ندفة الثلج

ندفة الثلج هي بلورة جليدية واحدة كبيرة بما يكفي لتسقط عبر الغلاف الجوي للأرض على شكل ثلج . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} يبدو الثلج أبيض اللون رغم أنه مصنوع من جليد شفاف. ويعود ذلك إلى أن أوجه البلورات الصغيرة العديدة في ندفات الثلج تُشتت ضوء الشمس بينها. ^{[ 4 ]}

تبدأ كل رقاقة ثلجية بالتكوّن حول جسيم صغير يُسمى نواتها ، حيث تتراكم قطرات الماء التي تتجمد ببطء لتشكل بلورة . وتظهر أشكال معقدة مع تحرك الرقاقة عبر مناطق مختلفة من درجات الحرارة والرطوبة في الغلاف الجوي، وربما تتحد مع رقاقات ثلجية أخرى . ولهذا السبب، تميل رقاقات الثلج إلى أن تبدو مختلفة تمامًا عن بعضها البعض. ومع ذلك، يمكن تصنيفها إلى ثمانية تصنيفات رئيسية وما لا يقل عن 80 شكلًا مختلفًا. أما الأشكال الرئيسية المكونة لبلورات الجليد، والتي قد تتشكل منها تركيبات، فهي الإبرية والعمودية والصفيحة والصقيع .

تتشكل رقاقات الثلج حول جزيئات معدنية أو عضوية في كتل هوائية مشبعة بالرطوبة ودرجة حرارتها تحت الصفر. وتنمو عن طريق التراكم الصافي على البلورات الناشئة في تكوينات سداسية. وتكون قوى التماسك في المقام الأول قوى كهروستاتيكية. ^{[ 5 ]}

نمو

بمجرد أن تتجمد قطرة الماء كنواة جليدية، فإنها تنمو في بيئة فائقة التشبع ، حيث يتعايش بخار الماء مع الجليد متجاوزًا نقطة التوازن عند درجات حرارة أقل من درجة التجمد. ثم تنمو القطرة بترسب جزيئات الماء الموجودة في الهواء (البخار) على سطح بلورة الجليد حيث تتجمع. ولأن قطرات الماء أكثر عددًا بكثير من بلورات الجليد نظرًا لوفرتها الهائلة، فإن البلورات قادرة على النمو إلى مئات الميكرومترات أو المليمترات في الحجم على حساب قطرات الماء. تُعرف هذه العملية بعملية فيجنر-بيرجيرون-فاينديزن . ^{[ 9 ]}

يؤدي النقص المقابل في بخار الماء إلى تبخر القطرات، مما يعني أن بلورات الجليد تنمو على حساب القطرات. تُعد هذه البلورات الكبيرة مصدرًا فعالًا للهطول، إذ تسقط عبر الغلاف الجوي نظرًا لكتلتها، وقد تتصادم وتلتصق ببعضها لتشكل تجمعات. عادةً ما تكون هذه التجمعات هي نوع جزيئات الجليد التي تسقط على الأرض. ^{[ 10 ]}

تُشير موسوعة غينيس للأرقام القياسية إلى أن أكبر رقاقات ثلجية متجمعة في العالم سُجلت في يناير 1887 في فورت كيوغ ، مونتانا ، حيث زُعم أن عرضها بلغ 38 سم (15 بوصة)، وهو ما يتجاوز بكثير النطاق الموثق عادةً للرقاقات المتجمعة التي يتراوح عرضها بين 7.5 و10 سم (3 أو 4 بوصات) . وقد لُوحظت بلورات مفردة بحجم عملة معدنية صغيرة ( قطرها 18 مم أو 0.705 بوصة ). ^{[ 3 ]} وتُشكل رقاقات الثلج المُغلفة بالصقيع كرات تُعرف باسم "البرد" . ^{[ 11 ]}   

مظهر

لون

على الرغم من أن الجليد في حد ذاته شفاف، إلا أن الثلج عادة ما يظهر باللون الأبيض بسبب الانعكاس المنتشر لكامل طيف الضوء نتيجة لتشتت الضوء بواسطة الأسطح البلورية الصغيرة لرقاقات الثلج التي يتكون منها. ^{[ 4 ]}

