چگونه شکل‌های پیچیده‌ی دانه‌های برف ایجاد می‌شوند؟
1
بر اساس گزارشی از واشنگتن پست که با تیم تحقیقاتی دانشگاه یوتا در مورد تشکیل دانه‌های برف گفتگو کرده است، این بلورها به عنوان “یکی از شگفتی‌های فیزیکی پیچیده‌ی طبیعت” شناخته می‌شوند.
دانشمندان که در حال بررسی شکل‌های پیچیده‌ی دانه‌های برف هستند، دریافتند که عواملی مانند دما می‌توانند تأثیرگذار باشند. تیم گارِت، فیزیکدان جوّی از دانشگاه یوتا، می‌گوید: “دانه‌های برف بسیار متنوع و جالب‌تر از آن چیزی هستند که ما فکر می‌کردیم.”
دانه‌های برف چگونه تشکیل می‌شوند؟ چه عواملی بر شکل‌های مختلف آنها تأثیر می‌گذارد؟
صفحات
بسیاری از مردم هنگام رسم یک دانه برف، احتمالاً یک بلور یخ به شکل صفحه‌ای را تصور می‌کنند. این‌ها بلورهای نازک، صاف و شش‌ضلعی هستند که می‌توانند الگوهای ساده‌ای داشته باشند، یا حتی الگوهای پیچیده و تزئینی‌تری نیز داشته باشند.
دندریت‌های ستاره‌ای
آشنا‌ترین نوع دانه‌های برفی به شکل صفحه‌ای، دندریت‌های ستاره‌ای هستند. اصطلاح “دندریت” برای توصیف شاخه‌های پیچیده‌ای که از یک بلور رشد می‌کنند و به شکل “درختی” هستند، استفاده می‌شود. شاخه‌های این دانه‌های برفی بسیار پیچیده‌اند زیرا قطرات آب منجمد به راحتی می‌توانند روی این شاخه‌ها جمع شوند.
ستون‌ها
گاهی اوقات دانه‌های برف به صورت بلورهای شش‌ضلعی و چوبی شکل ظاهر می‌شوند. در انتهای این بلورها، گاهی اوقات فضاهای توخالی وجود دارد و این ساختارها به نام “ستون” شناخته می‌شوند.
سوزن‌ها
ستون‌ها می‌توانند انواع مختلفی داشته باشند، یکی از این انواع، سوزن‌های نازک هستند. این نوع بلورها معمولاً در طوفان‌های برفی که برف‌های پودری و نازک تولید می‌کنند، مشاهده می‌شوند.
ستون‌های با درپوش
برخی از دانه‌های برف ترکیبی از صفحه‌ها و ستون‌ها هستند. (آنها ظاهری مشابه به دو چرخ دارند.) این ترکیب زمانی رخ می‌دهد که دانه‌ی برف در معرض شرایطی قرار گیرد که هم برای رشد صفحه و هم برای رشد ستون مناسب باشد.
نامنظم
این دانه‌های برف زیبا هرچقدر که نمادین باشند، در واقع معمولاً رایج‌ترین نوع دانه‌های برف نیستند.
تقریباً یک قرن پیش، دانشمندان کشف کردند که اشکال مختلفی در دماهای متفاوت ایجاد می‌شوند. با کاهش دما، اشکال بین ستون‌ها و صفحات تغییر می‌کنند. بزرگ‌ترین و زیباترین دندریت‌های ستاره‌ای معمولاً در دمای حدود -۱۵ درجه سلسیوس تشکیل می‌شوند.
اثر دما در تشکیل دانه‌های برف بسیار بزرگ است
تمامی دانه‌های برف از تشکیل قطرات آب مایع در داخل یک ابر آغاز می‌شود. زمانی که دما به زیر نقطه انجماد می‌رسد، برخی از قطرات ابر شروع به یخ زدن در اطراف ذرات گرد و غبار موجود در آسمان کرده و بلورهای شش‌ضلعی تشکیل می‌دهند. تمام دانه‌های برف ساختار شش‌ضلعی دارند زیرا مولکول‌های آب با ساختار شبکه‌ای شش‌ضلعی به هم متصل می‌شوند.
