Kar Kristallerinin Gizemli Ayrıntılarını Biliyor muydunuz?
KAR KRİSTALLERİ
Ocak ayında genellikle Türkiye'de kar çok yağardı ancak bu yıl öyle olmadı. Yine de ocak ayı kar kristallerini gözlemlemek için harika bir zaman. Bakalım onları sevecek misiniz?
"Her bir kristal bir tasarım harikasıydı ve hiçbiri birbirinin aynı değildi. Bir kar kristali eridiği zaman tasarım sonsuza dek yok oluyordu. Bu güzellik, arkasında hiçbir iz bırakmadan gidiyordu." Bu sözler, yaşamının önemli bir bölümünü kar kristallerini incelemeye ve onların fotoğraflarını çekmeye adamış ABD'li Wilson Bentley'e ait. Bentley, gerçekte bir çiftçiydi. Kendini çok iyi yetiştirmiş bir kişiydi ve 1885 yılında mikroskobik büyüklükteki kar kristallerinin ilk fotoğraflarını çekerek bu alanda öncü olmuştu. Bunu, fotoğraf makinesine uygun hâle getirdiği bir mikroskop yardımıyla yapmıştı. Bentley, yaşamı boyunca 5000'den fazla kar kristali fotoğrafı çekti ve bunların bir kısmını kitabında yayımladı. Bu süre içinde hiçbir kar kristalinin birbiriyle aynı olmadığını gözlemledi.
Her adım bir sonraki adımın habercisidir; kar kristallerini inceleme konusunda bir sonraki adım da Japonya'daki Hokkaido Üniversitesi'nden bir fizikçiden geldi. Bentley'in kitabından esinlenen Ukichiro Nakaya, 1932'de kar kristalleri üzerinde araştırma yapmaya başladı. Hokkaido dağlarında kar kristallerini gözlemledi ve birkaç yıl içinde 3000'den fazla fotoğraf çekti. Başlangıçta kar kristallerinin yapılarına göre sınıflandırmasını yaptı. Daha sonra da tüm kar kristali çeşitlerini laboratuvarda üretmeyi başaran ilk kişi oldu. Sonunda kar kristallerinin biçimleri ve atmosfer koşulları arasındaki ilişkileri saptadı. Bulduğu sonuçları, "Nakaya Diyagramı" olarak adlandırılan bir çizimde bir araya getirdi. Yenilenmiş haliyle bugün de kullanılan bu diyagram, kar kristallerinde "yazılı" olan meteorolojik bilgilerin kolay anlaşılabilmesini sağlar. Nakaya da zaten kar kristallerini "gökyüzünden gelen mektuplar" olarak tanımlardı.
Bu iki önemli adımdan sonra farklı bilim adamları da bugün bu konuda çalışmalarını sürdürmektedir.
Kar Kristallerinin Yapısı
Kristal yapı, moleküllerin özel bir düzenleniş biçimidir. Moleküller, kristal kafes yapı denilen bir biçimde bir araya gelirler. Buzun yapısındaki su molekülleri altıgen bir kafes oluştururlar. Bu nedenle kar kristalleri çoğunlukla altıgen prizma biçiminde olurlar. Bunun nedeni, kimi yüzeylerinin çok yavaş büyümesidir. Altıgen prizmanın, altıgen biçimli iki taban yüzeyi ve dikdörtgen biçimli altı prizma yüzeyi bulunur. Altıgen prizma, hangi yüzeylerinin daha hızlı büyüdüğüne bağlı olarak levha ya da sütun biçimli olabilir. Bunlar, farklı iklim koşullarının etkisiyle kimi zaman sıra dışı ve karmaşık biçimler de oluşturabilirler.
Laboratuvarda yapılan çalışmalarda kar kristallerinin farklı biçimlerde oluşmasının ortam sıcaklığına ve neme bağlı olduğu belirlenmiş. Bu da "morfoloji (biçimbilim) diyagramında" gösterilmiş. Diyagrama göre, kristal biçiminin temelde sıcaklığa bağlı olarak belirlendiği görülüyor. -2°C civarında levha, -5°C civarında sütun, -15°C civarında yine levha, -30°C civarında levha ve sütun biçiminde oluyorlar. Ayrıca daha düşük nem oranında daha basit biçimler, yüksek nem oranında daha karmaşık biçimler oluşturduklarını görebilirsiniz. Nem çok yüksekken -5°C civarında uzun iğneler, -15°C civarında büyük kalın levhalar oluşuyor.
Kar Kristalleri Nasıl Oluşur?
Bir kar kristalinin oluşumu, bulutlarda çok küçük bir toz taneciğiyle başlar. Bu toz taneciği, su buharı moleküllerinin kendi üzerinde yoğunlaşmasına ve buz kristaline dönüşmesine olanak sağlar. Su buharı moleküllerinin buz kristallerine dönüşümü, donma noktası olan 0°C'den düşük bir sıcaklıkta gerçekleşir. Buz kristalleri büyüyüp birbirlerine yapıştıklarında da kar tanecikleri oluşur. Kar tanecikleri bulutlarda tutulamayacak kadar ağır olduklarında da yere düşerler. Yere yakın bölgelerde hava sıcaklığı donma noktasının altındaysa kar, sıcaklık donma noktasının üzerindeyse eriyerek su damlacıklarına dönüşür ve yağmur halinde yere inerler. Kimi zaman kar ve yağmur karışık olarak düşer, buna da "sulusepken" adı verilir. Yağış türünü belirleyen bir etken de hava sıcaklığıdır. Kar kristali, dolu taneciğinden de farklıdır. Kar kristali su buharının donmasıyla, dolu da yağmur damlalarının donması sonucunda oluşur. Bu nedenle dolu tanecikleri, kar kristallerinin düzenlenişine sahip değildir.
