علم دانه هاي برف

چرا بلورهاي يخي هرگز مانند هم نيستند؟
ابرها از قطرات آب، بخار آب و ناخالصي هاي معلق در هوا، مانند ذرات ريز غبار، تشکيل شده اند. اگر دماي ابر کاهش يابد، مولکول هاي آب شروع به متبلور شدن کرده و به صورت يک شبکه شش ضلعي در اطراف ذرات گرد و غبار مرتب مي شوند. اين شبکه شش ضلعي، ICe Ih ناميده مي شود.(شکل 1 را ببينيد)
چهارده شکل از يخ تا به حال شناخته شده است، اما شکلIce Ih، که مخفف "شش ضلعي" است، بين دماي 100-تا صفر درجه سانتيگراد پايدار است و بنابراين، همين شکل يخ است که در دانه هاي برف مشاهده مي شود. شبکه شش ضلعي مولکول هاي آب به صورت لايه هايي روي هم انباشته مي شوند که کناره هاي اين لايه ها کاملاً صاف بوده و نسبت به هم زاويه120 درجه مي سازند. به اين کناره ها، وجوه گفته مي شود.(شکل 2)
وجوه به اين دليل ظاهر مي شوند که براي ملکول ها آسان تر است که به طور ثابت به يک سطح زبر بچسبند تا به يک سطح صاف. بنابراين ابتدا نواحي زير تکميل مي شوند و سپس وجوه صاف، که سرعت رشدشان کمتر است، تکميل شده و شکل بلور را معين مي کنند. در نتيجه، شکل اوليه هر بلور برف، يک منشور شش وجهي کامل است. اين موضوع در شکل 3 نشان داده شده است. سپس، هنگامي که منشور شش وجهي رشد مي کند، نمي تواند شکل ظاهري خود را دقيقاً حفظ کند و جوانه زدن ناپايداري ها موجب مي شود که شاخه هايي در گوشه هاي منشور ظاهر ديده شوند. به دليل شکل تبلور شش ضلعي مولکول هاي آب، شکل نهايي بلور همواره داراي تقارن 6 جانبه خواهد بود. در واقع، همان طور که در شکل 4 مشخص است، منشور شش وجهي ابتدايي را در مرکز بسياري از دانه هاي برف [کاملاً رشد يافته] هنوز مي توان مشاهده کرد.
اندازه دانه هاي برفي که به زمين مي افتند مي تواند متفاوت باشد. عرض منشورهاي شش وجهي تقريباً کامل (که گرد الماس ناميده مي شوند) فقط 0/2 ميلي متر است در حالي که بلورهاي بزرگي که داراي ساختار درختي هستند 5 ميلي متر عرض دارند. بلورهايي که از گرد الماس کوچک تر باشند، سبک تر از آنند که پايين بيافتند و بنابراين همان بالا باقي مي مانند در حالي که بلورهاي بزرگ تر از (5 ميلي متر) شکننده بوده و با کمترين وزش نسيم تمايل به شکسته شدن دارند.
اما اصلاً چه چيز سبب مي شود که دانه هاي برف شروع به شکل گيري کنند؟ اين اتفاق زماني رخ مي دهد که دو حالت خاص در ابر ايجاد شود: حالت فوق اشباع و حالت فوق سرد، و شکل نهايي بلور برف مي تواند نشان دهد که اين حالت ها چگونه تغيير کرده اند.

حالت فوق اشباع
 

حالت فوق اشباع زماني رخ مي دهد که ميزان بخار آب موجود در هوا از حداکثر رطوبت نسبي معمول (که 100 درصد است) بالاتر باشد. در هر درجه حرارت، ميزان بخار آبي که هوا مي تواند در خود نگه دارد داراي يک حداکثر است. هر چه دماي هوا بالاتر باشد، بخار بيشتري را مي تواند در خود نگه دارد. اما اگر هوا قبلاً داراي رطوبت نسبي 100 درصد باشد و سپس سرد شود، آن گاه به حالت فوق اشباع مي رسد و اين حالت حالتي ناپايدار است. در نتيجه، بخار آب اضافي متبلور شده و به صورت آب درمي آيد يا مستقيماً به يخ تبديل مي شود.

حالت فوق سرد
 

وجود آب مايع در دماي زير صفر درجه، حالت فوق سرد ناميده مي شود. اگر يک قطره آب خالص را تا دماي زير نقطه انجمادش سرد کنيم، با تعجب خواهيم ديد که يخ نمي زند زيرا مولکول هاي داخل قطره داراي جنبش گرمايي هستند که از متبلور شدن آنها جلوگيري مي کند. در واقع لازم است دما را تا 42- درجه سانتي گراد پايين بياوريم تا انجماد رخ دهد. در مقابل، يک قطره از آب شير به سرعت در دماي صفر درجه سانتي گراد يخ مي زند زيرا حاوي ناخالصي هايي است که سطوحي را براي چسبيدن مولکول هاي آب (که شکل گيري هسته نام دارد) فراهم مي کنند. اين موضوع باعث کاهش اثر جنبش گرمايي مولکول ها شده و دماي انجماد را بالاتر مي برد. مشاهده اين فرآيند در زير ميکروسکوپ نشان مي دهد که مولکول هاي آب به تدريج به هم مي پيوندند و بلورهاي ريز يخ را ايجاد مي کند. اگر بلوري از اندازه بحراني بزرگ تر باشد، به رشد خود ادامه مي دهد، اما اگر خيلي کوچک باشد، مولکول هاي تشکيل دهنده آن دوباره شکسته شده و از هم جدا خواهند شد. در ابرها نيز همين روند رخ مي دهد و در نتيجه، ساختار و ترکيب يک دانه برف مي تواند شرايط دمايي که به هنگام ايجاد دانه برف درون ابر به وقوع پيوسته را به دانشمندان نشان دهد.
ديگر اين که، دانه هاي برف در حين رشد در داخل ابر توسط باد به اطراف منتقل شده و بدين ترتيب در زمان هاي مختلف شرايط متفاوتي را از [لحاظ دما و...] تجربه مي کنند که اين امر موجب تغيير حالت رشد آنها مي شود. شکل 5 نشان مي دهد که تاريخچه [تغيير شرايط] محيطي دانه برف چگونه در ساختار آن ثبت مي شود که از اين موضوع مي توان براي جمع آوري اطلاعات درباره ابري که منشأ ايجاد دانه برف بوده استفاده کرد. و همان طور که شکل 6 نشان ميدهد، درک اين فرآيند بدين معني است که دانشمندان مي توانند دانه هاي برف مصنوعي ايجاد نمايند که اطلاعاتي درباره فيزيک رشد بلورها و شکل گيري الگوهاي بلوري در اختيار آنان قرار مي دهند.