شكل

يتحدد شكل ندفة الثلج بشكل عام بدرجة الحرارة والرطوبة التي تتشكل عندها. ^{[ 10 ]} ونادرًا ما تتشكل ندفات الثلج بتناظر ثلاثي عند درجة حرارة تقارب -2 درجة مئوية (28 درجة فهرنهايت) ، فتصبح ندفات الثلج مثلثة الشكل. ^{[ 12 ]} معظم جزيئات الثلج غير منتظمة الشكل، على الرغم من شيوع تصويرها على أنها متناظرة. من غير المرجح أن تتشابه ندفتا ثلج بسبب العدد التقديري لجزيئات الماء التي تُقدر بـ 10¹⁹ ⁽ 10 كوينتيليون) والتي تُكوّن ندفة الثلج النموذجية، ^{[ 13 ]} والتي تنمو بمعدلات وأنماط مختلفة تبعًا لتغير درجة الحرارة والرطوبة في الغلاف الجوي الذي تمر به ندفة الثلج في طريقها إلى الأرض. ^{[ 14 ]} وقد تم إنتاج ندفات ثلج تبدو متطابقة، ولكنها قد تختلف على المستوى الجزيئي، في ظل ظروف مُحكمة. ^{[ 15 ]}  

على الرغم من أن رقاقات الثلج لا تكون متناظرة تمامًا، إلا أن نمو رقاقة الثلج غير المتجمعة غالبًا ما يقترب من التناظر الشعاعي السداسي ، الناجم عن البنية البلورية السداسية للجليد. ^{[ 16 ]} في تلك المرحلة، تتخذ رقاقة الثلج شكل سداسي صغير. ثم تنمو "أذرع" رقاقة الثلج الستة، أو التفرعات الشجرية، بشكل مستقل من كل زاوية من زوايا السداسي، بينما ينمو كل جانب من جوانب كل ذراع بشكل مستقل. ^{[ 17 ]}

تتغير البيئة الدقيقة التي تنمو فيها ندفة الثلج ديناميكيًا أثناء سقوطها عبر السحابة، وتؤثر التغيرات الطفيفة في درجة الحرارة والرطوبة على كيفية ارتباط جزيئات الماء بها. ولأن هذه البيئة الدقيقة (وتغيراتها) متطابقة تقريبًا حول ندفة الثلج، فإن كل ذراع منها يميل إلى النمو بنفس الطريقة تقريبًا. مع ذلك، فإن التواجد في نفس البيئة الدقيقة لا يضمن نمو كل ذراع بنفس الطريقة؛ بل في بعض الأشكال البلورية، لا يضمن ذلك لأن آلية نمو البلورة الأساسية تؤثر أيضًا على سرعة نمو كل منطقة سطحية من البلورة. ^{[ 18 ]}

تشير الدراسات التجريبية إلى أن أقل من 0.1% من رقاقات الثلج تُظهر الشكل المثالي المتناظر سداسي الأضلاع. ^{[ 19 ]} وفي حالات نادرة جدًا، تُلاحظ رقاقات ثلجية ذات اثنتي عشرة فرعًا؛ وهي تحافظ على التناظر سداسي الأضلاع. ^{[ 20 ]}

تتشكل رقاقات الثلج بأشكال معقدة ومتنوعة، مما يُرسخ فكرة أنه "لا توجد رقاقات ثلج متطابقة". ورغم إمكانية صنع رقاقات ثلج متطابقة تقريبًا في المختبر، إلا أنه من النادر جدًا العثور عليها في الطبيعة. ^{[ 22 ] [ 13 ] [ 23 ] [ 24 ]} وقد أسفرت المحاولات الأولى للعثور على رقاقات ثلج متطابقة، من خلال تصوير آلاف منها بالمجهر بدءًا من عام 1885 على يد ويلسون ألوين بنتلي، عن اكتشاف التنوع الكبير في رقاقات الثلج التي نعرفها اليوم. ^{[ 25 ]}

