Kita berada di zaman ketika para saintis dapat mengesan zarah-zarah yang kecil dan kecil yang memberikan massa dengan massa dan meneliti beberapa misteri biologi terdalam, seperti bagaimana pengalaman dan kenangan dapat diturunkan melalui gen organisme.
Oleh itu, ia mungkin datang sebagai kejutan bahawa kita masih tidak memahami mekanik fenomena semula jadi yang agak mudah: salji.
Pembentukan kepingan salji - pada dasarnya, cara yang idiosinkratik yang mengalirkan air apabila digantung di atmosfera kita-adalah satu proses yang sangat kompleks yang masih belum diterangkan sepenuhnya oleh formula saintifik. "Orang berfikir bahawa salji salji hanyalah hujan lebat, " kata profesor fizik Caltech, Kenneth Libbrecht, yang menghabiskan beberapa dekad yang lalu untuk mengkaji proses pembentukan salji. "Tetapi itulah hujan, hanya ais kiub kecil, dan tidak lebih dekat dengan kepingan salji."
Sebuah salji salji tumbuh di makmal Libbrecht, dipercepatkan
Sepanjang penyelidikannya, karya Libbrecht telah berkembang untuk merangkumi seni dan sains. Beliau menghasilkan kertas saintifik dan beratus-ratus gambar salji semulajadi yang indah (yang diterbitkan dalam beberapa buku yang berbeza dan mempunyai ciri-ciri setem pos), dan juga mencipta cara bijak untuk menghasilkan bulu salji secara tiruan untuk mengkaji pembentukan mereka dalam perincian mikroskopik.
Tetapi semuanya bermula, katanya, dengan perjalanan pulang ke rumahnya di North Dakota. "Saya melawat keluarga saya di sana, dan saya keluar, dan semua salji di atas tanah, " katanya. "Saya tiba-tiba berfikir, 'Kenapa saya tidak faham lebih banyak tentang salji salji ini?'"
Itu yang membawa Libbrecht untuk mula mengkaji dinamika pembentukan kepingan salju di makmalnya, di antara meneliti lebih banyak mata pelajaran esoterik seperti laser diod yang boleh diperbaiki dan bunyi yang dikeluarkan oleh supernova. "Saya menyedari bahawa banyak mengenai kepingan salji hanya tidak difahami dengan baik, dan ais itu adalah bahan yang sangat murah untuk bekerja dengan, " katanya.
Pembentukan bahkan satu kepingan salji adalah peristiwa yang kompleks di peringkat molekul. Secara semula jadi, ia bermula apabila wap air awan mengalir ke titisan air. Walaupun pada suhu di bawah beku, kebanyakan titisan ini biasanya berada dalam bentuk cecair, kerana mereka memerlukan zarah yang mana untuk membekukan: sama ada zarah habuk atau beberapa molekul air yang telah mengatur diri mereka ke dalam matriks heksagonal yang mencirikan ais.
Sekali titisan mula mengkristal pada zarah pusat, namun, proses mempercepatkan dengan cepat. Dengan nukleus kristal di tempatnya, molekul air supercooled di titisan air di sekeliling mudah membebaskan pada kristal, menambah pertumbuhannya dengan cara biasa secara geometrik. Pada waktu kristal besar (yang kita panggil salji salju) telah meninggalkan awan, Libbrecht menganggarkan bahawa ia akan menyemburkan air dari kira-kira 100, 000 titisan yang berdekatan.
Semua itu mungkin mudah, tetapi sebagai ahli sains Libbrecht dan lain-lain telah menemui, sedikit perubahan dalam keadaan kristal ini-kelembapan dan suhu awan, untuk permulaan-boleh membawa kepada serpihan yang sangat berbeza-beza. Untuk lebih memahami dinamik ini, Libbrecht menyedari, dia memerlukan satu cara untuk melihat proses pertumbuhan sebenar salji salji. Tanpa cara menanamkan dirinya dalam awan terapung, dia memutuskan untuk membangunkan kaedah untuk melancarkan salji salji tiruan di makmal Californianya.
"Untuk mendapatkan kristal individu berkembang dengan cara yang ia kelihatan seperti salji salji tidak mudah, " katanya. "Jika anda mahu beku-sekelompok kristal semua berkembang sekaligus-itu cukup mudah, tetapi kristal individu lebih rumit."
Proses Libbrecht, yang dibangunkan sejak beberapa tahun kebelakangan, dilakukan dalam ruang dingin dan mengambil masa kira-kira 45 minit. Dia bermula dengan sekeping kaca yang sangat bersih, dan menyebarkan banyak kristal ais mikroskopik ke atasnya. Dengan mikroskop, dia mengasingkan kristal tertentu, kemudian pukulan udara lembap yang sedikit hangat ke kaca. Wap air memampatkan pada kristal biji, seperti dalam awan sebenar, akhirnya membentuk kepingan salji yang kelihatan.
Bekerja dengan proses ini, Libbrecht telah menetapkan tahap suhu dan kelembapan yang membawa kepada setiap kepingan salji tertentu. "Saya memanggil mereka 'pereka salji pereka, ' kerana anda boleh mengubah keadaan semasa anda membesarkannya dan meramalkan apa yang mereka akan kelihatan, " katanya. Antara lain, dia mendapati bahawa kepingan salji dengan kelebihan nipis tumbuh dengan lebih cepat, menyebabkan kelebihannya lebih tajam, akhirnya membawa kepada kepingan yang agak besar. Gumpalan salji yang bermula dengan tepi blunter, bagaimanapun, berkembang dengan lebih perlahan dan tetap tumpul, menyebabkan prisma menyekat, bukannya plat elegan.
Akhirnya, apabila Libbrecht ingin menerbitkan sebuah buku mengenai karyanya, dia mendapati bahawa walaupun mereka baik untuk masa mereka, sebahagian besar foto-foto kepingan salji yang ada sudah ketinggalan zaman, seperti yang diambil oleh Wilson Bentley pada tahun 1930-an. Sebagai tindak balas, beliau mula memotret mereka sendiri dalam resolusi tinggi, menggunakan peralatan khusus dan kadang-kadang lampu berwarna untuk memberikan kepingan yang jelas meningkatkan warna dan kedalaman.
Bagaimana pula dengan idea yang sama bahawa tidak ada dua kepingan salji yang sama? "Semua orang selalu bertanya kepada saya, " kata Libbrecht.
Jawapannya, ternyata, adalah masalah matematik. Jika anda menentukan kepingan salji sebagai sepuluh molekul air, maka mungkin dua kepingan yang berbeza sama dengan tahap molekul. Tetapi untuk serpihan bersaiz penuh, dia berkata, ia tidak mungkin bahawa anda akan membawa dua identik yang berlaku secara semulajadi-cara yang sama bahawa kemungkinan dua cap jari manusia yang sama sangat kecil. "Sebaik sahaja anda mula membuat perkara-perkara yang sedikit rumit, bilangan kemungkinan bertumbuh secara astronomi, dan kebarangkalian bahkan mempunyai dua salji salju yang kelihatan jauh jatuh ke sifar, " katanya.
