Βρισκόμαστε σε μια εποχή που οι επιστήμονες μπορούν να ανιχνεύσουν τα απεριόριστα μικροσκοπικά σωματίδια που προσφέρουν άτομα με μάζα και ανιχνεύουν μερικά από τα βαθύτερα μυστήρια της βιολογίας, όπως το πώς οι εμπειρίες και οι μνήμες μπορούν να περάσουν μέσα από τα γονίδια ενός οργανισμού.
Ως εκ τούτου, μπορεί να αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι ακόμα δεν καταλαβαίνουμε τη μηχανική ενός σχετικά απλού φυσικού φαινομένου: το χιόνι.
Ο σχηματισμός νιφάδων χιονιού - ουσιαστικά, ο ιδιοσυγκρασιακός τρόπος που κρυσταλλώνει το νερό όταν αναστέλλεται στην ατμόσφαιρά μας - είναι μια εξαιρετικά περίπλοκη διαδικασία που ακόμα δεν έχει περιγραφεί πλήρως από επιστημονικές φόρμουλες. "Οι άνθρωποι πιστεύουν ότι μια νιφάδα χιονιού είναι απλά μια παγωμένη βροχή", λέει ο καθηγητής της φυσικής Caltech Kenneth Libbrecht, ο οποίος πέρασε τις τελευταίες δεκαετίες μελετώντας τη διαδικασία σχηματισμού νιφάδων. "Αλλά αυτό είναι χαλαρή, μόνο λίγο παγάκια, και δεν είναι καν κοντά σε αυτό που είναι νιφάδα χιονιού".
Μια νιφάδα χιονιού μεγαλώνει στο εργαστήριο του Libbrecht και επιταχύνεται
Κατά τη διάρκεια της έρευνάς του, το έργο του Libbrecht αναπτύχθηκε για να καλύψει την τέχνη και την επιστήμη. Έχει εκπονήσει τόσο επιστημονικές εφημερίδες όσο και εκατοντάδες όμορφες φωτογραφίες φυσικών νιφάδων (που δημοσιεύονται σε πολλά διαφορετικά βιβλία και είχαν χαρακτηριστεί στα αμερικανικά γραμματόσημα) και επίσης επινόησε έξυπνους τρόπους να καλλιεργούν τεχνητά νιφάδες στο εργαστήριο για να μελετήσουν το σχηματισμό τους με μικροσκοπικές λεπτομέρειες.
Αλλά όλα ξεκίνησαν, λέει, με ένα ταξίδι πίσω στο παιδικό του σπίτι της Βόρειας Ντακότα. "Επισκέφθηκα την οικογένειά μου εκείνη την ημέρα και πήγα έξω, και υπήρχε όλο αυτό το χιόνι στο έδαφος", λέει. "Εγώ ξαφνικά σκέφτηκα, " Γιατί δεν καταλαβαίνω περισσότερα για αυτές τις νιφάδες χιονιού; "
Αυτό οδήγησε τον Libbrecht να αρχίσει να μελετάει τη δυναμική του σχηματισμού νιφάδων στο εργαστήριό του, ανάμεσα σε ερευνώντας περισσότερα εσωτεριστικά θέματα όπως τα περιστρεφόμενα λέιζερ διόδων και τον θόρυβο που απελευθερώνουν οι σουπερνόβες. "Συνειδητοποίησα ότι πολλά για τις νιφάδες χιονιού δεν είναι πολύ καλά κατανοητά και ότι ο πάγος είναι ένα πολύ φθηνό υλικό για να δουλέψετε", λέει.
Ο σχηματισμός ακόμη και ενός νιφάδα χιονιού είναι ένα σύνθετο γεγονός σε μοριακό επίπεδο. Στη φύση, αρχίζει όταν οι υδρατμοί ενός σύννεφου συμπυκνώνονται στα σταγονίδια νερού. Ακόμη και σε θερμοκρασίες κάτω από την κατάψυξη, τα περισσότερα από αυτά τα σταγονίδια συνήθως παραμένουν σε υγρή μορφή, επειδή χρειάζονται ένα σωματίδιο πάνω στο οποίο θα παγώσουν: είτε ένα σωματίδιο σκόνης είτε μερικά μόρια νερού που έχουν τοποθετηθεί μέσα στην εξαγωνική μήτρα που χαρακτηρίζει τον πάγο.
Μόλις σταγονίδια αρχίσουν να κρυσταλλώνονται σε ένα κεντρικό σωματίδιο, όμως, η διαδικασία επιταχύνει γρήγορα. Με κρυστάλλινο πυρήνα, τα υπερψυχθέντα μόρια νερού στα περιβάλλοντα σταγονίδια νερού συμπυκνώνονται εύκολα στον κρύσταλλο, προσθέτοντας την ανάπτυξή του με έναν γεωμετρικά κανονικό τρόπο. Μέχρι τη στιγμή που ο μεγάλος κρύσταλλος (ο οποίος ονομάζουμε νιφάδα χιονιού) έχει αφήσει το σύννεφο, ο Libbrecht εκτιμά ότι θα έχει απορροφήσει το νερό από περίπου 100.000 κοντινά σταγονίδια.
