أسرار البرد: خبير ندفة الثلج الذي يخشى عالماً أكثر دفئاً | ثلج

Fمن الأعمدة البلورية إلى النجوم الشبيهة بالسرخس، تأتي رقاقات الثلج في مجموعة متنوعة من الأشكال والأنماط. أكثر أنواع الخريف تعقيدًا هي تلك التي تقع عندما يكون البرد شديدًا، ولن يتمكن من دراستها سوى المراقب الأكثر تفانيًا. ولكن مع ارتفاع درجات الحرارة، فمن المرجح أن تصبح هذه البلورات الجليدية أقل إثارة للاهتمام، كما يقول خبير ندفة الثلج الرائد في العالم.

نشأ الدكتور كينيث جي ليبرخت في داكوتا الشمالية، حيث يشكل الثلج الشكل الرئيسي لهطول الأمطار بين نوفمبر ومارس، ولكن لم يبدأ في دراسة كيفية تشكيل رقاقات الثلج لأشكالها المعقدة التي لا تعد ولا تحصى إلا بعد انتقاله إلى جنوب كاليفورنيا. يقول: “لقد كنت مهتمًا بكيفية نمو البلورات وتشكيل الأنماط، مما قادني إلى رقاقات الثلج لأن الجليد يصنع أنماطًا مثيرة جدًا أثناء نموه”.

أشارت التجارب التي أجريت في ثلاثينيات القرن العشرين إلى أن درجات الحرارة والرطوبة المختلفة تؤثر على نوع البلورات التي تتشكل: هياكل صغيرة تشبه الصفائح عند حوالي -2 درجة مئوية؛ أعمدة وإبر تشبه قلم الرصاص عند -5 درجة مئوية؛ وألواح ونجوم أكثر تعقيدًا عند -15 درجة مئوية. لكن هذه الاختبارات لم تقدم أي تفسير لسبب حدوث ذلك.

لذلك، منذ حوالي 20 عامًا، بدأ ليبرشت في زراعة رقاقات الثلج الخاصة به لقياس نموها بشكل منهجي في ظل ظروف مختلفة وتفكيك الآليات.

قام بتصميم هذه “رقاقات الثلج المصممة” داخل غرفة تجميد معزولة ثقيلة في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا في جنوب كاليفورنيا المشمس – مما يعني أن درجة الحرارة يمكن أن تصل إلى 32 درجة مئوية في الخارج، ولكنها لا تزال شديدة البرودة بما يكفي لإنشاء موجات من رقاقات الثلج، أو تنمية بلورات فردية في نهاية إبرة الجليد. يقول ليبرشت: “لقد نشأت في ولاية داكوتا الشمالية، لذا أمضيت وقتي في البرد”.

يتم تشبع الهواء المتجمد داخل الحجرة ببخار الماء، ومن ثم يتم استخدام نفخة من الهواء المضغوط لبدء عملية التبلور – حيث تنمو البلورات بشكل أكبر مع سقوطها. يعرض المجهر المدمج صور هذه البلورات على شاشة خارجية، ويستخدم ليبرشت أشعة الليزر لقياس أبعادها الدقيقة.

من بين ندفات الثلج المفضلة لديه “الأعمدة المغطاة” – أعمدة سداسية ذات بلورات تشبه الألواح في كلا الطرفين، “مثل محور بعجلتين”، كما يقول ليبرشت. “إنها ليست شائعة، ولكن من السهل جدًا العثور عليها إذا بحثت عنها.” بعد وقت قصير من قراءته عن هذه البلورات خلال مسيرته المبكرة في مجال رقاقات الثلج، عاد ليبرشت إلى منزله في داكوتا الشمالية في وقت عيد الميلاد، وخرج وشاهد بعضًا منها في محاولته الأولى. “لقد كنت مذهولاً للغاية، لأن هناك هذا الشكل غير المعتاد لندفة الثلج، وكان بإمكاني الخروج ورؤيته.”

