Bông tuyết có sáu cánh vì phân tử nước khi đông thành băng ở điều kiện thường xếp thành mạng tinh thể lục giác: mỗi phân tử liên kết với bốn phân tử lân cận qua liên kết hydro, tạo thành những vòng sáu cạnh. Tinh thể lớn lên từ "hạt mầm" lục giác này, và vì sáu cánh cùng trải qua gần như cùng một nhiệt độ, độ ẩm khi bông tuyết rơi, chúng phát triển gần giống nhau. Còn hình dạng cụ thể, dạng tấm hay dạng cành cây, dạng cột hay dạng kim, do nhiệt độ và độ ẩm quyết định.
Bông tuyết là ví dụ tuyệt đẹp của đối xứng trong tự nhiên, và cũng là bài toán khoa học thú vị đã thu hút từ Kepler tới các nhà vật lý hiện đại. Bài này giải thích nguồn gốc của sáu cánh, ai đã chụp và nghiên cứu bông tuyết, và câu hỏi "có hai bông tuyết nào giống nhau không".
Kepler và bông tuyết sáu cánh
Năm 1611, Johannes Kepler viết một tiểu luận ngắn bằng tiếng Latinh làm quà năm mới cho người bảo trợ, tên là Strena seu de nive sexangula (Quà năm mới, hay về bông tuyết sáu cánh). Ông đặt câu hỏi: vì sao tuyết luôn có sáu cánh, không phải năm hay bảy? Ông so sánh với tổ ong, hạt lựu, và gợi ý rằng có thể liên quan tới cách các hạt nhỏ xếp chặt với nhau. Kepler không trả lời được trọn vẹn, nhưng tiểu luận của ông thường được coi là một trong những suy nghĩ đầu tiên về cấu trúc tinh thể, và còn nêu ra bài toán xếp quả cầu chặt nhất mà mãi tới năm 1998 Thomas Hales mới chứng minh.
Câu trả lời đầy đủ chỉ có khi người ta hiểu cấu trúc phân tử nước. Đầu thế kỷ 20, phương pháp nhiễu xạ tia X cho thấy băng thông thường (gọi là băng Ih) có mạng tinh thể lục giác.
Từ phân tử đến sáu cánh
- Phân tử nước gồm một nguyên tử oxy và hai nguyên tử hydro, tạo góc khoảng 104,5 độ.
- Khi đông đặc, mỗi phân tử liên kết hydro với bốn phân tử khác theo hình tứ diện, tạo thành mạng tinh thể có những vòng sáu phân tử. Nhìn dọc một trục, mạng có dạng tổ ong lục giác.
- Tinh thể nhỏ ban đầu là một lăng trụ lục giác: hai mặt đáy lục giác và sáu mặt bên.
- Khi lớn lên, sáu góc của lục giác nhô ra xa hơn vào không khí ẩm, nhận hơi nước nhanh hơn các mặt phẳng. Góc mọc nhanh hơn, tạo ra sáu cánh. Trên mỗi cánh, quá trình lặp lại, sinh nhánh con, khiến bông tuyết dạng cành có dáng giống fractal.
Vì vậy bông tuyết luôn có sáu cánh (hoặc là lăng trụ, tấm lục giác), và các nhánh con thường mọc ra theo góc 60 độ.
Nhiệt độ và độ ẩm quyết định hình dạng
Năm 1930 – 1940, nhà vật lý Nhật Bản Nakaya Ukichirō (Đại học Hokkaido) là người đầu tiên tạo được bông tuyết nhân tạo trong phòng thí nghiệm, nuôi tinh thể băng trên sợi lông thỏ trong buồng lạnh. Ông hệ thống hoá mối quan hệ giữa điều kiện và hình dạng, gọi là biểu đồ Nakaya. Ông có câu nói nổi tiếng thường được dịch là: "Bông tuyết là bức thư từ bầu trời", vì nhìn hình dạng có thể đoán điều kiện tầng mây nơi nó hình thành.
| Nhiệt độ (khoảng) | Hình dạng thường gặp |
|---|---|
| 0 tới −4 °C | Tấm lục giác mỏng, hình sao đơn giản |
| −4 tới −10 °C | Cột lục giác, kim dài |
| −10 tới −22 °C | Tấm lục giác; khi độ ẩm cao, cánh sao dạng cành cây phức tạp nhất (khoảng quanh −15 °C) |
| Dưới −22 °C | Cột, tấm nhỏ, dạng hỗn hợp |
Độ ẩm càng cao, tinh thể càng phân nhánh. Một bông tuyết rơi qua nhiều tầng mây có thể bắt đầu là một cột rồi mọc thêm tấm ở hai đầu, tạo ra dạng "cột có nắp".
