Bông tuyết có sáu cánh vì phân tử nước khi đông thành băng xếp theo mạng tinh thể lục giác: mỗi tinh thể băng tự nhiên đã mang sẵn "bộ khung" sáu cạnh. Hình dạng cụ thể — tấm phẳng, hình kim, cột lục giác hay cánh sao phân nhánh — phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của không khí mà bông tuyết đi qua khi rơi. Vì mỗi bông tuyết trải qua một hành trình khác nhau trong mây, gần như không có hai bông tuyết phức tạp nào giống hệt nhau.
Từ phân tử nước tới tinh thể lục giác
Như bài về băng nổi đã nói, trong băng thông thường (băng Ih), mỗi phân tử nước liên kết hydro với bốn phân tử khác, tạo thành những vòng sáu cạnh xếp chồng lên nhau. Nhìn từ trên xuống theo một trục đặc biệt, mạng tinh thể giống tổ ong. Một tinh thể băng nhỏ, tự lớn lên tự do trong không khí, sẽ có dạng lăng trụ lục giác: hai mặt đáy hình lục giác và sáu mặt bên hình chữ nhật.
Sáu cạnh của bông tuyết là sáu cạnh của chính tinh thể ấy, được phóng to lên hàng triệu lần.
Bông tuyết lớn lên trong mây thế nào
- Hạt nhân: trong đám mây lạnh, hơi nước cần một "điểm tựa" để đông lại: một hạt bụi, hạt phấn hoa, thậm chí vi khuẩn. Giọt nước siêu lạnh (lạnh dưới 0 °C mà chưa đông) đông lại quanh hạt nhân thành tinh thể băng nhỏ xíu.
- Lớn lên nhờ hơi nước: hơi nước trong không khí bám trực tiếp lên tinh thể và chuyển thành băng (không qua thể lỏng), quá trình gọi là ngưng kết.
- Các góc mọc nhanh hơn: sáu góc của lục giác nhô ra xa nhất, tiếp xúc với nhiều hơi nước hơn, nên mọc nhanh hơn các mặt. Từ góc mọc ra cánh, từ cánh mọc ra nhánh — hiện tượng gọi là bất ổn định phân nhánh.
- Sáu cánh giống nhau: vì cả sáu cánh cùng trải qua đúng một điều kiện nhiệt độ, độ ẩm ở mỗi thời điểm, chúng mọc gần như giống nhau. Bông tuyết cùng lúc rơi qua một lớp không khí mới, cả sáu cánh cùng đổi kiểu mọc.
Biểu đồ Nakaya: nhiệt độ quyết định hình dạng
Nhà vật lý Nhật Bản Ukichiro Nakaya (Đại học Hokkaido) là người đầu tiên tạo được bông tuyết nhân tạo trong phòng thí nghiệm, năm 1936, bằng cách cho hơi nước đông lại trên một sợi lông thỏ trong buồng lạnh. Ông thay đổi nhiệt độ và độ ẩm, ghi lại hình dạng tinh thể, và vẽ ra một biểu đồ mà ngày nay gọi là biểu đồ Nakaya. Ông có câu nói nổi tiếng: "Bông tuyết là bức thư gửi từ thiên đường" — vì nhìn hình dạng bông tuyết có thể đoán được điều kiện trong mây nơi nó hình thành.
| Nhiệt độ gần đúng | Dạng tinh thể chính |
|---|---|
| 0 đến −4 °C | Tấm lục giác mỏng |
| −4 đến −10 °C | Kim, cột lục giác |
| −10 đến −22 °C | Tấm, và khi độ ẩm cao thì thành hình sao sáu cánh phân nhánh đẹp nhất (khoảng −15 °C) |
| Dưới −22 °C | Cột, tấm nhỏ, hỗn hợp |
Độ ẩm càng cao (nhiều hơi nước dư thừa), tinh thể càng phân nhánh phức tạp. Những bông tuyết hình sao phân nhánh tuyệt đẹp mà ta thấy trên thiệp Giáng sinh hình thành chủ yếu quanh −15 °C với không khí rất ẩm. Nhà vật lý Kenneth Libbrecht (Viện Công nghệ California, Caltech) đã tiếp tục nghiên cứu này, chụp và tạo ra hàng nghìn bông tuyết trong phòng thí nghiệm, và giải thích nhiều chi tiết về vì sao hình dạng đổi theo nhiệt độ.
Có hai bông tuyết nào giống nhau không
Với bông tuyết phức tạp, gần như chắc chắn là không. Một bông tuyết có khoảng 10¹⁸ phân tử nước và trải qua một hành trình riêng biệt qua hàng nghìn mét mây, mỗi khoảnh khắc ở một nhiệt độ, độ ẩm hơi khác nhau. Số cách sắp xếp các nhánh lớn tới mức xác suất hai bông giống hệt nhau gần như bằng không.
Với những tinh thể rất nhỏ và đơn giản, như lăng trụ lục giác bé xíu, thì có thể có những tinh thể trông giống hệt nhau dưới kính hiển vi. Năm 1988, nhà khoa học Nancy Knight thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Hoa Kỳ (NCAR) chụp được hai tinh thể dạng cột rỗng trông gần như giống nhau trong một mẫu thu từ máy bay. Nhưng ở mức phân tử, chúng vẫn khác nhau.
