Oleme ajastul, mil teadlased suudavad tuvastada lõpmatuseni pisikesi osakesi, mis varustavad aatomeid massiga ja uurivad bioloogia sügavamaid saladusi, näiteks kuidas kogemusi ja mälestusi saab organismi geenides edasi anda.
Seega võib tulla üllatusena, et me ei mõista endiselt suhteliselt lihtsa loodusnähtuse: lume mehaanikat.
Lumehelveste moodustumine - põhimõtteliselt omapärane viis, kuidas vesi meie atmosfääris suspendeerub - kristalliseerub, on äärmiselt keeruline protsess, mida teaduslikud valemid pole siiani täielikult kirjeldanud. "Inimeste arvates on lumehelves lihtsalt külmunud vihmapiis, " ütleb Caltechi füüsikaprofessor Kenneth Libbrecht, kes on viimased aastakümned veetnud lumehelbe moodustumise protsessi. "Kuid see on madal, lihtsalt väikesed jääkuubikud ja isegi mitte selle lähedal, mis on lumehelves."
Libbrechti laboris kasvab kiirendatud lumehelves
Tema uurimistöö käigus on Libbrechti looming laienenud nii, et see hõlmab kunsti ja teadust. Ta on koostanud nii teaduslikke töid kui ka sadu kauneid fotosid looduslikest lumehelvestest (mida ta on avaldanud mitmes erinevas raamatus ja neid on kajastanud USA postmarkidel) ning on välja töötanud ka leidlikke viise, kuidas laboris lumehelbeid kunstlikult kasvatada, et uurida nende teket mikroskoopilistes üksikasjades.
Kuid kõik sai tema sõnul alguse teekonnast tagasi oma lapsepõlvekodusse Põhja-Dakotasse. "Külastasin oma peret seal tagasi ja käisin väljas ning kogu see lumi oli maapinnal, " räägib ta. "Ma järsku mõtlesin:" Miks ma neist lumehelvestest rohkem aru ei saa? ""
See viis Libbrechti juurde oma laboris lumehelveste moodustumise dünaamika uurimiseks, esoteerilisemate objektide, näiteks pööratavate dioodlaserite, ja supernoovade tekitatava müra vahel. "Sain aru, et lumehelvestest ei saa palju aru lihtsalt väga hästi ja et jää on üsna odav materjal, millega töötada, " ütleb ta.
Isegi ühe lumehelbe moodustumine on molekulaarsel tasemel keeruline sündmus. Looduses algab see siis, kui pilve veeaur kondenseerub veepiiskadeks. Isegi madalamal temperatuuril püsivad enamus neist tilkadest tavaliselt vedelal kujul, kuna neil on vaja osakest, mille külmuda: kas tolmuosake või mõni veemolekul, mis on paigutunud jääd iseloomustavasse kuusnurksesse maatriksisse.
Kui tilgad hakkavad kristalliseeruma keskel, siis see kiireneb kiiresti. Kui kristallituum on paigas, kondenseeruvad ümbritsevates veepiiskades olevad ülejahutatud veemolekulid kristallil hõlpsalt, lisades selle kasvu geomeetriliselt korrapärasel viisil. Selleks ajaks, kui suur kristall (mida me nimetame lumehelbeks) on pilvist lahkunud, on Libbrechti hinnangul umbes 100 000 läheduses asuva tilga vesi ära võtnud.
Kõik see võib tunduda lihtne, kuid nagu Libbrecht ja teised teadlased on avastanud, võivad nende kristallide olude - pilvede niiskuse ja temperatuuri väikesed muutused juuretistes - põhjustada radikaalselt erineva väljanägemisega helbeid. Nende dünaamika paremaks mõistmiseks mõistis Libbrecht, et tal on vaja viisi lumehelveste tegeliku kasvuprotsessi jälgimiseks. Ilma et ta saaks end ujuvasse pilve kinnistada, otsustas ta oma California laboris välja töötada meetodi lumehelveste kunstlikuks kasvatamiseks.
"Üksikute kristallide kasvamine sellisel viisil, et see näeks välja nagu lumehelves, pole lihtne, " ütleb ta. "Kui soovite külma - lihtsalt hunnik kristalle, mis kõik korraga kasvavad -, on see üsna lihtne, kuid üksikud kristallid on keerulisemad."
Viimastel aastatel välja töötatud Libbrechti protsess viiakse läbi külmas kambris ja see võtab kokku umbes 45 minutit. Ta alustab täiesti puhta klaasitükiga ja puistab sellele laiali palju mikroskoopilisi jääkristalle. Mikroskoobi abil isoleerib ta konkreetse kristalli, seejärel puhub klaasile veidi soojemat niisket õhku. Veeaur kondenseerub seemnekristallil, nagu päris pilves, moodustades lõpuks nähtava lumehelbe.
Selle protsessiga töötades on Libbrecht määranud temperatuuri ja niiskuse taseme, mis põhjustab iga konkreetse lumehelbe moodustumist. "Kutsun neid" kujundatavateks lumehelvesteks ", kuna saate neid kasvatades tingimusi muuta ja ennustada, millised need välja näevad, " ütleb ta. Muu hulgas leidis ta, et õhukese servaga lumehelves kasvab kiiremini, põhjustades serva veelgi teravamaks muutumise, mis viib lõpuks suhteliselt suure helbe moodustumiseni. Häguste servadega lumehelbed kasvavad aga aeglasemalt ja jäävad tömpideks, põhjustades pigem elegantsete taldrikute asemel ummistunud prismasid.
Lõpuks, kui Libbrecht tahtis avaldada oma teosest raamatu, avastas ta, et kuigi need olid omal ajal head, olid enamus saadaolevate lumehelveste fotosid aegunud, nagu need, mille Wilson Bentley tegi 1930ndatel. Vastuseks hakkas ta neid ise suure eraldusvõimega pildistama, kasutades selleks spetsiaalseid seadmeid ja kohati värvilisi tulesid, et anda selgetele helvestele suurem värv ja sügavus.
Kuidas on lood ühise mõttega, et kaks lumehelvest pole ühesugused? "Kõik küsivad minult seda alati, " ütleb Libbrecht.
Vastus, selgub, on matemaatikaprobleem. Kui määratleda lumehelves vaid kümne veemolekulina, siis on võimalik, et kaks erinevat helvet on molekulaarsel tasemel identsed. Kuid täissuuruses helbe puhul on tema sõnul äärmiselt ebatõenäoline, et saaksite trahvi kaks identset, mis esinevad loomulikult - samamoodi, et kahe inimese identse sõrmejälje tõenäosus on erakordselt väike. "Kui hakkate asju isegi pisut keerukaks tegema, kasvab võimaluste arv astronoomiliselt ja tõenäosus, et on isegi kaks lumehelvest, mis sarnanevad kaugelt vaadates, langeb nullini, " ütleb ta.
