นักแร่วิทยาศึกษาเกล็ดหิมะเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของน้ำในสถานะของแข็ง
ฤดูหนาวเริ่มต้นอย่างเป็นทางการในวันนี้ และผู้คลั่งไคล้สภาพอากาศหนาวเย็นต่างก็หวังว่าจะมีหิมะตก แต่หิมะก็นำพาให้มากกว่าความสนุกในฤดูหนาว เหตุการณ์สภาพอากาศที่สวยงามนี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์มีโอกาสตรวจสอบสารที่น่าสนใจที่มีคุณสมบัติเฉพาะตัว
ดร. เจฟฟรีย์ โพสต์ภัณฑารักษ์ดูแลอัญมณีและแร่ธาตุที่พิพิธภัณฑ์ประวัติศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติสมิทโซเนียนกล่าวว่า “เกล็ดหิมะเป็นผลึกน้ำแข็งก้อนเดียว และโดยพื้นฐานแล้วเป็นแร่ธาตุที่ละลายที่อุณหภูมิต่ำกว่าแร่ธาตุอื่นๆ
เกล็ดหิมะและน้ำแข็งเป็นแร่ธาตุหรือสารอนินทรีย์ที่เป็นของแข็งที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ นักแร่วิทยาเช่น Post ศึกษาแร่ธาตุเหล่านี้เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของน้ำในสถานะของแข็ง “เมื่อคุณมองจากมุมมองของแร่ มันไม่เหมือนกับวัสดุอื่น ๆ ที่เราพบเจอในชีวิตประจำวันของเรา” โพสต์กล่าว
วิสัยทัศน์ที่ตกผลึก
ในช่วงปลายทศวรรษ 1880 ชาวนาในรัฐเวอร์มอนต์เริ่มถ่ายภาพเกล็ดหิมะทีละชิ้น ชื่อของเขาคือWilson Bentleyแม้ว่าภายหลังเขาจะมีชื่อเล่นว่า “Snowflake” ตลอดชีวิตของเขา เขาถ่ายภาพเกล็ดหิมะมากกว่า 5,000 ภาพ รูปภาพที่สลับซับซ้อนจำนวน 500 รูปอยู่ในหอจดหมายเหตุของสถาบันสมิธโซเนียน
“เมื่อเราบอกว่าไม่มีเกล็ดหิมะเหมือนกัน เราสามารถขอบคุณ Wilson Bentley สำหรับสิ่งนั้น สิ่งที่เขาทำค่อนข้างพิเศษในช่วงเวลานั้น เขายินดีที่จะยืนข้างนอกในฤดูหนาวที่หนาวเย็นและถ่ายรูปเหล่านั้น มันเป็นความพยายามอย่างกล้าหาญ” ดร. พาเมลา เฮนสันนักประวัติศาสตร์ของสถาบันสมิธโซเนียนกล่าว
ก่อนเบนท์ลีย์ นักวิทยาศาสตร์พยายามตรวจสอบเกล็ดหิมะอย่างใกล้ชิดเพราะคริสตัลแยกได้ยากและละลายอย่างรวดเร็ว แต่ด้วยการรวมกล้องจุลทรรศน์และกล้องเข้ากับเทคนิคที่เรียกว่า photomicrography เบนท์ลีย์ก็สามารถถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงและขยายใหญ่ได้ในที่สุด
“เมื่อคุณมีรูปภาพเหล่านี้เป็นพันเป็นพันแล้ว คุณสามารถเริ่มสร้างภาพรวมเกี่ยวกับรูปภาพเหล่านี้ได้” เฮนสันกล่าว
สภาพบรรยากาศที่แตกต่างกันทำให้เกิดเกล็ดหิมะที่ดูแตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น เกล็ดหิมะหกแฉกมักพบในซีกโลกเหนือ เนื่องจากบริเวณนั้นมีอัตราส่วนอุณหภูมิต่อความชื้นที่เหมาะสม ที่อุณหภูมิต่างกัน ผลึกหิมะอาจเติบโตเป็นเสายาวหรือแผ่นแบน