Bir buz kristali oluştuktan sonra, kristal üzerinde yüzey oluşumu ve dallanmayı sağlayan birtakım fiziksel olaylar gerçekleşir. Bu iki olay arasındaki denge, kristal biçimini belirler. Birincisinde, basit düzgün yüzeylerin oluşumu söz konusuyken ikinci süreçte dallanmış bir desen oluşumunu sağlar. Her iki olay yine sıcaklık ve nemden etkilenir. İlk olarak yüzey oluşumunu inceleyeceğiz:
Suyun donarak buza dönüşmesi sonucunda su moleküllerinin bir araya gelerek altıgen biçimli bir kristal kafes oluştuğundan söz etmiştik. Bu buz kafesi altılı simetriye sahiptir. Kar kristallerinin simetrisini de zaten bu belirler. Yüzey oluşumu, kimi yüzeylerin diğerlerinden daha yavaş gelişmesine bağlı olarak gerçekleşir. Moleküler boyutta düşünecek olursak bir buz kristalinin girintili çıkıntılı bölümleri, daha çok sayıda serbest kimyasal bağ içerir. Havadaki su molekülleri, bu girinti ve çıkıntılara tutunmak için hazırdır. Havadaki su moleküllerinin tutunduğu bu bölümler daha hızlı büyür. Girintili çıkıntılı olmayan düzgün yüzeylerse daha az sayıda serbest kimyasal bağ içerirler. Bu düzgün yüzeylere su molekülleri kolaylıkla tutunamaz. Sonuç olarak bunlar girintili çıkıntılı yüzeylere göre daha yavaş gelişir. Girintili çıkıntılı bölümlerin tümü geliştikten sonra, bunlar düzgün yüzeyli hale gelirler. Kar kristallerinde yüzey oluşumu, altıgen prizma biçiminde bir gelişimeye neden olur. Bu olay, daha çok kristaller küçükken gerçekleşir.
Şimdi de kar kristallerinin karmaşık desenlerinin oluşabilmesini sağlayan dallanmaların nasıl gerçekleştiğini inceleyeceğiz: Havadaki su buharı molekülleri, büyümekte olan buz kristalleri üzerinde yoğunlaşma eğilimi gösterir. Su moleküllerinin kristale ulaşabilmeleri, difüzyonla gerçekleşir. (Difüzyon, moleküllerin herhangi bir ortamda homojen -her yerde eşit- olarak dağılma eğilimleridir. İçine boya katılmış sudan, boyanmamış suya bir damla damlattığınızda, boyalı su moleküllerinin difüzyonunu görebilirsiniz.) Havada gelişmekte olan düzgün yüzeyli bir buz kristali düşünün. Bu kristalin üzerinde herhangi bir yerde, bir çıkıntı oluşur. Havadaki su buharı molekülleri, kristalin diğer kısımlarına göre bu çıkıntıya daha kısa sürede ulaşır. Çıkıntıya su moleküllerinin arka arkaya ulaşmasıyla bu kısım daha önce büyümeye başlar. Daha uzaktaki su buharı moleküllerinin buz kristaline ulaşması, bu nedenle daha uzun zaman gerektirir. Sonuç olarak burada bir dal oluşur. Aynı biçimde her dalın üstünde küçük alt dallar oluşur. Dallanma, daha çok kristaller büyükken gerçekleşir.
Maddeler, ışığı geçirme bakımından ışık geçirmez, saydam ve yarısaydam olabilirler. Kar, yarısaydam bir maddedir. Yarısaydam olma durumu, ışık ışınlarının maddenin içinde düz bir yolda ilerlemediği ve maddeyi oluşturan parçacıkların ışığın yönünü değiştirdiğini belirtir. Karın içine giren bir ışık ışınının da yolu bu nedenle değişir. Işık ışını buzdan çıkarken buza girdiğinden farklı bir yol izler. Bir kar yığınına bir ışının üstten girdiğini düşünün. Buzun içinde yönü hafifçe değişir ve bir başka buz kristaline geçer. İkinci kristalde de aynı şey olur. Üst üste yığılmış kar kristalleri, üstlerine düşen ışınları bu yolla her yöne dağıtırlar. Kar kristallerinden yansıyan ve kristalin içinden geçerken kırılan ışık, tüm renkleri içerir. Bu renklerin bileşimini beyaz ışık olarak algılarız. Bu nedenle karı beyaz olarak görürüz.
Kar Kristali Çeşitleri
Kar kristalleri, hiçbir zaman birbirinin aynı olmaz. Ancak biçimleri bazı temel gruplara ayrılır.
Yıldız - Kar kristallerinin en yaygın olarak rastlanan tipidir. Birbirine simetrik altı kolu bulunur. Bu kolların da alt kolları olabilir.
Levha - Kolları, levha benzeri bir yapı gösterir. Yassı ve ince yapılıdır.
Sütun - Bunlar da altıgen prizma biçimindedir. Prizmanın her iki ucundan içe doğru birer boşluk uzanır.
İğne - Sütun biçimli kristaller, çok uzun ve ince olacak biçimde büyüdüğünde oluşurlar. Kimi zaman içleri boş olabilir.
Dallanmış - Bunlar, farklı buz kristallerinin karmakarışık biçimde birbiri içine geçmesiyle oluşurlar. Her kol, yıldız biçimli kristallerin bir kolu gibidir. Ancak, bu kollar birbirine rastgele tutunur ve simetrik değildir.
Başlıklı Sütun - Bunlar, sütun olarak büyümeye başlarlar. Ancak kristal, farklı sıcaklıktaki bir bölgeye geçtiğinde büyümesini levha biçiminde sürdürür.