قام أوكيشيرو ناكايا بتطوير مخطط مورفولوجيا البلورات، يربط شكل البلورات بظروف درجة الحرارة والرطوبة التي تشكلت فيها، وهو ملخص في الجدول التالي: ^{[ 26 ]}

يتحدد شكل ندفة الثلج بشكل أساسي بدرجة الحرارة والرطوبة عند تشكلها. ^{[ 10 ]} يؤدي تجميد الهواء إلى درجة حرارة -3 درجة مئوية (27 درجة فهرنهايت) إلى تكوين بلورات مسطحة (رقيقة ومسطحة). في الهواء البارد الذي تصل درجة حرارته إلى -8 درجة مئوية (18 درجة فهرنهايت) ، تتشكل البلورات على هيئة أعمدة مجوفة أو موشورات أو إبر. في الهواء البارد الذي تصل درجة حرارته إلى -22 درجة مئوية (-8 درجة فهرنهايت) ، تعود الأشكال إلى شكلها الصفيحي، وغالبًا ما تكون متفرعة أو شجرية. عند درجات حرارة أقل من -22 درجة مئوية (-8 درجة فهرنهايت) ، تصبح البلورات صفيحية أو عمودية، وذلك تبعًا لدرجة التشبع. وكما اكتشف ناكايا ، فإن الشكل يعتمد أيضًا على ما إذا كانت الرطوبة السائدة أعلى أو أقل من مستوى التشبع. تميل الأشكال التي تتشكل أسفل خط التشبع إلى أن تكون أكثر صلابة وكثافة. أما البلورات المتشكلة في الهواء المشبع فتميل إلى أن تكون أكثر رقة ودقة وزخرفة. تتشكل أنماط نمو أكثر تعقيدًا، مثل الأسطح الجانبية، والوريدات الرصاصية، والأنواع المستوية، وذلك تبعًا للظروف ونوى الجليد. ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} إذا بدأت البلورة بالتشكل في نظام نمو عمودي، عند حوالي -5 درجة مئوية (23 درجة فهرنهايت) ، ثم انتقلت إلى نظام النمو الصفيحي الأكثر دفئًا، فإن البلورات الصفيحية أو الشجرية تنبت في نهاية العمود، مُنتجةً ما يُسمى "الأعمدة المُغطاة". ^{[ 10 ]}          

ابتكر ماغونو ولي تصنيفًا لبلورات الثلج المتكونة حديثًا يشمل 80 شكلًا مميزًا. وهي مدرجة في الفئات الرئيسية التالية (مع الرمز): ^{[ 30 ]}

• البلورات الإبرية (N) – تنقسم إلى: بلورات إبرية بسيطة وبلورات إبرية مركبة
• البلورة العمودية (C) – تنقسم إلى: أعمدة بسيطة وأعمدة مركبة
• البلورة المسطحة (P) – تنقسم إلى: بلورة منتظمة في مستوى واحد، بلورة مسطحة ذات امتدادات، بلورة ذات عدد غير منتظم من الفروع، بلورة ذات 12 فرعًا، بلورة مشوهة، مجموعة شعاعية من الفروع المسطحة
• مزيج من البلورات العمودية والصفائحية (CP) – ينقسم إلى: عمود ذو بلورات مستوية في كلا الطرفين، ورصاصة ذات بلورات مستوية، وبلورة مستوية ذات امتدادات مكانية في الأطراف
• البلورة العمودية ذات المستويات الجانبية الممتدة (S) – تنقسم إلى: مستويات جانبية، ومستويات جانبية تشبه الحراشف، ومزيج من المستويات الجانبية، ونقاط، وأعمدة.
• الكريستال المُغطى بحافة (R) - ينقسم إلى: الكريستال المُغطى بحافة، الكريستال ذو الحافة الكثيفة، الكريستال الشبيه بالبرد، البرد
• بلورات ثلجية غير منتظمة (I) – تنقسم إلى: جزيئات جليدية، جزيئات متجمدة، قطع مكسورة من بلورة، وأنواع أخرى
• نواة بلورة الثلج (G) – تنقسم إلى: عمود دقيق، نواة ذات شكل هيكلي، صفيحة سداسية دقيقة، بلورة نجمية دقيقة، مجموعة صفائح دقيقة، نواة غير منتظمة

