Kenneth Libbrecht jest tą rzadką osobą, która w środku zimy z radością opuszcza południową Kalifornię i udaje się do miejsca takiego jak Fairbanks na Alasce, gdzie temperatury zimą rzadko wzrastają powyżej zera. Tam zakłada parkę i siada na polu z aparatem fotograficznym i kawałkiem piankowej płyty, czekając na śnieg.

Szczególnie, szuka on najbardziej iskrzących, ostrych, najpiękniejszych kryształów śniegu, jakie natura może wyprodukować. Jak mówi, najlepsze płatki mają tendencję do tworzenia się w najchłodniejszych miejscach, takich jak Fairbanks czy zaśnieżony Nowy Jork. Najlepszy śnieg, jaki kiedykolwiek znalazł, był w Cochrane, w odległym północno-wschodnim Ontario, gdzie jest mało wiatru, który taranuje płatki śniegu, gdy spadają przez niebo.

Uwięziony w żywiole, Libbrecht skanuje swoją tablicę z cierpliwością archeologa, szukając idealnych płatków śniegu i innych kryształów śniegu. “Jeśli jest tam naprawdę ładny jeden, twoje oko go znajdzie”, powiedział. “Jeśli nie, po prostu szczotkujesz to z dala, i robisz to godzinami.”

Libbrecht jest fizykiem. Jego laboratorium w California Institute of Technology zbadało wewnętrzną strukturę Słońca i opracowało zaawansowane instrumenty do wykrywania fal grawitacyjnych. Ale od 20 lat pasją Libbrechta jest śnieg – nie tylko jego wygląd, ale także to, co sprawia, że wygląda tak, a nie inaczej. “To trochę żenujące, kiedy coś spada z nieba, a my zastanawiamy się, ‘Dlaczego to tak wygląda? Beats me,'” he said.

Od 75 lat fizycy wiedzą, że maleńkie kryształy w śniegu pasują do dwóch dominujących typów. Jednym z nich jest ikoniczna płaska gwiazda, z sześcioma lub dwunastoma punktami, z których każdy ozdobiony jest pasującymi gałęziami koronki w zawrotnej gamie możliwości. Drugi to kolumna, czasem otoczona płaskimi czapeczkami, a czasem przypominająca śrubę ze sklepu z narzędziami. Te różne kształty występują w różnych temperaturach i wilgotności, ale powód tego był tajemnicą.

Przez lata żmudne obserwacje Libbrechta przyniosły wgląd w proces krystalizacji śniegu. “On z pewnością jest papieżem w tej dziedzinie”, powiedział Gilles Demange, naukowiec zajmujący się materiałami na Uniwersytecie w Rouen we Francji, który również bada kryształy śniegu.

Teraz praca Libbrechta nad śniegiem skrystalizowała się w nowym modelu, który próbuje wyjaśnić, dlaczego płatki śniegu i inne kryształy śniegu tworzą się w taki sposób, w jaki to robią. Jego model, szczegółowo opisany w pracy, którą zamieścił w Internecie w październiku, opisuje taniec cząsteczek wody w pobliżu punktu zamarzania oraz to, w jaki sposób szczególne ruchy tych cząsteczek mogą odpowiadać za całą gamę kryształów, które tworzą się w różnych warunkach. W osobnej, 540-stronicowej monografii Libbrecht opisuje całą wiedzę na temat kryształów śniegu. Douglas Natelson, fizyk materii skondensowanej na Uniwersytecie Rice, nazwał nową monografię “tour de force.”

“Jako dzieło”, powiedział Natelson, “chłopcze, to jest wspaniałe.”

Six-Cornered Starlets

Każdy wie, że nie ma dwóch takich samych płatków śniegu, fakt ten wynika ze sposobu w jaki kryształy gotują się na niebie. Śnieg jest skupiskiem kryształków lodu, które tworzą się w atmosferze i zachowują swój kształt, gdy zbiorowo spadają na Ziemię. Tworzą się one, gdy atmosfera jest wystarczająco zimna, aby zapobiec ich łączeniu lub topnieniu i przekształcaniu się w śnieg lub deszcz.

