Οι χιονονιφάδες είναι συνδεδεμένες με τα Χριστούγεννα. Ωστόσο, είναι αντικείμενα του χειμώνα και στις περισσότερες χώρες του βορείου ημισφαιρίου ο πιο δριμύς χειμώνας εμφανίζεται γύρω στον Ιανουάριο με Φεβρουάριο. Επιπλέον, αν και τα στερεότυπα της διακόσμησης θέλουν τις χιονονιφάδες να έχουν τα κλασικά εξαγωνικά επίπεδα σχήματα, στην πραγματικότητα το σχήμα τους παρουσιάζει μεγαλύτερη ποικιλία. Πώς όμως σχηματίζονται οι χιονονιφάδες και πού οφείλεται η ποικιλία των σχημάτων τους;
Κάθε χιονονιφάδα έχει το δικό της στυλ
Ως γνωστόν, ο αέρας συγκρατεί υδρατμούς οι οποίοι μετακινούνται μαζί με τις αέριες μάζες και υφίστανται μεταβολές καθώς αλλάζουν οι συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας. Στις μεταβολές αυτές οφείλονται πολλά από τα καιρικά φαινόμενα (σύννεφα, βροχή, χιόνι, χαλάζι κλπ). Οι χιονονιφάδες είναι κρύσταλλοι πάγου και σχηματίζονται καθώς τα σταγονίδια του νερού παγώνουν στην ατμόσφαιρα, όταν η θερμοκρασία προσεγγίζει ή βρίσκεται κάτω από τους μηδέν βαθμούς. Περίπου εκατό χιλιάδες σταγονίδια συνδυάζονται για να παράγουν μία νιφάδα, μέσα σε περίπου μισή ώρα.
Η συστηματική φωτογράφηση των χιονονιφάδων ξεκίνησε το 1895 από τον Αμερικανό μετεωρολόγο Wilson A. Bentley, αλλά ήδη δεκαετίες νωρίτερα είχαν ξεκινήσει οι προσπάθειες να κατηγοριοποιηθούν οι χιονονιφάδες σε κατηγορίες με βάση τη μορφολογία τους. Κυρίαρχο χαρακτηριστικό τους είναι η εξαγωνική τους συμμετρία. Αυτή οφείλεται στο ότι στον πάγο (δηλαδή στο νερό σε στερεή, κρυσταλλική μορφή) τα μόρια του νερού είναι «τοποθετημένα» σε ένα εξαγωνικό πλέγμα. Οι κατηγορίες που έχουν κατά καιρούς προταθεί ποικίλουν από μερικές δεκάδες ως πάνω από εκατό, αλλά μπορούν να χωριστούν σε δυο μεγάλες οικογένειες. Η πρώτη από αυτές περιλαμβάνει τις σχετικά επίπεδες χιονονιφάδες, με ξεκάθαρη εξαγωνική συμμετρία ενώ η δεύτερη έχει τη μορφή βελόνων ή εξαγωνικών στηλών, που συχνά θυμίζουν μικροσκοπικά μολύβια. Εκτός από τις δυο αυτές διαφορετικές μορφές, συναντώνται συχνά και υβρίδια που τις συνδυάζουν.
Αυτό που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον είναι ο τρόπος με τον οποίο οι συνθήκες επιδρούν στην επικράτηση της μιας ή της άλλης ευρύτερης μορφολογίας. Από το 1930 και τις μελέτες του Ukichiro Nakaya, φυσικού στο πανεπιστήμιο του Hokkaido στην Ιαπωνία, διαπιστώθηκε ότι διαφορετικά επίπεδα υγρασίας και θερμοκρασίας ευνοούν την ανάπτυξη των κρυστάλλων είτε οριζόντια, σχηματίζοντας επίπεδες νιφάδες με εξαγωνική συμμετρία, ή καθ’ ύψος, σχηματίζοντας τις στήλες. Ωστόσο ο τρόπος που η μεταβολή στις συνθήκες οδηγεί στις διαφορετικές μορφές δεν είναι απλός και η φυσική αιτία δεν είναι άμεσα κατανοητή. Πιο συγκεκριμένα, γύρω στους -2 βαθμούς Κελσίου σχηματίζονται οι επίπεδες χιονονιφάδες ενώ όταν η θερμοκρασία πέσει γύρω στους -5, εμφανίζονται οι επιμήκεις στήλες. Ωστόσο, όταν η θερμοκρασία μειωθεί περισσότερο και φτάσει τους -15, η μορφολογία των χιονονιφάδων κυριαρχείται και πάλι από τις επίπεδες ενώ κάτω από τους -20 εμφανίζονται και οι δύο τύποι.
