برف

● دانه های برف چه هستند؟
دانه های برف کریستالهایی از یخ هستند. کریستال یا بلور ماده ای است که مولکولهای سازنده آن به شیوه خاصی آرایش یافته اند که به آن شبکه بلوری می گویند. مولکولهای آب در یخ، شبکه ای شش گوشه تشکیل می دهند که عکس آنها را در این جا می بینید. هر گلوله قرمز نماینده یک اتم اکسیژن است و هر میله خاکستری یک اتم هیدروژن را نشان می دهد.
در ازای هر اکسیژن دو هیدروژن وجود دارد که همان ساختمان معمول H۲O است.
البته باید توجه کرد که برف، قطرات یخ زده باران نیست. این قطرات یخ زده یا تگرگ، الگوی پیچیده و منظم دانه های برف را ندارند. بلورهای برف از تراکم مستقیم بخار آب به یخ تشکیل می شوند که فرآیندی است که در ابرها روی می دهد. الگوی زیبای دانه های برف با رشد کریستال به وجود می آید.
● بلورهای برف چه شکلی دارند؟
شکل پایه و اصلی بلورهای برف، منشور شش گوشه ای است که در شکل زیر می بینید:
این شکل به این دلیل رخ می دهد که بعضی سطوح بلور، که به آن وجوه رشد می گویند بسیار به آهستگی رشد می کنند.
منشور شش گوشه، دو وجه قاعده شش گوشه و ۶ وجه مستطیلی دارد که در شکل می بینیم. بنابراین اگر این منشور بخواهد رشد کند دو راه برایش وجود دارد: از راه قاعده و یا از راه وجه های جانبی و در اثر رشد شکلهای صفحه مانند یا ستون، مانند پدید خواهند آمد. اینکه کدام یک از شکلهای پدید بیایند و بلور برای رشد کدام راه را انتخاب کند، به سرعت رشد هر سطح بستگی دارد.
بعضی دانه های برف همین منشورهای شش گونه ساده هستند اما اکثر آنها شکلهای پیچیده تری دارند. یعنی انواع متفاوتی از بلور وجود دارد. حالا باید دید که تحت چه شرایطی انواع مختلف بلور پدید می آید؟ این نکته کلیدی در درک بلورهای برف است. اگر سعی کنیم که این بلورها را در آزمایشگاه و تحت شرایط معین درست کنیم، می فهمیم که شکلهای متفاوت به دما و درجه رطوبت موجود در محیط رشد بلور، بستگی دارد. این رفتار را در " نمودار مورفولوژی " می بینیم که نشان می دهد که تحت شرایط مختلف، شکل بلور چگونه خواهد بود.
شکل بلور بیش از هر چیز به دما بستگی دارد. در حوالی دمای ۲- درجه سانتی گراد شکل صفحه ای بلورها به شکل ستونی تبدیل می شود و دوباره در نزدیکی ۱۵- درجه سانتی گراد دوباره به شکل صفحه ای می رسیم و با رسیدن به دمای ۳۰- درجه شکل بلورها مخلوطی از صفحه ای و ستونی است.
با دقت بیشتر متوجه می شویم که در رطوبت پایین، بلورهای برف شکلهای ساده تری دارند و در رطوبتهای بیشتر به سمت شکلهای پیچیده تر می روند. دو شکل حدی یعنی سوزنهای باریک و دراز و صفحه های پهن نازک که در دمای ۵- و ۱۵- رخ می دهند، هر دو در شرایط رطوبت نسبتاً بالا پدید می آیند.
اگر می خواهید بیشتر و دقیقتر موضوع را دنبال کنید، اینجا را ببینید.
اما چه باور کنید و چه نه، ما هنوز نمی دانیم چرا در دماهای مختلف، سرعت رشدهای مختلف به وجود می آید و دقیقا چه رابطه ای بین آنها برقرار است. باورتان می شود دانه هایی به این کوچکی چنان فیزیک عمیق و پیچیده ای دارند که هنوز رازهایش برای ما گشوده نشده است!
