Oleme kõik kuulnud, et pole olemas kaht samasugust lumehelvest. Caltechi füüsikaprofessor Kenneth Libberecht selgitab, et see on tingitud muutlikest tingimustestlumekristalle moodustavates pilvedes. Nüüd valgustas tuntud lumehelbe guru Libberecht suurt mõistatust lumehelveste teaduses: miks on kanoonilised, kuuekäelised „tähekujulised“ lumehelbed nii õhukesed ja lamedad.
Vähesed inimesed pööravad tähelepanu taevast lendlevate lumekristallide kujule. Füüsik Kenneth Libberecht on aga lumekristalle – niinimetatud lumehelbeid – uurinud 1990. aastate lõpust alates, kirjutab Physorg.com.
Maailmas esineb lõputu mitmekesisusega ilusa kujuga lumekristalle. Kui kristall moodustub pilvedes, on selle plaadi-sarnaste harude ääred vaid umbes ühe mikromeetri jämedused, mis teevad selle servad umbes sama teravaks kui žiletitera. Pilt: Caltech/Libbrecht
Nüüd usub Libberecht, et on teel selgitamaks üht peamist esiletõusnud küsimust lumehelveste teaduses – küsimust, mis algatas ta huvi „kaetud sammastena“ (ingl.k. capped columns) tuntud lumekristallide vastu. Teadlased on teadnud üle 75 aasta, et lumehelbeid valmistavates pilvedes esinevatel tavapärastel tingimustel järgivad jääkristallid standard kasvumustrit: -2°C juures kasvavad nad õhukesteks, plaadi-sarnasteks vormideks; -5°C lähedal loovad nad nõtkeid sambaid ja nõelu; -15°C juures moodustudes muutuvad nad väga õhukesteks plaatideks; ning temperatuuridel alla -30°C valminud lumehelbed moodustavad taas sambaid. Seni pole keegi suutnud selgitada, miks niisugused suhteliselt väikesed muutused temperatuuris tingivad nõnda suuri muutusi lumehelveste struktuuris.
See ebatavaline lumekristall näitab käimasolevat teravduvat efekti. See on „kaetud samba“ kristall – kaks plaati on kinnitunud jämeda sambakujulise kristalli otstele. Käesoleval juhul on iga plaat pooldunud paariks märksa õhemaks plaadiks. Nende õhemate plaatide servad on umbes sama teravad kui žiletiterad, kuna nad moodustusid teravdumise efekti tulemusena. Jääsamba kogupikkus on umbes 1,5nm. Pilt: Caltech/Libbrecht
Libbrecht alustas oma vaatlusi kõige õhematest ja suurematest plaadi-sarnastest lumehelvestest, mis moodustuvad kõrge niiskuse korral umbes -15°C juures. Mõned neist lumekristallidest on sama teravad kui žiletiterad. „Avastasin oma katsete käigus kasvu ebastabiilsuse või teravdumise efekti,“ sõnas Libbrecht. Ta märkas, et kui lumekristall areneb -15°C-sel temperatuuril, hakkab ülemine äär arendama väikest muhkjat perve, mis muutub tipus väga teravaks. Nurgad sirutuvad veidi kaugemale niiskesse õhku, niisiis kasvavad nad kiiremini. Nii algab tsükkel: „Niipea, kui tekkiv perv muutub veidi teravamaks, hakkab see kiiremini kasvama; kui see kasvab kiiremini, muutub see veelgi teravamaks, luues positiivse tagasiside efekti,“ väitis Libbrecht. „Atmosfääris muutuks see järjest suuremaks ja õhemaks ning nii valmiks tõeliselt ilus lumehelves.“
Lumekristallid kasvavad erinevateks kujunditeks eri temperatuuridel. Kuidas see täpselt juhtub, jääb senini teaduslikuks mõistatuseks. Pilt: Caltech/Libbrecht
Kui see teravdumise efekt ilmneb ka teistel temperatuuridel (mis on tõenäoline), selgitab see, kuidas väikesed muutused temperatuuris toodavad nii mitmekesiseid lumehelbestruktuure. „Teravdumise mõjul võivad tekkida õhukesed plaadid või nõtked sambad – seda vaid suuna muutmisega,“ sõnas Libbrecht. „See on suur tükk puslest, sest nüüd pole tarvis teha suuri muutusi erinevate struktuuride saamiseks. Tarvis on selgitada, miks ebastabiilsus kaldub looma mõnedel temperatuuridel plaate ning teistel temperatuuridel sambaid. Tõsiasi, et teravdumise efekti esineb muutlikult, selgitab kenasti jää kasvu kiiruse 1000-kordse muutumise, kui temperatuur muutub vaid mõne kraadi võrra.“
Libbrect ei oska veel täielikult selgitada teravdumise efekti aluseks olevaid molekulaarseid mehhanisme või ka seda, miks täpselt erinevad temperatuurid viivad lumekristalli eri külgede teravdumiseni. „Siiski on see tõeline edasiminek lumehelveste teaduses,“ väitis ta. „Nüüd saame selgitada, miks plaadid on nii õhukesed ja sambad nii pikad.“