Kenneth Libbrecht on se harvinainen ihminen, joka keskellä talvea lähtee iloisena Etelä-Kaliforniasta Alaskan Fairbanksin kaltaiseen paikkaan, jossa talvilämpötila nousee harvoin pakkasen yläpuolelle. Siellä hän pukeutuu parakkiin ja istuu pellolla kameran ja vaahtomuovilevyn kanssa odottamassa lunta.

Er etsii erityisesti kaikkein kimaltelevimpia, terävimpiä ja kauneimpia lumikiteitä, joita luonto voi tuottaa. Erinomaiset hiutaleet muodostuvat yleensä koleimmissa paikoissa, hän sanoo, kuten Fairbanksissa ja lumisessa New Yorkin osavaltion pohjoisosassa. Parasta lunta hän on koskaan löytänyt Cochranesta, syrjäisestä Ontarion koillisosasta, jossa on vähän tuulta, joka runtelee lumihiutaleita, kun ne putoavat taivaalta.

Elämän elementteihin sulkeutuneena Libbrecht tutkii taulua arkeologin kärsivällisyydellä etsien täydellisiä lumihiutaleita ja muita lumikiteitä. “Jos siellä on todella hieno, silmä löytää sen”, hän sanoo. “Jos ei, se vain sivellään pois, ja sitä tehdään tuntikausia.”

Libbrecht on fyysikko. Hänen laboratorionsa Kalifornian teknologiainstituutissa on tutkinut auringon sisäistä rakennetta ja kehittänyt kehittyneitä laitteita gravitaatioaaltojen havaitsemiseen. Mutta 20 vuoden ajan Libbrechtin intohimona on ollut lumi – ei vain sen ulkonäkö, vaan myös se, mikä saa sen näyttämään siltä, miltä se näyttää. “On hieman noloa, kun taivaalta putoaa tavaraa ja kysyy, miksi se näyttää tuolta. Beats me'”, hän sanoi.”

Fyysikot ovat jo 75 vuoden ajan tienneet, että lumen pienet kristallit sopivat kahteen vallitsevaan tyyppiin. Toinen on ikoninen litteä tähti, jossa on joko kuusi tai 12 pistettä, joita kutakin koristavat yhteensopivat pitsin oksat huimaavassa mahdollisuuksien kirjossa. Toinen on pylväs, joka on joskus litteiden korkkien välissä ja joskus muistuttaa rautakaupan pulttia. Nämä eri muodot esiintyvät eri lämpötiloissa ja kosteuksissa, mutta syy tähän on ollut mysteeri.

Vuosien mittaan Libbrechtin huolelliset havainnot ovat tuottaneet tietoa lumen kiteytymisprosessista. “Hän on varmasti alan paavi”, sanoo Gilles Demange, Ranskassa sijaitsevan Rouenin yliopiston materiaalitutkija, joka myös tutkii lumikiteitä.

Nyt Libbrechtin työ lumen parissa on kiteytynyt uudeksi malliksi, joka yrittää selittää, miksi lumihiutaleet ja muut lumikiteet muodostuvat niin kuin ne muodostuvat. Hänen mallinsa, joka on esitetty yksityiskohtaisesti lokakuussa verkossa julkaistussa artikkelissa, kuvaa vesimolekyylien tanssia lähellä jäätymispistettä ja sitä, miten näiden molekyylien erityiset liikkeet voivat selittää eri olosuhteissa muodostuvien kiteiden moninaisuuden. Erillisessä 540-sivuisessa monografiassaan Libbrecht kuvaa lumikiteitä koskevaa koko tietämystä. Rice-yliopiston kondenssiainefyysikko Douglas Natelson kutsui uutta monografiaa “tour de force” -teokseksi.”

“Teoksena”, Natelson sanoi, “pojat, se on upea.”

Kuusikulmaiset tähtihiutaleet

Kaikki tietävät, ettei ole kahta samanlaista lumihiutaletta, mikä johtuu tavasta, jolla lumihiutaleet kiteytyvät taivaalla. Lumi on jääkiteiden rypäs, joka muodostuu ilmakehässä ja säilyttää muotonsa, kun ne yhdessä putoavat Maahan. Ne muodostuvat, kun ilmakehä on tarpeeksi kylmä estääkseen niitä sulautumasta tai sulamasta ja muuttumasta räntäsateeksi tai sateeksi.

Vaikka pilvessä on lukemattomia erilaisia lämpötiloja ja kosteustasoja, nämä muuttujat ovat yhtä ainoaa lumihiutaletta vastaan yhtä hyvin vakioita. Siksi lumihiutaleiden kasvu on usein symmetristä. Toisaalta jokainen lumihiutale joutuu vaihtelevien tuulten, auringonvalon ja muiden muuttujien armoille, huomauttaa Mary Jane Shultz, Tuftsin yliopiston kemisti, joka julkaisi hiljattain esseen lumihiutaleiden fysiikasta. Kun jokainen kristalli alistuu pilven kaaokseen, ne kaikki saavat hieman erilaisia muotoja, hän selittää.

