برف چگونه تشکیل می شود؟
برف یک گردهمایی از کریستال‌های فشرده شده یخ است. وضعیت این مجموعه فشرده شده نمایانگر ویژگی‌های مختلفی از قبیل رنگ، دما و وزن هم‌ارز آب است. به بهانه بارش برف در تهران، کرج و ۱۷ استان کشورمان، در این مقاله چگونگی تشکیل برف را به زبان ساده شرح می‌دهیم.
تغییر شرایط آب و هوایی بر ویژگی‌های برف بوجود آمده تاثیر گذار است. در ادامه این مطلب به زبانی ساده و به دور از اصطلاحات علمی بیان خواهیم کرد که دانههای برف طی چه فرآیندی تشکیل خواهند شد؟ چرا در بعضی موارد برف آبی دیده می‌شود؟ برف هندوانه‌ای چیست و چگونه تشکیل می‌شود؟ تاثیر برف بر امواج صوتی چگونه است؟
چگونگی تشکیل برف به زبان ساده
مرحله شکل‌گیری در اتمسفر
اینکه یک طوفان زمستانی بتواند به تولید برف بینجامد به شدت به دما بستگی دارد. اینجا منظور دمایی نیست که ما در سطح زمین احساس می‌کنیم. تشکیل شدن برف هنگامی رخ می‌دهد که دمای اتمسفر زمین در نقطه انجماد آب (صفر درجه سانتی‌گراد یا ۳۲ درجه فارنهایت) یا پایین‌تر از آن قرار داشته باشد.
وجود هرچه کمتر رطوبت در هوا نیز عامل موثر دیگر این فرآیند است. اگر دمای سطح زمین در نقطه انجماد یا پایین‌تر از آن قرار داشته باشد، برف به زمین خواهد نشست؛ اگرچه هنگام حاکم بودن شرایطی خاص امکان نشستن برف در دمایی بالاتر از نقطه انجماد در سطح زمین نیز وجود دارد. در این حالت، دانههای برف هنگام رسیدن به این لایه‌ی گرم‌تر شروع به ذوب شدن می‌کنند. از آنجایی که ذوب شدن پدیده‌ای گرماگیر است، دمای هوا در اطراف به سرعت در اطراف دانههای برف کاهش پیدا می کند و فرآیند ذوب شدن آهسته می‌شود. به عنوان یک قائده کلی اگر دمای سطح زمین از ۵ درجه سانتی‌گراد (۴۱ درجه فارنهایت) بیشتر شود، امکان تشکیل برف وجود نخواهد داشت.
پس از آنکه کریستال‌های برف در اتمسفر زمین تشکیل شدند، با جذب قطرات آب اطراف خود رشد می کنند. دانههای برفی که در نهایت در سطح زمین قابل مشاهده هستند حاصل گردهمایی همین کریستال‌های یخی هستند. تصویر بزرگ‌نمایی شده بالا با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی اسکنینگ (SEM) گرفته شده است. رنگ‌های کاذبی که به طور معمول در تصاویر میکروسکوپ‌های SEM دیده می‌شوند، در پردازش‌های کامپیوتری افزوده می‌شوند. مثلا در این تصویر شکل‌های مختلف دانه برف را برجسته کرده است.
با وجود اینکه افزایش دما عامل محدودکننده تشکیل برف است، اما کاهش دما به هیچ عنوان نمی‌تواند دانههای برف را به لرزه بیندازد. تا زمانی که منبعی از رطوبت و راه‌هایی برای بالا رفتن هوا وجود داشته باشد، دانههای برف می‌توانند در دماهای به شدت پایین نیز تشکیل شوند. اما حقیقت این است که سنگین‌ترین بارش‌‌های برف لزوما در برودت شدید هوا اتفاق نمی‌افتد. معمولا دمای ۹ درجه سانتی‌گراد (۱۵ درجه فارنهایت) یا حتی گرم‌تر از آن، بستر مناسبی برای بارش برف است. تا آستانه‌ای مشخص افزایش دما با شدت بارش برف رابطه مستقیم دارد. به این دلیل در دماهای بالاتر هوا بخار آب بیشتری دارد.
شکل‌گیری در لایه سطح زمین
باید در نظر داشت که مناطق بسیار سرد ولی خشک، به ندرت بارش برف را به خود می‌بینند، چراکه برای تشکیل برف مقداری رطوبت نیز نیاز است. به عنوان مثال دره‌های خشک قطب جنوب، بزرگترین منطقه عاری از برف این قاره را تشکیل می‌دهند. این دره‌ها به نسبت دمای پایینی دارند اما رطوبت آنجا بسیار کم است و جریان‌های قوی باد نیز هر رطوبت باقی‌مانده در هوا را جذب می‌کنند. به عنوان یک نتیجه‌گیری، مناطق به شدت سرد، بارش برف کمتری دارند.
در اکثر مواقع لایه‌های برف آبی رنگ دیده می‌شوند. اما اگر گودالی در سطح ایجاد کنیم، در این حالت برف به عنوان یک فیلتر عمل کرده و یک نور را بسیار جذب و یک نور دیگر را منعکس می‌کند. برف موجود در اعماق تمایل دارد نور قرمز را جذب و نور آبی را بازتاب دهد. به عمین دلیل گودال‌های موجود در تصوی بالا آبی رنگ دیده می‌شوند. (اعتبار : Paul Watson)
ویژگی سطح دانه برف پس از بارش، به شکل اصلی کریستال‌ها و شرایط آب و هوایی در هنگام بارش برف بستگی دارد. به عنوان مثال هنگامی که بارش برف همزمان با وزش باد‌های شدید باشد، کریستال‌های برف به قطعات کوچکتری شکسته می‌شود و در بسته‌بندی‌های چگال‌تری قرار می‌گیرند. پس از بارش برف، دانههای برف ممکن است تا مدت‌ها باقی بمانند، ذوب و یا تبخیر شوند. اگر برف برای مدت زیادی روی زمین بنشیند، بافت، اندازه و شکل تک تک دانههای آن حتی هنگامی که دمای هوا پایین‌تر از نقطه انجماد باشد، تغییر می‌کنند. همچنین ممکن است در طول زمین ذوب یا تبخیر ویا همراه با لایه‌های بعدی برف فشرده شوند.
در طول فصل زمستان، توده‌های فشرده و سخت شده برف بر روی هم انباشته می‌شود و ساختار پیچیده لایه‌ای را تشکیل می‌دهد که انواع مختلف دانههای برف را در بر می‌گیرد. این لایه‌ها شرایط آب و هوایی هنگام رسوب را بازتاب می‌دهند و همچنین تغییرات پوشش برف در گذر زمان را گزارش می‌کنند.
یک دانه برف چقدر می‌تواند بزرگ باشد؟
دانههای برف حاصل گردهمایی تعداد زیادی از کریستال‌های برفی هستند. اکثر دانههای برف از ۱.۳ سانتی‌متر کوچکتر هستند. تحت شرایط خاص که شامل دمای نزدیک به نقطه انجماد، باد ملایم و شرایط ناپایدار جوی، دانه‌هایی بسیار بزرگتر و غیرمعمول با اندازه‌ای در حدود ۵ سانتی‌متر نیز می‌توانند شکل بگیرند. هیچ اندازه معمولی برای ابعاد یک دانه برف وجود ندارد، بنابراین سایز دقیقی نمی‌توان برای آن متذکر شد.
برف چه زنگی است؟
به طور کلی، برف و یخ را با ظاهر یکنواخت و سفید رنگی می‌شناسیم؛ چرا که نور مرئی سفید رنگ است. بخش عمده از پرتو‌های نور مرئی پاشیده شده بر روی سطح یخ و برف بدون هرگونه انحرافی مشخص که منجر به دیده شدن بیشتر یک رنگ خاص شود، بازتاب می‌کند. اکثر مواد طبیعی نور خورشید را جذب می‌کنند و همین موضوع باعث بروز رنگی مشخص در آنها می‌شود. اما برف با بازتابیدن اکثر نور خورشید رسیده به سطحش، لباسی سفید را بر تن می‌کند.
اگرچه ممکن است برف گاهی به رنگ آبی نیز دیده شود. هنگامی که امواج نور به درون برف یا یخ نفوذ می‌کنند، دانههای برف بخش عمده‌ای از نور را پراکنده می‌کنند. اگر بنا باشد نور در هر جهتی پراکنده شود، احتمال وقوع رویداد‌های مختلفی وجود خواهد داشت. اگر شما در برف چاله‌ای حفر کنید، در درون آن احتمالا رنگی متمایل به آبی را خواهید دید. این نور آبی، به دلیل مسیر نسبتا طولانی مدتی است که نور در طول برف و یخ طی کرده است. به لایه‌های برف و یخ به عنوان یک فیلتر نگاه کنید. اگر تنها یک سانتی‌متر ضخامت داشته باشد، تمام پرتو‌های نور از آنها عبور خواهند کرد. اما اگر ضخامت لایه برف یا یخ حدود یک متر باشد تنها نور آبی که طول موج طولانی دارد قادر به عبور خواهد بود.
ذرات و ارگانیزم (اندامگان) های موجود در کمپلکس برف نیز می‌توانند در تغییر رنگ آن دخالت داشته باشند. به عنوان مثال برف هندوانه احتمالا منظره‌ای قرمز یا صورتی خواهد داشت. این رنگ همچنین می‌توانید به دلیل وجود جلبک‌های آب‌های شیرین که زنگیزه قرمز دارند نیز مشاهده شود. برف هندوانه در هنگام تابستان در مناطق مرتفع آلپ و همچنین نواحی قطبی ساحلی بسیار رایج است.
در لبه‌های پایینی این یخچال در مونتانا بدلیل وجود جلبک‌ها برف هندوانه‌ای تشکیل شده است (اعتبار : Carol Neuhoff)
تاثیر برف بر صوت
ویژگی‌ها و سن برف بر نحوه حرکت امواج صوتی در آن تاثیر گذار است و می‌تواند بسته به شرایط، آن را افزایش و یا در اصلاح خفه کند. به عنوان مثال، مردم عمدتا اشاره می کنند که چرا صوت پس از بارش باران دچار تغییراتی می‌شود. هنگامی که لایه‌ای ضخیم و پف کرده از برف بر روی زمین می‌نشیند، امواج صوتی به راحتی جذب سطح برف می‌شوند و صدا آهسته و آهسته‌تر، اما زمان و شرایط جوی می‌تواند سطح لایه برف را تغییر دهد. اگر سطح لایه ذوب و مجددا یخ بزند، برف سخت‌تر و لطیف‌تر می‌شود. در این حالت امواج صوتی بهتر منعکس می‌شود و یا به عبارت دیگر واضح‌تر به نظر می‌رسد و می‌تواند تحت این شرایط مسافت طولانی‌تری را بپیماید.
لایه برف همچنین ممکن است بشکند و دچار خلل و فرج شود. هنگامی که شما بر روی یک لایه برف که از تعداد زیادی دانههای یخی زیر تشکیل شده است، پا می‌گذارید، در واقع باعث متراکم شدن این دانه‌ها می‌شوید. با افزایش تراکم، دانههای برف با یکدیگر اصطکاک خواهند داشت. در این حالت هرچه دما کمتر باشد، اصطکاک بیشتری میان دانههای برف خواهیم داشت. در نهایت شکستگی ناگهانی لایه برف منجر به تولید صدای آشنایی از شکستن برف خواهد شد.
برف به عنوان یک عایق
برف عایق بسیار خوبی است. به همین دلیل است که بسیاری از حیوانات برای گذران خواب زمستانی خود گودالی در برف حفر می‌کنند. در میان کریستال‌های انباشته شده برف درصد بسیار بالایی از هوا وجود دارد و از آنجایی که هوا به سختی در آنها جابجا می‌شود، امکان انتقال گرما به طرز چشمگیری کاهش می‌یابد. لایه‌های برفِ تازه و فشرده نشده، معمولا ۹۰ تا ۹۵ درصد هوا در خود جای داده‌اند. بسیاری از حیوانات از این قابلیت عایق بودن به نفع خود استفاده می‌کنند؛ به طوری که درون آن نقب می‌زنند و زمستان خود را آنجا سپری می کنند.
