Nghịch lý nước sôi biến thành tuyết
Khi có một sự chênh lệch nhiệt độ lớn, như giữa nước sôi (100 độ C) và nhiệt độ ngoài trời – 34 độ C, nếu đổ nước sôi ra ngoài, nó sẽ lập tức biến thành tuyết.
Nguyên nhân của hiện tượng này là do không khí ở nhiệt độ thấp rất đặc. Các phân tử khí sắp xếp rất chặt trong không gian, gần như không còn chỗ cho các phân tử hơi nước.
Xem video nước sôi biến thành tuyết.
Trong khi đó, nước sôi lại giải phóng hơi nước rất nhanh. Khi hắt nước sôi ra ngoài không khí lạnh, nó sẽ chuyển thành dạng giọt, làm tăng diện tích bề mặt, đồng nghĩa với đẩy nhanh quá trình giải phóng hơi nước.
Do đó, lượng hơi nước được giải phóng sẽ là rất nhiều, nhiều hơn lượng hơi mà không khí lạnh có thể chứa. Chúng phải bám vào các hạt vi mô trong không khí như natri hay canxi để tạo thành tinh thể, hình thành bông tuyết.
Băng có thể tích lớn hơn, nhẹ hơn nước lỏng
Với hầu hết các chất, thể rắn bao giờ cũng đặc hơn thể lỏng, do các phân tử chất rắn thường sắp xếp chặt hơn, nước thì ngược lại. Khi đóng băng, thể tích của nó tăng khoảng 8%. Đây là lý do tại sao các viên đá hay thậm chí các tảng băng khổng lồ có thể nổi trên nước lỏng.
Băng nhẹ hơn nước nên có thể nổi trên mặt nước. Ảnhreative Commons/Mila Zinkova
Khi nước bắt đầu đóng băng, hiện tượng cũng giống các chất khác, các phân tử chuyển động chậm hơn, liên kết hydro giữa các phân tử nước ổn định hơn và chúng đi vào các vị trí cố định. Sự khác biệt nằm ở cấu trúc lục giác trong các tinh thể băng, để lại nhiều khoảng trống, làm cho về tổng thể, băng có thể tích lớn hơn nước lỏng. Có thể thấy rõ hiện tượng này tại các khay đá trong tủ lạnh, luôn có một vùng gồ lên ở giữa các viên đá, đây chính là phần thể tích tăng lên so với nước lỏng.
Hình dạng mỗi bông tuyết là duy nhất
Trong lịch sử nghiên cứu về tuyết, người ta nhận thấy mỗi bông đều có một hình dạng đối xứng duy nhất, không có bông nào giống hệt nhau. Nguyên nhân là mỗi bông tuyết đều bắt đầu hình thành như một cấu trúc lăng kính lục giác đơn giản và rơi xuống.
Bông tuyết. Ảnh:Kenneth Libbrecht, Caltech
Trong quá trình rơi, chúng trải qua các điều kiện thay đổi hình dạng khác nhau, từ nhiệt độ, độ ẩm và áp suất không khí. Những biến số này đảm bảo không bao giờ lặp lại nên không có hai bông tuyết nào giống hệt nhau.
Tuy nhiên, điều thú vị là 6 cạnh của bông tuyết phát triển đồng bộ hoàn hảo, tạo ra sự đối xứng lục giác, do chúng trải qua các điều kiện giống nhau.
Nguồn gốc của nước
Nguồn gốc chính xác của vật chất bao phủ 70% hành tinh này vẫn còn là một bí ẩn với các nhà khoa học. Họ nghi ngờ rằng toàn bộ nước trên Trái Đất đã bốc hơi cách đây 4,5 tỷ năm, do nhận nhiệt lượng quá lớn từ Mặt Trời trẻ. Nghĩa là sau đó nước chúng ta đang sử dụng phải có sau thời điểm đó.
Có thể các vật thể ngoài hệ Mặt Trời, ví dụ như sao chổi, trong đợt bắn phá lớn (Late Heavy Bombardment) đã mang nước tới Trái Đất. Một sao chổi có thành phần là đá và băng, với một cái đuôi dài bằng băng bốc hơi có thể đã va chạm với Trái Đất.
Nghiên cứu nước bốc hơi từ các sao chổi lớn như Harley, Hyakutake, và Hale-Bopp cho thấy nước của chúng chứa một đồng vị hydro khác với Trái Đất, nặng hơn hydro của nước Trái Đất. Nghĩa là có thể sao chổi không phải là nguồn cấp nước duy nhất.