Varhaisimmat kirjatut pohdinnat näistä herkistä muodoista ovat Libbrechtin tutkimusten mukaan peräisin Kiinasta vuodelta 135 eaa. “Kasvien ja puiden kukat ovat yleensä viisikärkisiä, mutta lumen kukat, joita kutsutaan yingiksi, ovat aina kuusikärkisiä”, kirjoitti tutkija Han Yin. Mutta ensimmäinen tiedemies, joka yritti ymmärtää, miksi näin tapahtuu, oli luultavasti saksalainen tiedemies ja polymaatikko Johannes Kepler.

Vuonna 1611 Kepler tarjosi uudenvuodenlahjaksi suojelijalleen, Pyhän Rooman keisari Rudolf II:lle, esseen nimeltä “Kuusikulmainen lumihiutale”. Kepler kirjoittaa, että hän huomasi lumihiutaleen kaulassaan ylittäessään Prahan Kaarlensiltaa eikä voinut olla miettimättä sen geometriaa. “Täytyy olla jokin syy, miksi lumi on kuusikulmaisen tähtihiutaleen muotoista. Se ei voi olla sattumaa”, hän kirjoitti.

Hän olisi muistanut kirjeen aikalaiseltaan Thomas Harriotilta, englantilaiselta tiedemieheltä ja tähtitieteilijältä, joka toimi monien tehtäviensä ohella tutkimusmatkailija Sir Walter Raleighin navigaattorina. Noin vuonna 1584 Harriot etsi tehokkainta tapaa pinota tykinkuuloja Raleighin laivan kannelle. Harriot havaitsi, että kuusikulmaiset kuviot näyttivät olevan paras tapa pakata pallot tiiviisti yhteen, ja hän kävi asiasta kirjeenvaihtoa Keplerin kanssa. Kepler pohti, tapahtuuko lumihiutaleissa jotakin samankaltaista ja voisiko niiden kuusi sivua liittyä “veden kaltaisen nesteen pienimmän luonnollisen yksikön” järjestelyyn. Vesimolekyyleillä, joissa on kaksi vetyä ja yksi happi, on nimittäin taipumus lukkiutua toisiinsa muodostaen kuusikulmaisia ruudukkoja. Kepler ja hänen aikalaisensa eivät voineet tietää, miten paljon merkitystä tällä on. “Vetysidosten ja molekyylien keskinäisen vuorovaikutuksen yksityiskohtien vuoksi kiderakenne on suhteellisen avoin”, Natelson sanoo. Sen lisäksi, että kuusikulmainen rakenne auttaa lumihiutaleiden kasvattamisessa, se tekee jäästä vähemmän tiheää kuin nestemäinen vesi, mikä vaikuttaa suuresti geokemiaan, geofysiikkaan ja ilmastoon. Natelsonin mukaan jos jää ei kelluisi, “elämä maapallolla ei olisi mahdollista.”

Keplerin tutkielman jälkeen lumihiutaleiden havainnointi jäi enemmän harrastukseksi kuin tieteeksi. 1880-luvulla yhdysvaltalainen valokuvaaja Wilson Bentley – kylmää ja laadukasta lunta tuottavasta Jerichon kylästä Vermontista – alkoi tehdä ensimmäisiä lumikristallikuvia valokuvauslevyillä. Hän tuotti yli 5 000 kuvaa ennen kuin lopulta menehtyi keuhkokuumeeseen.

Silloin 1930-luvulla japanilainen tutkija Ukichiro Nakaya aloitti systemaattisen tutkimuksen erilaisista lumikiteiden tyypeistä. Vuosisadan puoliväliin mennessä Nakaya valmisti lumihiutaleita laboratoriossa, jossa hän käytti yksittäisiä kanin karvoja ripustamaan pakkaskiteitä jäähdytettyyn ilmaan, jossa ne saattoivat kasvaa täysimittaisiksi lumihiutaleiksi. Hän kokeili kosteus- ja lämpötila-asetuksia kasvattaakseen kahta tärkeintä kristallityyppiä ja kokosi keskeisen luettelon mahdollisista muodoista. Nakaya havaitsi, että tähdillä on taipumus muodostua -2 celsiusasteen ja -15 C:n lämpötiloissa. Pylväät muodostuvat -5 C:n lämpötilassa ja uudelleen noin -30 C:n lämpötilassa. Matalassa ilmankosteudessa tähdet muodostavat vähän haaroja ja muistuttavat kuusikulmaisia levyjä, mutta korkeassa ilmankosteudessa tähdet kasvavat monimutkaisempia, pitsimäisempiä kuvioita.