Ale chmura zawiera wiele temperatur i poziomów wilgotności, te zmienne są tak dobre, jak stałe w pojedynczym płatku śniegu. Dlatego właśnie wzrost płatków śniegu jest często symetryczny. Z drugiej strony, każdy płatek śniegu jest targany przez zmienne wiatry, światło słoneczne i inne zmienne, zauważa Mary Jane Shultz, chemik z Tufts University, która opublikowała niedawno esej na temat fizyki płatków śniegu. Ponieważ każdy kryształ poddaje się chaosowi chmury, wszystkie przybierają nieco inne formy, wyjaśnia.

Najwcześniejsze odnotowane rozmyślania na temat tych delikatnych kształtów datuje się na 135 r. p.n.e. w Chinach, według badań Libbrecht. “Kwiaty roślin i drzew są zazwyczaj pięcioramienne, ale te śniegowe, które nazywamy ying, są zawsze sześcioramienne” – napisał uczony Han Yin. Ale pierwszym naukowcem, który próbował zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, był prawdopodobnie Johannes Kepler, niemiecki naukowiec i polimata.

W 1611 roku Kepler ofiarował noworoczny prezent swojemu patronowi, Świętemu Cesarzowi Rzymskiemu Rudolfowi II: esej zatytułowany “Sześcioramienny płatek śniegu”. Kepler pisze, że zauważył płatek śniegu na swojej klapie, gdy przechodził przez praski Most Karola i nie mógł się powstrzymać od zastanowienia się nad jego geometrią. “Musi istnieć przyczyna, dla której śnieg ma kształt sześcioramiennej gwiazdy. To nie może być przypadek”, napisał.

Przypomniałby sobie list od swojego współczesnego Thomasa Harriota, angielskiego naukowca i astronoma, który, wśród wielu ról, służył jako nawigator odkrywcy Sir Waltera Raleigha. Około 1584 roku Harriot szukał najbardziej efektywnego sposobu układania kul armatnich na pokładach statków Raleigha. Sześciokątne wzory wydawały się najlepszym sposobem na upakowanie kul blisko siebie, odkrył Harriot i korespondował na ten temat z Keplerem. Kepler zastanawiał się, czy coś podobnego ma miejsce w płatkach śniegu, i czy ich sześć boków można przypiąć do układu “najmniejszej naturalnej jednostki cieczy, takiej jak woda.”

To był niezwykły wczesny wgląd w fizykę atomową, który nie zostałby sformalizowany przez kolejne 300 lat. Rzeczywiście, cząsteczki wody, z ich dwoma hydrogenami i jednym tlenem, mają tendencję do blokowania się razem, tworząc heksagonalne układy. Kepler i jemu współcześni nie mogli wiedzieć, jak wielkie ma to znaczenie. “Ze względu na wiązania wodorowe i szczegóły interakcji między cząsteczkami, mamy stosunkowo otwartą strukturę kryształu,” powiedział Natelson. Ta heksagonalna struktura sprawia, że lód ma mniejszą gęstość niż ciekła woda, co ma ogromny wpływ na geochemię, geofizykę i klimat. Według Natelsona, gdyby lód nie unosił się na wodzie, “życie na Ziemi nie byłoby możliwe.”

Po rozprawie Keplera obserwacja płatków śniegu pozostała bardziej hobby niż nauką. W latach osiemdziesiątych XIX wieku amerykański fotograf Wilson Bentley z zimnej, produkującej dobrej jakości śnieg wioski Jericho w stanie Vermont rozpoczął wykonywanie pierwszych zdjęć kryształów śniegu przy użyciu płyt fotograficznych. Wyprodukował ponad 5000 zdjęć, zanim ostatecznie uległ zapaleniu płuc.

Potem, w latach 30. XX wieku, japoński badacz Ukichiro Nakaya rozpoczął systematyczne badania różnych typów kryształów śniegu. W połowie ubiegłego wieku Nakaya produkował płatki śniegu w laboratorium, używając pojedynczych włosów królika do zawieszania kryształków szronu w chłodnym powietrzu, gdzie mogły się rozwinąć w pełnoprawne płatki śniegu. Majstrował z ustawieniami wilgotności i temperatury, aby wyhodować dwa główne typy kryształów i zebrać swój przełomowy katalog możliwych kształtów. Nakaya odkrył, że gwiazdy mają tendencję do tworzenia się przy -2 stopniach Celsjusza i -15 C. Kolumny tworzą się przy -5 C i ponownie przy około -30 C. W niskiej wilgotności, gwiazdy tworzą niewiele gałęzi i przypominają sześciokątne płyty, ale w wysokiej wilgotności, gwiazdy rosną bardziej skomplikowane, koronkowe wzory.