آيا حقيقت دارد که هيچ دو دانه برفي شبيه هم نيستند؟
 

هر کودک دبستاني اين عبارت را مي آموزد که "هيچ دو دانه برفي شبيه هم نيستند" و اين موضوع در مورد دانه هاي برف بزرگ داراي ساختار درختي، مسلما درست است. اما چرا چنين است؟ فرض کنيد داريد جاادويه اي خود را مرتب مي کنيد و پنج شيشه ادويه و پنج مکان مجزا براي جا دادن آنها در اختيار داريد. پس براي مکان اول، پنج انتخاب وجود دارد، براي مکان دوم چهار انتخاب، براي مکان سوم سه انتخاب و به همين ترتيب. در مجموع 120 انتخاب براي مرتب کردن پنج شيشه ادويه در اختيار داريد.
براي يک بلور برف، در حدود 100 ويژگي مختلف را مي توان مشخص کرد و اين بدان معني است که براي ايجاد يک بلور 10 به توان 158 راه مختلف وجود دارد. اين تعداد چينش ممکن، حدود دو برابر تعداد همه اتم هاي کيهان است. بنابراين کاملاً نامحتمل است که بتوانيم دو بلور شبيه هم پيدا کنيم! و همچنين به علت اين که رشد دانه برف تحت تاثير شرايط محيطي قرار دارد، حتي کوچک ترين تغييرات دما و رطوبت بر شکل دانه برف اثر مي گذارند. اگر اين تغييرات در مقياس طولي کوچک تر از خود دانه برف رخ دهند، آن گاه شکل بلور نامنظم خواهد بود (بسياري از دانه هاي برف در طبيعت چنين هستند). بلورهاي برف داراي تقارن شعاعي وقتي شکل مي گيرند که همه بخش هاي دانه برف در يک زمان تحت شرايط يکسان قرار بگيرند. بنابراين اگر دانه هاي برف خيلي کوچک باشند، احتمال شبيه بودن آنها بيشتر است.

اما چرا به تحقيق درباره دانه برف مي پردازيم؟
 

خود آب، داراي بسياري از خواص نامعمول و غير قابل حدس است که همه ما برخي از آنها، مانند چگال تر بودن آب مايع از يخ که موجب شناور شدن يخ روي آب مي شود، آشنايي داريم. امروزه دانش ابرها، يکي از فعالترين بخش هاي تحقيق درباره تغييرات آب و هوا به شمار مي رود و چون الگوهايي که موجب زيبايي حيرت انگيز دانه هاي برف مي شوند حاوي تاريخچه [تغييرات شرايط] ابرهاي ايجاد کننده دانه هاي برف هستند ، پس اين بلورهاي کوچک و حقير دارند به ما کمک مي کنند تا محيط زيست خود را درک کنيم.
کره هاي قرمز اتم هاي اکسيژن، و کره هاي سفيد اتم هاي هيدروژن را نشان مي دهند. هنگامي که هوا سرد مي شود، نزديک ترين مولکول هاي آب به همديگر، شروع مي کنند به مرتب شدن در يک شبکه که به تدريج شکل شش ضلعي ICe Ih را به خود مي گيرد. هر مولکول آب چهار همسايه مجاور خود دارد (فقط يک لايه نشان داده شده است) که به دوتاي آنها هيدروژن مي دهد و از دو تاي ديگر هيدروژن مي گيرد.
براي مولکول ها آسان تر است که به يک سطح زير بچسبند تايک سطح صاف، زيرا روي سطح زبر مکان هاي بيشتري وجود دارد که يک مولکول بتواند همزمان به چند مولکول سطح بچسبد.
عکسي که با دقت بالا از يک بلور برف شش وجهي
بلور برف داراي ساختار درختي، مرکز بلور، شکل شش وجهي اوليه آن را نشان مي دهد.
چگونگي شکل گيري يک دانه برف، رشد يک بلور برف زماني آغاز مي شود که تعدادي مولکول در اطراف يک ناخالصي تشکيل هسته مي دهند. پس از تشکيل هسته، تغيير شرايط محلي [دما و فشار و...] مي تواند شکل و اندازه بلور در حال شکل گيري را تغيير دهد.
دانه هاي برف مصنوعي، فيزيکدانان با درک چگونگي شکل گيري دانه هاي برف، مي توانند رشد آنها را در آزمايشگاه شبيه سازي کنند. نحوه تأثير دما بر رشد بلورها هنوز ناشناخته بوده و مطالعه بلورهاي مصنوعي برف در شناختن فيزيک رشد بلورها و شکل گيري الگوها سودمند است
چند عکس از دانه هاي برف
منبع: دانشمند شماره 567