Új eredmény a hópelyhek professzorától

2012.02.15. 15:05

Nincs két egyforma hópehely - ezt sokan hallhatták már. A mai napig nyitott kérdés azonban, hogy pontosan milyen folyamat hozza létre a hókristályok e változatos, szemet gyönyörködtető formáit. A Caltech "hópehely-professzorként" számon tartott fizikusának új eredménye fényt deríthet a jelenségre.

Ha közelről szemügyre vesszük a lehulló hópelyheket, számtalan különleges, szimmetrikus alakzatot találunk: csillagszerű lemezeket, vékony lapocskákat, hegyes tűket, oszlopszerű hasábokat. A sokféleségben azonban van valami közös: a hókristályok valamennyi mintázatában felbukkan a szabályos hatszög alakja. Erre a tényre már Kepler is felfigyelt, ő volt az első, aki tudományos problémaként foglalkozott a hópihék geometriájával. Azóta a parányi hatszögek számos figyelemreméltó tulajdonságát fedezték fel a kutatók.

Az egyik legérdekesebb, máig megmagyarázatlan szabályszerűség, hogy a különböző kristálytípusok előfordulása jól meghatározott hőmérséklet-tartományokhoz köthető: a vékony, lapos mintázatok kialakulása -2 °C és -15 °C körüli hőmérsékleteken jellemző, míg a karcsú, hosszúkás alakzatok -5 °C és -30 °C környékén keletkeznek (lásd a 2. ábrán) Hogyan jönnek létre ezek a szimmetrikus, hatszögletű alakzatok? Mi magyarázza a sokféleségüket? És hogyan lehetséges, hogy a külső körülmények viszonylag kicsiny változására ilyen drámaian reagál a kristályszerkezet?

Forrás: snowcrystals.com
A hópelyhek változatos, szimmetrikus formái (forrás: snowcrystals.com)

Kenneth Libbrecht, a Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) professzora az 1990-es évek vége óta foglalkozik a hópelyhek fizikájával. Több mint tízezer fotót készített a hópihék tüneményes formáiról, melyeket a nagyközönség számára is közétett ismeretterjesztő könyveiben. Emellett egy olyan laboratóriumi technológiát dolgozott ki, amelynek segítségével mesterséges körülmények között képes hókristályokat növeszteni és tanulmányozni. Legutóbbi tanulmányában azt vizsgálja, hogyan jönnek létre a mindannyiunk számára ismerős lapos, csillagszerű hópelyhek.

Egy hópihe élete

A hópihe története a levegőben lévő vízpárával kezdődik. A tengerek, tavak, folyók párolgása, a növények párologtatása során vízgőz kerül a levegőbe, amely a magasan fekvő, hideg légrétegekbe érve kicsapódik - a vízmolekulák, parányi vízcseppecskéket formálva, hozzátapadnak a levegőben szálló porszemcsékhez. E kicsiny cseppecskék sokasága a felhő.

Forrás: snowcrystals.com
Hópelyhek a laborból: elektromosan töltött tű hegyén növesztve

Télen, amikor a légrétegek hűlni kezdenek, a cseppecskék némelyike jégkristállyá fagy. A parányi jégdarabok környezetében a vízpára kifagy a jégkristály felszínén. Egyre több és több vízmolekula tapad a kristály felületére, amely csak hízik és hízik. Így növekszik a hópehely. Végül annyira megduzzad, hogy a súlya lehúzza, és csapadék formájában a földre hull.

Nincs két egyforma

A jégkristályban a vízmolekulák hatszöges rács alakba rendeződnek, s végső soron ez felelős a hópehely hexagonális szimmetriájáért. A kristály növekedésének kezdeti szakaszában a rácselemek oldalaival párhuzamos, sima felületek határolják a jégdarabkát, amely így hatszögletű hasáb formát ölt (lásd az alábbi ábrán). Ahogy a hasáb egyre nagyobb és nagyobb lesz, a felszínén úgy erősődnek az egyenetlenségek, s miután a felületen kialakuló kitüremkedéseket a kondenzálódó vízmolukulák gyorsabban elérik, az egyenetlenségek kis karokká fejlődnek.

