Ocak ayında, genellikle Türkiye’de çok kar yağar. Bu yıl maalesef öyle olmadı. Kar kristallerini gözlemlemek ve daha yakından tanımak için harika bir zaman. Bakalım onları sevecek misiniz?
“Her bir kristal, bir tasarım harikasıydı ve hiçbiri birbirinin aynı değildi. Bir kar kristali eridiği zaman tasarım sonsuza dek yok oluyordu. Bu güzellik, arkasında hiçbir iz bırakmadan gidiyordu.” Bu sözler, yaşamının önemli bir bölümünü kar kristallerini incelemeye ve onların fotoğraflarını çekmeye adamış ABD’li Wilson Bentley’e ait.
Bentley, gerçekte bir çiftçiydi. Kendini çok iyi yetiştirmiş bir kişiydi ve 1885 yılında mikroskopik büyüklükteki kar kristallerinin ilk fotoğraflarını çekerek bu alanda öncü olmuştu. Bunu, fotoğraf makinesine uydurduğu bir mikroskop yardımıyla yapmıştı. Bentley, yaşamı boyunca 5000’den fazla kar kristali fotoğrafı çekti ve bunların bir kısmını kitabında yayımladı.
Bu süre içinde, bir yandan da hiçbir kar kristalinin birbiriyle aynı olmadığını gözlemlemişti. Her adım bir sonraki adımın habercisidir. İşte, kar kristallerini inceleme konusunda bir sonraki adım da Japonya’daki Hokkaido Üniversitesi’nden bir fizikçiden geldi. Bentley’in kitabından esinlenen Ukichiro Nakaya, 1932’de kar kristalleri üzerinde araştırma yapmaya başladı. Hokkaido’da dağlarda kar kristallerini gözlemledi ve birkaç yıl içinde 3000’den fazla fotoğraf çekti.
Başlangıçta kar kristallerinin yapılarına göre sınıflandırmasını yaptı. Daha sonra da, yaklaşık tüm kar kristali çeşitlerini laboratuvarda üretmeyi başaran ilk kişi oldu.
Sonuç olarak, kar kristallerinin biçimleri ve atmosfer koşulları arasındaki ilişkileri saptadı. Bulduğu sonuçları, “Nakaya Diyagramı” olarak adlandırılan bir çizimde bir araya getirdi. Yenilenmiş haliyle bugün de kullanılan bu diyagram, kar kristallerinde “yazılı” olan meteorolojik bilgilerin kolay anlaşılabilmesini sağlar. Nakaya da, zaten kar kristallerini “gökyüzünden gelen mektuplar” olarak tanımlardı.
Bu iki önemli adımdan sonra, başka bilimadamları da bu konuda çalışmalarını sürdürdüler ve hala da sürdürüyorlar.
Kristal yapı, moleküllerin özel bir düzenleniş biçimidir. Moleküller, kristal kafes yapı denilen bir biçimde bir araya gelirler. Buzun yapısındaki su molekülleri altıgen bir kafes oluştururlar. Bu nedenle kar kristalleri çoğunlukla altıgen prizma biçiminde olurlar. Bunun nedeni, kimi yüzeylerinin çok yavaş büyümesidir. Altıgen prizmanın, altıgen biçimli iki taban yüzeyi ve dikdörtgen biçimli altı prizma yüzeyi bulunur. Altıgen prizma, hangi yüzeylerinin daha hızlı büyüdüğüne bağlı olarak levha ya da sütun biçimli olabilir. Bunlar, farklı iklim koşullarının etkisiyle kimi zaman sıradışı ve karmaşık biçimler de oluşturabilirler.
Laboratuvarda yapılan çalışmalarda kar kristallerinin farklı biçimlerde oluşmasının, ortam sıcaklığına ve neme bağlı olduğu belirlenmiş. Bu da “morfoloji diyagramında” gösterilmiş (morfoloji, biçimbilim anlamına gelir). Bu diyagrama göre, kristal biçiminin temelde sıcaklığa bağlı olarak belirlendiği görülüyor. -2°C civarında levha, -5°C civarında sütun, -15°C civarında yine levha, -30°C civarında levha ve sütun biçiminde oluyorlar. Ayrıca daha düşük nem oranında daha basit biçimler, yüksek nem oranında daha karmaşık biçimler oluşturduklarını görebilirsiniz. Nem çok yüksekken -5°C civarında uzun iğneler, -15°C civarında büyük kalın levhalar oluşuyor.
