Fotoğraf Kaynağı: John Bohannon (2013, April 10) Scienceshot: True Shape of Snowflakes. Sciencemag: https://www.sciencemag.org/news/2013/04/scienceshot-true-shape-snowflakes?rss=1 retieved from.
Bulutlar, su damlacıkları, su buharı ve küçük toz parçacıkları gibi asılı kirlerden oluşur. Eğer bulutun sıcaklığı düşerse, o zaman su molekülleri, Buz Ih olarak bilinen altıgen kafes yapısında toz parçacıklarının etrafında kendilerini düzenleyerek kristalize olmaya başlar. (Resim 1’e bakınız)
Bilinen on dört buz formu vardır, ancak Buz Ih (“form 1 altıgen” için bir kısaltma) -100 ° C ile 0 ° C arasında stabildir ve bu yüzden kar taneleri içinde görülen formdur. (Resim 2’ye bakınız)
Resim 1: Kırmızı küreler oksijen atomlarını temsil eder ve beyaz küreler hidrojen atomlarını temsil eder. Hava soğuduğunda, en yakın komşu su molekülleri, kendisini “Buz Ih” nin altıgen geometrisini alarak giderek bir kafes haline getirmeye başlar. Her su molekülünün en yakın dört komşusu vardır (sadece bir tabaka gösterilmektedir), bu nedenle bunlardan ikisi bir hidrojen vericisi ve diğer ikisi de bir hidrojen alıcısı görevi görür.
Resim 2: Moleküllerin pürüzlü bir yüzeye yapışması, pürüzsüz bir yüzeye yapışmasından daha kolaydır çünkü pürüzlü bir yüzey yeni bir molekülün aynı anda birden fazla yüzey molekülüne bağlanabileceği daha fazla alan sunar.
Resim 3: Altıgen kar kristalinin yüksek güçte Resim 4: Dendritik kar kristali. Kristalin
çekimi. © Kenneth Libbrecht merkezi erken altıgen şeklini gösterir.© Kenneth Libbrecht
Kristal yüzeyler ortaya çıkmaktadır çünkü moleküllerin kalıcı bir şekilde pürüzlü bir yüzeye yapışması, pürüzsüz bir yüzeye yapışmasından daha kolaydır. Böylece başlangıçta pürüzlü bölgeler dolar ve daha sonra kristalin şeklini tanımlayan daha yavaş büyüyen pürüzsüz kristal yüzeyler oluşur. Sonuç olarak, herhangi bir kar kristalinin ilk şekli mükemmel bir altıgen prizmadır. Bu, Resim 3‘te gösterilmiştir. Daha sonra, altıgen prizma büyüdükçe, şeklini koruyabilmekte güçlük çekmeye başlar ve dallanma dengesizliği, köşelerde bacakların ortaya çıkmasına neden olur. Kristalin son şekli, su moleküllerinin altıgen bir şekilde kristalleşmesi nedeniyle her zaman 6 kat simetriye sahip olacaktır. Aslında, Resim 4‘te görüldüğü gibi, birçok kar tanesinin merkezinde hala erken altıgen prizmayı görebilirsiniz.
Yere düşen kar tanecikleri, sadece 0.2 mm genişliğindeki neredeyse mükemmel altıgen prismalardan (elmas tozu denilir), 5 mm genişliğindeki büyük “dendritic” kar kristallerine kadar uzanan boyutlarda değişiklik gösterir. Elmas tozundan daha küçük olan kristaller yere düşemeyecek kadar hafiftirler bu yüzden havada asılı kalırlar. Daha büyük kristaller ise kırılgandır bu sebeple en ufak bir esintide ayrılma eğilimi gösterirler.
Ama kar tanelerini ilk etapta oluşturmaya başlayan sebepler nelerdir? Bu, bulutlarda iki özel koşul oluştuğunda ortaya çıkar: aşırı doyma ve aşırı soğutma. Kar kristalinin nihai şekli, bu koşulların nasıl değiştiğini ortaya çıkarabilir.
Aşırı Doyma
Aşırı doyma, havada normal nem limitinden (% 100) daha fazla su buharı olduğunda oluşur. Her sıcaklıkta, havada desteklenebilen maksimum miktarda su buharı vardır. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, daha fazla su buharı da kullanılabilir. Ama eğer % 100 bağıl nemde olan havayı soğutursanız, o zaman süper doygun hale gelir ve bu durum kararsızdır. Sonuç olarak, fazla su buharı ya su damlacıklarına ya da doğrudan buza doğru kristalleşir.
