Led, sneg i kosmička prašina

Na ovaj blog me je inspirisalo jedno skorije otkriće o svetlećim noćnim obacima, i jedna pesma Cid Cormana, koja mi se danima vrzma po glavi:

The appearance of
snow. It is as if
everything I

had thought possible
suddenly occurred
and nothing happened.

Pri odgovarajućim lokalnim uslovima temperature, vlažnosti i pritiska, voda počinje da prelazi iz tečnog u čvrsto stanje formirajući kristale leda. Detalji ovog procesa značajno zavise od lokalnih uslova u kojima se kristalizacija odvija, tako da nastali kristali leda mogu imati mnogo različitih geometrijskih oblika i osobina. Kada se kristalizacija dogodi u atmosferi, formirani ledeni kristali - pahuljice na primer - pod dejstvom gravitacije (sopstvene težine), padaju na zemlju kao sneg.

Ovo gore je jedna od prvih priča koje kao osnovci naučimo iz poznavanja prirode. Učitelji ne propuste da usput dodaju kako "ne postoje dve pahuljice istog oblika". Ovo je delimično tačno, ali to je isto kao kad bi rekli, na primer, da ne postoje dve munje istog oblika - u procesu formiranja munja i pahuljica važnu ulogu igraju i slučajni atmosferski faktori, tako da nastali oblici zaista skoro nikad nisu identični.

Prvi sistematski pokušaj proučavanja oblika pahuljica je napravio Kepler, koji je primetio da su one najčešće simetričnog oblika i svoje zaključke je 1611. godine objavio u knjizi Šestougaona pahuljica. Kepler je ispravno naslutio da je obaj oblik posledica geometrijskog načina pakovanja sfera prilikom formiranja kristala leda, ali je ubrzo uvideo da ne ume da objasni zašto je to tako. (Proći će od tada 300 godina kada je, otkricem X zraka i rentgenske kristalografije, pronadjen odgovor na ovo pitanje). Iz tog vremena potiču i beleške R. Dekarta koji je otkrio dvanaestougaone i još neke druge retke oblike pahuljica prilikom sistematskog posmatranja snežnih padavina u Amsterdamu 4., 5., 6., i 9. februara 1634. godine.

Medjutim, tek je tokom prvih decenija XX veka, postalo moguće sistematski proučavati kristale leda, i, kako to često biva, rezultati ovih proučavanja su pokrenuli i mnoga druga pitanja, naizgled nepovezana sa ovom temom. Ovo je blog o ledu, vatri, ljudima, i životu u svemiru. On se, na svoj način, "naslanja" na blog M. Ćirkovića, i hipotezi o Zemlji kao snežnoj grudvi.

Dva su važna otkrića omogućila moderna proučavanja kristala leda. Prvo, godine 1931., Wilson Bentley, farmer iz Vermonta, bez nekog ozbiljnijeg formalnog obrazovanja iz fizike, je otkrio način da fotografiše pahulje snega, i tokom svog života je napravio oko 5000 fotomikrografija koje su izložene u lokalnom muzeju. Medju njima nije uspeo da pronadje dve pahulje istog oblika. Njegova strast za posmatranjem i fotografisanjem snega mu je donela nadimak «Snowflake» a njegov sajt se zove Snowflake man.

Drugo ključno otkriće, je napravio Ukichiro Nakaya, čovek čiji je život inspiracija po sebi, i čiji se odnos i strast prema umetnosti i nauci i ljudskom postojanju i danas proslavlja