●● طبقه بندی دانه های برف
هر چند هیچ دو دانه برفی به هم شباهت ندارند، می توان اشکال آنها را به چند دسته تقسیم کرد.
● اشکال اصلی دانه های برف عبارتند از:
۱- دندریت های ستاره مانند
کلمه دندریت به معنی "درخت مانند"، ظاهر چند شاخه این بلورهای برف را توضیح می دهد.
دندریتهای ستاره مانند، شش شاخه متقارن اصلی دارند که شاخه های فرعی بسیاری روی آنها قرار گرفته است. این کریستالها قطری در حدود ۵ میلی لیتر یا بیشتر دارند اما در هر حال کاملاً مسطح هستند و ضخامتشان کمتر از ۱/۰ میلی متر است.
۲- صفحات چند بخشی
بعضی از دانه های برف شیارهایی دارند که صفحه بلور آنها را، بخش بخش کرده است و برای همین به آنها صفحات چند بخشی می گویند. این بلور ها هم مانند دندریت های ستاره ای مسطح و نازک هستند و اشکال بسیار پیچیده و متفاوتی دارند.
۳- ستونهای توخالی
هر وقت از دانه های برف حرف می زنیم، همه به یاد اشکال صفحه ای می افتند، در حالیکه بخش اعظم هر بارش برفی را بلورهای ستونی تشکیل می دهند. این ستونهای تو خالی شش گوش، شکلی شبیه به مداد دارند و سر و ته آنها مخروطهای تو خالی، درست مانند نوک تیز مداد قرار گرفته است.
۴- سوزنی ها
اگر بلورهای ستونی بسیار دراز و باریک بشوند، به سوزن شباهت پیدا می کنند. این سوزنها گاهی دارای نواحی تو خالی هستند و گاهی هم در انتهایشان بلور سوزنی شکل دیگری جوانه زده است.
۵- دندریتهای فضایی
این بلورها نه صفحه ای هستند و نه ستونی، بلکه از تعدادی بلور یخ تشکیل شده اند که به هم چسبیده اند. هر شاخه آن به یکی از بازوهای بلور ستاره ای شباهت دارد اما جهت قرار گرفتن شاخه ها نامرتب و تصادفی است.
۶- ستونهای دردار
این بلورها ابتدا به صورت ستونی رشد می کنند؛ اما در نیمه راه تغییر روش می دهند و به رشد صفحه ای می پردازند. این اتفاق زمانی روی می دهد که بلور وارد ناحیه ای با دمای متفاوت می شود.
۷- بلورهای حباب دار
دانه های برف در ابرها پدید می آیند که خود آنها از قطرات کوچک آب تشکیل شده اند. این قطرات آب در بلورهای برف منجمد می شوند و حبابهایی درست می کنند که شکلشان را در این تصاویر می بینید.
۸- بلورهای نامنظم
دانه های برف در ابرهای آشفته سرگذشت سختی دارند و برای همین شکسته، بدشکل و از شکل افتاده به زمین می رسند. بارشهای گرم، به خصوص هنگامی که باد سخت در آن ها می وزد، بیشترین مقدار بلورهای نامنظم را همراه دارند.
● برف در آزمایشگاه
شاید شما هم از خود پرسیده باشید که چطور می توان این دانه های زیبای برف را به طور مصنوعی ساخت؟ آیا می توانیم طرحهایی به زیبایی طبیعت و حتی منظم تر از آن به وجود بیاوریم؟ در واقع در آزمایشگاه با وجود شرایط کنترل شده می توانیم به این هدف دست پیدا کنیم.
این کار را با "اتافک نفوذ" شروع کنیم. این دستگاه یک جعبه عایق است که ته آن را سرد (مثلاً حدود ۴۰- درجه) و بالای آن را گرم (مثلاً حدود ۴۰درجه) نگه می داریم. یک منبع آب را هم در بالای جعبه قرار می دهیم و بخار آب به درون جعبه نفوذ می کند و هوا را کاملاً اشباع می کند. اگر از زیر اتاقک یک سیم هم وارد کنیم، بلورهای یخ روی آن رشد می کنند. با اعمال کردن ولتاژ بالا مثلاً حدود ۲۰۰۰ ولت می توانیم به بازده بالایی دست پیدا کنیم.