قاموا بتوثيق كل منها بالصور المجهرية. ^{[ 31 ]}

يصف التصنيف الدولي للثلوج الموسمية على الأرض تصنيف بلورات الثلج، بمجرد ترسبها على الأرض، بما في ذلك شكل الحبيبات وحجمها. كما يصف النظام أيضًا طبقة الثلج، حيث تتحول البلورات الفردية وتندمج. ^{[ 32 ]}

تُستخدم رقاقات الثلج أيضًا كرموزٍ للشتاء أو البرد. فعلى سبيل المثال، تُزيّن إطارات الثلج، التي تُحسّن التماسك أثناء القيادة في ظروف الشتاء القاسية، برمز رقاقة ثلج على الجبل. ^{[ 33 ]} وقد كانت رقاقة الثلج المُنمّقة جزءًا من شعار دورة الألعاب الأولمبية الشتوية أعوام 1968 ، و1972 ، و 1984 ، و 1988 ، و 1998 ، و 2002 . ^{[ 34 ] [ 35 ]}

تُعدّ ندفة الثلج رمزًا أو نقشًا موسميًا تقليديًا يُستخدم بكثرة خلال موسم عيد الميلاد ، لا سيما في أوروبا وأمريكا الشمالية. وكاحتفال مسيحي ، يُحتفل بعيد الميلاد بتجسد السيد المسيح ، الذي يُكفّر ، وفقًا للمعتقد المسيحي، عن خطايا البشرية؛ لذا، في تقاليد عيد الميلاد الأوروبية والأمريكية الشمالية، ترمز ندفات الثلج إلى النقاء. ^{[ 36 ] [ 37 ]} كما ترتبط ندفات الثلج تقليديًا بظاهرة " عيد الميلاد الأبيض " التي غالبًا ما تسود خلال فترة عيد الميلاد. ^{[ 37 ]}

أصبحت ندفة الثلج السداسية ذات الرؤوس الستة، المستخدمة في وسام كندا (نظام شرف وطني)، رمزاً لتراث الكنديين الشمالي وتنوعهم. ^{[ 38 ]}

في عهد أسرة تانغ، كانت رقاقات الثلج في الشعر أحيانًا بمثابة رمز للطاقة الكونية للطاو ومجرة درب التبانة . ^{[ 39 ]}

تُشفّر ثلاثة رموز مختلفة لندفة الثلج في نظام يونيكود : "ندفة الثلج" عند U+2744 (❄)؛ و" ندفة الثلج ثلاثية الأوراق الضيقة " عند U+2745 (❅)؛ و" ندفة الثلج ذات الشكل المتعرج الثقيل " عند U+2746 (❆). ^{[ 40 ]}

مجموعة مختارة من الصور التي التقطها ويلسون بنتلي (1865-1931):

تُظهر الدراسات الفوتوغرافية الشاملة لرقاقات الثلج الطازجة أن التناظر البسيط الموضح في صور بنتلي نادر الحدوث. ^{[ 41 ]}

• منحنى كوخ الثلجي – منحنى رياضي يشبه ندفة الثلج
• سيكا زوسيتسو – دليل لأشكال ندفة الثلج، كُتب في اليابان في القرن التاسع عشر
• سيلبوروز - تصميم زهري ثماني الأطراف قد يُشتبه في كونه ندفة ثلج
• الجدول الزمني لأبحاث ندفة الثلج

• ليبرشت، كينيث ج. (2006). دليل كين ليبرشت الميداني لرقاقات الثلج . مطبعة فوياجيور. رقم ISBN 978-0-7603-2645-9.

• معلومات من البروفيسور كينيث جي. ليبرخت ، أستاذ معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، حول معايير تكوين رقاقات الثلج:
  • ملخص
  • دليل إلكتروني عن رقاقات الثلج وبلورات الجليد
  • مقابلة مصورة