Estamos numa era em que os cientistas podem detectar as infinitesimalmente minúsculas partículas que dotam os átomos de massa e estão investigando alguns dos mais profundos mistérios da biologia, como a maneira como as experiências e as memórias podem ser transmitidas pelos genes de um organismo.
Assim, pode ser uma surpresa que ainda não entendamos a mecânica de um fenômeno natural relativamente simples: a neve.
A formação de flocos de neve - essencialmente, a maneira idiossincrática pela qual a água se cristaliza quando suspensa em nossa atmosfera - é um processo extremamente complexo que ainda não foi totalmente descrito por fórmulas científicas. "As pessoas acham que um floco de neve é apenas uma gota de chuva congelada", diz o professor de física de Caltech, Kenneth Libbrecht, que passou as últimas décadas estudando o processo de formação de floco de neve. "Mas isso é granizo, apenas pequenos cubos de gelo, e nem perto do que é um floco de neve."
Um floco de neve cresce no laboratório de Libbrecht, acelerado
Ao longo de sua pesquisa, o trabalho de Libbrecht cresceu para abranger arte e ciência. Ele produziu tanto artigos científicos quanto centenas de lindas fotos de flocos de neve naturais (que ele publicou em diversos livros e contou com selos postais nos EUA), e também inventou maneiras engenhosas de cultivar artificialmente flocos de neve em um laboratório para estudar sua formação em detalhes microscópicos.
Mas tudo começou, ele diz, com uma viagem de volta para sua casa de infância em Dakota do Norte. "Eu estava visitando minha família lá atrás e saí e havia toda essa neve no chão", diz ele. "De repente, pensei: 'Por que não entendo mais sobre esses flocos de neve?'"
Isso levou Libbrecht a começar a estudar a dinâmica da formação de floco de neve em seu laboratório, pesquisando assuntos mais esotéricos, como lasers de diodos rotativos e o ruído liberado por supernovas. "Eu percebi que muito sobre flocos de neve não é muito bem compreendido, e que o gelo é um material bastante barato para se trabalhar", diz ele.
A formação de um único floco de neve é um evento complexo no nível molecular. Na natureza, começa quando o vapor de água de uma nuvem se condensa em gotículas de água. Mesmo em temperaturas abaixo de zero, no entanto, a maioria dessas gotículas normalmente permanece na forma líquida, porque elas precisam de uma partícula sobre a qual congelar: uma partícula de poeira ou algumas moléculas de água que se organizaram na matriz hexagonal que caracteriza o gelo.
Uma vez que as gotículas começam a cristalizar em uma partícula central, o processo se acelera rapidamente. Com um núcleo de cristal no lugar, as moléculas de água super-resfriadas nas gotas de água ao redor condensam-se prontamente no cristal, aumentando seu crescimento de maneira geometricamente regular. No momento em que o grande cristal (que chamamos de floco de neve) deixou a nuvem, Libbrecht estima que terá absorvido a água de cerca de 100.000 gotas próximas.
Tudo isso pode parecer simples, mas, como Libbrecht e outros cientistas descobriram, pequenas mudanças nas circunstâncias desses cristais - a umidade e a temperatura da nuvem, para começar - podem levar a flocos de aparência radicalmente diferente. Para entender melhor essas dinâmicas, Libbrecht percebeu, ele precisava de uma maneira de observar o processo real de crescimento dos flocos de neve. Sem uma maneira de se encaixar em uma nuvem flutuante, ele decidiu desenvolver um método para aumentar artificialmente os flocos de neve em seu laboratório na Califórnia.
"Para obter um cristal individual crescendo de tal forma que parece um floco de neve não é fácil", diz ele. "Se você quer geada - apenas um monte de cristais crescendo todos ao mesmo tempo - isso é muito simples, mas cristais individuais são mais complicados."
O processo de Libbrecht, desenvolvido nos últimos anos, é feito em uma câmara fria e leva cerca de 45 minutos no total. Ele começa com um pedaço de vidro completamente limpo e espalha muitos cristais de gelo microscópicos sobre ele. Com um microscópio, ele isola um cristal em particular, depois sopra ar úmido ligeiramente mais quente no vidro. O vapor de água se condensa no cristal de semente, assim como em uma nuvem real, eventualmente formando um floco de neve visível.
Trabalhando com este processo, Libbrecht determinou os níveis de temperatura e umidade que levam a cada tipo particular de floco de neve. "Eu os chamo de 'flocos de neve estilizados', porque você pode mudar as condições à medida que crescem e prever como elas serão", diz ele. Entre outras coisas, ele descobriu que um floco de neve com uma borda fina cresce mais rápido, fazendo com que a borda afine ainda mais, levando a um floco relativamente grande. Flocos de neve que começam com bordas mais lentas, no entanto, crescem mais lentamente e permanecem sem corte, levando a prismas de blocos, em vez de placas elegantes.
Por fim, quando Libbrecht quis publicar um livro sobre seu trabalho, descobriu que, embora fossem bons para a época, a maioria das fotos de flocos de neve disponíveis estava desatualizada, como aquelas tiradas por Wilson Bentley na década de 1930. Em resposta, ele começou a fotografá-las em alta resolução, usando equipamentos especializados e às vezes luzes coloridas para dar aos flocos claros maior cor e profundidade.
E a idéia comum de que não há dois flocos de neve iguais? "Todo mundo sempre me pergunta isso", diz Libbrecht.
A resposta, no fim das contas, é um problema de matemática. Se você definir um floco de neve como apenas dez moléculas de água, então é possível que dois flocos diferentes sejam idênticos no nível molecular. Mas para um floco de tamanho normal, diz ele, é extremamente improvável que você combine duas coisas idênticas que ocorrem naturalmente - da mesma forma que as chances de duas impressões digitais idênticas são extremamente pequenas. "Uma vez que você começa a complicar as coisas, o número de possibilidades cresce astronomicamente, e a probabilidade de ter dois flocos de neve parecidos remotamente cai para zero", diz ele.
