چگونه شاخه های کریستالهای برف تشکیل میشوند؟

در این بخش به ساختار پیچیده و ظریف کریستالهای برف پرداخته شده و میخواهیم بدانیم که این پیچیدگی در ساختار چگونه بوجود می آید.کریستالهای برف چیزی به غیر از یخ نیستند که خود یخ نیز از تراکم بخار آب ایجاد شده است پس این طراحی ظریف و زیبا چگونه پدید می آید؟ بقیه درادامه مطلب...

زکات علم درنشرآن است.امام علی(ع)


چگونه شاخه های کریستالهای برف تشکیل میشوند؟

در این بخش به ساختار پیچیده و ظریف کریستالهای برف پرداخته شده و میخواهیم بدانیم که این پیچیدگی در ساختار چگونه بوجود می آید.

 

 

کریستالهای برف چیزی به غیر از یخ نیستند که خود یخ نیز از تراکم بخار آب ایجاد شده است پس این طراحی ظریف و زیبا چگونه پدید می آید؟

   

جواب به این سئوالات در گرو این است که بدانیم چگونه مولکولهای آب در هوا  حرکت میکنند تا بر روی کریستالهای برف در حال رشد تراکم یابند.

مولکولهای آب در هوا پراکنده شده تا به کریستالها برسند و این پراکندگی باعث کند شدن رشد کریستالها میگردد، باقی مولکولهای پراکنده در هوا نیز تا رسیدن به کریستالهای در حال رشد، به حرکت خود ادامه میدهند.

در ذهن خود تکه یخی با سطحی صاف که در هوا در حال رشد است را تصور کنید، اگر ضربه کوچکی از یک سمت بر روی سطح آن وارد شود، آنگاه محل ضربه، مقدار کمی نسبت به سایر نقاط، در سمت دیگر دارای برآمدگی میگردد و باعث میشود که مولکولهای آب به قسمت برآمده، سریعتر از بقیه سطوح کریستال برسند.

 

 

 

با رسیدن بیشتر مولکولهای آب به سطح برآمده این قسمت سریعتر از بقیه سطوح رشد میکند.

در مدت زمانی کوتاه رشد قابل ملاحظه ای میکند و برآمدگی تبدیل به شاخه ای بلند می شود و همچنین در صورتیکه بر روی این شاخه هم ضرباتی زده شود، تشکیل شاخه های جانبی را بر روی شاخه می دهند. این ضربات توسط مولکولهای آب ایجاد میگردند.

از این مرحله به بعد پیچیدگی در کریستال ها متولد می شود.

این ناپایداری در شکل شاخه ها، نقش مهمی  را در پیچیدگی کریستال ها ایفا می کند.

  

     

 

  هنگامی که ناپایداری شاخه ها در کریستالهای در حال رشد ادامه می یابد در نتیجه یخ دندریتی (شبه درختی) ایجاد میشود که در شکل سمت راست قابل مشاهده است.

در شرائط آزمایشگاه  با تغییراتی در انتشار مولکولها ، میتوان شکل دندریت ها را تغییر داد.

 

نمودار مورفولوژیک     The Morphology Diagram

 

هنگامیکه کریستال های برف تحت شرایط آزمایشگاه ایجاد می شوند، برای رشدشان احتیاج به دما و رطوبت دارند.

به نحوه رفتار کریستال ها در شرایط مختلف آزمایشگاه در نمودار مورفولوژیک دقت کنید:

 

 این نمودار کاملاًنشان دهنده این است که هرکدام از انواع کریستال های برف تحت چه شرایطی و با چه نوع تغییراتی ایجاد می شوند.

 

 

 

به عنوان مثال کریستالهای ستاره ای در 2- درجه سانتی گراد و نیز کریستال های ستونی و سوزنی در 5- درجه سانتی گراد ایجاد می شوند.

کریستال های بشقابی و مجدداً کریستالهای ستاره ای در دمای 15- درجه سانتی گراد ایجاد می شوند.

 

به طور کلی از نمودار می توان این گونه برداشت کرد که هر چه رطوبت کمتر باشد، ساختمان کریستال ها ساده تر است.

 یکی از رازهای علمی که هنوز بشر به آن پی نبرده است این است که چگونه کریستال ها با تغییرات دما، تغییر می کنند.

   

 

چرا کریستالهای برف متقارن هستند؟

  برای اینکه بدانیم چرا دانه های برف بدین شکل میباشند باید داستان زندگی کریستال برف را بدانیم که بطور واضح در نمودار پایین نیز مشخص شده است.

داستان زندگی دانه برف از ابرها آغاز میشود، از هنگامیکه  یک قطره بسیار کوچک در ابر یخ بزند و تبدیل به تکه یخ بسیار کوچکی گردد.

زمانی که بخار آب روی سطح ذره یخ شروع به متراکم شدن می‌کند، به سرعت در این یخ کوچک چند وجه ایجاد و به یک شش وجهی تبدیل می‌شود.

 

 

ذره یخ تا مدتی این شکل شش وجهی را حفظ می‌کند اما به تدریج که بلور بزرگتر و بزرگتر می‌شود، از هر یک از وجوه این شش وجهی شاخه‌ای بیرون می‌آید. از آنجا که شرایط جوی (یعنی دما و رطوبت) در همه نقاط این بلور کوچک یکسان است، هر شش شاخه جدید، تقریبا به یک اندازه رشد می‌کنند.