اگر با حوصله باشیم می توانیم در فاصله های زمانی منظم از بلور در حال رشد عکس بگیریم و به این ترتیب، یک فیلم درست کنیم. چند نمونه از این فیلم ها را می توانید در اینجا ببینید.
اما شاید بخواهید خودتان هم برف بسازید. خوب دست به کار شوید! ساده، ارزان و بامزه است!
●● خودتان برف بسازید
● مواد لازم:
کمی یخ خشک
یک بطری کوچک نوشابه پلاستیکی
چهار سوزن بلند
یک گیره کاغذ
۳ لیوان بزرگ آبمیوه ( از همین لیوانها که از فوم پلی استایرین هستند)
یک تکه اسفنج
یک سوزن خیاطی بزرگ
چند حوله کاغذی
▪ قدم اول: بعد از شستن و خشک کردن بطری نوشابه، حدود یک و نیم سانت پایین تر از ته بطری را با چاقوی تیز ببرید. وسط ته بطری را با استفاده از سوزن خیاطی سوراخ کنید و چهار سوراخ هم در اطراف ته بطری درست کنید.
درون بطری اسفنج گرد را جای دهید و با چهار سوزن که از سوراخها رد می کنید، آن را در جایش محکم کنید.
▪ قدم دوم: نخ نایلونی نازک را از سوراخ سوزن وارد کنید و سوزن را درون سوراخ ته بطری و اسفنج فرو کنید. مجموعه را با چسب محکم کنید. انتهای دیگر را گره بزنید که بتوانید گیره کاغذ را نگه دارد. وقتی بطری را کامل و وارونه کردیم، این خط باید آزادانه درست مثل تصویر آویزان باشد.
▪ قدم سوم: بطری را مانند شکل وارونه درون ۳ لیوان قرار دهید. بین دیواره های بطری و لبه بالایی لیوانها باید حدود ۵/۲ سانتی متر فاصله باشد.
▪ قدم چهارم: در اتاقکتان یعنی ( ته بطری + اسفنج) را بردارید، اسنفج را با آب بشر خیس کنید و سرجایش بگذارید.
▪ قدم پنجم: حالا نوبت سرد کردن اتافک است. این کار را باید با یخ خشک انجام دهید. یخ خشک، قالبهای منجمد دی اکسید کربن است. کارکردن با آن آسان ولی بی خطر است اما چون دمای آن حدود ۶۰- درجه است، برای کار کردن با آن به دستکش احتیاج دارید. یخ خشک را درون دو پلاستیک بریزید و با چکش خرد کنید. یخ خشک نرمتر از یخ معمولی است و به آسانی خرد می شود. با قاشق آنها را دور اتاقک بریزید و لیوانها را تا لب پر کنید.
▪ قدم ششم: حالا تماشا کنید! بعد از ۵ تا ۱۰ دقیقه در انتهاب نخ بلور پدید می آید و بعد از ۲۰ دقیقه بلور بسیار زیبایی خواهید داشت. اگر از ذره بین استفاده کنید، خیلی بهتر است.● یک برف دوست واقعی
آیا برف را دوست دارید؟ مسلماً در کودکی همه بچه ها از برف بازی کردن لذت می برند. اما همین بچه ها وقتی بزرگ می شوند دیگر چندان توجهی به آن دانه های زیبایی که آن همه شادی برایشان می آورده است، ندارند.