Όλα όσα μπορεί να ακούγονται απλά, αλλά όπως έχουν ανακαλύψει οι Libbrecht και άλλοι επιστήμονες, μικρές αλλαγές στις συνθήκες αυτών των κρυστάλλων - η υγρασία και η θερμοκρασία του νέφους, για αρχάριους - μπορούν να οδηγήσουν σε ριζικά διαφορετικές εμφάνιση νιφάδων. Για να κατανοήσουμε καλύτερα αυτή τη δυναμική, ο Libbrecht συνειδητοποίησε ότι χρειάστηκε έναν τρόπο να παρατηρήσει την πραγματική διαδικασία ανάπτυξης των νιφάδων χιονιού. Χωρίς τρόπο να ενσωματωθεί σε ένα πλωτό σύννεφο, αποφάσισε να αναπτύξει μια μέθοδο για τεχνητά αυξανόμενες νιφάδες χιονιού στο εργαστήριό του στην Καλιφόρνια.
"Για να πάρετε ένα ξεχωριστό κρύσταλλο που αναπτύσσεται με τέτοιο τρόπο ώστε να μοιάζει με νιφάδα χιονιού δεν είναι εύκολο", λέει. "Αν θέλετε παγετό - απλά μια δέσμη κρυστάλλων που αναπτύσσονται ταυτόχρονα - αυτό είναι πολύ απλό, αλλά τα ατομικά κρύσταλλα είναι πιο δύσκολα".
Η διαδικασία του Libbrecht, που αναπτύχθηκε τα τελευταία χρόνια, γίνεται σε ψυχρό θάλαμο και διαρκεί περίπου 45 λεπτά συνολικά. Αρχίζει με ένα εντελώς καθαρό κομμάτι γυαλιού και διασκορπίζει πολλούς μικροσκοπικούς κρυστάλλους πάγου πάνω του. Με ένα μικροσκόπιο, απομονώνει ένα συγκεκριμένο κρύσταλλο, στη συνέχεια χτυπά ελαφρά θερμότερο υγρό αέρα πάνω στο γυαλί. Ο υδρατμός συμπυκνώνεται στον κρύσταλλο σπόρων, ακριβώς όπως σε ένα πραγματικό σύννεφο, σχηματίζοντας τελικά μια ορατή νιφάδα χιονιού.
Εργασία με αυτή τη διαδικασία, η Libbrecht έχει καθορίσει τα επίπεδα θερμοκρασίας και υγρασίας που οδηγούν σε κάθε συγκεκριμένο είδος νιφάδα χιονιού. "Τους αποκαλώ" νιφάδες σχεδιαστών ", γιατί μπορείτε να αλλάξετε τις συνθήκες καθώς τις καλλιεργείτε και να προβλέψετε τι θα μοιάζουν, " λέει. Μεταξύ άλλων, διαπίστωσε ότι μια νιφάδα χιονιού με μια λεπτή άκρη αυξάνεται ταχύτερα, προκαλώντας την ακμή να ακονίσει ακόμα περισσότερο, τελικά οδηγώντας σε μια σχετικά μεγάλη νιφάδα. Οι νιφάδες χιονιού που ξεκινούν με πιο αμβλεία άκρα, όμως, μεγαλώνουν πιο αργά και παραμένουν αμβλύ, οδηγώντας σε τσιγκούνα και όχι κομψά πιάτα.
Τελικά, όταν ο Libbrecht ήθελε να δημοσιεύσει ένα βιβλίο για το έργο του, ανακάλυψε ότι, αν και ήταν καλές για το χρόνο τους, οι περισσότερες από τις διαθέσιμες νιφάδες χιονιού ήταν ξεπερασμένες, όπως αυτές που έλαβε ο Wilson Bentley στη δεκαετία του 1930. Σε ανταπόκριση, άρχισε να τις φωτογράφει με υψηλή ανάλυση, χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο εξοπλισμό και μερικές φορές χρωματισμένα φώτα για να δώσουν στις διαυγείς νιφάδες αυξημένο χρώμα και βάθος.
Τι γίνεται με την κοινή ιδέα ότι δεν υπάρχουν δύο νιφάδες χιονιού; "Όλοι πάντα με ρωτούν αυτό, " λέει ο Libbrecht.
Η απάντηση, αποδεικνύεται, είναι ένα μαθηματικό πρόβλημα. Εάν ορίσετε μια νιφάδα χιονιού ως απλά δέκα μόρια νερού, τότε είναι δυνατό για δύο διαφορετικές νιφάδες να είναι ταυτόσημες σε μοριακό επίπεδο. Αλλά για ένα πλήρες μέγεθος νιφάδων, λέει, είναι εξαιρετικά απίθανο να επιτύχατε δύο όμοια που συμβαίνουν φυσιολογικά - με τον ίδιο τρόπο που οι πιθανότητες δύο πανομοιότυπων ανθρώπινων δακτυλικών αποτυπωμάτων είναι εξαιρετικά μικρές. "Μόλις αρχίσετε να κάνετε τα πράγματα ακόμη και κάπως περίπλοκα, ο αριθμός των δυνατοτήτων αυξάνεται αστρονομικά και η πιθανότητα να έχετε και δύο νιφάδες χιονιού που φαίνονται εξίσου παρόμοιες πέφτει στο μηδέν", λέει.