Παρά την αδυναμία μας να κατανοήσουμε ακριβώς τους λόγους που παρατηρείται μια τέτοια μεταβολή, με τη βοήθεια των αποτελεσμάτων του Nakaya μπορεί κανείς να σκιαγραφήσει την «ιστορία» μιας χιονονιφάδας από τη μορφολογία της. Το σχήμα αυτό διαμορφώνεται από τις διάφορες συνθήκες που συναντούν τα σταγονίδια των νεφών, και μετέπειτα κρύσταλλοι, καθώς διασχίζουν τον ατμοσφαιρικό αέρα μέχρι να φτάσουν στο έδαφος. Προφανώς, καθώς η κάθε χιονονιφάδα συναντά ελαφρώς διαφορετικές συνθήκες, συγκρούεται ή συγχωνεύεται με άλλες, αποκτά μοναδικό σχήμα. Ταυτόχρονα, καθώς οι χιονονιφάδες λιώνουν, ξαναπαγώνουν και επηρεάζονται από τις μεταξύ τους συγκρούσεις, οι αιχμές τους γίνονται ομαλότερες.
Οι χιονονιφάδες στο εργαστήριο
Η ποικιλία των σχημάτων των νιφάδων χιονιού σε συνάρτηση με τις συνθήκες σχηματισμού ήταν το ερώτημα που απασχόλησε των Kenneth Libbrecht, Καθηγητή φυσικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια (California Institute of Technology, το γνωστό Caltech). Αν και αρχικά η έρευνα του Libbrecht αφορούσε την ηλιοσεισμολογία, δηλαδή την μελέτη των κυμάτων στο εσωτερικό και την ατμόσφαιρα του Ήλιου, τα τελευταία 20 χρόνια έχει αφιερωθεί στη μελέτη των χιονονιφάδων. Με τις πειραματικές του διατάξεις μελετά το σχηματισμό των κρυστάλλων νερού κάτω από ελεγχόμενες συνθήκες και, ως αποτέλεσμα, πρόσφατα ολοκλήρωσε ένα βιβλίο σχεδόν πεντακοσίων σελίδων, το οποίο περιέχει μια ενιαία θεωρία που περιγράφει το σχηματισμό τους.
Αν και είδαμε ότι η κάθε χιονονιφάδα στη φύση είναι μοναδική ο Libbrecht διαπίστωσε ότι αν οι χιονονιφάδες σχηματιστούν κοντά μεταξύ τους και υπό τις ίδιες ακριβώς ελεγχόμενες συνθήκες μπορεί να είναι σχεδόν πανομοιότυπες. Όπως, ωστόσο, τονίζει και ο ίδιος, η ερώτηση αν δυο πολύπλοκα αντικείμενα οι οργανισμοί είναι όμοια δεν έχει νόημα καθώς οτιδήποτε χαρακτηρίζεται από πολυπλοκότητα είναι μοναδικό. Διαμορφώνοντας κατάλληλες συνθήκες στις πειραματικές του διατάξεις έχει καταφέρει να αναπαράγει τις τυπικές χιονονιφάδες των σχεδιαστών, δηλαδή τα κλασικά σχήματα που χρησιμοποιούμε για διακόσμηση τους χειμερινούς μήνες και τα Χριστούγεννα. Πρακτικά μεταβάλλοντας τις συνθήκες υγρασίας και θερμοκρασίας μπορεί να δώσει σε πραγματικό χρόνο διαφορετικά σχήματα στις χιονονιφάδες που κατασκευάζει.
Τα αποτελέσματα της μελέτης του Libbrecht παρέχουν και μια εξήγηση σχετικά με το γιατί υπερισχύουν διαφορετικοί τύποι χιονονιφάδων σε διαφορετικές συνθήκες. Κάθε κρύσταλλος νερού ξεκινά από ένα σχετικά επίπεδο εξαγωνικό σχήμα. Το τελικό σχήμα που θα πάρει, ωστόσο, καθορίζεται από το κατά πόσο ευνοείται η επέκταση του κρυστάλλου με αφετηρία τις δυο βάσεις του ή τις κάθετες επιφάνειες. Ο Libbrecht έχει προτείνει ένα νέο μοντέλο που εξηγεί τη συμπεριφορά των δυο ειδών επιφανειών του αρχικού κρυστάλλου νερού στις διάφορες θερμοκρασίες και μπορεί να οδηγήσει στα παρατηρούμενα είδη χιονονιφάδων. Όπως υποστηρίζει και έχει δημοσιεύσει, το μοντέλο του φαίνεται να επιβεβαιώνεται από τα πειράματα που κάνει τα τελευταία είκοσι έτη.