زمانی که بلور برف بزرگتر می‌شود، در داخل ابر با باد به اینسو و آنسو می‌رود و به همین دلیل است که در طول زمان، با دماهای مختلفی روبرو می‌شود
. (در مرحله سوم نمودار قابل مشاهده است)


اما رشد کریستال تا حد بسیار زیادی به میزان دما مربوط می‌شود و از آنجا که هر شش شاخه بلور در هر زمان در شرایط مساوی از دما و رطوبت قرار دارند، همه آنها به یک شکل رشد می‌کنند.

نتیجه نهایی این روند، ایجاد ساختاری شش شاخه و متقارن است. باید توجه داشت که چون هر بلور برف مسیری خاص خود را در ابر می‌پیماید، هر بلور به یک شکل خاصی تبدیل میشو
د.

  

به چه علت رشد شش بازوی کریستال برف به صورت همزمان میباشد؟

  

هیچ چیز. همانطور که قبلا اشاره شد هر یک از بازوهای دانه برف مستقلا رشد می‌کند اما تا زمانیکه در شرائط مساوی دمایی و رطوبتی قرار داشته باشند تمام شش بازو به یک شکل خواهند بود.

 
شاید این موضوع عجیب و باورنکردنی به نظر برسد اما شاید اشاره به یک نکته، این موضوع را باورکردنی کند: در واقع قسمت اعظم بلورهای برف چندان کامل متقارن نیستند. فریب تقارنهای موجود در تصاویر را نخورید. معمولا قسمت اعظم یک بارش را بلورهای نامتقارن تشکیل میدهند.

اگر این موضوع را باور ندارید خودتان در بارش برف آن را نظاره کنید. به ندرت ممکن است کریستالی کاملا متقارن پیدا کنید.

 

 

 چرا دانه برف شش بازو دارد؟  

 علت این امر به خصوصیات هندسه شش ضلعی شبکه بلور یخ برمی‌گردد. اما این شبکه ابعاد مولکولی دارد و پی بردن به این موضوع که این تقارن در ابعاد نانو چگونه به ساختار یک کریستال برف که به مراتب بزرگتراست، منتقل می‌شود، کار ساده‌ای نیست.

اما بطورکلی باید گفت ایجاد بازو در دانه برف از طریق "تشکیل وجوه" (
facetingیا ایجاد ساختاری مانند جواهرات تراش داده شده) صورت می‌گیرد
.

این وجوه بدون نیاز به نیروی خاصی تشکیل می‌شوند که علت آن، نحوه قرار گرفتن مولکول‌ها در داخل شبکه دانه برف است. در فرآیند تشکیل وجوه است که دانه ابتدایی برف به یک شش وجهی تبدیل می‌شود که ساختاری بزرگتر با یک تقارن شش بری است. در نهایت، بازوها از گوشه‌های شش ضلعی بیرون می‌آیند و وجود شش گوشه اساس به وجود آمدن شش بازوست.

فرآیند "تشکیل وجوه" نشان می‌دهد که هندسه مولکول آب چگونه به هندسه یک کریستال درشت برف منتقل می‌شود

 

چرا برف سفید است؟

 

 برف سفید نیست. برف از کریستالهای یخ درست شده و انبوه آنها سفید به نظر می‌رسد درست مانند خرده شیشه‌هایی که انبوه آنها سفید به نظر می‌آید.

نور بازهم مانند شیشه، از بخشی از سطوح یخ دانه برف منعکس می‌شود و رنگ خاصی را بازتاب می‌دهد. هنگامی که مقدار زیادی برف انباشته شده باشد و از روی هر وجه هر دانه برف بخشی از نور منعکس شود، این نور به نقاط اطراف بازتاب یافته و دوباره برمی‌گردد. از آنجا که همه رنگها تقریبا به میزان مساوی پراکنده هستند، انبوه برف سفیدرنگ به نظر می‌رسد.

در واقع، هنگامی که نور در حال تابش و بازتابش است، یخ بخشی از آن را جذب می‌کند و رنگ قرمز، آسانتر از رنگ آبی جذب می‌شود و در نتیجه، رنگ آبی بازتاب می‌یابد. به همین دلیل اگر به داخل یک توده برف خوب نگاه کنید، گاه در آن رنگ آبی را مشاهده می‌کنید.

  

 فایده دانستن این اطلاعات درباره دانه‌های برف چیست؟

 

بلورهای زیبای برف رقص کنان از آسمان به زمین می‌بارند و یک انسان پرسشگر باید بداند که این دانه‌ها از چه و چگونه تشکیل شده‌اند. مطمئنا از میان بیش از شش میلیارد جمعیت زمین، عده‌ای هستند که بخواهند به رازهای دانه‌های برف پی ببرند.

با همه اینها، یافتن راز چگونگی تشکیل بلورها، بدون تردید کار بی‌فایده‌ای نیست. برای مثال، کل صنعت کامپیوتر به سیلیکون و دیگر کریستال‌های نیمه‌هادی متکی است ولی ما هنوز درباره فیزیک چگونگی تشکیل این کریستالها اطلاعات زیادی نداریم.

اگر از فیزیک پایه‌ای که در پس رشد بلورها ، از جمله بلور یخ، وجود دارد، درک بهتری پیدا کنیم، توانایی بیشتری برای ایجاد مواد جدید خواهیم داشت.


دانش، هرگز بی‌فایده نیست.

 

منبع: وبلاگ بالاتر از ابرها  

نویسنده : شهریار