Ние сме в епоха, в която учените могат да открият безкрайно дребните частици, които даряват атомите с маса и изследват някои от най-дълбоките мистерии на биологията, например как преживяванията и спомените могат да бъдат предадени чрез гените на организма.
По този начин може да дойде изненада, че все още не разбираме механиката на сравнително прост природен феномен: сняг.
Образуването на снежинки - по същество идиосинкратичният начин, по който кристализира водата, когато е суспендирана в нашата атмосфера - е изключително сложен процес, който все още не е описан напълно от научните формули. "Хората смятат, че снежинката е просто замръзнала дъждовна капка", казва професорът по физика на Калтех Кенет Либбрехт, който прекара последните няколко десетилетия в изучаването на процеса на образуване на снежинка. "Но това е слаба, само малки кубчета лед и дори не е близо до това какво представлява снежинка."
В лабораторията на Либбрехт расте ускорена снежинка
В хода на своите изследвания работата на Либбрехт се разраства, за да обхване изкуството и науката. Той е създал както научни трудове, така и стотици красиви снимки на естествени снежинки (които той е публикувал в няколко различни книги и е бил представен на пощенски марки в САЩ), а също е измислил гениални начини за изкуствено отглеждане на снежинки в лаборатория, за да проучи тяхното формиране в микроскопични детайли.
Но всичко започна, казва той, с пътуване до дома му на детство в Северна Дакота. "Бях на гости на семейството си там и излязох навън. На земята имаше целият този сняг", казва той. „Изведнъж си помислих:„ Защо не разбирам повече за тези снежинки? “
Това накара Либбрехт да започне да изучава динамиката на образуването на снежинка в лабораторията си, между изследване на по-езотерични теми като въртящи се диодни лазери и шума, изпускан от свръхновите. "Разбрах, че много за снежинките просто не са много добре разбрани и че ледът е доста евтин материал за работа", казва той.
Образуването на дори единична снежинка е сложно събитие на молекулярно ниво. В природата тя започва, когато водната пара в облака се кондензира във водни капчици. Дори и при температури под замръзване, повечето от тези капчици обикновено остават в течна форма, тъй като се нуждаят от частица, върху която да замръзнат: или прахова частица, или няколко водни молекули, които са се подредили в шестоъгълната матрица, характеризираща леда.
След като капчиците започнат да кристализират върху централна частица, процесът обаче се ускорява бързо. При наличието на кристално ядро, преохладените водни молекули в околните водни капчици лесно се кондензират върху кристала, като допринасят за неговия растеж по геометрично правилен начин. По времето, когато големият кристал (който наричаме снежинка) е напуснал облака, Либбрехт изчислява, че ще е абортирал водата от около 100 000 капчици наблизо.
Всичко това може да звучи просто, но както откриха Libbrecht и други учени, леките промени в обстоятелствата на тези кристали - влажността и температурата на облака за начало - могат да доведат до коренно различен вид люспи. За да разбере по-добре тази динамика, осъзна Либбрехт, той се нуждае от начин да наблюдава реалния процес на растеж на снежинките. Без начин да се вгради в плаващ облак, той реши да разработи метод за изкуствено отглеждане на снежинки в своята калифорнийска лаборатория.
„Да получиш отделен кристал да расте по такъв начин, че да изглежда като снежинка, не е лесно“, казва той. "Ако искате измръзване - само куп кристали, които растат наведнъж - това е доста просто, но отделните кристали са по-трудни."
Процесът на Либбрехт, разработен през последните няколко години, се извършва в студена камера и отнема общо около 45 минути. Той започва с напълно чисто парче стъкло и разхвърля върху него много микроскопични ледени кристали. С микроскоп той изолира определен кристал, след което издухва малко по-топъл влажен въздух върху стъклото. Водната пара се кондензира върху кристала на семената, точно като в истински облак, в крайна сметка образувайки видима снежинка.
Работейки с този процес, Libbrecht определи нивата на температура и влажност, които водят до всеки конкретен вид снежинка. „Аз ги наричам„ дизайнерски снежинки “, защото можете да промените условията, докато ги отглеждате, и да предвидите как ще изглеждат те“, казва той. Освен всичко друго, той е открил, че снежинка с тънък ръб расте по-бързо, което кара ръба да се изостря още повече, което в крайна сметка води до сравнително голям люспест. Снежинките, които започват с по-тъпи ръбове, обаче растат по-бавно и остават тъпи, което води до блокиращи призми, а не до елегантни плочи.
В крайна сметка, когато Либбрехт искаше да издаде книга за своята творба, той откри, че макар да бяха добри за времето си, повечето от наличните снимки на снежинки са остарели, като тези, направени от Уилсън Бентли през 30-те години на миналия век. В отговор той започнал сам да ги снима с висока разделителна способност, използвайки специализирано оборудване и понякога цветни светлини, за да придаде на прозрачните люспи повишен цвят и дълбочина.
Какво ще кажете за общата идея, че никоя две снежинки не си приличат? "Всички винаги ме питат това", казва Либбрехт.
Оказва се, че отговорът е математически проблем. Ако определите снежинката като само десет молекули вода, тогава е възможно две различни люспи да бъдат идентични на молекулно ниво. Но за люспата в пълен размер, според него, е твърде малко вероятно да оправиш две еднакви, които се срещат естествено - по същия начин, че шансовете на два еднакви човешки пръстови отпечатъка са изключително малки. "След като започнете да правите нещата дори леко сложни, броят на възможностите нараства астрономически и вероятността дори да имате две снежинки, които изглеждат отдалечено, пада до нула", казва той.