في عام 2021، نشر ليبرشت ثمار جهوده لفهم سبب نمو بلورات الجليد بالطريقة التي تنمو بها: دراسة مكونة من 523 صفحة تحدد نظرية موحدة كبيرة لرقاقات الثلج. على الرغم من أنه وصفها بأنها “معقدة نوعًا ما” لتفسيرها، إلا أن المبدأ الرئيسي هو ظاهرة تسمى الانصهار السطحي المسبق، حيث تكون الجزيئات الخارجية لبلورة الجليد أقل ارتباطًا بإحكام، ويمكن أن تهتز فيما يسمى بما يسمى “الذوبان المسبق للسطح”. – طبقة سائلة. يقول ليبرشت: “مع تغير درجة الحرارة، تتغير الطبقة المنصهرة مسبقًا، وهذا هو السبب الكامن وراء تغير نمو البلورات مع درجة الحرارة”.

وفي الآونة الأخيرة، اقترح حلاً لغزًا آخر طويل الأمد: لماذا تتشكل رقاقات الثلج المثلثة أحيانًا؟ في حين أن جزيئات الجليد عادة ما ترتب نفسها في هياكل سداسية، فإن هذه البلورات لها ثلاثة جوانب طويلة مع زوايا مبتورة – وعلى الرغم من أنها لا تزال سداسية، فإنها تبدو مثل مثلثات صغيرة. لقد تم توثيقها منذ حوالي 150 عامًا من قبل صيادي الحيتان الذين قاموا بمسح المحيط المتجمد الشمالي، وكانت ندرتها وسبب تشكلها بمثابة ألغاز لا تزال قائمة.

يقول ليبرخت: «من خلال ملاحظاتي الخاصة، لاحظت أنه عندما ترى واحدة، فإنك غالبًا ما ترى المزيد منها في نفس الوقت، لذلك كانت هناك بعض الظروف التي يبدو أنها تصنع رقاقات ثلجية مثلثة في كثير من الأحيان.

“توقع النموذج الخاص بي أن درجة الحرارة ستكون حوالي -14 درجة مئوية وبنسبة رطوبة مناسبة تمامًا، ولذا ذهبت إلى المختبر والآن يمكنني زراعة رقاقات الثلج المثلثة هذه حسب الطلب.”

لقد نجح أيضًا في زراعة رقاقات ثلجية “توأم متطابق” على أطراف إبر الجليد، مما يبدد القول المأثور القائل بأنه لا توجد رقاقات ثلج متماثلة على الإطلاق. “إنهما ليسا متطابقين تمامًا حتى الجزيء الأخير. لكنهم متشابهون للغاية، مثل التوأم المتماثل.

السبب الذي يجعل رقاقات الثلج في العالم الحقيقي تبدو مختلفة تمامًا عن بعضها البعض هو أن الظروف التي تتعرض لها أثناء تساقطها عبر السحب وتطايرها تتغير باستمرار. يقول ليبرشت: “تتخذ كل بلورة مسارًا مختلفًا إلى حد ما عبر السحب، وبالتالي تنمو كل بلورة بشكل مختلف قليلاً”.

بعض من أجمل رقاقات الثلج الطبيعية التي لاحظها كانت في شمال السويد. “إذا كنت تريد رقاقات ثلجية جميلة حقًا مثل تلك التي تراها في زينة العطلات، فأنت بحاجة إلى درجات حرارة تبلغ حوالي -15 درجة مئوية – وعليك أن تذهب شمالًا للحصول على درجات الحرارة هذه أكثر مما اعتدت عليه.”

في الواقع، فإن الرجل الذي صاغ عبارة “لا يوجد رقاقات ثلج متشابهة” كان مزارعًا من ولاية فيرمونت يُدعى ويلسون بنتلي، وقد قام بتصوير أكثر من 5000 بلورة ثلجية قبل وفاته في عام 1931. “إن الطقس أكثر دفئًا في فيرمونت مما كان عليه من قبل، “وبالتالي لا ترى رقاقات ثلج جميلة” – وهو ما لن يلاحظه أي شخص ما لم يخرج إلى هناك حاملاً عدسة مكبرة، كما يقول ليبرشت.

لكنه ينصح الناس بذلك. “بالعين المجردة، لا ترى ما يكفي لتقديرها حقًا، ولكن باستخدام عدسة مكبرة قياسية 5x يمكنك رؤية الكثير من الأشياء الرائعة.

“الجانب السلبي لإخبار الناس بذلك هو أنهم يحبون الخروج عندما تكون درجة الحرارة أقل من درجة التجمد، وبالتالي فإن البلورات ليست لطيفة تمامًا. عليك أن تخرج عندما يكون الجو باردًا جدًا.”