Hoa tuyết: Sự tạo thành kỳ diệu của thiên nhiên

Bạn có biết vì sao hoa tuyết có những hình dạng rất phức tạp nhưng đối xứng hoàn hảo không? Và bạn có biết rằng không có hai hoa tuyết nào hoàn toàn giống nhau không? Chúng ta hãy cùng tìm hiểu Vật lý về các hoa tuyết!

Sự tạo thành kỳ diệu của hoa tuyết

Chắc hẳn ai trong chúng ta cũng đã từng nhìn thấy hình ảnh những hoa tuyết bằng giấy được dán lên tường trang trí trong dịp lễ hội mùa đông. Kích thước của mỗi hoa tuyết chỉ cỡ 1 mm, là những hình đối xứng lục giác rất phức tạp nhưng cũng rất hoàn hảo, không lẽ có những hoa tuyết như thế này thật sao?

Cấu trúc tinh thể của nước ở thể rắn

Nước ở thể rắn có cấu trúc tinh thể lục giác. Hình 1 mô tả tinh thể nước đá dưới những góc nhìn khác nhau, trong đó, chấm màu đỏ biểu diễn các phân tử Oxy, còn các gạch nối màu xám chính là các nguyên tử Hydro. Vì nước có công thức phân tử là H2O, nên xung quanh mỗi nguyên tử Oxy có hai nguyên tử Hydro. Chính tính đối xứng lục giác của các tinh thể nước ở thể rắn đã làm cho hoa tuyết cũng có tính đối xứng lục giác.

Hình 1: Cấu trúc tinh thể của nước ở thể rắn. (Ảnh: Gwdg.de)

Bạn có thể hỏi: nếu vậy thì nước trong tủ lạnh cũng đông đặc thành thể rắn, vì sao nó không có dạng đối xứng như hoa tuyết?

Bởi vì nước trong tủ lạnh chuyển từ thể lỏng sang thể rắn, còn hoa tuyết được hình thành khi nước chuyển trực tiếp từ thể hơi sang thể rắn (hơi nước ngưng tụ thành hoa tuyết – quá trình này diễn ra trong các đám mây). Chính vì vậy mà hoa tuyết thì có dạng đối xứng trong khi nước đá thì không.

Hình 2: Các tinh thể lập phương có khuynh hướng lấp vào những chỗ còn khiếm khuyết (có các liên kết chưa hoàn thành) cho đến khi tất cả các mặt đều bằng phẳng. Điều tương tự xảy ra với các tinh thể lục giác của nước.

Bạn lại có thể phản biện: Nhưng cấu trúc đối xứng lục giác của tinh thể nước ở thể rắn (ở cấp độ vi mô) chưa chắc sẽ tạo nên cấu trúc đối xứng lục giác của hoa tuyết (ở cấp độ vĩ mô), cũng giống như nếu gom nhiều khối lục giác đều lại một cách ngẫu nhiên thì chưa chắc ta có được một khối lục giác đều lớn.

Để làm rõ điều này, ta hãy xem xét kỹ hơn quá trình hình thành một tinh thể tuyết. Ban đầu, một nhóm phân tử nước kết hợp ngẫu nhiên với nhau, tạo thành một tinh thể với bề mặt gồ ghề. Ở những chỗ gồ ghề đó, các liên kết giữa các phân tử nước chưa được lấp đầy (nghĩa là các gạch nối màu xám trong hình 1 còn bị đứt quãng nhiều chỗ chứ chưa khép kín thành lục giác). Khi đó, các phân tử nước đến sau có xu hướng lấp vào những chỗ gồ ghế ấy để hoàn thành các liên kết còn bị đứt quãng, cho đến khi tất cả các mặt đều bằng phẳng như nhau. Hình 2 minh họa quá trình này với tinh thể đối xứng tứ giác. Tương tự, những tinh thể nước đối xứng lục giác sẽ tạo thành tinh thể băng cũng có tính đối xứng lục giác.

Đến đây, chúng ta chỉ mới hiểu được vì sao tinh thể tuyết có tính đối xứng lục giác. Phần tiếp theo sẽ giải thích sự tạo thành những hoa văn cầu kỳ, phức tạp của hoa tuyết.

Hình 3 mô tả quá trình hình thành một hoa tuyết. Như đã giải thích ở trên, khi các hạt băng li ti kết hợp với nhau, chúng tạo thành một hình trụ đối xứng lục giác (bước 2 trong sơ đồ ở hình 3). Khi những tinh thể hình trụ này trở nên ngày càng to lớn hơn, chúng “mọc” thêm 6 nhánh từ 6 đỉnh của lục giác. Nguyên nhân của sự mọc nhánh này như sau: Trên một tinh thể hình trụ thì các đỉnh nhô ra nhiều hơn những phần còn lại. Do đó, các đỉnh chính là nơi đón nhận các tinh thể li ti đến nhập vào khối tinh thể lớn nhiều hơn là các phần khác. Kết quả là các đỉnh này phát triển nhanh hơn các phần còn lại, tạo thành các nhánh mọc ra từ các đỉnh. Các nhánh này cũng là những hình trụ lục giác (do cũng là các tinh thể băng), nên từ đó lại mọc ra các nhánh phụ nữa do cùng nguyên nhân như trên. Rồi từ các nhánh phụ lại mọc ra các nhánh con nữa, và cứ thể tiếp tục. Quá trình này tạo nên sự phức tạp của các hoa tuyết, và cũng giải thích vì sao các nhánh của hoa tuyết có dạng giống thân cây.