یک بلور شروع به رشد از طریق جذب بخار آب از هوا می‌کند. با تبخیر قطرات آب، رشد بلورها بیشتر می‌شود. هنگامی که بلورها رشد می‌کنند، سنگین‌تر می‌شوند و شروع به سقوط می‌کنند.
کِن لیب‌برِخت، استاد فیزیک از مؤسسه فناوری کالیفرنیا و مشاور دانه‌های برف در فیلم “Frozen”، می‌گوید: “تمام این فرایندها به طور همزمان رخ می‌دهند. برای ساخت یک دانه برف با اندازه مناسب، تقریباً 100 هزار قطره نیاز است.” این فرایند ممکن است بین 30 تا 45 دقیقه طول بکشد.
در دهه 1930، فیزیکدان ژاپنی، اوکیچیرو ناکایا اولین دانه برف مصنوعی را ساخت و کشف کرد که دانه‌های برف در شرایط مختلف، شکل‌های متفاوتی می‌گیرند.
پس چرا شکل‌های خاص در دماهای مختلف پدیدار می‌شوند؟
کِن لیب‌برِخت، که دانه‌های برف را در آزمایشگاه خود پرورش می‌دهد، فرایندهایی را کشف کرده است که به توضیح این معمای طولانی کمک می‌کند.
برای مثال، در دماهای مختلف، ممکن است در طرف‌های خاصی از بلور، سطوح صاف و صیقلی یا ساختارهایی که “وجه” نامیده می‌شوند، ایجاد شود. می‌توانید این را به عنوان یک سطح درخشان و صاف مانند سطح یک الماس روی یخ تصور کنید. مولکول‌های آب برای اتصال به این سطوح صاف دشوارند زیرا نقاط کمتری برای ایجاد پیوند شیمیایی وجود دارد. در نتیجه، این سطوح مانند سپر عمل می‌کنند و مانع از رشد بلورها در جهات خاص می‌شوند.
اگر این سطوح صاف در قسمت‌های بالایی و پایینی بلور تشکیل شوند، دانه برف تمایل دارد به شکل ستون یا سوزن رشد کند. اگر در طرف‌های جانبی شش‌ضلعی تشکیل شوند، دانه برف تمایل به رشد به شکل صفحه دارد.
دندریت‌های ستاره‌ای، ستون‌ها و ستون‌های با درپوش، نمادهای کلاسیک زمستان هستند، اما مشاهده این اشکال در خالص‌ترین شکل‌هایشان تقریباً غیرممکن است. مگر اینکه در مناطقی با سرمای شدید مانند قطب شمال زندگی کنید، احتمالاً با اشکال پیچیده‌تری روبرو خواهید شد.
بلورهای یخ در طول سقوط خود مسیری پر تلاطم طی می‌کنند. به عنوان مثال، بلورهای سقوطی ممکن است با قطرات آب فوق‌العاده منجمد در ابرها برخورد کرده و نقاط یخ‌زده‌ای به نام “رایمینگ” را روی سطوح خود ایجاد کنند. به گفته جیم استینبورگ، دانشمند جوّی از دانشگاه یوتا، احتمال وجود قطرات آب فوق‌العاده منجمد در ابرها در دماهای بالا بیشتر است.
ساختارهای دانه‌های برف نیز تغییر می‌کنند
نه تنها ظاهر دانه‌های برف بلکه ساختار آنها نیز تغییر می‌کند. با فرایند رایمینگ و ذوب، دانه‌های برف متراکم‌تر شده و سریع‌تر سقوط می‌کنند. تحقیقات انجام شده در دانشگاه یوتا نشان می‌دهند که شرایط هوای گرم‌تر دانه‌های برف متراکم‌تر و سریع‌تر سقوط‌کننده‌ای ایجاد می‌کند. به طور متوسط، هنگامی که بارش‌ها سریع‌تر اتفاق می‌افتند، سرعت طوفان‌ها در یک منطقه ممکن است شدیدتر شود.