Libbrechtin mukaan myös syy erilaisiin kristallimuotoihin alkoi selkiintyä Nakayan uraauurtavan työn jälkeen. Kiteet kasvavat litteiksi tähdiksi ja levyiksi (pikemminkin kuin kolmiulotteisiksi rakenteiksi), kun reunat kasvavat nopeasti ulospäin, kun taas pinnat kasvavat hitaasti ylöspäin. Hoikat pylväät kasvavat eri tavalla, jolloin pinnat kasvavat nopeasti ja reunat hitaammin.

Mutta taustalla olevat atomiset prosessit, jotka määräävät, muodostuvatko lumikiteet tähtien vai pylväiden muotoisiksi, jäivät hämärän peittoon. “Mikä muuttuu lämpötilan myötä?” Libbrecht sanoi. “Olen yrittänyt koota kaiken tämän yhteen.”

Lumihiutaleen resepti

Libbrecht ja sitä hyvin pientä tutkijakaartia, joka tutkii tätä ongelmaa, ovat yrittäneet keksiä ikään kuin lumihiutaleen reseptin – joukon yhtälöitä ja parametreja, jotka voidaan syöttää supertietokoneeseen, joka sylkäisisi ulos sen loistavan lumihiutaleiden monimuotoisuuden, jonka me todella näemme.

Libbrecht ryhtyi tutkimaan asiaa kaksi vuosikymmentä sitten saatuaan tietää eksoottisesta lumihiutaleen muodosta, jota kutsutaan katetuksi pylvääksi. Se näyttää tyhjältä kelalta tai kahdelta pyörältä ja akselilta. Pohjois-Dakotasta kotoisin olevana hän oli järkyttynyt ja ihmetteli: “Miten en ollut koskaan nähnyt tällaista?”. Lumen loputtomat muodot kiehtoivat häntä, ja hän ryhtyi ymmärtämään niiden luonnetta myöhemmin julkaisemaansa populaaritieteellistä kirjaa varten, ja hän alkoi myös ottaa kuvia. Pian hän puuhasteli laboratoriossaan lumihiutaleiden kasvatuslaitteiden kanssa. Hänen uusi mallinsa on tulosta vuosikymmenten aikana tehdyistä havainnoista, jotka hänen mukaansa alkoivat hiljattain kiteytyä.

Hänen keskeinen läpimurtonsa oli ajatus nimeltä pintaenergiavetoinen molekyylidiffuusio, joka kuvaa sitä, miten lumikiteen kasvu riippuu sen muodostavien molekyylien alkuolosuhteista ja käyttäytymisestä.

Kuvittele vesimolekyylit järjestäytyneinä löyhästi, kun vesihöyry alkaa juuri jäätyä. Jos katsoisit tätä jotenkin pienestä observatoriosta, näkisit, että jäätyvät vesimolekyylit alkavat muodostaa jäykän ristikon, jossa jokaista happiatomia ympäröi neljä vetyatomia. Nämä kiteet kasvavat sisällyttämällä ympäröivästä ilmasta peräisin olevia vesimolekyylejä kuvioonsa. Ne voivat kasvaa kahteen pääsuuntaan: ylöspäin tai ulospäin.

Ohut, litteä kide (joko levymäinen tai tähtimäinen) muodostuu, kun reunoille köytyy materiaalia nopeammin kuin kiteen kahdelle sivulle. Kasvava kide leviää ulospäin. Kun sen pinnat kasvavat kuitenkin nopeammin kuin sen reunat, kide kasvaa korkeammaksi muodostaen neulamaisen, onton pylvään tai sauvan.

Libbrechtin mallin mukaan vesihöyry laskeutuu ensin kiteen kulmiin, minkä jälkeen se diffundoituu pinnan yli joko kiteen reunoille tai sen pinnoille aiheuttaen kiteen kasvun ulospäin tai vastaavasti ylöspäin. Se, kumpi näistä prosesseista voittaa, kun erilaiset pintailmiöt ja epävakaudet vaikuttavat toisiinsa, riippuu lähinnä lämpötilasta.

Kaikki tämä tapahtuu vain jäässä, joka on epätavallinen mineraali, “esisulatukseksi” kutsutun ilmiön vuoksi. Koska vesijäätä tavataan yleensä lähellä sen sulamispistettä, muutamat ylimmät kerrokset ovat nestemäisiä ja epäjärjestyksessä. Esisulaminen tapahtuu eri tavalla pinnoilla ja reunoilla lämpötilan funktiona, vaikka tämän yksityiskohtia ei täysin ymmärretä. “Tämä on se osa mallia, jossa minä vain keksin sen kokonaan”, Libbrecht sanoi – vaikka hänen mukaansa fysikaalinen kokonaiskuva vaikuttaa uskottavalta.”

