Ми смо у доба када научници могу открити бесконачно ситне честице које масом обдарују атоме и истражују неке од најдубљих мистерија биологије, попут начина на који се искуства и сећања могу пренети генима организма.
Стога нас може изненадити да још увек не разумемо механику релативно једноставног природног феномена: снега.
Формирање пахуљица - у суштини, идиосинкратски начин да вода кристализира када се суспендује у нашој атмосфери - изузетно је сложен процес који научне формуле још увек нису у потпуности описане. "Људи мисле да је снежна пахуљица само смрзнута киша", каже професор физике Цалтецх-а Кеннетх Либбрецхт, који је провео последњих неколико деценија проучавајући процес формирања снежине. "Али то је сусњежица, само мало коцкица леда, а није ни близу онога што представља снежинка."
Снежна пахуља расте у лабораторији Либбрецхта, убрзано
Током свог истраживања, Либбрецхт-ово дело је прерасло у уметност и науку. Израдио је и научне радове и стотине прелепих фотографија природних пахуљица (које је објавио у неколико различитих књига и које су представљене на америчким поштанским маркама), а такође је смислио генијалне начине како вештачки узгајати снежинке у лабораторији како би проучавао њихово формирање у микроскопским детаљима.
Али све је почело, каже, путовањем у његов дом из детињства Северне Дакоте. "Био сам у посети својој породици тамо, и изашао сам напоље, а на земљи је био сав тај снег", каже он. „Одједном сам помислио:„ Зашто не разумем више о овим пахуљицама? “
То је довело Либбрецхт да почне да проучава динамику формирања пахуљица у својој лабораторији, између истраживања езотеричнијих предмета као што су окретни диодни ласери и буке коју испуштају супернове. "Схватио сам да се много о снежинкама једноставно не разуме добро и да је лед прилично јефтин материјал за рад", каже он.
Формирање чак и једне пахуљице сложен је догађај на молекуларном нивоу. У природи започиње када се водена пара облака кондензира у капљице воде. Чак и на температурама испод смрзавања, већина ових капљица обично остаје у течном облику, јер им је потребна честица на којој ће се смрзнути: било честица прашине или неколико молекула воде који су се смјестили у шестерокутни матрикс који карактерише лед.
Једном када капљице почну кристализирати на централној честици, међутим, процес се брзо убрзава. Кад је кристално језгро на месту, прехлађене молекуле воде у околним капљицама воде лако се кондензују на кристал, повећавајући његов раст на геометријски правилан начин. До тренутка када је велики кристал (који називамо пахуљица) напустио облак, Либбрецхт процењује да ће оборити воду из око 100.000 оближњих капљица.
Све би то могло звучати једноставно, али као што су Либбрецхт и други научници открили, мале промене околности ових кристала - влага и температура облака за почетак - могу довести до радикално различитих изгледа пахуљица. Да би боље разумео ову динамику, схватио је Либбрецхт, потребан му је начин да посматра стварни процес раста пахуљица. Без начина да се угради у плутајући облак, одлучио је да развију методу за вештачки растуће пахуље у својој калифорнијској лабораторији.
"Добити да појединачни кристал расте на такав начин да изгледа као да пахуљица није лако", каже он. "Ако желите мраз - само гомила кристала који сви расту одједном - то је прилично једноставно, али поједини кристали су тежи."
Либбрецхт-ов процес, развијен у последњих неколико година, одвија се у хладној комори и укупно траје око 45 минута. Започиње са потпуно чистим комадом стакла и на њега разбацује многе микроскопске кристале леда. Микроскопом изолише одређени кристал, а затим дува мало топлији влажан ваздух на стакло. Водена пара се кондензира на кристалима семена, баш као у правом облаку, стварајући на крају видљиву пахуљицу.
Радећи са овим процесом, Либбрецхт је утврдио нивое температуре и влажности који воде до сваке посебне врсте пахуљица. "Зову их" дизајнерске пахуље ", јер можете да промените услове док их узгајате и предвиђате како ће они изгледати", каже он. Између осталог, открио је да пахуља с танком ивицом брже расте, што је ивицу додатно оштрило, што у коначници доводи до релативно велике љускице. Сњежне пахуље које започињу тупим ивицама, међутим, расту спорије и остају тупим, што доводи до блокадних призми, а не до елегантних плоча.
На крају, када је Либбрецхт хтео да објави књигу о свом раду, открио је да су, иако су добре за своје време, већина доступних фотографија пахуља застарјела, попут оних које је снимио Вилсон Бентлеи у 1930-има. Као одговор, почео је да их сам фотографира у високој резолуцији, користећи специјализовану опрему и повремено обојена светла како би јасне пахуљице повећале боју и дубину.
Шта је са заједничком идејом да нема две сњежне пахуље? „Сви ме то увек питају“, каже Либбрехт.
Испада да је одговор математички проблем. Ако пахуљицу дефинишете као само десет молекула воде, тада је могуће да две различите пахуљице буду идентичне на молекуларном нивоу. Али, за пахуљицу пуне величине, каже он, мало је вероватно да бисте фино исправили две идентичне које се јављају природним путем - на исти начин на који су шансе за два идентична отиска човека крајње мале. "Једном када почнете ствари још мало закомпликовати, број могућности расте астрономски, а вероватноћа чак и да имате две пахуљице које изгледају подједнако падају на нулу", каже он.