แต่นักวิทยาศาสตร์คงไม่สามารถพิสูจน์ทฤษฎีนั้นได้หากพวกเขาไม่มีภาพถ่ายจำนวนมากของเบนท์ลีย์ “เกล็ดหิมะ” รูปภาพของเขาเป็นข้อมูล พวกเขาให้ข้อมูลที่สำคัญแก่นักแร่วิทยาและนักอุตุนิยมวิทยาเกี่ยวกับวิธีการที่น้ำแข็งก่อตัวขึ้นบนท้องฟ้า
ผลึกน้ำแข็งหิน
แร่ธาตุมักจะหนาแน่นกว่าในสถานะของแข็งมากกว่าในสถานะของเหลว แต่น้ำแข็งกลับตรงกันข้าม มีความหนาแน่นน้อยกว่าน้ำ นี่คือเหตุผลที่น้ำแข็งลอยอยู่บนผิวสระน้ำ ช่วยให้สัตว์น้ำสามารถอยู่รอดได้ในฤดูหนาวในน้ำเบื้องล่าง หากน้ำมีลักษณะเหมือนของเหลวส่วนใหญ่เมื่อแข็งตัว ของแข็งก็จะมีลักษณะเป็นของแข็งและจมลง
ลองนึกภาพบ่อที่เย็นยะเยือกในฤดูหนาวโดยมีน้ำแข็งอยู่ด้านล่าง โพสต์แนะนำ ไม่เพียงแต่จะท้าทายนักเล่นสเก็ตน้ำแข็งเท่านั้น แต่ในฤดูหนาวที่หนาวจัด บ่อน้ำตื้นอาจกลายเป็นก้อนน้ำแข็งที่แข็งได้ เนื่องจากคุณสมบัติพิเศษของน้ำแข็ง ชั้นน้ำแข็งจึงก่อตัวที่พื้นผิวและป้องกันน้ำที่อยู่ด้านล่าง ป้องกันไม่ให้น้ำแข็งกลายเป็นน้ำแข็ง
“ทั้งหมดเดือดลงไปที่โครงสร้างผลึกของน้ำแข็ง” โพสต์กล่าว “ไฮโดรเจนและอะตอมออกซิเจน 2 อะตอมที่ประกอบกันเป็นโมเลกุลของน้ำแต่ละโมเลกุลก่อให้เกิดพันธะไฮโดรเจนที่อ่อนแอกับโมเลกุลของน้ำที่อยู่ใกล้เคียง และเชื่อมต่อกันเป็นโครงสร้างหกเหลี่ยมที่เปิดกว้างและมีความหนาแน่นน้อยกว่าโครงสร้างของเหลวของโมเลกุล”
เกล็ดหิมะมีขนาดเล็กและละเอียดอ่อน เนื่องจากถูกจำกัดด้วยปริมาณไอน้ำที่ล้อมรอบตัวพวกมันเมื่อเติบโตในชั้นบรรยากาศ คริสตัลมักจะเติบโตในรูปแบบเศษส่วนและขรุขระ ก้อนน้ำแข็งที่เกิดขึ้นในช่องแช่แข็งทำจากผลึกน้ำแข็งขนาดเล็กจำนวนมากที่ก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วและเติบโตเข้าหากัน น้ำแข็งธารน้ำแข็งเป็นหินน้ำแข็งธรรมชาติ ที่รวมตัวกันของผลึกน้ำแข็งแร่จำนวนมาก
บันทึกข้อมูลสำหรับวันที่หิมะตก (และวิทยาศาสตร์ในอนาคต)
การศึกษาน้ำแข็งของโลกช่วยให้นักแร่วิทยาเข้าใจได้ดีขึ้นว่าน้ำมีพฤติกรรมอย่างไรในทุกรูปแบบบนโลกและบนดาวเคราะห์ดวงอื่น ความรู้นี้มีความสำคัญเพราะน้ำเป็นส่วนสำคัญของชีวิต
สถาบันสมิธโซเนียนเป็นแหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์สำหรับนักวิจัยเหล่านี้ เบนท์ลีย์ได้รับมอบอำนาจให้รวบรวมและรักษาข้อมูลทางวิทยาศาสตร์สำหรับคนรุ่นต่อๆ มา เบนท์ลีย์ได้จัดรูปถ่ายเกล็ดหิมะ 500 รูปของเบนท์ลีย์ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2447
“เราเป็นคลังข้อมูลขนาดใหญ่ ผู้คนมองว่าเราเป็นเพียงการรวบรวมสิ่งของ แต่พวกเขาไม่ได้มองว่าเราเป็นการรักษาข้อมูลที่เราทำด้วยเช่นกัน” เฮนสันกล่าว
