私たちは、科学者が原子に質量を与える極小の粒子を検出し、生物の遺伝子を通じて経験や記憶を伝える方法など、生物学の最も深い謎のいくつかを探究できる時代になりました。
したがって、比較的単純な自然現象である雪のメカニズムをまだ理解していないのは驚きです。
雪片の形成-本質的に、水が大気中に浮遊したときに結晶化する特異な方法は、科学的な公式ではまだ完全には説明されていない非常に複雑なプロセスです。 「人々はスノーフレークはただの凍った雨滴だと思っています」と、過去数十年間スノーフレーク形成の研究に費やしてきたカリフォルニア工科大学のケネス・リブブレヒト教授は言います。 「しかし、それはみぞれであり、ほんの小さなアイスキューブであり、スノーフレークとは程遠いものです。」
Libbrechtのラボでスノーフレークが成長し、加速します
彼の研究の過程で、Libbrechtの仕事は芸術と科学を含むように成長しました。 彼は科学論文と数百枚の自然雪片の美しい写真の両方を作成しました（彼はいくつかの異なる本で出版され、米国の切手に掲載されていました）。また、実験室で雪片を人工的に成長させてその形成を顕微鏡で詳細に研究するための独創的な方法を考案しました。
しかし、それはすべて、彼の幼少時代のノースダコタの家への旅から始まったと彼は言う。 「私はそこに戻って家族を訪ねていて、外に出ましたが、この雪はすべて地面にありました」と彼は言います。 「突然、「これらの雪片についてもっと理解できないのか」と考えました。」
そのため、Libbrechtは、回転可能なダイオードレーザーや超新星が放出するノイズなど、より難解なテーマを研究する間、研究室で雪片の形成のダイナミクスの研究を開始しました。 「雪片についての多くはあまりよく理解されておらず、氷は非常に安価な材料であることに気付きました」と彼は言います。
スノーフレークが1つでも形成されることは、分子レベルでは複雑なイベントです。 自然界では、雲の水蒸気が凝縮して水滴になったときに始まります。 ただし、氷点下の温度でも、これらの液滴のほとんどは、凍結する粒子を必要とするため、通常は液体の状態のままです：氷を特徴付ける六角形のマトリックスに配置されたダスト粒子またはいくつかの水分子。
ただし、中央の粒子で液滴が結晶化し始めると、プロセスは急速に加速します。 結晶核が所定の位置にあると、周囲の水滴内の過冷却された水分子が結晶上で容易に凝縮し、幾何学的に規則的な方法で成長を促進します。 大きい結晶（これをスノーフレークと呼びます）が雲を離れる頃には、Libbrechtは約100, 000個の近くの水滴から水を吸収したと推定しています。
単純に聞こえるかもしれませんが、Libbrechtと他の科学者が発見したように、これらの結晶の状況（スターターにとっての雲の湿度と温度）のわずかな変化は、根本的に異なる外観のフレークにつながる可能性があります。 これらのダイナミクスをよりよく理解するために、Libbrechtは、雪片の実際の成長プロセスを観察する方法が必要であることに気付きました。 彼は浮かぶ雲に自分自身を埋め込む方法なしで、彼のカリフォルニアの研究室で雪片を人工的に成長させる方法を開発することに決めました。
「雪片のように見えるように個々の結晶を成長させることは簡単ではありません」と彼は言います。 「霜が必要な場合-一度に成長する結晶の束だけ-それは非常に簡単ですが、個々の結晶は複雑です。」
過去数年にわたって開発されたLibbrechtのプロセスは、冷蔵室で行われ、合計で約45分かかります。 彼は完全にきれいなガラス片から始め、多くの微細な氷の結晶をその上に散布します。 彼は顕微鏡で特定の結晶を分離し、わずかに温かい湿った空気をガラスに吹き付けます。 水蒸気は、実際の雲のように種結晶に凝縮し、最終的に目に見える雪片を形成します。
このプロセスと連携して、Libbrechtは、特定の種類のスノーフレークをもたらす温度と湿度のレベルを決定しました。 「私はそれらを「デザイナーの雪片」と呼んでいます。なぜなら、成長するにつれて条件を変更し、それらがどのように見えるかを予測できるからです」と彼は言います。 とりわけ、エッジが薄いスノーフレークはより速く成長し、エッジがさらに鋭くなり、最終的には比較的大きなフレークになることがわかりました。 しかし、より鈍いエッジで始まる雪片は、よりゆっくりと成長し、鈍いままであり、エレガントなプレートではなく、塊状のプリズムになります。
やがて、Libbrechtが彼の作品に関する本を出版したいと思ったとき、彼は、1930年代にウィルソンベントレーが撮影した写真のように、時間の割には良いものの、入手可能な雪片の写真のほとんどが古くなっていることを発見しました。 それに応じて、彼は高解像度で写真を撮り始めました。特殊な機器を使用し、時には色付きのライトを使用して、透明なフレークの色と深さを増やしました。
雪は似ていないという一般的な考えはどうですか？ 「誰もが常に私にそう尋ねます」とLibbrechtは言います。
答えは、結局のところ、数学の問題です。 スノーフレークをわずか10分子の水として定義すると、2つの異なるフレークが分子レベルで同一になる可能性があります。 しかし、フルサイズのフレークの場合、自然に発生する2つの同一の指紋を細かくすることはほとんどあり得ません。2つの同一の人間の指紋の確率が非常に小さいのと同じです。 「物事を少しでも複雑にすると、可能性の数は天文学的に増大し、2つの雪片が遠くに見える可能性さえゼロになります」と彼は言います。
