بلورهای برف چگونه شکل می‌گیرند؟

دنیای شگفت‌انگیز دانه‌های برف

بلورهای برف چگونه شکل می‌گیرند؟

نتایج یک تحقیق جدید نشان‌دهنده چگونگی شکل‌گیری بلورهای برف در شرایط مختلف محیطی بوده و در آن مشخص شده است که چرا بلورهای برف از الگوهای یکسان شکل‌گیری و متنوع در اشکال پیروی می‌کنند.

به گزارش سیناپرس، پژوهشگری به نام آلن تورینگ (Alan Turing) در مطالعات خود به بررسی پایه‌های شیمیایی مورفوژنتیکی دانه‌های برف پرداخته است. در این پژوهش بافت‌های ایجاد شده در دانه‌های برف براساس الگوهای طبیعی، خطوط، لکه‌ها و مارپیچ‌های روی آن مورد مطالعه قرار گرفتند. این پژوهشگر تلاش کرده است الگوهای تکامل دانه‌های برف را به زبان معادلات دیفرانسیل تحلیل کند.

پیچیدگی و جزییات موجود در الگوهای دانه‌های برف و بررسی سیستم‌های واکنش آنها نسبت به محیط می‌تواند واقعاً شگفت‌انگیز باشد. یک روند نسبتاً ساده و تعداد کمی از پارامتر‌ها می‌تواند انواع مختلفی از الگوهای و اشکال آشنا را در بلورهای برف تشکیل دهند.

با استفاده از مدل موسوم به Gravner-Griffeath، می‌توان با بهره بردن از کدهای طراحی شده توسط این پژوهشگر، طرح‌ها و مدل‌های بلورهای برف را شبیه‌سازی کرد. تقارن شعاعی ذرات برف از شبکه ۶ضلعی که در آن رشد می‌کند به وجود آمده و طی آن ۳ نوع مختلف جرم در مکان‌ها و شبکه‌های مختلف شبیه‌سازی شده‌اند؛ یخ، شبه مایع و بخار. در این تحقیقات ابتدا، مقدار ρ موجود در یخ یک بلور برف و جرم تبخیر شده ρ در محیط محاسبه می‌شود.

در ادامه این فرایند مدل سازی، انجماد (تحت کنترل κ) و ذوب (توسط μ و γ کنترل می‌شود) تکرار و بررسی شده و به عنوان مثال، طی فرایند انجماد، یک بخش از بخار موجود در توده مورد نظر در قسمت‌های مربوط به لبه‌های آن به یخ تغییر شکل داده و بخش باقی‌مانده ۱-κ به صورت شبه مایع تبدیل می‌شود. در این حالت بخش‌های اطراف بلور برف به شکل یک دانه برف در آمده سپس این فرایند به داخل گسترش پیدا می‌کند. این پدیده با پارامترهای α,β و θ کنترل می‌شوند که عنوان عوامل شکل‌دهنده نوع برش بلور برف عمل می‌کنند. در فرایند شکل‌گیری بلورها، زمانی که تنها یک بخش از مایع تبدیل به دانه برف شود، این عمل به سرعت در تمامی بلور تداوم یافته و دیگر تغییری در آن رخ نخواهد داد.

تمامی تصاویر این دانه‌های برف به شکل شش ضلعی بوده ۸۰۰ × ۸۰۰ بوده و ۳۰ هزار مرتبه رشد کرده‌اند. در اینجا در یک شبکه مستطیلی ارایه می‌شوند که توسط چرخش و پوسته پوسته شدن بلورهای برف به دست می‌آیند. دانه‌های برف همواره دارای یک هسته مرکزی و شبکه‌ای از اشکال مختلف هستند که حول ان تشکیل شده است این ذرات تا زمانی که نزدیک به مرز شبکه قرار می‌گیرند، به اندازه کافی رشد کرده و کامل می‌شوند.

در تصاویر ارایه شده شما شاهد روند رشد بلورهای برفی هستید. نقشه رنگی نیز با هدف مشخص کردن لبه‌ها‌های هر بلور برف در هنگام مشاهده در محیط پر نور است. باید توجه داشت که برای مشاهده تمامی حجم برف‌ها رنگ آبی روشن مناسب‌تر بوده و در رنگ آبی تیره حجم کم‌تری از بلور برف مشاهده می‌شود.

 

به خاطر داشته باشید که مقارن با تبدیل شدن یک بخش از مایع به برف، تمامی ذرات آن از الگوی خاص و ثابتی که زمان بندی مشخصی دارد پیروی کرده و بلور تشکیل می‌دهند. طی این فرایند در ابتدا، حجم یخ در امتداد محور تقارن تجمع پیدا کرده و به سرعت ارتعاشات کوچکی در سراسر آن ظاهر می‌شود. این ارتعاشات به صورت شاخه‌ای رشد می‌کنند زیرا بخار به عنوان بخشی از بلور برف نیاز به فضایی جهت انتشار دارد. این فرایند، بی‌ثباتی شاخه‌ای نامیده شده و باعث شکل‌گیری دانه برف‌های دندریتی یا شاخه شاخه می‌شود.