Bir kar kristalinin oluşumu, bulutlarda çok küçük bir toz taneciğiyle başlar. Bu toz taneciği, su buharı moleküllerinin kendi üzerinde yoğunlaşmasına ve buz kristaline dönüşmesine olanak sağlar. Su buharı moleküllerinin buz kristallerine dönüşümü, donma noktası olan 0°C’den düşük bir sıcaklıkta gerçekleşir. Buz kristalleri büyüyüp birbirlerine yapıştıklarında da kar tanecikleri oluşur. Kar tanecikleri bulutlarda tutulamayacak kadar ağır olduklarında da yere düşerler. Yere yakın bölgelerde hava sıcaklığı donma noktasının altındaysa kar, sıcaklık donma noktasının üzerindeyse eriyerek su damlacıklarına dönüşür ve yağmur halinde inerler. Kimi zaman kar ve yağmur karışık olarak düşer; buna da sulusepken adı verilir. Yağış türünü belirleyen bir etken de hava sıcaklığıdır. Kar kristali, dolu taneciğinden de farklıdır. Kar kristali su buharının donmasıyla, dolu da yağmur damlalarının donması sonucunda oluşur. Bu nedenle dolu tanecikleri, kar kristallerinin düzenlenişine sahip değildir.
Bir buz kristali oluştuktan sonra, kristal üzerinde yüzey oluşumu ve dallanmayı sağlayan birtakım fiziksel olaylar gerçekleşir. Bu iki olay arasındaki denge, kristal biçimini belirler. Birincisinde, basit düzgün yüzeylerin oluşumu söz konusuyken, ikinci süreç de dallanmış bir desen oluşumunu sağlar. Her iki olay da yine sıcaklık ve nemden etkilenir. İlk olarak yüzey oluşumunu inceleyeceğiz. Suyun donarak buza dönüşmesi sonucunda su moleküllerinin bir araya gelerek altıgen biçimli bir kristal kafes oluştuğundan söz etmiştik. Bu buz kafesi altılı simetriye sahiptir. Kar kristallerinin simetrisini de zaten bu belirler. Yüzey oluşumu, kimi yüzeylerin diğerlerinden daha yavaş gelişmesine bağlı olarak gerçekleşir. Moleküler boyutta düşünecek olursak, bir buz kristalinin girintili çıkıntılı bölümleri, daha çok sayıda serbest kimyasal bağ içerir. Havadaki su molekülleri, bu girinti ve çıkıntılara tutunmak için hazırdır. Havadaki su moleküllerinin tutunduğu bu bölümler daha hızlı büyür. Girintili çıkıntılı olmayan düzgün yüzeylerse, daha az sayıda serbest kimyasal bağ içerirler. Bu düzgün yüzeylere su molekülleri kolaylıkla tutunamaz. Sonuç olarak da, bunlar girintili çıkıntılı yüzeylere göre daha yavaş gelişir. Girintili çıkıntılı bölümlerin tümü geliştikten sonra, bunlar düzgün yüzeyli hale gelirler. Kar kristallerinde yüzey oluşumu, altıgen prizma biçiminde bir gelişime neden olur. Bu olay, daha çok kristaller küçükken gerçekleşir.
Şimdi de kar kristallerinin karmaşık desenlerinin oluşabilmesini sağlayan dallanmaların nasıl gerçekleştiğini inceleyeceğiz. Havadaki su buharı molekülleri, büyümekte olan buz kristalleri üzerinde yoğunlaşma eğilimi gösterir. Su moleküllerinin kristale ulaşabilmeleri, difüzyonla gerçekleşir. (Difüzyon, moleküllerin herhangi bir ortamda homojen –her yerde eşit- olarak dağılma eğilimleridir. İçine boya katılmış sudan, boyanmamış suya bir damla damlattığınızda, boyalı su moleküllerinin difüzyonunu görebilirsiniz.) Havada gelişmekte olan düzgün yüzeyli bir buz kristali düşünün. Bu kristalin üzerinde herhangi bir yerde, bir çıkıntı oluşur. Havadaki su buharı molekülleri, kristalin diğer kısımlarına göre bu çıkıntıya daha kısa sürede ulaşır. Çıkıntıya su moleküllerinin arka arkaya ulaşmasıyla bu kısım daha önce büyümeye başlar. Daha uzaktaki su buharı moleküllerinin buz kristaline ulaşması, bu nedenle daha uzun zaman gerektirir. Sonuç olarak burada bir dal oluşur. Aynı biçimde her dalın üstünde küçük alt dallar oluşur. Dallanma, daha çok kristaller büyükken gerçekleşir.
Maddeler, ışığı geçirme bakımından ışık geçirmez, saydam ve yarısaydam olabilirler. Kar, yarısaydam bir maddedir. Yarısaydam olma durumu, ışık ışınlarının maddenin içinde düz bir yolda ilerlemediği ve maddeyi oluşturan parçacıkların ışığın yönünü değiştirdiğini belirtir. Karın içine giren bir ışık ışınının da yolu bu nedenle değişir. Işık ışını, buzdan çıkarken, girdiğinden farklı bir yoldan çıkar. Bir kar yığınına bir ışının üstten girdiğini düşünün. Buzun içinde yönü hafifçe değişir ve bir başka buz kristaline geçer. İkinci kristalde de aynı şey olur. Üst üste yığılmış kar kristalleri, üstlerine düşen ışınları bu yolla her yöne dağıtırlar. Kar kristallerinden yansıyan ve kristalin içinden geçerken kırılan ışık, tüm renkleri içerir. Bu renklerin bileşimini beyaz ışık olarak algılarız. Bu nedenle karı beyaz olarak görürüz.
Birçok araştırmacı, kar kristallerini laboratuvarda üretme çalışmaları yapıyorlar. Amaçları, doğada kendiliğinden gerçekleşen bu olayı taklit ederek, fiziksel temellerini daha iyi anlamak. Sonuçta ürettikleri kristallerin doğadakilerden bir farkı olmuyor; tek fark, kontrollü koşullar altında üretilmiş olmaları. Kar kristali üretmenin yollarından biri, “buhar difüzyon odası” kullanmak. Bunun için yalıtımlı ve üst kısmı -40°C, altı kısmı +40°C sıcaklıkta olan bir kutu gerekiyor. Bu kutuya üst kısmından su buharı veriliyor. Böylece kutunun içi iyice doygun hale getiriliyor. Bu kutunun alt kısmından içeri doğru bir tel uzatılıyor ve telin üzerinde küçük buz kristalleri gelişmeye başlıyor. Tele yüksek gerilimli elektrik verildiğinde, ilk olarak ince buz iğneleri, daha sonra da yıldız biçimli kristaller gelişmeye başlıyor. Elektrik, büyümekte olan kristalin çevresinde güçlü bir elektrik alanı oluşumuna neden oluyor. Bu elektrik alanı, su moleküllerinin, buz yüzeyi çevresindeki havada ilerleyişini etkileyerek, kristalin farklı biçimlerde gelişmesini sağlıyor. İşin en eğlenceli yanı, sıcaklık, nem ve elektrik verme işlemleri ayarlanarak, kristallere istenilen biçimlerin kazandırılabilmesi.
Kar kristalleri, hiçbir zaman birbirinin aynı olmaz. Ancak, biçimleri bazı temel gruplara ayrılır.
Yıldız – Kar kristallerinin en yaygın olarak rastlanan tipidir. Birbirine simetrik altı kolu bulunur. Bu kolların da alt kolları olabilir.
Levha – Kolları, levha benzeri bir yapı gösterir. Yassı ve ince yapılıdır.
Sütun – Bunlar da altıgen prizma biçimindedir. Prizmanın her iki ucundan içe doğru birer boşluk uzanır.
İğne – Sütun biçimli kristaller, çok uzun ve ince olacak biçimde büyüdüğünde oluşurlar. Kimi zaman içleri boş olabilir.
Dallanmış – Bunlar, farklı buz kristallerinin karmakarışık biçimde birbiri içine geçmesiyle oluşurlar. Her kol, yıldız biçimli kristallerin bir kolu gibidir. Ancak, bu kollar birbirine rastgele tutunur ve simetrik değildir.
Başlıklı Sütun – Bunlar, sütun olarak büyümeye başlarlar. Ancak kristal, farklı sıcaklıktaki bir bölgeye geçtiğinde büyümesini levha biçiminde sürdürür.