Κατά τη διάρκεια της μακρόχρονης ενασχόλησής του με την επιστήμη των χιονονιφάδων, ο Libbrecht έχει εκδώσει αρκετά βιβλία με εικόνες χιονονιφάδων και σχετικά με τη φυσική που διέπει το σχηματισμό τους. Οι φωτογραφίες του χρησιμοποιήθηκαν ακόμα και σε σειρές γραμματοσήμων από το ταχυδρομείο των ΗΠΑ ενώ πρόσφατα, ήταν επιστημονικός σύμβουλος στην ταινία Frozen της Disney. Φωτογραφίες από τις χιονονιφάδες του Libbrecht, τη φυσική των παγοκρυστάλλων και των χιονονιφάδων μπορούν να βρεθούν στη σελίδα http://www.snowcrystals.com/
Η μορφολογία των χιονονιφάδων και η επιστήμη των πολιτών
Όπως ήδη αναφέρθηκε, η μορφολογία των χιονονιφάδων καθορίζεται από το ταξίδι τους διαμέσου του αέρα και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες που επικρατούν. Επομένως συστηματικές μελέτες της μορφολογίας τους θα μπορούσαν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τα καιρικά συστήματα και να συνεισφέρουν στην καλύτερη κατανόησή του κλίματος. Η κλιματική αλλαγή έχει προκαλέσει μεταβολές στο κλίμα διαφόρων περιοχών και στην ένταση των φαινομένων που παρατηρούνται. Για παράδειγμα, πολικές περιοχές θερμαίνονται και οι χιονοπτώσεις μειώνονται ενώ παράλληλα άλλες περιοχές ψύχονται και εμφανίζουν πιο έντονες χιονοπτώσεις από ό,τι στο παρελθόν.
Προκειμένου να μελετήσουν τη μορφολογία των χιονονιφάδων, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο της Γιούτα των ΗΠΑ έχουν ξεκινήσει το πρόγραμμα Snowflake ID. Στα πλαίσια του προγράμματος έχουν τοποθετήσει φωτογραφικές μηχανές υψηλής ανάλυσης σε διάφορες περιοχές, από τις ελβετικές Άλπεις ως την Αλάσκα, οι οποίες απεικονίζουν τις χιονονιφάδες από τρεις διαφορετικές γωνίες, καθώς αυτές πέφτουν στο έδαφος. Οι φωτογραφικές μηχανές παράγουν εκατομμύρια εικόνων, τα οποία πρέπει να αναλυθούν, επομένως οι ερευνητές έχουν δημιουργήσει ένα πρόγραμμα επιστήμης των πολιτών για να διαχειριστούν τον μεγάλο όγκο των παρατηρήσεων.
Η επιστήμη των πολιτών είναι ένα σύνολο πρακτικών με τη βοήθεια των οποίων οι πολίτες συμμετέχουν στην παραγωγή επιστημονικής γνώσης. Η συμμετοχή αυτή μπορεί να επιτυγχάνεται είτε παρέχοντας δεδομένα εκούσια ή αφιερώνοντας μέρος του χρόνου ή των πόρων τους στην επεξεργασία κάποιων δεδομένων. Ταυτόχρονα, οι συμμετέχοντες αποκτούν μια καλύτερη κατανόηση των επιστημονικών μεθόδων, τις οποίες μπορούν εν γένει να συνδιαμορφώσουν, θέτοντας νέα απροσδόκητα ερωτήματα και προβληματισμούς. Με την επιστήμη των πολιτών αξιοποιούνται ομάδες ή δίκτυα εθελοντών, με τη συνεργασία ή υπό την καθοδήγηση επιστημόνων, ώστε να αντιμετωπίσουν ζητήματα τα οποία, είτε λόγω του όγκου των δεδομένων ή λόγων της πολυπλοκότητάς τους θα ήταν αδύνατο να αντιμετωπίσει ένας επιστήμονας με τα παραδοσιακά εργαλεία.
Το Snowflake ID είναι ακριβώς ένα τέτοιο πρόγραμμα. Είναι προσβάσιμο μέσω της πλατφόρμας Zooniverse, η οποία περιέχει δεκάδες προγράμματα επιστήμης πολιτών, με θέματα που καλύπτουν ένα μεγάλο φάσμα επιστημών. Μέχρι στιγμής στο Snowflake ID έχουν συμμετάσχει μερικές χιλιάδες εθελοντές, από τους οποίους ζητήθηκε να εντοπίσουν χαρακτηριστικά των νιφάδων, όπως η πάχνη που σχηματίζεται πάνω στα κατά τα άλλα συμμετρικά τους σχήματα, όταν σταγονίδια νερού συγκρούονται με αυτές και παγώνουν. Οι καταγραφές των εθελοντών θα χρησιμοποιηθούν στη συνέχεια για να εκπαιδεύσουν αλγορίθμους μηχανικής μάθησης, ώστε να καταστεί εφικτή μια αυτοματοποιημένη διαδικασία κατηγοριοποίησης των χιονονιφάδων.
Πηγές:
https://www.youtube.com/watch?v=ao2Jfm35XeE
http://www.snowcrystals.com/
“Snowflake spotters sought”, L. Liverpool, New Scientist Vol. 252, No 3365/66, 18/25 December, p.81.