Wilson Bentley: người chụp bông tuyết
Wilson Bentley (1865 – 1931), một nông dân ở bang Vermont (Mỹ), là người đầu tiên chụp được ảnh một bông tuyết đơn lẻ, vào năm 1885, bằng cách gắn kính hiển vi với máy ảnh hộp. Suốt đời, ông chụp hơn 5.000 bông tuyết, đứng trong nhà kho lạnh để tuyết không tan, dùng lông gà để chuyển bông tuyết lên tấm kính đen. Năm 1931, ông cùng nhà khí tượng William Humphreys xuất bản cuốn Snow Crystals với khoảng 2.000 bức ảnh. Người dân địa phương gọi ông là "Snowflake Bentley".
Có hai bông tuyết nào giống nhau không
Câu "không có hai bông tuyết nào giống nhau" được phổ biến một phần nhờ Bentley. Về mặt khoa học, câu này cần hiểu đúng:
- Bông tuyết phức tạp dạng cành: có vô số chi tiết, mỗi chi tiết chịu ảnh hưởng của những dao động rất nhỏ về nhiệt độ, độ ẩm khi rơi. Số cách kết hợp lớn tới mức xác suất hai bông giống hệt nhau trong lịch sử Trái Đất gần như bằng không.
- Tinh thể nhỏ đơn giản: như những lăng trụ lục giác bé xíu, có thể trông gần như giống hệt nhau dưới kính hiển vi.
- Ở cấp độ phân tử: mỗi bông tuyết chứa khoảng 1018 phân tử nước, với tỉ lệ đồng vị khác nhau, nên không có hai bông giống nhau tuyệt đối.
Nhà vật lý Kenneth Libbrecht ở Viện Công nghệ California (Caltech), người dành nhiều năm nghiên cứu và chụp bông tuyết, đã tạo được những cặp bông tuyết "song sinh" rất giống nhau trong phòng thí nghiệm bằng cách cho chúng lớn lên cạnh nhau trong cùng điều kiện. Ông cũng lưu ý rằng sáu cánh của một bông tuyết không bao giờ giống nhau tuyệt đối; chúng chỉ giống nhau vì cùng trải qua điều kiện gần như nhau.
Tuyết ở Việt Nam
Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới nhưng ở những vùng núi cao phía Bắc như Sa Pa, đỉnh Phan Xi Păng, Mẫu Sơn, một số năm có đợt rét đậm kèm tuyết hoặc mưa tuyết, như các đợt được báo chí đưa tin vào cuối tháng 1 năm 2016. Phần lớn là băng giá và mưa tuyết, tinh thể nhỏ, ít khi có bông tuyết lớn dạng cành như ở vùng ôn đới. Khi có tuyết, người dân và du khách nên chú ý giữ ấm, đi lại cẩn thận trên đường trơn.
Góc nhìn hôm nay: tự quan sát và mô phỏng
- Cắt bông tuyết giấy đúng sáu cánh: gấp tờ giấy vuông thành tam giác, gấp tiếp thành ba phần bằng nhau (mỗi phần 60 độ, không phải gấp đôi tiếp thành bốn phần). Cắt hoa văn trên mép, mở ra: bông tuyết sáu cánh đúng chuẩn. Gấp sai thành tám cánh là lỗi phổ biến ở các bông tuyết trang trí.
- Quan sát sương muối, băng tủ lạnh: dùng kính lúp quan sát tinh thể băng đọng trên ngăn đá hay trên lá cỏ những sáng rất lạnh ở vùng núi. Tìm các góc 60 độ.
- Nếu đi du lịch vùng có tuyết: mang theo một tấm vải đen hoặc bìa đen để lạnh, hứng bông tuyết rơi và quan sát bằng kính lúp hoặc chế độ chụp cận cảnh của điện thoại.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao bông tuyết có sáu cánh?
Vì nước đông thành băng ở điều kiện thường có mạng tinh thể lục giác, nhờ cách phân tử nước liên kết hydro với nhau. Tinh thể ban đầu là lăng trụ lục giác, sáu góc mọc nhanh hơn tạo thành sáu cánh.
Có hai bông tuyết nào giống hệt nhau không?
Với bông tuyết dạng cành phức tạp, xác suất hai bông giống hệt nhau gần như bằng không. Tinh thể nhỏ đơn giản có thể trông rất giống nhau, và trong phòng thí nghiệm người ta tạo được những cặp gần như song sinh.
Ai chụp ảnh bông tuyết đầu tiên?
Wilson Bentley, một nông dân ở Vermont, Mỹ, chụp được ảnh bông tuyết đơn lẻ đầu tiên năm 1885 bằng kính hiển vi gắn máy ảnh. Ông chụp hơn 5.000 bông tuyết trong đời.
Hình dạng bông tuyết phụ thuộc vào gì?
Phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và độ ẩm của tầng không khí nơi nó lớn lên. Khoảng âm 15 độ C và độ ẩm cao cho bông tuyết dạng cành phức tạp nhất, còn khoảng âm 5 độ C thường cho dạng cột hay kim.
Việt Nam có tuyết không?
Có, ở một số vùng núi cao phía Bắc như Sa Pa, Phan Xi Păng, Mẫu Sơn trong những đợt rét đậm đặc biệt, như cuối tháng 1 năm 2016. Phần lớn là băng giá và mưa tuyết với tinh thể nhỏ.