Aşırı Soğuma
0 ° C’nin altındaki sıvı suyun varlığı süper soğutmadır. Şaşırtıcı bir şekilde, eğer bir damla saf suyu donma noktasının altına soğutursanız, donmayacaktır ve bu, bu sıvı damlasındaki moleküllerin, kristalleşmelerini önleyen termal harekete sahip olmalarından kaynaklıdır. Buna kıyasla, musluk suyunun bir damlası 0 ° C’de kolayca donar. Sıvı, su moleküllerinin yapışabildiği (çekirdeklenme olarak bilinir) bir yüzey sağlayan safsızlıklar içerir ve bu durum termal hareketin etkisini azaltır ve donma noktasını yükseltir. Bu sebeple de 0 ° C’de kolayca donar. Eğer süreci mikroskop altında izlerseniz, minik buz kristalleri oluşturmak için bağlanan giderek daha fazla su molekülü göreceksiniz. Bir kristal kritik boyuttan daha büyükse o zaman büyür, ama çok küçükse moleküller tekrar parçalanır. Aynı şey bulutlarda da olur ve sonuç olarak bir kar tanesinin yapısı ve bileşimi, bilim adamlarına, kar tanesi oluşurken bulutun içinde yaşadığı sıcaklık koşulları hakkında bilgi verebilir.
Resim 5: Bir kar tanesi nasıl yapılır? Bir kar kristalinin büyümesi, bazı moleküllerin küçük bir kirlilik etrafında çekirdekleşmesiyle başlar. Yerel koşullardaki değişiklikler, daha sonra oluşan kristalin şeklini ve boyutunu değiştirebilir. © Kenneth Libbrecht
Ayrıca, kar taneleri büyükçe bulutların içinden etrafına doğru şişer. Bu da, kar tanelerinin farklı zamanlarda farklı koşulları deneyimledikleri anlamına gelmektedir. Bu durum, büyümüş şeklinin değişmesine sebep olur. Resim 5, kar tanesinin çevresel tarihinin kendi yapısında nasıl kaydedildiğini ve bunun kare tanesinin ana bulutu hakkında bilgi toplamak için nasıl kullanılabileceğini göstermektedir.
Resim 6: Tasarımcı kar taneleri. Kar tanelerinin nasıl oluştuğunu anlayarak, fizikçiler bunları laboratuvarda yetiştirebilirler. Sıcaklığın büyümeyi nasıl etkilediği hala bilinmemektedir ve bu kar kristallerinin incelenmesi, kristal büyümesi ve örüntü oluşumunun fiziğini bilgilendirmeye yardımcı olmaktadır. © Kenneth Libbrecht
Resim 6‘da görüldüğü gibi, bu süreci anlamak, bilim adamlarının kristal büyümesi ve örüntü oluşumunun fiziği hakkında bilgi veren tasarımcı kar taneleri oluşturabileceğini anlamına gelmektedir.
İki kare tanesinin birbirine benzemediği doğru mu?
Her okul çocuğu “birbirine benzeyen iki kar tanesi yoktur” ifadesini öğrenir ki bu ifade büyük dendritik kar taneleri için kesinlikle doğrudur. Niye? Baharat rafınızı organize ettiğinizi düşünün. Beş baharat ve onları yerleştirmek için beş boşluk var. Birinci kavanozu rafa yerleştirmek için beş yol, ikinci kavanozu yerleştirmek için dört yol, üçüncüsü için üç yol ve böyle devam eder. Toplamda, bir rafta beş kavanoz düzenlemek için 120 yol vardır.
Şimdi, bir kar kristali için, tanımlanabilen 100 farklı özellik daha var, bu da (1den sonra 158 sıfır) tane bir kar tanesi inşa etme yollarını verir. Bu sayı, evrendeki atomların olası düzenlemelerinin yaklaşık 2 katıdır. Bu yüzden 2 aynı kar tanesi bulmak pek olası değildir! Ve kar tanesi büyümesi çevrenin bir sonucu olduğu için, en küçük sıcaklık ve nem farkı bile kar tanesinin şeklini etkileyecektir. Değişimler kar kristalinin kendisinden daha küçük bir uzunluk ölçeğinde meydana gelirse, kar kristali düzensiz olacaktır (tabiattaki birçok kar tanesi gibi). Radyal olarak simetrik kar kristalleri oluşur çünkü kar tanesinin her parçası aynı zamanda aynı koşullara maruz kalmıştır, bu nedenle benzer kar taneleri görmek çok küçük olduklarında daha sık görülür.
Ama neden kar taneleriyle çalışılıyor?
Suyun kendisi, alışılagelmiş ve karşı-sezgisel özelliklere sahiptir. Bu özelliklerden bazıların hepimiz aşinayız. Örneğin, buz (katı su) sıvı sudan daha az yoğunluğa sahiptir bu yüzden yüzer. Bulut bilimi bugün iklim değişikliği araştırmasının en aktif yönlerinden biri çünkü kar tanelerini çok güzel yapan desenler, geldikleri bulutların hikayesini içerir. O yüzden, doğası gereği, mütevazı küçük kar kristali, çevremizin bilimini anlamamıza yardımcı olmak için kendi rolünü yapar.
Resim 7: Kar kristalleri montajı © Kenneth Libbrecht
Çeviri: Zeynep Eş
Referans:
Catherine Zentile (2007, December 22) The Science of Snowflakes: Are Two Snowflakes the Same? The Naked Scientist: https://www.thenakedscientists.com/articles/features/science-snowflakes retieved from.