Jsme ve věku, kdy vědci dokážou detekovat nekonečně malé částice, které dávají atomům hmotu a zkoušejí některá z nejhlubších tajemství biologie, jako je například to, jak mohou být zážitky a vzpomínky předávány geny organizmu.
Může tedy být překvapením, že stále ještě nechápeme mechaniku relativně jednoduchého přírodního jevu: sněhu.
Tvorba sněhových vloček - v podstatě idiosynkratický způsob, jakým voda krystalizuje, když je zavěšena v naší atmosféře - je extrémně složitý proces, který dosud nebyl vědeckými formami zcela popsán. „Lidé si myslí, že sněhová vločka je jen zmrzlá dešťová kapka, “ říká profesor fyziky Caltech Kenneth Libbrecht, který strávil několik posledních desetiletí studiem procesu formování sněhové vločky. "Ale to je sněžení, jen malé kostky ledu, a to ani blízko tomu, co je sněhová vločka."
V Libbrechtově laboratoři roste sněhová vločka, zrychlená
V průběhu svého výzkumu se Libbrechtova práce rozrostla o umění a vědu. Produkoval vědecké práce a stovky krásných fotografií přírodních sněhových vloček (které publikoval v několika různých knihách a vystupoval na amerických poštovních známkách), a také vymyslel důmyslné způsoby, jak uměle pěstovat sněhové vločky v laboratoři a studovat jejich formaci v mikroskopických detailech.
Ale všechno to začalo, říká, výletem do svého dětského domova v Severní Dakotě. „Navštívil jsem tam svoji rodinu a šel jsem ven a na zemi byl všechen ten sníh, “ říká. "Najednou jsem si pomyslel:" Proč nerozumím víc o těchto sněhových vločkách? ""
To vedlo Libbrechta k tomu, aby začal studovat dynamiku tvorby sněhové vločky ve své laboratoři, mezi výzkumem více esoterických předmětů, jako jsou otočné diodové lasery, a hlukem vydávaným supernovy. "Uvědomil jsem si, že spousta sněhových vloček není příliš dobře pochopena a že led je docela levný materiál, se kterým se dá pracovat, " říká.
Tvorba i jediné sněhové vločky je složitou událostí na molekulární úrovni. V přírodě to začíná, když se vodní páry mraku kondenzují do kapiček vody. I při teplotách pod bodem mrazu však většina těchto kapiček obvykle zůstává v kapalné formě, protože potřebují částici, na které mrzne: buď částice prachu nebo několik molekul vody, které se uspořádaly do hexagonální matrice charakterizující led.
Jakmile kapičky začnou krystalizovat na centrální částici, proces se však rychle zrychluje. Když je krystalické jádro na svém místě, superchlazené molekuly vody v kapičkách okolní vody snadno kondenzují na krystalu a geometricky pravidelně zvyšují jeho růst. V době, kdy velký krystal (který nazýváme sněhová vločka) opustil oblak, Libbrecht odhaduje, že vodu opět opustí z asi 100 000 nedalekých kapiček.
Všechno, co by mohlo znít jednoduše, ale jak Libbrecht a další vědci objevili, malé změny v podmínkách těchto krystalů - vlhkost a teplota mraku pro začátek - mohou vést k radikálně odlišně vypadajícím vločkám. Aby si Libbrecht lépe uvědomil tuto dynamiku, uvědomil si, že potřebuje způsob, jak sledovat skutečný proces růstu sněhových vloček. Bez způsobu, jak se vložit do plovoucího mraku, se rozhodl vyvinout metodu pro umělé pěstování sněhových vloček ve své kalifornské laboratoři.
„Získat jednotlivý krystal tak, aby vypadal jako sněhová vločka, není snadné, “ říká. "Pokud chcete mráz - jen několik krystalů rostou najednou - je to docela jednoduché, ale jednotlivé krystaly jsou složitější."
Libbrechtův proces, vyvinutý v posledních několika letech, se provádí v chladné komoře a trvá celkem asi 45 minut. Začne zcela čistým kouskem skla a rozptýlí na něj mnoho mikroskopických ledových krystalů. Mikroskopem izoluje konkrétní krystal a poté fouká mírně teplejší vlhký vzduch na sklo. Vodní pára kondenzuje na zárodečném krystalu, stejně jako v reálném oblaku, nakonec vytváří viditelnou sněhovou vločku.
V rámci tohoto procesu Libbrecht určil úrovně teploty a vlhkosti, které vedou ke každému konkrétnímu druhu sněhové vločky. "Říkám jim" návrhářské sněhové vločky ", protože při jejich růstu můžete změnit podmínky a předpovídat, jak budou vypadat, " říká. Mimo jiné zjistil, že sněhová vločka s tenkým okrajem roste rychleji, což způsobuje, že se okraj ještě více zaostří, což nakonec vede k relativně velké vločce. Sněhové vločky, které začínají tupými hranami, však rostou pomaleji a zůstávají tupé, což vede k blokujícím hranolům spíše než k elegantním talířům.
Nakonec, když Libbrecht chtěl zveřejnit knihu o své práci, zjistil, že ačkoli byly dobré pro svůj čas, většina dostupných fotografií sněhových vloček byla zastaralá, jako jsou fotografie pořízené Wilsonem Bentleym ve 30. letech. V reakci na to začal fotografovat sám ve vysokém rozlišení, pomocí specializovaného vybavení a občas barevných světel, aby jasné vločky zvýšily barvu a hloubku.
A co běžná myšlenka, že žádné dvě sněhové vločky nejsou podobné? „Každý se mě na to vždy ptá, “ říká Libbrecht.
Odpověď, jak se ukazuje, je matematický problém. Pokud definujete sněhovou vločku jako pouhé deset molekul vody, je možné, aby byly dvě různé vločky na molekulární úrovni identické. Ale u vloček v plné velikosti říká, že je velmi nepravděpodobné, že byste pokutovali dva identické, které se vyskytují přirozeně - stejným způsobem, že šance na dva identické lidské otisky prstů jsou mimořádně malé. „Jakmile začnete věci trochu komplikovat, počet možností roste astronomicky a pravděpodobnost, že budou mít i dvě sněhové vločky, které vypadají vzdáleně, klesá na nulu, “ říká.
