Mi smo u doba u kojem znanstvenici mogu otkriti beskonačno sitne čestice koje masom obdaruju atome i istražuju neke od najdubljih misterija biologije, poput načina na koji se iskustva i sjećanja mogu prenijeti preko gena organizma.
Stoga nas može iznenaditi da još uvijek ne razumijemo mehaniku relativno jednostavnog prirodnog fenomena: snijega.
Stvaranje snježnih pahuljica - u biti, idiosinkratski način da voda kristalizira kada se suspendira u našoj atmosferi - izuzetno je složen proces koji još uvijek nije u potpunosti opisan znanstvenim formulama. "Ljudi misle da je snježna pahulja samo smrznuta kiša", kaže profesor fizike Caltech-a Kenneth Libbrecht, koji je posljednjih nekoliko desetljeća proveo proučavajući proces formiranja snježne pahulje. "Ali to je susnježica, samo male kocke leda, pa čak ni blizu onoga što predstavlja snježna pahuljica."
U Libbrechtovu laboratoriju raste snježna pahulja, ubrzana
Tijekom svog istraživanja, Libbrechtovo je djelo preraslo u umjetnost i znanost. Izradio je i znanstvene radove i stotine prekrasnih fotografija prirodnih snježnih pahuljica (koje je objavio u nekoliko različitih knjiga i koje su predstavljene u američkim poštanskim markama), a također je osmislio genijalne načine kako umjetno uzgajati pahulje u laboratoriju kako bi proučavao njihovu formaciju u mikroskopskim detaljima.
Ali sve je počelo, kaže, putovanjem u njegov dom iz djetinjstva Sjeverna Dakota. "Bio sam u posjetu svojoj obitelji tamo, i izašao sam vani, a na zemlji je bio sav taj snijeg", kaže on. "Odjednom sam pomislio: 'Zašto ne razumijem više o tim snježnim pahuljicama?"
To je navelo Libbrecht da počne proučavati dinamiku stvaranja snježnih pahuljica u svom laboratoriju, između istraživanja više ezoteričnih subjekata poput okretnih diodnih lasera i buke koju ispuštaju supernove. "Shvatio sam da mnogo toga o snježnim pahuljicama jednostavno nije dobro shvaćeno i da je led prilično jeftin materijal za rad", kaže on.
Formiranje čak i jedne snježne pahulje složen je događaj na molekularnoj razini. U prirodi započinje kad se vodena para oblaka kondenzira u kapljice vode. Čak i pri temperaturama ispod smrzavanja, većina ovih kapljica obično ostaje u tekućem obliku, jer im je potrebna čestica na kojoj će se smrznuti: bilo čestica prašine ili nekoliko molekula vode koje su se smjestile u šesterokutnu matricu koja karakterizira led.
Jednom kada kapljice počnu kristalizirati na središnjoj čestici, međutim, proces se brzo ubrzava. Kad je kristalno jezgro na mjestu, super ohlađene molekule vode u okolnim kapljicama vode lako se kondenziraju na kristal, povećavajući njegov rast na geometrijski pravilan način. Do trenutka kada je veliki kristal (koji nazivamo pahuljica) napustio oblak, Libbrecht procjenjuje da će oboriti vodu iz oko 100.000 obližnjih kapljica.
Sve bi to moglo zvučati jednostavno, ali kao što su Libbrecht i drugi znanstvenici otkrili, male promjene okolnosti ovih kristala - vlaga i temperatura oblaka za početak - mogu dovesti do radikalno različitih izgleda pahuljica. Da bi bolje razumio ovu dinamiku, shvatio je Libbrecht, potreban mu je način da promatra stvarni proces rasta snježnih pahuljica. Bez načina da se ugradi u plutajući oblak, odlučio je razviti metodu za umjetno uzgajanje snježnih pahulja u svom kalifornijskom laboratoriju.
"Dobiti pojedinačni kristal koji raste na takav način da izgleda kao pahuljica nije lako", kaže on. "Ako želite mraz - samo gomila kristala koji svi raste odjednom - to je prilično jednostavno, ali pojedini su kristali zamršeni."
Libbrecht-ov postupak, razvijen posljednjih nekoliko godina, provodi se u hladnoj komori i ukupno traje oko 45 minuta. Započinje s potpuno čistim komadom stakla i na njega razbacuje mnoge mikroskopske ledene kristale. Mikroskopom izolira određeni kristal, a zatim puše malo topliji vlažni zrak na staklo. Vodena para kondenzira na sjemenskom kristalu, baš kao u stvarnom oblaku, stvarajući na kraju vidljivu pahuljicu.
Radeći s ovim postupkom, Libbrecht je utvrdio temperaturu i vlažnost koja vode do svake vrste snježne pahulje. "Ja ih nazivam" dizajnerskim pahuljicama ", jer možete mijenjati uvjete dok ih uzgajate i predviđati kako će oni izgledati", kaže on. Između ostalog, ustanovio je da snježna pahulja s tankim rubom raste brže, uzrokujući da se rub još više oštri, što u konačnici dovodi do relativno velike pahuljice. Snježne pahulje koje započinju tupim rubovima, međutim, polako rastu i ostaju tupim, što dovodi do blokade prizme, a ne do elegantnih ploča.
Na kraju, kada je Libbrecht želio objaviti knjigu o svom radu, otkrio je da je, iako su dobre za svoje vrijeme, većina dostupnih fotografija snježnih pahulja zastarjela, poput onih koje je snimio Wilson Bentley u 1930-ima. Kao odgovor, počeo ih je fotografirati u visokoj rezoluciji, koristeći specijaliziranu opremu i povremeno obojena svjetla kako bi jasne pahuljice povećale boju i dubinu.
Što je s uobičajenom idejom da dvije snježne pahulje nisu slične? "Svi me to uvijek pitaju", kaže Libbrecht.
Ispada da je odgovor matematički problem. Ako definirate pahuljicu kao tek deset molekula vode, tada je moguće da dvije različite pahuljice budu identične na molekularnoj razini. Ali za pahuljicu u punoj veličini, kaže, vrlo je malo vjerojatno da biste ispravili dvije identične koje se javljaju prirodno - na isti način na koji su izgledi za dva identična ljudska otiska prsta izuzetno mali. "Jednom kada počnete stvari još malo zakomplicirati, broj mogućnosti raste astronomski, a vjerovatnoća čak i da imate dvije pahuljice koje izgledaju podjednako padaju na nulu", kaže on.
