آیا هیچ دو دانه برفی شبیه هم نیستند؟ راز تفاوت بلورهای برف

احتمالا این جمله را شنیده‌اید که هیچ دو دانه برفی دقیقا شبیه به هم نیستند، درست مانند اثر انگشت انسان‌ها که منحصر به فرد است. اما اگر با دقت بیشتری به دانه‌های برف نگاه کرده باشید، احتمالا متوجه شده‌اید که برخی از کریستال‌های برف تا حد زیادی به هم شبیه‌اند. پس حقیقت چیست؟ پاسخ به این سوال به میزان دقت شما بستگی دارد. برای درک دلیل این اختلاف نظر در مورد شباهت دانه‌های برف، ابتدا باید نحوه تشکیل آن‌ها را بشناسیم.

نکات کلیدی: آیا هیچ دو دانه برفی شبیه به هم نیستند؟

• دانه‌های برف بسته به شرایط آب و هوایی اشکال متفاوتی به خود می‌گیرند. بنابراین، دانه‌های برفی که در یک زمان و مکان خاص می‌بارند، ممکن است بسیار شبیه به هم باشند.
• در مقیاس ماکروسکوپی (با چشم غیر مسلح)، دو دانه برف می‌توانند از نظر شکل و اندازه کاملا یکسان به نظر برسند.
• اما در سطح مولکولی و اتمی، دانه‌های برف از نظر تعداد اتم‌ها و نسبت ایزوتوپ‌ها با یکدیگر تفاوت دارند.

دانه‌های برف چگونه شکل می‌گیرند؟

دانه‌های برف، کریستال‌های آب هستند که فرمول شیمیایی آن‌ها H2O است. مولکول‌های آب می‌توانند به روش‌های مختلفی به یکدیگر متصل شده و روی هم قرار بگیرند. این نحوه اتصال و چیدمان، به عواملی مانند دما، فشار هوا و میزان رطوبت موجود در جو بستگی دارد. به طور کلی، پیوندهای شیمیایی موجود در مولکول آب، شکل سنتی شش وجهی دانه‌های برف را تعیین می‌کنند. هنگامی که یک کریستال شروع به شکل‌گیری می‌کند، از ساختار اولیه خود به عنوان پایه و اساس برای ایجاد شاخه‌ها استفاده می‌کند. این شاخه‌ها می‌توانند به رشد خود ادامه دهند یا بسته به شرایط، ذوب شده و دوباره شکل بگیرند. به این ترتیب، هر دانه برف مسیری منحصر به فرد را طی می‌کند و در نتیجه، تنوع بی‌نظیری در شکل و ظاهر دانه‌های برف ایجاد می‌شود.

چرا ممکن است دو دانه برف شبیه به نظر برسند؟

از آنجایی که گروهی از دانه‌های برف که همزمان می‌بارند، تحت شرایط مشابهی شکل می‌گیرند، احتمال اینکه دو یا چند دانه برف از نظر ظاهری و با چشم غیر مسلح یا زیر میکروسکوپ نوری شبیه به هم باشند، وجود دارد. اگر کریستال‌های برف را در مراحل اولیه تشکیل و قبل از اینکه فرصتی برای شاخه‌دار شدن پیدا کنند مقایسه کنید، احتمال اینکه دو دانه برف شبیه به هم باشند بیشتر است. جان نلسون، دانشمند متخصص برف در دانشگاه ریتسومیکان در کیوتو ژاپن، می‌گوید دانه‌های برفی که بین دمای 8.6 تا 12.2 درجه فارنهایت (13- تا 11- درجه سانتیگراد) نگهداری می‌شوند، این ساختارهای ساده را برای مدت طولانی حفظ می‌کنند و می‌توانند به زمین برسند، جایی که تشخیص آن‌ها از یکدیگر فقط با نگاه کردن به آن‌ها دشوار است.

اگرچه بسیاری از دانه‌های برف ساختارهای شاخه‌دار شش وجهی (دندریت) یا صفحات شش ضلعی هستند، اما کریستال‌های برف دیگری نیز وجود دارند که به شکل سوزن تشکیل می‌شوند و اساساً بسیار شبیه به یکدیگر هستند. سوزن‌ها بین دمای 21 تا 25 درجه فارنهایت تشکیل می‌شوند و گاهی اوقات به طور سالم به زمین می‌رسند. اگر سوزن‌ها و ستون‌های برفی را به عنوان "دانه‌های برف" در نظر بگیرید، نمونه‌هایی از کریستال‌ها را دارید که شبیه به هم هستند.

چرا هیچ دو دانه برفی دقیقا شبیه به هم نیستند؟

در حالی که ممکن است دانه‌های برف از نظر ظاهری یکسان به نظر برسند، در سطح مولکولی، تقریبا غیرممکن است که دو دانه برف کاملا یکسان باشند. دلایل متعددی برای این موضوع وجود دارد:

• آب از مخلوطی از ایزوتوپ‌های هیدروژن و اکسیژن تشکیل شده است. این ایزوتوپ‌ها خواص کمی متفاوتی نسبت به یکدیگر دارند که ساختار کریستالی تشکیل شده با استفاده از آن‌ها را تغییر می‌دهد. در حالی که سه ایزوتوپ طبیعی اکسیژن تاثیر قابل توجهی بر ساختار کریستالی ندارند، سه ایزوتوپ هیدروژن کاملا متفاوت هستند. تقریبا از هر 3000 مولکول آب، یک مولکول حاوی ایزوتوپ هیدروژن دوتریوم است. حتی اگر یک دانه برف حاوی همان تعداد اتم دوتریوم باشد که دانه برف دیگر دارد، این اتم‌ها دقیقا در همان مکان‌ها در کریستال‌ها قرار نخواهند گرفت.
• دانه‌های برف از تعداد بسیار زیادی مولکول تشکیل شده‌اند، بنابراین بعید است که دو دانه برف دقیقا هم اندازه باشند. چارلز نایت، دانشمند متخصص برف در مرکز ملی تحقیقات اتمسفری در بولدر، کلرادو، تخمین می‌زند که هر کریستال برف حاوی حدود 10,000,000,000,000,000,000 مولکول آب است. تعداد راه‌هایی که این مولکول‌ها می‌توانند خود را آرایش دهند تقریبا بی‌نهایت است.
• هر دانه برف در معرض شرایط کمی متفاوت قرار می‌گیرد، بنابراین حتی اگر با دو کریستال یکسان شروع کنید، تا زمانی که به سطح برسند یکسان نخواهند بود. این مانند مقایسه دوقلوهای همسان است. آن‌ها ممکن است DNA یکسانی داشته باشند، اما از یکدیگر متفاوت هستند، به خصوص با گذشت زمان و داشتن تجربیات منحصر به فرد.
• هر دانه برف در اطراف یک ذره بسیار کوچک مانند یک ذره گرد و غبار یا ذره گرده تشکیل می‌شود. از آنجایی که شکل و اندازه ماده اولیه یکسان نیست، دانه‌های برف حتی در ابتدا نیز شبیه به هم نیستند.

به طور خلاصه، منصفانه است که بگوییم گاهی اوقات دو دانه برف شبیه به نظر می‌رسند، به خصوص اگر اشکال ساده‌ای داشته باشند، اما اگر هر دو دانه برف را به اندازه کافی از نزدیک بررسی کنید، هر کدام منحصر به فرد خواهند بود.