December örök kérdése: lesz-e fehér karácsony? Tudományos szempontból ez a feladvány bántóan leegyszerűsítő. És nem azért, mert a meteorológus nehezen tud erre válaszolni hetekkel szenteste előtt: a kristályosodás tudományán belül a hópelyhek formálódása ma már komoly kutatási terület, a legújabb besorolás szerint a hópihéknek nem kevesebb mint százhuszonegy osztályuk van.
Bár a hópelyhek jellegzetes formája talán a tél legközismertebb jelképe, a jégkristályok ágas-bogas felépülésének pontos mechanizmusa továbbra is rejtély a kémikusok előtt. Más kristályoktól gyökeresen elérő módon ugyanis a jégkristály alakja végletesen függ a hőmérséklettől és a páratartalomtól.
„Milyen hatalmas kreatív zsenialitásnak kell a levegőben lennie, amely létrehozta ezeket [a hópelyheket]. Ha igazi csillagok hullanának az égből, és pihennének meg a kabátomon, azokat sem csodálnám jobban” – írta 1856-ban naplójába az amerikai író, természetbúvár és filozófus, Henry David Thoreau. Sok kutató máig osztja Thoreau rajongását, a hópelyhek formálódása a kristályosodás tudományán belül önálló kutatási területet képez.
A tudományág alapítójának Wilson Bentleyt tekintik, aki a XIX. század vége felé a világon először dolgozta ki a hópelyhek mikrofotográfiájának technikáját. Ez abban az időben azért volt rendkívül körülményes feladat, mert a kor fényképezőgépei lassabban exponáltak, mint amilyen gyorsan a pelyhek elolvadtak. Bentley évtizedek kísérletezgetése után megtalálta a legjobb, fekete bársony hátteret, a pelyheket finom tollal kapta el, majd másfél perc alatt fényképezte le őket a mikroszkóp alatt. Életében több mint ötezer pehely képét rögzítette, és ő ismerte fel először, hogy a hatos szám fontos a jégkristályok kialakulásában.
Bentley munkássága meggyőzte az embereket arról, hogy nem létezik két teljesen egyforma hópihe. Bár két tökéletesen megegyező kristályszerkezet létrejöttének – legalábbis molekuláris szinten – gyakorlatilag zérus a valószínűsége, egyedinek mégsem nevezhetők a hópelyhek. Ma már ugyanis meglehetősen jól értjük azokat a krisztallográfiai függvényeket, amelyek szerint létrejönnek. A bölcsesség tudományosan megalapozott változata tehát így hangozna: a hópelyhek alakja előre jelezhető módon sokféle, idézi a Forbes magazin Adrian Bejant, a Duke Egyetem professzorát.
Alakjuk szerint ez alapján kategorizálhatók is a pelyhek. E törekvés immár nyolcvan éve foglalkoztatja a kristálykutatókat, 1930-ban még csak 21 alakkategóriát határoztak meg, majd a csoportok száma folyamatosan nőtt. A legutóbb ilyen témájú tanulmány már 121 osztályt állított föl. Vannak közöttük oszlop- és lapkristályok, szabálytalan alakú jégtörmelékek és ezek számtalan keveréke. A kristályszerkezet függ a hőmérséklettől és a levegő páratartalmától, ami nagyon furcsa, és mindmáig fejvakarásra készteti a kutatókat.
– Hetvenöt évvel ezelőtt fedezték föl, hogy a jégkristályok másképp növekszenek különböző hőmérsékleteken, és ennek oka még ma is rejtély – nyilatkozta lapunknak küldött e-mailjében a hópelyhek kutatásának talán legelismertebb szaktekintélye, a Kaliforniai Műszaki Egyetem (Caltech) professzora, Kenneth Libbrecht. – Engem a kristálynövekedés molekuláris dinamikája érdekel a legjobban. Ebbe beleértem az összes kristálytípust, de a jég a fent említett jelenség miatt különleges. Nagyon szeretném megérteni, hogy mi a kristálynövekedés hőmérsékletfüggésének mechanizmusa.
A hópelyhek formálódása a hófelhőkben sodródó por- vagy más szilárd szemcsékkel kezdődik. Ha ugyanis nincs szilárd alap, nem (pontosabban nagyon nehezen) kezdődhet meg a kristályosodás. Még akkor sem, ha a felhőt alkotó rengeteg, rendkívül apró páracsepp hőmérséklete fagypont alá csökken (tehát túlhűtötté válik). A szemcsék felületén azonban megindulhat a jegesedés, a páracseppek pedig fokozatosan ráfagynak az épülő hópelyhek felületére.
A pihék alakja szempontjából természetesen nem mindegy, hogy a szemcsén pontosan milyen elrendezésben épülnek be a kristályszerkezetbe a vízmolekulák. A már idézett Bejan kutatásaiból kitűnik, hogy erre a jégkristály és a felületén található folyékony víz közötti hőáramlás van a legnagyobb hatással. A jég ugyanis, meglepő módon, melegebb, mint a környezete, így a hő a jég felől áramlik kifelé. A kísérletek kimutatták, hogy a hőleadás leghatékonyabb módja, ha hat tűszerű kristályágat növeszt a jég, mégpedig egy síkban, szabályos hatszög alakban. Az ágak ezután hasonló elvek szerint ágaznak tovább, de csak a kristályosodási központtól távolodó irányokban.
De nem csak a norvég mintás, kötött pulóverekről jól ismert, gráfszerűen elágazó jégkristályok léteznek. Ezek a lapos kristályformák általában nulla és –3, illetve –10 és –22 Celsius-fok közötti hőmérsékleten képződnek. –3 és –10 fok között sokkal egyszerűbb, hatszöges alapú prizmák, oszlopok vagy vékony tűszerű kristályok jönnek létre a hófelhőkben. –22 Celsius-fok alatt pedig a lapos és az oszlopos kristályok vegyesen alakulnak. Amint látható, nem lehet egyszerű, egyértelmű összefüggést felállítani az egyre alacsonyabb hőmérséklet és hópelyhek alakja között. Ha ez nem lenne eléggé bonyolult, a levegő páratartalma is szerepet játszik a kristályalak létrejöttében: ha párásabb a levegő, általában összetettebb formák születnek.
2014. december 18.