Forrás: snowcrystals.com
A jégkristály hexagonális (hatszöges) rácsszerkezete: a piros gömbök az oxigénatomokat, a szürke pálcikák a hidrogénatomokat jelölik

A növekedési folyamat öngerjesztővé válik: a karocskák egyre csak duzzadnak, ezekhez még több vízrészecske tapad, majd a karocskákon ugyanazen mechanizmus szerint kis oldalágak fejlődnek, és így tovább. A komplex, elágazó struktúra kialakulásának alapja: a pozitív visszacsatolás, amely instabillá teszi a kezdetben egyenletesen növekedő, sima felületeket.

Forrás: snowcrystals.com


Hókristály a növekedés kezdeti szakaszában: szabályos hatszög keresztmetszetű hasáb

Libbrecht professzor legújabb kísérleteiben a növekedési instabilitás egy eddig ismeretlen elemére bukkant. Mínusz 15 °C laboratóriumi hőmérsékleten, magas páratartalom mellett növesztett hókristályokat, s azt tapasztalta, hogy a karocskák kifejlődése és elágazása egyfajta vékonyodási effektussal párosul: a felületi egyenetlenségek növekedésével együtt jár a minta elvékonyodása is, s az elvékonyodott ágak még több vízrészecskét kötnek meg. Nem véletlen, hogy ezen a hőmérsékleten jönnek létre a legszebb lapos, csillagszerű hókristályok, melyek gyakran olyan vékonyak, mint egy borotvapenge. Ha e jelenség más hőviszonyok között is előfordul, ami igen valószínű, az megmagyárazhatja a kristályszerkezet érzékeny hőmérsékletfüggését. "A vékonyodási hatás egyaránt produkálhat lapos lemezkéket és karcsú oszlopokat is, egyszerűen azáltal, hogy irányt változtat" - mondja Libbrecht. "Ez jelentősen leegyszerűsíti a problémát, hiszen most már csak annak a megértése van hátra, hogy hogyan függ ez az irány a hőmérséklettől."

Forrás: snowcrystals.com
A növekedési instabilitás eredménye: ágak és mellékágak

A hókristály növekedésmintázatának hőmérsékletfüggése alapvető szerepet játszik abban, hogy végül milyen formájú hópihét látunk a földre hullni. A hópelyhek fejlődésük során folyamatosan mozgásban vannak a felhőn belül. Mivel a hőmérsékleti viszonyok a felhő térfogatában igencsak változékonyak lehetnek, ezért a hókristályok végső formája attól függ, hogy pontosan milyen pályát írtak le a felhőben. Ezért olyan sokfélék: nincs két olyan hópehely, amely pontosan ugyanazt az utat járta volna be. Másfelől a hókristály kicsi, így a kezdeti hasáb felületének mind a hat oldala nagyjából ugyanolyan termodinamikai körülmények között, nagyjából ugyanúgy fejlődik. Ezért olyan szimmetrikusak a hópelyhek.

Sejtek, folyók, galaxisok

"Az ember általában így készít tárgyakat: vesz egy darab anyagot és megmunkálja. A számítógép például nem más, mint szilikonlapocskákba vájt finom áramkörök hálózata. A természet egészen másképp jár el. A természetben a dolgok egyszerűen megszervezik magukat" - írja Libbrecht a hópelyhek fizikáját bemutató honlapján.

A hópehely növekedése önmagában is érdekes természeti jelenség, azonban több annál: a hókristály a legegyszerűbb képviselője az önszerveződő rendszereknek. Sejtjeink növekednek, osztódnak és bonyolult szervekké állnak össze. A folyók vékony erecskékként indulnak, összefolynak, elágaznak, s végül behálózzák a szárazföldek szövetét. Az univerzum anyaga bolygókat, csillagokat, galaxisokat formál, melyek a távolságskála összes hozzáférhető szintjén, nagyon hasonló mintázatot alkotva töltik ki a világegyetemet. E rendszereknek közös jellemzője, hogy központi elem és külső tervezettség nélkül, pusztán lokális kölcsönhatások eredményeképpen jönnek létre, és egyfajta koherens, globális, gyakran fraktálszerű mintázatot formálnak meg, amely esetenként bonyolult feladatokat képes ellátni. Pontosan ilyen a hópehely is. Növekedésének tanulmányozása talán hozzásegíthet ezeknek az rejtélyes, univerzális mechanizmusoknak a jobb megértéséhez.

Mert kétségkívül van valami rejtélyes abban, ahogyan ez a bonyolult, szimmetrikus tünemény, a hópehely, egyszercsak spontán módon megformálódik a "semmiből".

Gömöri Márton

KAPCSOLÓDÓ CIKK