر قرار می‌گیرد. کریستال‌ها بسته به بی‌نظمی ابر، شکل‌های متفاوتی به خود می‌گیرند.»

طبق پژوهش‌های لیبرکت، اولین اندیشه‌های ثبت شده درباره‌ی شکل ظریف دانه‌های برف به ۱۳۵ قبل از میلاد در چین بازمی‌گردد. هان یین پژوهشگر می‌نویسد: «گل‌های گیاهان و درختان، پنج نقطه‌ای هستند اما برف‌ها که یینگ هم نامیده می‌شوند، همیشه شش وجهی هستند.»

یوهانس کپلر، اولین دانشمندی بود که به بررسی سازوکار دانه‌های برفی پرداخت. هدیه‌ی سال نوی کپلر به ولی‌نعمت خود، رودولف دوم، امپراطوری مقدس روم، رساله‌ای به‌نام دانه‌ی برف شش ضلعی بود. هنگام عبور از پل چارلز پراگ، یک دانه‌ی برف روی یقه‌ی کپلر افتاد، او شکل هندسی آن را چنین توصیف می‌کند: «باید دلیلی برای شکل شش ضلعی ستاره‌ای دانه‌ی برفی وجود داشته باشد. قطعا این شکل اتفاقی نیست.»

سخن کپلر دانشمند دیگری به‌نام توماس هریوت را به‌خاطر می‌آورد که راهنمای کاشفی به‌نام سر والتر رالیف بود. هریوت در سال ۱۸۵۴ به‌دنبال بهینه‌ترین روش برای قرار دادن گلوله‌های توپ روی عرشه‌ی کشتی رالیف بود. او از الگوهای شش ضلعی برای انباشته‌سازی گلوله‌های کروی روی یکدیگر استفاده کرد. این کار او مشابه روش کپلر بود. کپلر هم الگوی مشابهی را در دانه‌های برفی در نظر گرفته بود که شش وجه آن‌ها، کوچک‌ترین واحد طبیعی از آب شبه‌مایع را به وجود می‌آورد.

میکروگراف‌های دانه‌های برفی

نظریه‌ی کپلر، دیدگاه مهمی در فیزیک اتمی بود که تا ۳۰۰ سال شکل رسمی به خود نگرفت. درواقع، مولکول‌های آب تشکیل شده از دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن، تمایل دارند به شکل آرایه‌های شش ضلعی در یکدیگر قفل شوند. کپلر و دانشمندان پس از او، به اهمیت این موضوع پی نبرده بودند. به‌گفته‌ی ناتلسون: «به دلیل پیوند هیدروژنی و جزئیات واکنش مولکول‌ها با یکدیگر، ساختاری کریستالی بازی به دست می‌آید.»

ساختار شش ضلعی دانه‌های برفی، چگالی یخ را نسبت به آب مایع پائین می‌آورد و این فرایند به‌شدت بر شیمی و فیزیک زمین‌شناسی و همچنین آب‌وهوا تأثیر می‌گذارد. درنتیجه بنا به‌گفته‌ی ناتلسون، اگر یخ روی آب شناور نمی‌شد (چگالی یخ کمتر از آب نبود)، حیاتی روی کره‌ی زمین وجود نداشت.

پس از مقاله‌ی کپلر، بررسی دانه‌های برفی بیشتر به سرگرمی تبدیل شدند تا علم. در دهه‌ی ۱۸۸۰، عکاسی آمریکایی به‌نام ویلسون بنتلی از دهکده‌ی سرد و برفگیر جرچیو ورمونت، به عکاسی از دانه‌های برف پرداخت. او بیش از ۵۰۰۰ عکس گرفت و سرانجام بر اثر ذات‌الریه، جان خود را از دست داد.

طراحی دانه‌های برف از یوکیچیرو ناکایا، فیزیک‌دان ژاپنی. او ده‌ها سال به بررسی انواع مختلف دانه‌های برف پرداخت.