Người chụp ảnh bông tuyết đầu tiên
Năm 1885, nông dân Wilson Bentley ở Jericho, bang Vermont (Mỹ), khi mới 19 tuổi, ghép một máy ảnh với kính hiển vi và chụp được bức ảnh đầu tiên của một bông tuyết đơn lẻ. Suốt gần 50 năm sau đó, ông chụp hơn 5.000 bông tuyết, đặt trên tấm nhung đen, làm việc trong kho lạnh để bông tuyết không tan. Biệt danh của ông là "Snowflake Bentley". Năm 1931, ông cùng nhà khí tượng học William Humphreys xuất bản cuốn Snow Crystals với khoảng 2.400 bức ảnh, đến nay vẫn được in lại.
Còn sớm hơn nữa, năm 1611, nhà thiên văn Johannes Kepler viết một tiểu luận nhỏ, Về bông tuyết sáu cánh, như một món quà năm mới tặng người bảo trợ. Ông tự hỏi vì sao tuyết luôn có sáu cánh, và đoán rằng nó liên quan tới cách những hạt nhỏ xếp sát nhau — một trực giác về cấu trúc tinh thể ba thế kỷ trước khi tia X cho phép nhìn thấy nó.
Tuyết trắng vì sao, dù băng trong suốt
Một tinh thể băng trong suốt như thuỷ tinh. Nhưng tuyết là hàng triệu tinh thể nhỏ với vô số mặt phẳng và khoảng không khí xen kẽ. Ánh sáng đi vào bị phản xạ, khúc xạ qua lại giữa các bề mặt rồi tán ra mọi hướng, gần như không bị hấp thụ màu nào. Kết quả là tuyết trông trắng, giống như bọt nước biển hay đường cát trắng dù từng hạt trong suốt.
Khi tuyết bị nén chặt thành băng sông băng, bọt khí bị đẩy ra, ánh sáng đi sâu hơn và phần ánh đỏ bị nước hấp thụ nhiều hơn, nên băng dày có màu xanh lam đặc trưng.
Góc nhìn hôm nay: ngắm tinh thể băng ngay ở Việt Nam
- Ở Việt Nam, tuyết hiếm và chỉ xuất hiện ở vài đỉnh núi cao phía Bắc trong những đợt rét đậm. Nhưng tinh thể băng thì có thể thấy dễ hơn: lớp tuyết bám trong ngăn đá tủ lạnh đời cũ (loại không có quạt chống đóng tuyết) là những tinh thể băng ngưng kết từ hơi ẩm.
- Dùng kính lúp hoặc ống kính macro rẻ tiền gắn điện thoại để xem lớp băng bám này: có thể thấy các kim và tấm lục giác nhỏ.
- Khi đi du lịch xứ lạnh, mang theo một tấm vải tối màu để hứng tuyết rơi, nhìn bằng kính lúp ngay lập tức trước khi tan.
- Cuốn Snow Crystals của Bentley và Humphreys, và các sách ảnh của Kenneth Libbrecht là nguồn tham khảo đẹp, dễ đọc.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao bông tuyết có sáu cánh?
Vì phân tử nước khi đông thành băng xếp theo mạng tinh thể lục giác. Tinh thể băng tự nhiên có dạng lăng trụ sáu cạnh, và sáu góc của nó mọc nhanh hơn các mặt, tạo ra sáu cánh của bông tuyết.
Có hai bông tuyết nào giống nhau không?
Với bông tuyết phức tạp thì gần như không, vì mỗi bông có hành trình riêng qua mây với nhiệt độ và độ ẩm thay đổi liên tục. Những tinh thể rất nhỏ và đơn giản có thể trông giống nhau dưới kính hiển vi nhưng vẫn khác ở cấp phân tử.
Hình dạng bông tuyết phụ thuộc vào gì?
Chủ yếu vào nhiệt độ và độ ẩm nơi tinh thể lớn lên, theo biểu đồ của nhà vật lý Ukichiro Nakaya. Khoảng −15 °C với không khí rất ẩm tạo ra bông tuyết hình sao phân nhánh đẹp nhất, các nhiệt độ khác tạo tấm, kim hoặc cột.
Ai chụp ảnh bông tuyết đầu tiên?
Wilson Bentley, một nông dân ở Vermont, Mỹ, chụp bức ảnh bông tuyết đầu tiên năm 1885 bằng máy ảnh ghép kính hiển vi. Ông chụp hơn 5.000 bông tuyết trong gần 50 năm và được gọi là Snowflake Bentley.
Vì sao tuyết màu trắng?
Mỗi tinh thể băng trong suốt, nhưng tuyết gồm vô số tinh thể nhỏ với nhiều bề mặt và khoảng không khí. Ánh sáng bị phản xạ, khúc xạ qua lại rồi tán ra mọi hướng mà gần như không bị hấp thụ màu nào, nên tuyết trông trắng.