Hänen uusi mallinsa on “puoli-empiirinen”, osittain viritetty vastaamaan havaintoja sen sijaan, että se selittäisi lumihiutaleiden kasvua täysin ensimmäisistä periaatteista lähtien. Epävakaudet ja lukemattomien molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat liian monimutkaisia purettavaksi kokonaan. Hän kuitenkin toivoo, että hänen ajatuksensa muodostavat perustan jään kasvun dynamiikan kattavalle mallille, jota voidaan tarkentaa yksityiskohtaisemmilla mittauksilla ja kokeilla.

Vaikka jää on erityisen outo, vastaavia kysymyksiä nousee esiin yleisemminkin tiivistetyn aineen fysiikassa. Lääkemolekyylit, tietokoneiden puolijohdesirut, aurinkokennot ja lukemattomat muut sovellukset ovat riippuvaisia korkealaatuisista kiteistä, ja kokonaiset tutkijaryhmät keskittyvät kiteiden kasvun perusteisiin.

Meenesh Singh on yksi tällainen tutkija Illinoisin yliopistossa Chicagossa. Tuoreessa artikkelissaan Singh ja toinen kirjoittajista tunnistivat uuden mekanismin, joka saattaa olla kiteiden kasvun taustalla liuottimissa, toisin kuin Libbrechtin lumen ja jään faasimuutoskiteytyminen. Liuotinkiteytymisessä kiinteät aineet liuotetaan liuokseen, kuten veteen tai muuhun nesteeseen. Lämpötilaa säätämällä ja muita liuottimia lisäämällä valmistajat voivat kiteyttää uusia lääkemolekyylejä tai tuottaa uusia kiteitä aurinkokennoihin ja niin edelleen.

“Kaikkia kiteiden kasvuun liittyviä sovelluksia käsitellään empiirisesti”, Singh sanoi. “Sinulla on tiettyjä empiirisiä tietoja, ja näiden tietojen avulla yrität selittää, miten kide kasvaisi.” Mutta hänen mukaansa ei ole selvää, miten liuoksessa oleva molekyyli integroituu kiteeseen. “Mikä oikeastaan saa molekyylin tekemään niin?”, kysytään. Miksi menisin kiteeseen? Jos sitä rupeaa ihmettelemään, syntyy paljon kysymyksiä, eikä näihin kysymyksiin ole vastattu.”

Libbrecht uskoo, että paremmat kokeet ja kehittyneemmät tietokonesimulaatiot antavat vastauksen moniin kiteiden kasvuun liittyviin kysymyksiin lähivuosina. “Jonain päivänä pystytään tekemään kokonainen molekyylimalli atomia myöten ja näkemään nämä ilmiöt, joita tapahtuu, aina kvanttimekaniikkaa myöten”, hän sanoi.”

Vaikka hän yrittää purkaa fysiikkaa, hän nauttii edelleen lumikiteiden valokuvaamisesta ja sen mukanaan tuomista matkoista. Viime aikoina hän on kuitenkin pysytellyt aurinkoisessa Etelä-Kaliforniassa, jossa hän on koonnut kehittyneen järjestelmän lumihiutaleiden kasvattamiseksi laboratoriossaan. Hän on 61-vuotiaana jäämässä eläkkeelle, mikä tarkoittaa hänen mukaansa sitä, että “heitän pois muiden työpaikkojeni kahleet. Aion tästä lähtien vain tehdä jäätä.”

Original story reprinted with permission from Quanta Magazine, an editorially independent publication of the Simons Foundation, an editorially independent publication of the Simons Foundation whose mission is to enhance public understanding of science by taking research developments and trends in mathematics and the physical and life sciences.

More Great WIRED Stories

• Mihin 5G-datamyrsky iskee ensimmäisenä
• Miten opimme rakastamaan STEM:n pedagogista höyryä
• Mitä 5,700 vuotta vanha purukumin pala paljastaa pureskelijastaan
• Tutustu aktivisteihin, jotka riskeeraavat vankilan kuvatakseen VR:ää tehdastiloilla
• Kirjoita ajatuksesi muistiin näillä loistavilla muistiinpanosovelluksilla
• 👁 “Törmääkö tekoäly alana pian seinään”? Lisäksi viimeisimmät uutiset tekoälystä
• 💻 Paranna työpeliäsi Gear-tiimimme suosikkikannettavien, -näppäimistöjen, kirjoitusvaihtoehtojen ja melua vaimentavien kuulokkeiden avulla