Kepler – kristálytan – először lencsevégen
A hópelyhek tudományos vizsgálódását Johannes Kepler (Németország, 1571. december 27. – Bajorország, 1630. november 15) német matematikus és csillagász, a bolygómozgások törvényeinek felfedezője (Kepler – törvények) kezdte.
Megfigyelte a hópelyhek szimmetriáját. 1611 – ben írta meg De nive sexangula (A hatszögletű hópehelyről) címen megjelent tanulmányát, melyben leírja, hogy bár minden hópehely másként néz ki, mindegyik hatszögletű, amiből következhet, hogy létrejöttük egy hatszögletű, szimmetrikus maggal kezdődik. Kepler úgy gondolta, hogy azonos térfogatba akkor lehet a legtöbb gömb alakú tárgyat elhelyezni, ha gúla alakzatot használunk (ezen elméletének helyességét 1998 – ban bizonyították). Megfigyelései a kristálytan kialakulásához is hozzájárultak.
1665 – ben megjelent Micrographia című műve, Robert Hooke (Wight-sziget, 1635. július 18 – Anglia, 1703. március 3) angol tudós, polihisztornak, melyben egyebek mellett a hópelyhekről való megfigyelései is szerepeltek. Hooke már mikroszkóp alatt vizsgálta a hópelyheket. Felismerte, hogy alapjában minden hópehely hatszögletű, amit ahhoz kötött, hogy a vízmolekulák kristályszerkezete alkot hatszögletű rácsot. A hópehely méretét a a vízgőz molekulák jégkristályra tapadásával magyarázta, amik a rácsot követve épülnek be. A hópelyhek formáit az időjárás milyenségéhez kötötte. Vizsgálódásai szintén a kristálytan alapjaihoz is hozzájárultak.
1885. január 15 – én elkészült az első fotó egy hópehelyről. Később több, mint 5000 – ről, melyek közt nem volt egyforma. Ezzel bizonyítandó, hogy minden hópehely egyedi és megismételhetetlen. Wilson Alwyn „Snowflake” Bentley (USA, 1865. február 9 – USA, 1931. december 23) amerikai meteorológus, fényképész egy fényképezőgépet erősített egy mikroszkóp aljára, és a kísérletezések sorozata végül sikerrel járt. A „Hópelyhek atyjáról” ITT tudhatsz meg többet.
A mesterséges hókristály
1933 – ban, laboratóriumi körülmények között létrejött az első mesterséges hópehely.
Véletlenül.
Ukichiro Nakaya (1900. július 4. – 1962. április 11.) japán fizikus és tudományos esszéíró 1933 – tól vizsgálta, fotózta a hókristályokat. Több, mint 3000 képet készített és 7 fő, plusz számos altípusba sorolta a hókristályokat. Ezen vizsgálódásai során jött az ötlet a mesterséges hókristály létrehozására.
Egy dupla üvegű kémcsőben vízgőzt hozott létre, amit hirtelen hűtött le, de eredménytelen volt ez a módszer. A laboratóriumi körülmények között létrejövő hókristálynak szüksége van egy mesterséges „magra”, ami köré kristályosodhat. Pamut és gyapjúszállal próbálkoztak, ám ez is sikertelen volt. Egy nap a laborban azonban egy nyúlszőrön Nakaya egy hókristályt talált.
Ez volt az áttörés, ám tudatosan csak 1936. március 12 – én sikerült előállítani mesterségesen az első hókristályt, ugyanúgy nyúlszőrt használva. A kutatásai során rájött, hogy a hókristályok növekedésének módja erősen függ a felhők hőmérsékletétől és páratartalmától. Az ez alapján összeállított morfológiai diagram (Nakayama diagram) mai napig használatos, kiegészülve.
Hópehely, hókristály vagy fagyott vízgőz?
Kezdjük azzal, hogy a hópelyhek nem fagyott esőcseppek. A fagyott esőcseppeket ónos esőnek hívjuk.
0 C° fok alatt képződő csapadék. A hópehely valójában hókristályokból áll, amik jégrészecskékből, amik vízmolekulákból állnak. Akkor születik, amikor a levegőben lévő vízgőz közvetlenül jéggé alakul rátapadva a levegőben szálló porszemcséhez anélkül, hogy először folyékony vízzé válna. Több száz vagy akár több ezer hókristály ütközik össze, és zuhanás közben összetapad a levegőben, vékony golyócskákat képezve. Ezeket hívjuk hópehelynek.
A hókristály egy kis, hatszögletű lemez kialakulásával kezdődik, annak hat sarkából ágak sarjadnak, amikor a kristály megnő. Ahogy a felhők között bukdácsol, a kristály folyamatosan változó hőmérsékletnek és páratartalomnak van kitéve, minek következtében másképp növeszti a karokat. A végső hókristály pontos alakját a felhőkön áthaladó pontos út határozza meg. De a hat kar mind ugyanazt az utat járta be, ugyanannyi idő alatt, így mindegyik egyforma lesz. Így a hókristály hat karja a legtöbb esetben szinkronban nő, összetett, mégis majdnem szimmetrikus formát létrehozva. És mivel nincs két hókristály, amely pontosan ugyanazt az utat követi a felhőkön keresztül, amikor leesik, nincs két teljesen egyforma kinézetű.
A hókristályok növekedésének módja, szerkezete erősen függ a felhők hőmérsékletétől és páratartalmától, ahogyan azt Nakaya megfejtette.
A hópelyhek titkos élete és egyéb érdekességek
Általában sípályákon alkalmazzák a mesterséges havat hóágyúval. A hóágyú úgy működik, hogy fagypont alatti hőmérsékleten apró cseppekre porlasztott vizet fújnak egy ventilátor elé, amik a levegőben megfagynak. Ebben az esetben nem alakul kristályos szerkezet, mint a természetes hónál.
Dr. Kenneth G. Libbrecht (USA, 1985 – ) amerikai fizikus, a California Institute of Technology, Caltech professzora az 1990 – es évek vége óta foglalkozik a a hópelyhekkel és több, mint 10 000 képet készített már róluk. Létrehozta a snowcrystals.com honlapot, ahol rengeteg érdekességgel találkozhatunk a hókristályokról és jó néhány mikrofotográfiával róluk. Rengeteg tanulmányt, és néhány könyvet is publikált képeivel egyetemben a témában. Ilyen például: The Secret Life of the Snowflake, avagy Egy Hópehely Titkos Élete. =)
Mind emellett a Frozen, azaz a Jégvarázs mese tudományos tanácsadója volt hópehely ügyben. Képeiből az amerikai posta 4 darabot választott ki 2006 – ban, amit 3 milliárd példányban nyomtattak. 2010 – ben Libbrecht Lennart Nilsson – díjat (tudományos fotózást elismerő, svéd díj) kapott. A díjhoz kapcsolódóan a svéd posta, a PostNord bélyegsorozatot adott ki néhány képéből.
A legkisebb hópelyheket gyémántpor kristályoknak hívjuk, és olyan kicsik lehetnek, mint egy emberi hajszál átmérője.
A legújabb becslések szerint a világ lakosságának mintegy fele még soha nem látott havat közelről.
A Föld vizének körülbelül 98%-a az óceánokban található, 2%-a pedig édesvíz. Az édesvíz körülbelül 90%-a tartósan fagyott, többnyire az Antarktisz és Grönland jégtakarójába zárva.
Be a Nerdy Bird!
Amennyiben tetszett a cikk és van Instagram fiókod, kérlek nyomj egy szívet visszajelzésként az alábbi posztra. =)
