Biyoloji Fizik Hypatia Arşivi Kimya

Kar Tanesi Bilimi – Şekilleri Nasıl Oluşuyor?

Kar Tanesi

Kar Tanesi hiç şekillerine dikkat ettiniz mi? Bazıları gerçekten sanat eseri! Düzenli ve simetrik yapılara sahipler ve hepsinin eşsiz olduğu söyleniyor!

Kar Tanesi

Peki bakalım öyle mi?

Kristalografi diye bir dal var. Bu dal; işte bizim kar tanelerinin iç yapısını izlememiz için bize bir imkan sunuyor.

Kar Tanesi şekilleri

Bir kar tanesi, bir bulutun içinde bir toz tanesi gibi yoluna başlar. Su buharı yoğunlaşarak katı forma geçer ve damlacık, buz parçacığı haline dönüşür. Donmuş damlacıkların üzerinde kristal yüzler belirir. Sonra altıgen yapılı bir prizmaya dönüşür. Buzun kenarları daha hızlı büyüdüğü için prizmanın her yüzünde delikler oluşmaya başlar. Kenarlar büyümeye başladıkça, altı tane kolun filizlenmesine neden olur. Bu altı dal bir altıgenin köşelerini oluşturur. Moleküller kimyasal olarak altıgen bir yapıda bağlanır.

Sıcaklık -13 dereceye düştüğünde yeni dal uçlarındaki büyüme daralmaya başlar, -14 dereceye düşünce de yeni dallar filizlenir. Kristal yapımız hızlıca daha sıcak hava ve sonra daha soğuk hava ile karşılaştıkça dalların yanlarında yeni yan dallar oluşmaya başlar. Kristal düştükçe biraz ısınır ve uçlarda tekrardan yeni dallar yapar. Son olarak yeryüzüne yaklaştıkça, biraz daha yavaşlar ve sıcak hava ile başka dal formaları oluşturur.

Kar Tanesi nasıl oluşur

Ve en son bildiğimiz, harika bir simetrik şekil ile sonsuz sayıda yere düşer.

Kar Tanesi nasıl oluşuyor

Ve bu şekil müthiş değil mi?
Bir kar tanesinin boyutu, yönü, rüzgarın hızı, düşme hızı, sıcaklığı ani değişimleri onun şeklini etki eden faktörler. Ve galiba ondan dolay, bir kar tanesi başka bir kar tanesine benzemiyor!
Yani, her bir kar tanesi eşsiz mi?

wilson bently

Bunu anlamak için önce geçmişe gidelim! 15ocak 1885’e gidiyoruz, bu tarih çok ilginç!
Daha yirmi yaşındayken, derme-çatma bir mikroskoba bağladığı, yine derme çatma bir fotoğraf makinasıyla Wilson Bentley ilk kar tanesi fotoğrafını yakalamayı başarıyor!

ilk Kar Tanesi fotoğrafı

Bu fotoğraf o güne kadar çekilmiş ilk kar tanesi fotoğrafı ki hatta ilk bildiğimiz fotoğrafın 1830’lardan Niepce tarafından çekildiğini bildiğinizden bayağı da enteresan duruyor.

İlk fotoğraftan yaklaşık 50 yıl sonra bir kar tanesinin muazzam fotoğrafı yakalanıyor!

Kar Tanesi fotoğrafları

Ve Bently, bu kar tanelerine öyle kafayı takmış ki yaşamında yaklaşık 50 yıl boyunca, kar tanelerini fotoğraflayarak geçiriyor. Nedense kar tanelerini öyle aşık oluyor ki, bu yüzden belki de hiç evlenmiyor! Hayatı boyunca çektiği fotoğraflardan şunu anlamış ki, kendi nitelemesi ile onlar tasarım şaheseriydi ve hiçbiri birbirine benzemiyordu!

Biz bugün şunu çok iyi biliyoruz ama! Her parça, her dal, her sivri uçtan çıkan uçtan çıkan uç; tüm bu detaylar atomların iç yapısıyla ve bağları ile alakalı.