 در دهه‌ی ۱۹۳۰، اوکیچیرو ناکایا، پژوهشگر ژاپنی، پژوهشی سیستماتیک را درباره‌ی انواع کریستال‌های برفی آغاز کرد. ناکایا تا نیمه‌های قرن بیستم، مشغول تولید دانه‌های برف در آزمایشگاه بود. او از موی خرگوش برای آویزان کردن کریستال‌های یخی در هوای یخچال استفاده می‌کرد تا بتوانند به رشد خود ادامه دهند. او برای رشد دو نوع کریستال اصلی، تنظیمات دما و رطوبت را تغییر می‌داد و کاتالوگی از شکل‌های احتمالی کریستال‌ها را جمع‌آوری کرد. ناکایا متوجه شد، ستاره‌ها در دمای منفی ۲ درجه‌ و منفی ۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد تشکیل می‌شوند. کریستال‌های ستونی در دمای منفی ۵ درجه و منفی ۳۰ درجه رشد می‌کنند. در رطوبت اندک، کریستال‌های ستاره‌ای دارای چند شاخه‌ می‌شوند و صفحات شش ضلعی را تشکیل می‌دهند اما در رطوبت بالا، ستاره‌ها اشکال پیچیده‌تر و تورمانندی دارند.

دستور ساخت دانه‌ی برفی

لیبرکت به‌همراه گروه کوچکی از پژوهشگرها در تلاش‌اند تا دستورالعملی را برای تولید دانه‌های برفی ارائه کنند. برای مثال، می‌توان مجموعه‌ای از معادله‌ها و پارامترها را در ابرکامپیوتری وارد کرد که بتوانند انواع دانه‌های برفی را تفکیک کنند.

لیبرکت، بیست سال پیش و پس از مشاهده‌ی دانه‌ی برفی از نوع ستونی دو سر مسدود، پژوهش‌های جدی خود را آغاز کرد. کریستال‌های ستونی دو سر مسدود، مانند ماسوره‌ای خالی یا دو چرخ هستند که دو سر یک محور قرار گرفته‌اند. لیبرکت به‌عنوان یکی از بومیان داکوتای شمالی از مشاهده‌ی این کریستال شگفت‌زده شده بود و گفت: «چطور من تا به حال چنین چیزی ندیده بودم؟» لیبرکت که تحت تأثیر شکل‌های بی‌نهایت دانه‌‌های برف قرار گرفته بود، به تألیف کتابی دراین‌زمینه پرداخت و عکاسی از دانه‌های برف را آغاز کرد. سپس آزمایشگاهی را برای بررسی دانه‌های برفی برپا کرد. مدل جدید او برای دانه‌های برف، نتیجه‌ی مشاهداتی است که در طول سال‌های پیش انجام داده بود.

نوآوری اصلی لیبرکت، در زمینه‌ی توزیع‌ مولکولی وابسته به انرژی سطحی است که نشان می‌دهد، رشد کریستال‌های برفی به شرایط اولیه و رفتار مولکول‌های تشکیل‌دهنده‌ی آن وابسته است.

در فرایند انجماد بخار آب، مولکول‌های آب پیوند ضعیفی دارند. اگر این پدیده را از دیدگاه ناظری کوچک ببینید، مولکول‌های آب در حال انجماد، شبکه‌‌ای یکپارچه را تشکیل می‌دهند که در آن هر اتم اکسیژن با چهار اتم هیدروژن احاطه شده است. کریستال‌ها با ورود مولکول‌های آب از هوای اطراف به الگوی کریستالی، در دو جهت رشد می‌کنند: بالا یا بیرون.

کریستال مسطح و باریک (صفحه‌مانند یا ستاره‌مانند) وقتی تشکیل می‌شود که گوشه‌ها سریع‌تر از دو وجه کریستال شکل بگیرند. در این حالت کریستال، به سمت بیرون رشد می‌کند. بااین‌حال وقتی وجه‌ها سریع‌تر از یال‌ها رشد کنند، کریستال بلندتر می‌شود و به شکل سوزنی، میله‌ای یا توخالی در می‌آید.