ولی بعضی آدم بزرگ ها هم بوده اند که به برف علاقه داشته اند. بعضی از آنها واقعاً آدم های " بزرگی" بوده اند. مثلاً یوهانس کپلر، همان کسی که قوانین حرکت سیارات منظومه شمسی را پیدا کرد، اولین است که راجع به شش گوش بودن بلورهای برف مقاله علمی نوشته و به این نتیجه رسیده است که بین این که گلوله های آهنی وقتی به طور شش گوشه چیده می شوند، بیشترین فشردگی را دارند؛ و نحوه پدید آمدن بلور یخ شباهتهایی وجود دارد.
آدم "بزرگ" بعدی رنه دکارت است، همان ریاضیدان و فیلسوف معروف فرانسوی که اولین توصیف دقیق از بلورهای برف به قلم اوست. البته او هم میکروسکوپ در اختیار نداشت.
رابرت هوک فیزیکدان، اولین کسی است که با میکروسکوپ به تماشای دنیای بسیار کوچک پرداخت و طبیعتاً دانه های زیبای برف را هم تماشا کرد و سعی کرد با طراحی های دقیق آنها را ثبت کند.
اما برف دوست واقعی! شاید بهتر باشد این لقب را به ویلسون بنتلی بدهیم:
● مرد دانه برفی
" زیر میکروسکوپ، دریافتم که دانه های برف، معجزه هایی از زیبایی هستند و شرم آور است که دیگران این زیبایی را نمی بینند و آن را تحسین نمی کنند. هر بلور، شاهکاری از طراحی است که تکرار نمیشود و با ذوب شدن هر دانه برف، طراحی زیبایش برای همیشه محو می شود. آن همه زیبایی، بی آنکه هیچ ردی از آن بماند، از بین می رود..."
ویلسون بنتلی (۱۹۳۱-۱۸۶۵) یک کشاورز خود ساخته و خود آموخته آمریکایی بود که توجه دنیا را با عکسهایی که از موجودات بسیار کوچک می انداخت، به خود جلب کرد. معروفترین کار او، مجموعه عکسهایش از دانه های برف است که با نصب کردن یک میکروسکوپ به لنز دوربین و سالها سعی وخطا موفق به جمع آوری آنها شد.
اولین عکس از تک بلور برف در ۱۸۸۵ توسط او ثبت شد و پس از آن از بیش از ۵۰۰۰ دانه برف در طول عمرش عکسبرداری کرد و به این نکته دست یافت که هیچ کدام به هم شباهت ندارند.
او مقالات بسیاری در مجلات معتبر به چاپ رساند و در ۱۹۳۱ کتابش با عنوان "بلورهای برف" با بیش از ۲۴۰۰ تصویر به چاپ رسید. عاقبت در ۱۹۳۱ در حالی درگذشت که تلاش و علاقه اش او را در دنیا به لقب " مرد دانه برفی" مشهور کرده بود.
●● برف بازی
▪ میخهای یخی
میخهای یخی ساختارهای یخی عجیبی هستند که گاهی اوقات در ظرفهای یخسازی پدید می آیند. این شکلهای میخ مانند فقط از جنس یخ هستند و پدید آمدنشان به دلیل یک اتفاق فیزیکی جالب است. به این عکسها نگاه کنید. این ظرفهای یخ در فریزرهای معمولی خانگی قرار داشته اند. ببینید که شکل میخهای یخی چقدر شبیه استالاگمیت های آهکی موجود در غارهاست. اما در فریزر، مثل غار، ریزش آب وجود ندارد که دلیل پیدایش این میخها باشد. می خواهید شما هم از این میخها درست کنید؟ ساده است، ظرف یخ را بردارید و آنرا از آب مقطر پر کنید و توی فریزر بگذارید!
اما چرا چنین شکلهایی درست می شوند؟ وجود میخها در اثر فرآیند یخ بستن آب است. موقع یخ بستن، ابتدا لایه سطحی نزدیک به دیوارهای ظرف سرد شده و یخ می بندد. یخ از سوی گوشه ها و دیواره ها شروع می شود و رشد می کند تا این جبهه های یخی به وسط ظرف می رسد و فقط یک سوراخ کوچک یخ نبسته در سطح آب ظرف با قی می ماند.
