چرا و چگونه بلورهای برف چنین شکل های پیچیده ای دارند؟

یکی از اولین چیزهایی که از دیدن عکس دانه های برف به ذهن ما خطور می‌کند، این است که چطور ساختار شاخه ای و شبکه ای درست می‌شود؟ بلورهای برف که چیزی جز یخ معمولی نیستند، از متراکم شدن بخار آب پدید می آیند. چرا عمل ساده و معمولی منجمد شدن بخار آب منجر به چنین طرح هایی می‌شود؟

جواب سئوالات در این نکته نهفته است که چطور مولکول های آب برای متراکم شدن و ورود به ساختار بلور در هوا انتقال می‌یابند. مولکول های آب برای رسیدن به بلور باید در هوا نفوذ کنند و این نفوذ باعث کندی سرعت رشد بلورها می‌شود. هر چه مولکول ها از هم دورتر باشند، با مسیر طولانی تری در هوا نفوذ می کنند، بنابراین دیرتر به بلور در حال رشد می‌رسند.

حالا سطح صاف یخ را تصور کنید که در هوا در حال رشد است. اگر ناگهان یک برآمدگی از آن بیرون بزند، مولکول های هوا زودتر و راحت تر به برآمدگی خواهند رسید. چون به اندازه ی ارتفاع برآمدگی از مسیر نفوذشان کم شده است. پس تعداد مولکول هایی که به برآمدگی می‌رسند بیشتر خواهد شد و باعث می‌شود که برآمدگی تندتر رشد کند. پس از مدت کوتاهی می‌بینیم که آن برآمدگی حتی بزرگ تر از قبل شده و به همین خاطر سریع تر رشد می‌کند. ما به این پدیده "ناپایداری شاخه ای" می‌گوییم. به این ترتیب برآمدگی های کوچک، شاخه های بزرگی درست می‌کنند و برآمدگی های روی شاخه‌ها به شاخه های فرعی تبدیل می‌شود. به این ترتیب ماجرا پیچیده می‌شود و الگوهای خاص و عجیب پدید می‌آید.

وقتی ناپایداری شاخه ای چندین بار در یک بلور برف رخ بدهد، بلور یخی دندریتی درست می‌شود. به این عکس نگاه کنید: هر بخشی از آن، به کل مجموعه شباهت دارد. درست مثل یک برگ سرخس. این یک مفهوم ریاضی است که برای بررسی اشکال پیچیده بسیار راهگشاست. به چنین اشکالی که با تکرار منظم پدید می‌آیند، فراکتال می‌گوییم. اگر بخواهید بیش تر راجع به آن ها بدانید، می‌توانید به اینجا مراجعه کنید.

ما می‌توانیم در آزمایشگاه، شرایط نفوذ را تغییر دهیم و تغییرات دندریت ها را تماشا کنیم. اگر آزمایش را تحت فشار اتمسفری انجام دهیم شاخه های کمتری می‌بینیم. در فشارهای پایین،نفوذ محدودیت چندانی بر سرعت رشد اعمال نمی کند، بنابراین هر چه فشار بالاتر باشد شاخه های بیش تری ظاهر می‌شوند.

اما این تنها عامل تأثیر گذار بر رشد دانه های برف نیست!

وجوه تراش بلور

با منجمد شدن آب، مولکول‌ها به شکل شبکه ی بلوری و با تقارن شش گوشه به هم می‌پیوندند. این ساختار متقارن بلوری است که نهایتاً بلورهای برف را تعیین می‌کند. اما ممکن است از خودتان بپرسید، نیروهای مولکولی که در مقیاس کوچک عمل می‌کنند تا شبکه بلوری را بسازند، چطور می‌توانند شکل بلور برف که 10 میلیون بار بزرگتر هستند را کنترل کنند؟ جواب در حل معمای وجوه تراش بلورهاست.

وجوه تراش را در بسیاری از بلورهای در حال رشد می‌توان دید، چون به هر حال بعضی از سطوح بسیار آهسته تر از سایر سطوح رشد می‌کنند. اگر در ابتدا یک بلور کوچک و مدور یخ را مجسم کنیم، متوجه می‌شویم که در مقیاس مولکولی، سطح بسیار خشنی وجود دارد که ناشی از هزاران پیوند شیمیایی آویخته از آن است. مولکول های آب موجود در هوا می‌توانند به سرعت به این سطوح زبر بچسبند، بنابراین سریع تر رشد می کنند. وجوه تراش در مقیاس مولکولی صاف تر هستند و پیوندهای آویخته ی کم تری دارند، در نتیجه رشد کندتری هم خواهند داشت.

پس از مدتی، سطوح زبر کاملاً رشد می‌کنند، در حالی که وجوه تراش هنوز حرکت چندانی نکرده اند. به شکل بالا نگاه کنید. ایده ی وجوه تراش را در آن می‌بینید، البته این بلور تقارن چهار گوشه دارد،اگر با تقارن شش گوشه عمل کنیم همین منشور های شش گوشه که ساده ترین نوع برف هستند، به وجود می‌آیند. نمونه روبرو از قطب جنوب تهیه شده است، جایی که بلورها بسیار آهسته رشد می‌کنند و وجوه تراش کاملاً پدیدار می‌شود.

خوب، پس متوجه شدید که رشد بلورهای برف به تعادل بین دو عامل یعنی " رشد وجوه تراش" و "شاخه ای شدن" بستگی دارد. رشد وجوه تراش تمایل دارد که سطوح صاف و ساده پدید بیاورد، در حالیکه شاخه ای شدن منجر به ایجاد ساختارهای پیچیده می‌شود. نحوه ی تداخل این دو عامل بسیار ظریف است و به میزان رطوبت و حرارت بستگی دارد.