براساس مدل لیبرکت، بخار آب در ابتدا روی گوشه‌های کریستال قرار می‌گیرد، سپس روی سطح یال کریستال یا وجوه آن پخش می‌شود و باعث رشد کریستال به سمت بیرون یا بالا می‌شود. توسعه‌ی هرکدام از فرآیندها در شرایط ناپایدار و جلوه‌های متعدد سطحی، به دما بستگی دارد. علت تمام اتفاقات فوق در یخ، پدیده‌ای به‌نام ذوب سطحی است. یخ آب معمولا به نقطه‌ی ذوب نزدیک است و لایه‌های بالایی آن، شبه مایع و نامنظم هستند. با تغییر دما، ذوب سطحی روی وجوه و یال‌ها به شکل متفاوتی رخ می‌دهد، البته جزئیات این فرایند هنوز به‌طور کامل مشخص نیستند. به‌گفته‌ی لیبرکت: «این فرایند، بخشی از مدل تشکیل‌دهنده‌ی پوش کامل است.»

مدل جدید لیبرکت، نیمه‌تجربی و وابسته به مشاهدات است نه توصیف رشد دانه‌های برف براساس مجموعه‌ای از اصول اولیه. ناپایداری و واکنش بین تعداد بی‌شماری از مولکول‌ها به‌قدری پیچیده است که به‌سختی می‌توان از آن پرده برداشت؛ اما لیبرکت امیدوار است، شالوده‌ای برای مدل جامع متغیرهای رشد یخ ارائه کند که با اندازه‌گیری و آزمایش‌های دقیق‌تر، کامل می‌شود.

نمونه‌هایی از دانه‌های برف ستونی

اگرچه یخ ماده‌ی عجیبی است، می‌تواند زمینه‌ساز پرسش‌های مشابه و تعمیم‌یافته در فیزیک ماده‌ی چگال باشد. مولکول‌های دارویی، تراشه‌های نیمه‌رسانای کامپیوترها، سلول‌های خورشیدی و بی‌شمار کاربرد دیگر به کریستال‌های باکیفیت وابسته هستند؛ به همین دلیل گروهی از پژوهشگرها متمرکز بر رشد کریستال‌ها هستند.

یکی از این پژوهشگرها، مینش سینگ از دانشگاه ایلینویز شیکاگو است. سینگ و همکار او در مقاله‌ی اخیر خود به شناسایی مکانیزم جدیدی پرداختند که برخلاف کریستالی شدن تغییر فاز برف و یخ لیبرکت، بر رشد کریستال‌ها در حلال‌ها وابسته است. در کریستال‌سازی حلال، مواد جامد مانند آب یا مایعات دیگر در محلول حل می‌شوند. با تغییر دما و اضافه کردن حلال‌های دیگر، می‌توان به کریستال‌سازی مولکول‌های دارویی جدید یا تولید کریستال‌های جدید برای سلول‌های خورشیدی پرداخت. به‌گفته‌ی سینگ: «تمام کاربردهای مرتبط با رشد کریستالی، تجربی هستند. داده‌های تجربی مشخصی وجود دارند و با استفاده از این داده‌ها می‌توان نحوه‌ی رشد کریستال‌ها را توصیف کرد.»

به اعتقاد لیبرکت، آزمایش‌های بهتر و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده‌تر به پرسش‌های بسیاری درباره‌ی رشد کریستال در سال‌های پیش رو پاسخ می‌دهند. او می‌گوید: «روزی می‌توانیم مدلی مولکولی را به‌صورت کامل بسازیم و پیشرفت این پدیده را در زمینه‌هایی مثل مکانیک کوانتوم ببینیم.»

لیبرکت حین کار روی فیزیک دانه‌های برفی، از عکاسی آن‌ها و سفر به مناطق برفی هم لذت می‌برد؛ اما اخیرا در کالیفرنیای جنوبی ساکن شده و سیستمی پیچیده برای پرورش دانه‌های برف را در آزمایشگاه خود تنظیم کرده است. او می‌گوید: «می‌خواهم خود را از مشاغل دیگر خلاص کنم. از حالا به بعد فقط روی یخ تمرکز می‌کنم.»