در همین زمان که سطح آب در حال انجماد است، در گوشه ها و دیوارهای ظرف مقدار بیشتری آب یخ می زند و چون آب منجمد انبساط پیدا می کند، یخ موجود در زیر سطح به آب فشار وارد می کند تا از سوراخ بیرون بزند. (شکل زیر را ببینید) اگر شرایط فراهم باشد، آب از سوراخ بیرون می زند و به شکل میخ یخ می زند. درست همان طور که گدازه از زمین بیرون می ریزد. البته گدازه در اطراف آتشفشان جاری می شود اما میخ یخی، صاف بیرون می زند و گاهی ارتفاع ستون یخی به ۶۰ میلی متر هم می رسد.
اما چرا در ظرفی معمولی یخ ما چنین پدیده ای دیده نمی شود؟ دلیل وجود املاح و نمکهایی است که به طور معمول در آب شیر وجود دارند. وجود فقط مقدار اندکی نمک احتمال رخ دادن این پدیده را به کلی از بین می برد. به این نمودار نگاه کنید که احتمال پدید آمدن میخی را به شکل تابعی از غلظت نمک در آب نشان می دهد.
دما هم در موفقیت آزمایش اهمیت زیادی دارد. بهترین دما اندکی زیر نقطه انجماد است. در دماهای خیلی پایین سوراخ زود بسته شده و میخ درست نمی شود. بنابراین دمای فریزرتان نباید خیلی خیلی پایین باشد.
حالا به این سوال پاسخ بدهید: اگر یک پنکه در فریزرمان بگذاریم، میخی یخی زودتر تشکیل می شود یا دیرتر؟
● فسیل برفی
تماشاکردن دانه های برف، در سرمای محیط بیرون از خانه، ممکن است عواقبی مثل سرماخوردگی در پی داشته باشد. اما می شود بلورهای برف تازه را طوری نگهداری کرد که در خانه هم قابل تماشا باشند. روش این کار به روش ساخته شدن فسیل شباهت زیادی دارد. برای همین اسمش را "فسیل برفی" می گذاریم.
برای درست کردن فسیل برفی دو راه وجود دارد: راه سخت و با دقت و راه آسانتر
● راه سخت:
یک راه معمول، درست کردن نمونه های پلاستیکی از بلورهای برف است. برای این کار هم به حدود یک گرم زرین پلی وینیل استال با نام تجاری فرموار و هم به ۱۰۰ میلی لیتر دی کلرید اتیلن احتیاج دارید تا یک معلول رقیق بسازید. بعد باید روی یک تیغه شیشه ای را به این محلول آغشته کنید و آن را تا زیر صفر درجه، سرد کنید. دقت کنید که اینها مواد شیمیایی هستند و برای بدن زیانبارند. بعد از این کار، تیغه را زیر بارش برف بگیرید. بعد از اینکه چند دانه برف شکار کردید، تیغه را در جای سردی بگذارید تا حلال آن تبخیر شود و بپرد. این کار حدودا پنج دقیقه زمان می برد. بعد از خشک شدن تیغه، آن را گرم کنید. آب محبوس در پلاستیک بیرون می رود و شما می توانید جای پای بلور را ببینید. همه این مراحل را باید با صبر و حوصله انجام دهید تا شکل بلور دچار تغییر نشود.
● راه ساده:
یک راه ساده و موثر دیگر استفاده از اسپری رنگ شفاف اکریلیک است که می توان آن را به راحتی از مغازه ها خرید. باید اسپری را در محل سردی نگه داشت. بعد از آن به روی بلورها پاشید. البته بسیار آهسته و با مقدار کم تا حلال موجود در رنگ، بلورها را آب نکند. برای رسیدن به بهترین نتیجه بهتر است یک تیغه شیشه ای را با رنگ اکریلیک پوشش دهیم و دانه های برف را با آن بگیریم و بعد دوباره از اسپری استفاده کنیم تصویر زیر، نمونه ای است که به همین روش تهیه شده است.