Havada yahut sıvı içerisinde bulunan su molekülleri saniyede trilyonlarca kez çarpışıyor ve birbirlerinin üzerinden zıplıyorlar ve her an nerede olup nereye ilerlediklerini tam olarak bilme yolu yok!

Yıllar boyunca kristalograflar kar kristallerinin şu şekilde sınıflandırıyorlar.

1930’larda içinde olabilecek 21 farklı kar tanesi sınıflandırması vardı. 1950’lerde 42’ye yükseldi. 1960’larda 80. 2013’te ise 121 çeşit kategorize edilmiş durumdaydı.

Kar Tanesi sınıflandırması

Aslında her kar tanesi benzersiz olsa da çoğu düzensiz bir şekile sahiptir.

Sonuçta havada çarpışma ihtimalleri var ve ilk oluşmaya başladıklarından beri sürekli bir çarpışma halinden kurtulanların şekillerindeki çekicilik bir sınıflandırmaya tabi olmuş. Aslında birbirine çok benzer kar taneleri sınıflandırılmış ama hiçbiri gerçekten aynı değil! Bu yine iç yapısıyla alakalı bir durum.

Mesela neden altı köşeli ki?

Su iki hidrojen ve bir oksijen atomundan oluşur. Oksijende biliyorsunuz 8 elektron bulunur, hidrojende ise yazık bir tane bulunur. Dolayısıyla tek bir su molekülünde, 8’er tanesi oksijenden ve birer tanesi hidrojenlerden gelen toplam 10 Proton ve 10 elektron vardır.

Oksijenin en dış yörüngesindeki iki elektron, hidrojenler de ki elektronlarla paylaşılarak bağ kurulur. Oksijenin diğer elektronları da aynı yörüngede birbirine çekilir ve işte buna kovalent bağ denir.

kovalent bağ

Elektron çiftleri bütünüyle eksi yüklüdür, aynı işaretli yükler birbirini ittiği için, birbirlerine olabildiğince uzakta durma eğilimindedirler ama bağlanmış elektronlarla bir arada bulunan elektronların itme gücü farklılık gösterir.

Bağlanmış elektronların itme gücü bir arada bulunanlara oranla daha az olduğundan hidrojenlerin oksijene bağlandığı yerde bir açı oluşur. Bu açıda tam olarak 104,5 derece kadardır.

kovalent bağ açısı

İşte altıgen yapıda olması burada başlıyor!

Şöyle düşünebiliriz; oksijenin kendisi daha eksi bir yüke sahip, ama bağ yapmış hidrojenler daha artı yüke sahip, ondan donma esnasında diğer su molekülleriyle altıgen yapıya yol açacak birliktelik olur.

su 6 gen yapılı Kar Tanesi

Oksijen eksi yüklüsü, hidrojen artı yüklüsü ile çekime girer ve donma esnasında bu şekilde bir yapıya bürünür ve evrendeki her su molekülü bu şekilde hareket ederler!

Altıgen yapısı bütün kar taneleri için oluşumunda ilk veriyken, sonradan artık dalların oluşumu esnasında birçok faktörle beraber rastgelelik devreye girer.

Aslında siz bu iki tane kar tanesi birbirine benziyor dahi deseniz; biliniyor ki daha önce tıpatıp birbirine benzeyen kar taneleri fotoğraflanmış ama yine de aynısı olmamış!

Çünkü hidrojenlere ek olarak bir elektron, bir protonun haricinde bir nötrondan oluşan hidrojenler mevcut ve bu 1931’de Harold Yuri tarafından keşfedilmiş ve ona Nobel kimya ödülünü kazandırmıştır.

Bu hidrojen izotopuna doteryum yani ağır hidrojen denir.

dötaryum Kar Tanesi

Ve sonsuz çeşit dal parçalarından oluşan kar tanelerinde aynı bile görünseler, içinde bulunan bir ağır hidrojen her şeyi yine değiştirecektir. Aslında biz şunu çok iyi biliyoruz; tıpatıp birbirine benzeyen hiçbir şey doğada aynı olamaz! Ondan dolayı zaten aynı diyemezdik, ama buradaki büyüleyici simetrik kar tanelerinin eşsizliği de ayrıca bizi etkiliyor!