معمای قدیمی دانه های برف
دانه های برف چگونه به وجود می آیند ؟ شکل های قشنگ و متقارن دانه های برف چگونه ایجاد می شوند ؟ آیا 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 متفاوت تفاوت دارد ؟ 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 تصویر 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.

پرسش : عجیب ترین چیز در مورد دانه های برف چیست؟
پاسخ :
اگر شما یک دانه برف را فقط کمی پایین تر از دمای انجماد قرار دهید ( زیر صفر ) به یک ورقه نازک براق 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 براق داریدکه شکلش کاملا مخالف یک ورقه نازک است.

در شکل های ستاره ای سطح به آرامی و لبه ها به سرعت عوض کردن شکل می دهند.اما در شکل های استوانه ای لبه ها به آرامی و سطح به سرعت رشد می کنند.

بنابراین با عوض کردن اندکی در دما شکل دانه های برف از یک سطح تخت به یک استوانه عوض کردن 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 عوض کردن 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 زیاد 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 راحت تر و ابعاد کوچکتری دارند.

پرسش : در آزمایشگاه تحقیقاتی خود به چه نتایجی رسیده اید؟
پاسخ :
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 عوض کردن 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 عوض کردن دهید این عوض کردن به منزله عوض کردن 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 عوض کردن دمایی کوچک میتواند مسیر را عوض کردن دهد. ” sharpening effect ” این تغییرات کوچک را توجیه میکند.

پرسش : آیا شکل تمام دانه های برف باهم تفاوت دارد؟
پاسخ :
بلور های یخی هنگام فرود از قسمت های متفاوت ابر عبور می کنند.دما و رطوبت در طی این فرود عوض کردن میکند.این عوض کردن شرایط هر لحظه وجود دارد.بنابراین ما به دانه هایی با شکل ها و شاخه های متفاوت 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.

پرسش : همانطور که گفتید دانه های برف شکل های گوناگونی دارند.شکل مورد علاقه شما چیست؟
پاسخ :
شکل مورد علاقه من ” capped column ” است.کریستالی که در ابتدا استوانه است سپس به یک ورقه تبدیل شده است و نهایتا استوانه میشود.

وقتی جهت نخستین بار شروع به مطالعه در این زمینه کردم تصویر هایی از این نوع دانه برف را دیدم و به نظرم جالب رسید. من در North Dakota متولد شدم ولی قبل از آن هیچ گاه این شکل از دانه های برف را ندیده بودم.در سفری که در کریسمس جهت دیدن خانواده داشتم با ذره بین بیرون از منزل 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 راجع به آنچه از آسمان میبارد اطلاع داشته باشی.

پرسش : آیا مطالعه دانه های برف مزیتی نسبت به مطالعه مواد دیگر دارد؟
پاسخ :
مطالعه کریستالهای یخی نه تنها زیباست بلکه بسیار کم هزینه است . همانطور که میدانید کار کردن با یخ پرسشها ایمنی خاصی ندارد . در حالی که جهت 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 دلواپس پرسشها 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 . زیاد 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 بعد حل کردن معماهایشان جالب هست.