Vi er i en tid hvor forskere kan oppdage uendelig små partikler som gir masser atomer og undersøker noen av de dypeste mysteriene i biologien, for eksempel hvordan erfaringer og minner kan overføres gjennom en organismes gener.
Dermed kan det komme som en overraskelse at vi fremdeles ikke forstår mekanikken i et relativt enkelt naturfenomen: snø.
Dannelsen av snøfnugg - i hovedsak den idiosynkratiske måten som vann krystalliserer når de er opphengt i atmosfæren - er en ekstremt kompleks prosess som fremdeles ikke har blitt beskrevet fullt ut av vitenskapelige formler. "Folk tror at en snøfnugg bare er en frossen regndråpe, " sier Caltech fysikkprofessor Kenneth Libbrecht, som har brukt de siste tiårene på å studere prosessen med snøfnuggdannelse. "Men det er sludd, bare små isbiter, og ikke engang i nærheten av hva en snøfnugg er."
En snøfnugg vokser i Libbrechts laboratorium, akselerert
I løpet av forskningen har Libbrechts arbeid vokst til å omfatte kunst og vitenskap. Han har produsert både vitenskapelige artikler og hundrevis av vakre bilder av naturlige snøfnugg (som han har utgitt i flere forskjellige bøker og hadde omtalt på amerikanske frimerker), og også tenkt på geniale måter å kunstig dyrke snøfnugg i et laboratorium for å studere deres dannelse i mikroskopiske detaljer.
Men det hele startet, sier han, med en tur tilbake til barndomshjemmet hans i Nord-Dakota. "Jeg besøkte familien der borte, og jeg gikk utenfor, og det var all denne snøen på bakken, " sier han. "Jeg tenkte plutselig 'Hvorfor forstår jeg ikke mer om disse snøflakene?'"
Det førte til at Libbrecht begynte å studere dynamikken i snøfnuggdannelse i laboratoriet hans, mellom å undersøke mer esoteriske fag som dreibare diodelasere og støyen som ble gitt ut av supernovaer. "Jeg skjønte at mye om snøflak bare ikke er veldig godt forstått, og at is er et ganske billig materiale å jobbe med, " sier han.
Dannelsen av til og med et enkelt snøfnugg er en kompleks hendelse på molekylært nivå. I naturen begynner det når en skys vanndamp kondenserer til vanndråper. Selv ved temperaturer under frysepunktet, forblir de fleste av disse dråpene vanligvis i flytende form, fordi de trenger en partikkel som de kan fryse til: enten en støvpartikkel eller noen få vannmolekyler som har ordnet seg inn i den sekskantede matrisen som kjennetegner is.
Når dråpene først begynner å krystallisere på en sentral partikkel, akselererer prosessen imidlertid raskt. Med en krystallkjerne på plass, kondenserer de superkjølte vannmolekylene i de omkringliggende vanndråpene lett på krystallen, og øker dens vekst på en geometrisk regelmessig måte. Da den store krystallen (som vi kaller en snøfnugg) har forlatt skyen, anslår Libbrecht at den vil ha abosrbed vannet fra rundt 100.000 dråper i nærheten.
Alt det kan høres enkelt ut, men som Libbrecht og andre forskere har oppdaget, kan små endringer i omstendighetene til disse krystallene - skyens fuktighet og temperatur for det første - føre til radikalt forskjellige flager. For å forstå denne dynamikken bedre, skjønte Libbrecht, trengte han en måte å observere den faktiske vekstprosessen for snøfnugg. Uten en måte å legge seg inn i en flytende sky, bestemte han seg for å utvikle en metode for kunstig dyrking av snøflak i laboratoriet i California.
"Å få en individuell krystall til å vokse på en slik måte at den ser ut som en snøfnugg er ikke lett, " sier han. "Hvis du vil ha frost - bare en haug med krystaller som alle vokser på en gang - er det ganske enkelt, men individuelle krystaller er vanskeligere."
Libbrechts prosess, utviklet i løpet av de siste årene, gjøres i et kaldt kammer og tar omtrent 45 minutter totalt. Han starter med et helt rent glassstykke, og sprer mange mikroskopiske iskrystaller på det. Med et mikroskop isolerer han en bestemt krystall og blåser deretter litt varmere fuktig luft på glasset. Vanndampen kondenserer på frøkrystallen, akkurat som i en ekte sky, og til slutt danner et synlig snøfnugg.
Arbeidet med denne prosessen har Libbrecht bestemt temperaturen og fuktighetsnivået som fører til hver enkelt type snøfnugg. "Jeg kaller dem 'designer snøfnugg', fordi du kan endre forholdene når du dyrker dem og forutsi hvordan de vil se ut, " sier han. Blant annet har han funnet ut at en snøfnugg med en tynn kant vokser raskere, noe som får kanten til å skjerpe seg ytterligere, og til slutt føre til en relativt stor flak. Snøflak som begynner med stumpekanter, vokser imidlertid saktere og forblir stump, noe som fører til blokkerende prismer, i stedet for elegante plater.
Etter hvert, da Libbrecht ønsket å gi ut en bok om sitt arbeid, oppdaget han at selv om de var gode for sin tid, var de fleste tilgjengelige snøfnuggfotografier utdaterte, som de som ble tatt av Wilson Bentley på 1930-tallet. Som svar begynte han å fotografere dem selv i høy oppløsning, ved å bruke spesialutstyr og til tider fargede lys for å gi de klare flakene økt farge og dybde.
Hva med den vanlige ideen om at ingen to snøflak er like? "Alle spør meg alltid om det, " sier Libbrecht.
Svaret, viser det seg, er et matteproblem. Hvis du definerer en snøfnugg som bare ti molekyler vann, er det mulig for to forskjellige flak å være identiske på molekylnivå. Men for en flak i full størrelse, sier han, er det ekstremt usannsynlig at du får bot på to identiske som forekommer naturlig - på samme måte som oddsen for to identiske menneskelige fingeravtrykk er svært liten. "Når du begynner å gjøre ting enda litt komplisert, øker antallet muligheter astronomisk, og sannsynligheten for å til og med ha to snøfnugg som eksternt ser ut faller til null, " sier han.