Nakaya je rodjen 1900. godine u gradu Kaga, u Japanu. Studirao je na prestižnom Tokijskom univerzitetu, gde je odbranio doktorat iz nuklearne fizike, tada udarne i ‘vruće' naučne oblasti. Posle par godina boravka na specijalističkim studijama u Engleskoj vraća se u Japan, i dekretom vlade 1932. godina biva postavljen za profesora na Hokaido univerzitetu u Saporou. Na novom radnom mestu, Nakaya je uvideo da su istraživanja iz nuklearne fizike, za koja se spremao celog života, isključena - saradnika je bilo malo, univerzitet je bio mali i siromašan, odgovarajuće laboratorije nisu postojale, i novca za istraživanje jednostavno nije bilo. Niti nade da će ga biti. Jedino je snega bilo u izobilju, svugde. (Zimska olimpijada 1972. godine je održana u Saporou , prethodna, zakazana 1940. je otkazana zbog rata). Suočen sa ovako beznadežnim okolnostima, Nakaya odluči da iskoristi darove koje mu je priroda poklonila: osniva malu laboratoriju za proučavanje formiranja ledenih kristala, poznatu medju studentima kao "hladna laboratorija".

U toj laboratoriji on ubrzo uspeva da kontruiše komoru u kojoj je mogao da proizvodi veštačke pahuljice. Prvi put u istoriji su ljudi mogli da proizvode sneg! Ovo je bilo ključno otkriće jer je tada mogao po volji da menja uslove temperature, pritiska i vlažnosti u komori, i sistematski ispituje kako se morfologija nastalih pahuljica menja u zavisnosti od ovih parametara. Iz ovih istraživanja je eksperimentalno utvrdjena morfologija pahuljica, Nakaya je napravio svoju klasifikaciju tipičnih oblika, i oni se danas predstavljaju sledećim grafikom:

Na horizontalnoj osi je prikazana temperatura prehladjenja 'atmosfere' u komori, dok je na vertikalnoj gustina prezasićenosti vodom (vlažnost, ili saturacija, merena u gramima po kubnom metru). Ni danas nisu sasvim razjašnjeni svi detalji ovog dijagrama. Medjutim, neke stvari su nam iz iskustva bliske: na temperaturama ne suviše niskim, pri dovoljno velikoj vlažnosti, formiraju se razgranate pahuljice, one lepe i velike kakve svi priželjkujemo za zimske praznike. Eksperimentalna sistematizacija pahuljica je napravljena - postoji sasvim odredjena veza izmedju oblika pahuljice i meteoroloških uslova u oblacima u kojima je ona nastala. Njihova morfoloija je zapis uslova pod kojima su stvorene."Pahuljice su pisma sa neba" je čuvena Nakajina rečenica.

Nakaya se pored ovoga bavio popularizacijom nauke, završio je prestižnu školu grafike, napisao oko 30 knjiga i snimio dva filma o kristalima leda, jedan naslovljen "Ledeni cvetovi". Ispitivao je, kasnije, glecere na Grenlandu (jedan je uspeo da rekreira u rodnom gradu), sneg na Havajima. Ovaj nuklearni fizičar, zaljubljen u sneg, je umro 1962. godine posle duge bolesti. U Japanu je izabran za jednog od 10 najzačajnijih Japanaca, postoji postanska marka sa njegovim likom, a muzej posvećen njemu je otvoren 1994. godine. Sahranjen je u rodnom gradu, na groblju udaljenom oko pet minuta hoda od kuće u kojoj je rodjen.

Muzej snega i leda U. Nakaya

Teorijski, formiranje i rast kristala leda je složen molekularno-dinamički proces. Poznato je, na primer, da je za inicijalnu kristalizaciju potrebno prisustvo tzv. „jezgra kristalizacije" - obično zrnca prašine ili nečistoće kakva se mogu naći u atmosferi. Jednom kad se formira prvi kristalić oko ovog jezgra, on nastavlja da raste u konačan oblik. Grubo govoreći, dva načina rasta su moguća: stvaranjem novih ravnih pljosni kristala, ili razgranavanjem (dendritski rast, kada se dobija uobičajeni oblik pahuljice).

