Let it Snow~

เรื่องและภาพโดย วริศา ใจดี

หลังจากที่ฉันได้อยู่ที่ Wellesley มากว่าครึ่งปี ฉันก็เริ่มจะคุ้นชินกับอุณหภูมิหนาวขั้นติดลบขึ้นมาบ้างแล้ว และในฤดูหนาวนี้ ฉันก็ได้สัมผัสหิมะแรกของปีที่ตกลงมาไม่หยุดหย่อนจนสูงถึง 1 ฟุตเลยทีเดียว การเดินไปเข้าชั้นเรียนของฉันอาจจะลำบากไปบ้าง แต่ก็คุ้มค่าที่ได้เห็นภูมิทัศน์สวยๆ ของหิมะสีขาวสะอาดตาไปทั่วทั้งมหาวิทยาลัย เมื่อก้มลงมองใกล้ๆ แล้วจะพบว่า หิมะปุยหนานุ่มนี้ประกอบขึ้นจากผลึกเล็กๆ จำนวนมากที่สะท้อนแสงเป็นประกายวิบวับยามแสงแดดส่องกระทบพวกมัน

พอได้พบว่าความสวยงามของเจ้าเกล็ดหิมะนี่ละเอียดอ่อนถึงขั้นระดับผลึกโมเลกุล ฉันก็อดสงสัยไม่ได้ ว่ารูปร่างที่สมมาตร (symmetric) พอดิบพอดีนี่หรือคือธรรมชาติสร้าง หน้าตาแตกต่างกันแต่ทุกอันล้วนมีหกแฉก ก่อนจะแตกแขนงออกไปราวกับรูปร่างทางเรขาคณิต อะไรกันที่อยู่เบื้องหลังความสวยงามนี้นะ ?!

ภาพระยะใกล้ของหิมะที่ตกลงบนพื้นและบนโต๊ะ แล้วถ้ามองเข้าไปใกล้อีก…เราก็จะเห็นหน้าตาของหิมะที่ฉันพยายามจับมานั่งส่องดูจนมือชาไปหมด

ก่อนอื่นเรามาลองดูในเชิงโมเลกุลกัน เรารู้ว่าเกล็ดน้ำแข็งเหล่านี้เกิดจากไอน้ำ หรือชื่อทางเคมีก็คือ H₂O ที่เรียงตัวตามธรรมชาติขณะที่เย็นตัวลง น้ำเป็นโมเลกุลที่มีขั้วจากออกซิเจนที่มีความเป็นลบอ่อน ๆ ประกอบกับไฮโดรเจนที่มีความเป็นบวกอ่อนๆ คุณสมบัติความมีขั้ว (polarity) ของน้ำนี้เองที่เป็นตัวกำหนดลักษณะโครงสร้าง ณ อุณหภูมิและความดันหนึ่ง ๆ โครงสร้างดังกล่าวจะมีรูปร่างเป็นตัววี (V-shape) โดยไฮโดรเจนสองอะตอมจะยึดกับออกซิเจนหนึ่งอะตอมด้วยพันธะไฮโดรเจน และทำมุมอยู่ที่ 104.5 องศาเสมอ

ภาพโมเลกุลของน้ำ

เมื่อโมเลกุลน้ำ 6 โมเลกุลมาใกล้กัน อะตอมไฮโดรเจนที่มีความเป็นบวกอ่อนๆ ก็ดึงดูดเข้ากับอะตอมออกซิเจนที่มีความเป็นลบอ่อนๆ (คล้ายกับที่แม่เหล็กขั้วบวกจะดึงดูดกับขั้วลบนั่นแหละ) เกิดเป็นโครงสร้างวงแหวนรูปหกเหลี่ยมด้านเท่าที่เรียกว่า “lattice”

ภาพ lattice (วงแหวนหกเหลี่ยมด้านเท่าที่เกิดจากโมเลกุลน้ำ 6 โมเลกุลต่อกัน)

และเมื่อหลาย ๆ lattice มาเชื่อมต่อกันเป็นโครงตาข่ายต่อ ๆ ไปเรื่อย ๆ เราก็จะเริ่มเห็นโครงสร้างที่ชัดเจนเหมือนภาพนี้

กระบวนการเชิงโมเลกุลนี้จะเกิดควบคู่กับช่วงเวลาที่อากาศเย็นลง ไอน้ำในบรรยากาศได้ตกผลึกขณะที่ร่วงหล่นจากท้องฟ้า และในระหว่างที่เจ้าผลึกน้ำแข็งกำลังร่วงหล่นลงมาสู่พื้นโลก ไอน้ำโดยรอบก็จับตัวกันเข้ามา ก่อร่างจากผลึกเริ่มต้นที่เป็นรูปหกเหลี่ยมด้านเท่า จนเกิดเป็นผลึกใหม่ที่แตกแขนงออกไป ปรากฏเป็นรูปร่างสวยๆ ให้เราได้เห็นกัน

อย่างไรก็ตามเกล็ดหิมะจะคงความสมมาตรหกด้านเสมอไม่เปลี่ยนแปลง เพราะเป็นโครงสร้างที่คงมาตั้งแต่ระดับโมเลกุล แต่แขนงของมันจะต่างกันออกไป ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ณ ขณะที่ผลึกได้เกิดขึ้น, จำนวนโมเลกุลของน้ำที่สามารถเข้ามารวมตัวกันได้ และความชื้นของอากาศ โดยแต่ละแขนงในเกล็ดหิมะหนึ่งๆ นั้นจะหน้าตาเหมือนกัน เพราะเกิดขึ้นในสภาพอากาศเดียวกัน ทำให้เกิดเป็นรูปร่างสมมาตรอันสวยงามน่าสนใจนี้

จากกราฟจะเห็นได้ว่าด้วยอุณหภูมิที่เหมาะสมราว -16 องศาเซลเซียส และความชื้นสูง จะเกิดเป็นเกล็ดหิมะคล้ายกิ่งไม้ (dendrites) ที่ค่อนข้างสมบูรณ์และมีขนาดใหญ่ ซึ่งถ้าย้อนกลับไปดูเกล็ดหิมะที่ฉันเจอ ในวันนั้นมีอุณหภูมิราว -3 องศาเซลเซียส และอากาศค่อนข้างชื้น พอเทียบดูกับแผนผังนี้ก็จะรู้ได้ว่าเกล็ดหิมะที่ฉันเจอเป็นประเภทเดียวกันแต่ขนาดเล็กกว่ากันเยอะเลย

และแล้วฉันก็ได้มีโอกาสสัมผัสหิมะกองพะเนินนั้นที่ทั้งนุ่ม และเย็นฉ่ำ นอกจากจะได้ปั้นเป็นคุณสโนว์แมนแล้ว ฉันยังได้ทดลองเล่นสไลเดอร์หิมะที่เนินเขาข้างๆ หอพักอีกด้วย อุปกรณ์ที่ใช้เล่นก็หาได้ใกล้ๆ ถาดอบขนมจากโรงอาหารนี่เอง ไม่นึกเลยว่าเจ้าผลึกเล็กๆ แสนสวยงามที่ธรรมชาติได้สรรค์สร้างขึ้นมาจะสร้างความสนุกสนานให้แก่ฉันและเพื่อนๆ ได้เป็นอย่างดีในวันที่หนาวสุดขั้วแบบนี้

ขอบคุณที่มาข้อมูล: