sự hình thành của hoa tuyết

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!
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 H
2
O, 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.
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 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.
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)
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)