Vi befinder os i en tid, hvor forskere kan opdage de uendeligt små partikler, der giver masser atomer og undersøger nogle af de dybeste mysterier i biologien, såsom hvordan erfaringer og minder kan overføres gennem en organismes gener.
Således kan det komme som en overraskelse, at vi stadig ikke forstår mekanikken i et relativt simpelt naturfænomen: sne.
Dannelsen af snefnug - i det væsentlige den idiosynkratiske måde, hvorpå vand udkrystalliserer, når de er ophængt i vores atmosfære - er en ekstremt kompleks proces, der stadig ikke er fuldt ud beskrevet med videnskabelige formler. "Folk tror, at en snefnug bare er en frosset regndråbe, " siger Caltech fysikprofessor Kenneth Libbrecht, der har brugt de sidste par årtier på at studere processen med dannelse af snefnug. "Men det er sludder, bare små isterninger og ikke engang tæt på, hvad en snefnug er."
En snefnug vokser i Libbrechts laboratorium, accelereret
I løbet af sin forskning er Libbrechts arbejde vokset til at omfatte kunst og videnskab. Han har produceret både videnskabelige artikler og hundreder af smukke fotos af naturlige snefnug (som han har udgivet i flere forskellige bøger og havde vist på amerikanske frimærker), og også udtænkt geniale måder til kunstigt at dyrke snefnug i et laboratorium for at studere deres dannelse i mikroskopiske detaljer.
Men det hele startede, siger han, med en tur tilbage til hans barndomshjem i North Dakota. ”Jeg besøgte min familie derinde, og jeg gik ud, og der var al denne sne på jorden, ” siger han. "Jeg tænkte pludselig, 'Hvorfor forstår jeg ikke mere om disse snefnug?'"
Det førte til, at Libbrecht begyndte at studere dynamikken i dannelse af snefnug i sit laboratorium, mellem at undersøge mere esoteriske emner som drejelige diodelasere og støj frigivet af supernovaer. "Jeg indså, at meget om snefnug bare ikke er særlig godt forstået, og at is er et temmelig billigt materiale at arbejde med, " siger han.
Dannelsen af endda en enkelt snefnug er en kompleks begivenhed på molekylært niveau. I naturen begynder det, når en skys vanddamp kondenseres til vanddråber. Selv ved temperaturer under frysning forbliver dog de fleste af disse dråber typisk i flydende form, fordi de har brug for en partikel, hvorpå de kan fryses: enten en støvpartikel eller et par vandmolekyler, der har arrangeret sig i den hexagonale matrix, der kendetegner is.
Når først dråber begynder at krystallisere på en central partikel, accelererer processen imidlertid hurtigt. Med en krystalkerne på plads, kondenseres de superafkølede vandmolekyler i de omgivende vanddråber let på krystallen, hvilket øger dens vækst på en geometrisk regelmæssig måde. På det tidspunkt, hvor den store krystal (som vi kalder en snefnug) har forladt skyen, estimerer Libbrecht, at den vil have abosrbed vandet fra omkring 100.000 dråber i nærheden.
Alt det lyder måske enkelt, men som Libbrecht og andre videnskabsfolk har opdaget, kan små ændringer i omstændighederne for disse krystaller - skyens fugtighed og temperatur til at begynde med - føre til radikalt anderledes flager. For bedre at forstå denne dynamik, indså Libbrecht, han havde brug for en måde at observere den faktiske vækstproces af snefnug. Uden en måde at indlejre sig i en flydende sky, besluttede han at udvikle en metode til kunstigt at dyrke snefnug i sit laboratorium i Californien.
"At få en individuel krystal til at vokse på en sådan måde, at det ser ud som en snefnug, er ikke let, " siger han. "Hvis du vil have frost - bare en flok krystaller, der alle vokser på én gang - er det temmelig enkelt, men individuelle krystaller er sværere."
Libbrechtts proces, der er udviklet i løbet af de sidste par år, udføres i et koldt kammer og tager i alt ca. 45 minutter. Han starter med et helt rent stykke glas og spreder mange mikroskopiske iskrystaller på det. Med et mikroskop isolerer han en bestemt krystal og blæser derefter lidt varmere fugtig luft på glasset. Vanddampen kondenseres på frøkrystallen, ligesom i en rigtig sky, og til sidst danner et synligt snefnug.
Arbejdet med denne proces har Libbrecht bestemt temperaturen og fugtighedsniveauerne, der fører til hver enkelt slags snefnug. "Jeg kalder dem 'designer-snefnug', fordi du kan ændre betingelserne, når du dyrker dem og forudsige, hvordan de vil se ud, " siger han. Han har blandt andet fundet, at en snefnug med en tynd kant vokser hurtigere, hvilket får kanten til at skærpe sig yderligere, hvilket i sidste ende fører til en relativt stor flage. Snefnug, der begynder med blunter kanter, vokser imidlertid langsommere og forbliver stumpe, hvilket fører til blokede prismer snarere end elegante plader.
Til sidst, da Libbrecht ønskede at udgive en bog om sit arbejde, opdagede han, at selv om de var gode for deres tid, var de fleste af de tilgængelige fotos af snefnug forældede, ligesom de, der blev taget af Wilson Bentley i 1930'erne. Som svar begyndte han at fotografere dem selv i høj opløsning, ved hjælp af specialudstyr og til tider farvede lys for at give de klare flager øget farve og dybde.
Hvad med den fælles idé, at ingen to snefnug er ens? ”Alle spørger mig altid om det, ” siger Libbrecht.
Svaret, det viser sig, er et matematisk problem. Hvis du definerer en snefnug som blot ti molekyler vand, er det muligt for to forskellige flager at være identiske på molekylært niveau. Men for en flak i fuld størrelse, siger han, er det yderst usandsynligt, at du får bøde to identiske, der forekommer naturligt - på samme måde som oddsene for to identiske menneskelige fingeraftryk er meget små. "Når du begynder at gøre tingene endnu lidt komplicerede, vokser antallet af muligheder astronomisk, og sandsynligheden for endda at have to snefnug, der ser ens ud, falder til nul, " siger han.