Według Libbrechta, powód różnych kształtów kryształów również zaczął się pojawiać po pionierskiej pracy Nakayi. Kryształy rosną w płaskie gwiazdy i płyty (a nie w trójwymiarowe struktury), gdy krawędzie rosną szybko na zewnątrz, podczas gdy twarze rosną powoli w górę. Smukłe kolumny rosną w inny sposób, z szybko rosnącymi twarzami i wolniej rosnącymi krawędziami.

Ale podstawowe procesy atomowe, które dyktują, czy kryształy śniegu będą miały kształt gwiazd czy kolumn, pozostały niejasne. “Co zmienia się wraz z temperaturą?” powiedział Libbrecht. “Próbowałem to wszystko poskładać do kupy.”

Przepis na płatek śniegu

Libbrecht i bardzo mała grupa naukowców, którzy badają ten problem próbowali wymyślić przepis na płatek śniegu, jak to było – zestaw równań i parametrów, które można wprowadzić do superkomputera, który następnie wyplułby wspaniałą różnorodność płatków śniegu, które faktycznie widzimy.

Libbrecht podjął pościg dwie dekady temu po tym, jak dowiedział się o egzotycznej formie płatka śniegu zwanej kolumną capped. Wygląda to jak pusta szpula, lub dwa koła i oś. Jako rodowity mieszkaniec Północnej Dakoty, był zszokowany, zastanawiając się, “Jak to się stało, że nigdy nie widziałem jednego z nich?”. Zafascynowany niekończącymi się formami śniegu, postanowił zrozumieć ich naturę do książki popularnonaukowej, którą później opublikował, a także zaczął robić zdjęcia. Wkrótce zaczął też majstrować przy sprzęcie do hodowli płatków śniegu w swoim laboratorium. Jego nowy model jest wynikiem obserwacji poczynionych przez dziesięciolecia, które, jak twierdzi, niedawno zaczęły się ujednolicać.

Jego kluczowym przełomem była idea zwana dyfuzją molekularną napędzaną energią powierzchniową, która opisuje, w jaki sposób wzrost kryształu śniegu zależy od warunków początkowych i zachowania cząsteczek, które go tworzą.

Wyobraź sobie cząsteczki wody ułożone luźno, jak para wodna właśnie zaczyna zamarzać. Jeśli oglądalibyście to z maleńkiego obserwatorium, zobaczylibyście, że zamarzające cząsteczki wody zaczynają tworzyć sztywną sieć, w której każdy atom tlenu jest otoczony przez cztery atomy wodoru. Kryształy te rosną poprzez włączenie do swojego wzoru cząsteczek wody z otaczającego powietrza. Mogą one rosnąć w dwóch głównych kierunkach: w górę lub out.

Cienki, płaski kryształ (albo plate-like lub starlike) tworzy, gdy krawędzie liny w materiale szybciej niż dwóch twarzy kryształu. The burgeoning kryształ będzie rozprzestrzeniać się na zewnątrz. Jednakże, gdy jego twarze rosną szybciej niż jego krawędzie, kryształ rośnie wyżej, tworząc igłę, pustą kolumnę lub pręt.

Zgodnie z modelem Libbrechta, para wodna najpierw osiada na rogach kryształu, a następnie dyfunduje po powierzchni albo do krawędzi kryształu lub do jego twarzy, powodując kryształ rośnie na zewnątrz lub w górę, odpowiednio. Który z tych procesów wygrywa jako różne efekty powierzchniowe i niestabilności współdziałają zależy głównie od temperatury.

Wszystko to dzieje się tylko w lodzie, niezwykłym minerale, z powodu zjawiska zwanego “wstępnym topnieniem”. Ponieważ lód wodny występuje zwykle w pobliżu temperatury topnienia, kilka jego górnych warstw jest ciekłych i nieuporządkowanych. Wstępne topnienie zachodzi inaczej na powierzchniach czołowych i krawędziach w funkcji temperatury, choć szczegóły tego zjawiska nie są całkowicie zrozumiałe. “To jest część modelu, w której po prostu wymyślam go w całości,” powiedział Libbrecht – choć mówi, że ogólny obraz fizyczny wydaje się prawdopodobny.