Koji ce se od ove dve vrste rasta ostvariti, zavisi od prehladjenja sredine i vlažnosti. U oba slučaja, prilikom formiranja novih slojeva kristala oslobadja se toplota koja ometa dalji rast, pa brzina napredovanja fronta solidifikacije zavisi od brzine kojom ta toplota može difuzijom da se eliminiše. Ovo se u prirodi često vidi kao oblak vodene pare iznad zaledjene površine vode.

Pri velikim vrednostima zasićenja, pločas rast postaje manje favorizovan, sistem postaje nestabilan na grananje (branching instability, u metalurgiji poznata i kao Mullins-Sekerka nestabilnost) i na kristalu počnu da se pojavljuju grane. Ovakav način rasta se zove dendritski rast i u tom režimu se pojavljuju pahuljice kao one prikazane na početku ovog bloga. (Cela galerija ovakvih slika se može naći na sajtu http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/photos/photos.htm)

Difuzione jednačine dendritskog rasta su po sebi veoma zanimljive (i ova oblast - fizika površina i interfaza je moja stara ljubav), ali ja neću više o njima pisati ovde. Dovoljno je samo da kazem da je jednu klasu ovih jednačina prvi put rešio Ivantsev 1947. godine, i do danas se razne verzije ovog rešenja pojavljuju u fizici kristala, metalurgiji, itd. Iz ovih jednacina prirodno se pojavljuje dužinska jedinica (odredjena specificnom toplotom, temperaturon, itd) koja definiše tipičnu skalu detalja ornamentacije na dendritima pahuljice.

Mnogi od ovih režima rasta se testiraju pod uslovima mikrogravitacije (bestežinskog stanja) u eksperimentima na svemirskim brodovima, i orbitnim stanicama. Dobar sajt za opis ovih IDGE eksperimenata koji se izvode u saradnji sa NASA.

Tokom vedrih noći, visoko na nebu se ponekad mogu videti svetleći beli oblaci koji se zovu noctilucent oblaci

Oni se nalaze na visinama od oko 80km iznad Zemlje i sastoje se od kristalića leda koji su formirani na tim visinima. Medjutim, znajući sve prethodno, kako je moguće da se kristali leda formiraju pri tako niskim temperaturaa koje na tim visinama postoje, i pri tako malim zasićenjima? Jedno od objašnjenja je da se kristalići stvaraju na zrnima prašine (jezgrima kistalizacije o kojima je bilo reci gore), a koja potiče od meteora jer sa Zemlje tolika prašina ne može da se popne tako visoko. U prilog ovoj hipotezi ide i saznanje da su se noctilucent oblaci redovno pojavljivali tri godine nakon eksplozije vulkana Krakatoa - tada je vulkan izbacio ogromne količine prašine i pepela daleko u vis. Takodje se veruje da su ovi oblaci počeli da se pojavljuju prvi put sa razvojem industrije na našoj planeti. Za sada niko ne zna pouzdan mehanizam nastanka ovih oblaka. Nedavno je, medjutim, otkriveno, iz snežnih padavina sakupljenh na Arktiku, da ce u centru ovih kristalića iz noctilucentnih oblaka nalaze bakterije! Cak 80% pahulja iz ovih oblaka je kistalisano na bakterijama. U pitanju su uglavnom bakterije koje su uyrok nekih biljnih bolesti (kod paradajza, na primer).

Medjutim, ovo otkiće otvara mesta za mnoge spekulacije. Da li je moguće da se neki od ovih kristalića "zalepe" za neku kometu ili meteor koji tuda proleće i završe na drugim nebeskim telima? Zar ne bi ovo mogao biti jedan mehanizam da se po svemiru širi život, kao u hipotezi panspermije? NASA ima program zvani Stardust koji je nedavno pronašao ovu vrstu organskih materija na uzorcima sakupljenim sa kometa. Možda su primerci Zemaljskog života, u obliku baterija i prašine odavno otišli na put ka drugim svetovima, a da mi to i ne znamo?

Dust in the wind, all we are is dust in the wind - kažu reči stare pesme grupe Kansas.