Hình 3: Sơ đồ minh họa quá trình hình thành một hoa tuyết. (Ảnh: LiveScience)

Đến đây, điều cuối cùng (và cũng rất thú vị) cần giải thích nữa là vì sao 6 nhánh của một hoa tuyết gần như hoàn toàn giống nhau, trong khi không thể tìm được hai hoa tuyết hoàn toàn giống nhau. Trong quá trình các nhánh được tạo thành thì tinh thể di chuyển không ngừng trong đám mây, đến những nơi có nhiệt độ và độ ẩm (hai yếu tố quan trọng nhất quyết định hình dạng của hoa tuyết – sẽ được đề cập ngay sau đây) khác nhau. Tuy nhiên, vì tinh thể rất nhỏ bé, nên dù nó có đi đến đâu thì cả tinh thể vẫn chịu cùng một nhiệt độ và độ ẩm như nhau, và do đó mà các nhánh phát triển đồng đều nhau, tạo nên những hình dạng giống nhau ở cả 6 nhánh. Và cũng vì các tinh thể di chuyển một cách ngẫu nhiên, nên không có hai tinh thể nào trải qua cùng một điều kiện nhiệt độ và độ ẩm như nhau. Kết quả là không có hai hoa tuyết nào hoàn toàn giống nhau.

Tùy điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của không khí nơi hoa tuyết được tạo thành mà hoa tuyết sẽ có những hình dạng khác nhau. Biểu đồ hình thái dưới đây cho biết hình dạng của hoa tuyết tương ứng với điều kiện hình thành nên nó.

Ví dụ, hoa tuyết dạng đĩa mỏng và hoa tuyết hình sao được hình thành khi nhiệt độ khoảng -2 độ C, trong khi dạng que và dạng kim hình thành ở gần -5 độ C. Ở khoảng -15 độ C, hoa tuyết dạng đĩa và dạng sao xuất hiện trở lại. Hỗn hợp hoa tuyết dạng đĩa và dạng que được hình thành khi nhiệt độ khoảng -30 độ C. Cũng từ biểu đồ này ta nhận thấy rằng, độ ẩm càng cao (càng về phía trên của biểu đồ) thì hoa tuyết được tạo thành càng phức tạp và ngược lại. Hoa tuyết dạng kim dài và dạng đĩa được hình thành khi độ ẩm rất cao (gần 100%).

Hình 4: Biểu đồ hình thái của hoa tuyết. (Ảnh: Pandasthumb.org)

Sự hình thành tuyết

Vì sao tuyết có màu trắng? Có tuyết màu khác không?

Tuyết có màu trắng. Điều đó ai cũng biết, thật hiển nhiên, đến nỗi người ta dùng tuyết để làm chuẩn cho màu trắng (“trắng như tuyết”), và chuyện cổ tích từ xa xưa cũng có nàng Bạch Tuyết. Thế nhưng, bạn có bao giờ tự hỏi vì sao tuyết có màu trằng chưa? Và liệu có tuyết màu khác không?

Bản thân hoa tuyết là một tinh thể trong suốt, giống như thủy tinh. Tuy nhiên, cả một đám tinh thể tuyết gom lại với nhau sẽ có màu trắng, cũng giống như khi bạn nghiền nhỏ thủy tinh ra thì nó sẽ có màu trắng. Nguyên nhân vật lý của việc này là như sau. Tia sáng tới bị phản xạ một phần trên bề mặt tinh thể tuyết. Khi có rất nhiều các bề mặt như vậy, thì tia sáng bị phản xạ nhiều lần và thậm chí có thể bị tán xạ ngược trở lại. Hầu hết các ánh sáng đơn sắc đều bị tán xạ khá tốt, nên chúng ta nhìn thấy tuyết có màu trắng.

Thực tế, các tia sáng cũng bị hấp thụ một phần khi chúng phản xạ qua lại giữa các bề mặt, trong đó ánh sáng màu đỏ bị hấp thụ mạnh hơn ánh sáng màu xanh. Thực nghiệm cho thấy, ánh sáng có bước sóng khoảng 470 nm (giữa màu xanh lục và xanh dương) là ít bị hấp thụ nhất. Cho nên, nếu đào sâu vào một lớp tuyết, ta có thể nhìn thấy tuyết có màu xanh.

Một số hình ảnh hoa tuyết. (Ảnh: Newsfromrussia.com)