چرایی شکل‌های متفاوت دانه‌های برف

تقریباً دو هزار و پانصد کیلومتر مکعب برف قسمت‌هایی از نیم‌کره‌ی شمالی زمین را پوشانده است. در هر متر مکعب از این برف‌ها در حدود هفت‌صد میلیون بلور برف وجود دارد. شاید حدود دو نیم میلیارد سال است که هم‌چنان برف فرو می‌بارد. با این همه آیا باور کردنی است که هیچ دو دانه‌ برفی شبیه هم نیستند؟
چارلز نایت، فیزیک‌دانی از مرکز ملی تحقیقات جوی در آمریکا، اظهار می‌دارد: «این پرسشی است که خیلی روی آن فکر کرده‌ام. من با طرح پرسش دیگری به آن پاسخ می‌دهم: چقدر اختلاف باید در دو دانه برف وجود داشته باشد تا بتوانیم آنها را متفاوت به حساب آوریم؟ یقیناً ممکن است شما دو دانه برف پیدا کنید که خیلی به هم شبیه باشند.»
البته اگر هم دانه‌ی برفی که یک میلیون سال پیش در گوشه‌ای از جنوبگان فرود آمد با دانه‌ای که همین دیروز روی پنجره‌ی اتاق شما نشست یکسان باشد چه کسی می‌تواند بفهمد؟ برای پی بردن به این مسئله لازم است بدانیم بلورهای برف چگونه رشد می‌کنند. اما طبق گفته‌ی نایت، خود این مسئله هنوز پا در هواست.
مطالعه‌ی بلورها که به طور انفرادی یا گروهی در دانه‌های برف فرود می‌آیند خیلی مشکل است. مثلاً برای این کار باید میکروسکوپ‌های الکترونی در خلأ کار کنند، اما یک بلور برف را که در خلأ قرار دهید فوراً ناپدبد می‌شود. دمایی را هم که در آن بلورهای برف احساس آسایش کنند بیش از حد برای دانشمندان پایین و غیر قابل تحمل است. نایت در این باره می‌گوید: «تا حدودی دست و بال ما بسته است. به دلیل این مشکلات، تقریباً هیچ کس روی این مسئله کار نمی‌کند.»
اما مبانی این امر تا حدودی روشن شده است. عموم مردم فکر می‌کنند که بلورهای برف به صورت همان ستاره‌های شش وجهی هستند که شیشه‌های ویترین‌ها و یا درخت‌های کریسمس را تزیین می‌کنند. در حالی که برف به صورت‌های گوناگونی پایین می‌آید ازجمله به صورت‌های تیغه‌های شش ضلع، ستون‌های شش وجه، سوزن، ستون‌های با کلاهک ستاره‌ای، ستون‌های با کلاهک صفحه‌ای که به دکمه‌های قپه‌ای پیراهن‌های قدیمی شباهت دارند، و نیز به صورت آش در هم جوشی از شکل‌های نامنظم. همه‌ی این شکل‌ها به دمای ابری بستگی دارند که برف از آن شکل می‌گیرد.
ابرها وقتی تشکیل می‌شوند که توده‌ای از هوای گرم اوج می‌گیرد و پس از سرد شدن در طبقات بالای جو توانایی نگه‌داری بخار آب موجود در خود را از دست می‌دهد. بخار چگالیده می‌شود و به صورت قطرات آب در می‌آید. این قطرات اگر هوا سردتر شود به یخ تبدیل می‌شوند و یا به صورت آب فوق سرد باقی می‌مانند. در مواردی ممکن است بخار آب مستقیماً به بلور یخ تبدیل شود. اگر ابری هم حاوی بلورهای یخ و هم این قطرات آبِ فوق سرد باشد اتفاق جالبی می‌افتد: قطرات آب تبخیر شده و بخار حاصل به بلور یخ تبدیل می‌شود. نایت می‌گوید: «این فرایند مثل گذاشتن یک قوطی نوشابه‌ی سرد در کنار یک کتری آب در حال جوش است. بخار آب با قوطی تماس پیدا می‌کند و می‌چگالد.» در ابرها بخار مستقیماً به یخ تبدیل می‌شود و از تبخیر و سپس یخ زدن قطرات بیشتر آب، بلور برف شکل می‌گیرد.
ساختار و بار الکتریکی مولکول آب معمولاً باعث می‌شود بلورهای یخ به صورت شش وجهی در بیایند. بیشتر بلورهای یخ در امتداد صفحه‌های این تقارن شش وجهی رشد می‌کنند و شکل کلی آنها تابع دمای موجود است. در دماهای 7/2- درجه‌ی سانتیگراد و بیشتر به صورت صفحه در می‌آیند و در دمای 2/12- درجه‌ی سانتیگراد به صورت ستاره، ودر دمای 1/16- درجه‌ی سانتیگراد مجدداً به صورت صفحه در می‌آیند. جزئیات پیچیده‌ی شکل بلور برف از تغییرات اندک دما و رطوبتی ناشی می‌شود که بلور در پانزده دقیقه‌ی اول تولد خود ضمن حرکت در ابر با آنها مواجه می‌شود.
دانشمندان، بلورهای برف را در آزمایشگاه رشد داده‌اند و اَشکال مختلف آنها را در دماهای مختلف ثبت کرده‌اند. در حالی که دانشمندان می‌دانند چه نوع بلوری در چه دمایی شکل می‌گیرد اما هنوز کسی نتوانسته است توضیح دهد که چرا بلورها به این شکل در می‌آیند. نایت می‌گوید: «ساختار بلور یخ خوب شناخته شده است، اما این که مولکول‌ها چگونه در سطح به هم می‌پیوندند و باعث رشد بلور می‌شوند هنوز به صورت یک راز باقی مانده است.»
اکنون این سؤال مطرح می‌شود که آیا امکان دارد که دو بلور برف یکسان باشند. با توجه به این که تعداد بلورهای برفی که به زمین باریده‌اند از تعداد ستارگان کهکشان بیشتر است عجیب به نظر می‌رسد که یک نقش به‌خصوص، چند بار تکرار نشده باشد. اما از طرف دیگر چون هر بلور حاوی تریلیون‌ها تریلیون مولکول آب است که می‌توانند به طرق مختلف آرایش بگیرند شاید عجیب‌تر این است که کسی فکر کند که دو بلور برف باید یکسان باشند. ریچارد سامرفلد، زمین شناسی از اداره‌ی جنگلبانی امریکا، می‌گوید: «مثل این است که کسی بپرسد چرا دو نفر آدم دقیقاً یکسان نیستند، در حالی که سؤال واقعی این است که چرا باید یکسان باشند.»