Vznik ľadových kryštálikov alebo snehových vločiek, ktoré sú vlastne zhlukmi kryštálikov, je jedným z najkrajších a najkomplexnejších javov prebiehajúcich v atmosfére. Hoci ich krása spočíva v zdanlivo dokonalej symetrii, každá snehová vločka je jedinečným umeleckým dielom prírody. Pomenovaním snehová vločka v skutočnosti často nazývame kryštál ľadu, ktorý môže dosahovať rôzne veľkosti. Sneh je pevné skupenstvo vody, pričom molekuly zamrznutej vody sú navzájom pospájané v presnom hexagonálnom usporiadaní.
Vznik ľadových kryštálov a snehových vločiek
Snehová vločka sa zrodí vysoko v oblakoch, kde je veľmi chladno. RNDr. Ingrid Damborská, CSc. z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave vysvetľuje, že vodná para môže v atmosfére bezprostredne prechádzať do pevného skupenstva. Tento prechod vodnej pary do tuhého stavu odborníci nazývajú sublimáciou alebo depozíciou. Všetko začína maličkou kvapôčkou vody, ktorá zamrzne na drobnom kúsku prachu alebo inej častice. Tieto častice, ako prachové častice alebo peľové zrnká, plnia funkciu kondenzačných jadier, na ktorých sa prichytávajú molekuly vody.
K rastu ľadových kryštálov môže dochádzať dvojakým spôsobom:
- Priamym usadzovaním molekúl vodnej pary na zárodkoch alebo kryštáloch sublimáciou.
- Mrznutím prechladených kvapiek vody.
Proces sublimácie sa v plnej miere uplatňuje pri viazaní molekúl vodnej pary priamo na kryštálikoch ľadu, k čomu sú vytvorené zvlášť priaznivé podmienky v zmiešaných oblakoch. Na to, aby mohol v zime napadať sneh, musí byť vzduch dostatočne vlhký a musí obsahovať spomenuté čiastočky prachu či sadzí. Meteorológ Matthias Habel objasňuje, že pri tvorbe snehu musí byť teplota okolitého prostredia na úrovni okolo -12 ºC.
Šesťuholníková symetria a dynamika rastu
Ľadové kryštály majú podľa odborníčky pravidelnú šesťuholníkovú kryštálovú mriežku. Všetky kryštály majú spoločný šesťuholníkový tvar, ktorý má pôvod v usporiadaní molekúl vody v kryštalickej mriežke a ktorý sa vyznačuje jednou hlavnou osou symetrie a tromi vedľajšími. Táto šesťnásobná súmernosť, ktorú obdivujeme na snehových vločkách, je spôsobená práve stavbou molekúl vody v štruktúre kryštálu ľadu. Kryštál ľadu je trojrozmerný útvar, maličké teleso v priestore, a takým telieskom je aj každá snehová vločka.
Rast ideálneho šesťuholníkového tvaru je však deformovaný rôzne podľa toho, akým spôsobom sú viazané prichádzajúce molekuly vodnej pary k ploche kryštálu a ako sa vytvárajú tzv. plošné zárodky v závislosti od teploty vzduchu a tlaku vodnej pary v okolí kryštálu. Plošný zárodok predstavuje konfiguráciu molekúl vodnej pary, ktoré sú pevne pripútané k ploche kryštálu a podporujú narastanie novej kryštálovej plochy. Pri raste kryštálikov tak niektoré kryštálové plôšky rastú rýchlejšie a iné pomalšie.
Dôležitú úlohu pri raste zohrávajú elektrostatické sily. Plocha kryštálu pritom narastá od okraja smerom do stredu v dôsledku pôsobenia týchto síl, ktorými sú viazané molekuly vody v mriežke ľadu. Najväčšia časť molekúl je viazaná na hranách a rohoch kryštálu, kde sú prichádzajúce molekuly najmenej rušené susednými molekulami. Teplo môže najlepšie pôsobiť na rohy šesťhranu, a preto tu rastú kryštály najrýchlejšie. Nakoniec sa viažu molekuly uprostred plochy, kde je väzba najsilnejšia.
Mechanizmus kryštalizácie | Nukleácia | Rast kryštálov | Čo je kryštalizácia| @KnowChem
Rozmanitosť tvarov snehových vločiek
Variácií snehových vločiek je obrovské množstvo, najmä vďaka citlivej podstate ich vzniku a neustále sa meniacim podmienkam v atmosfére. Bolo popísaných viac ako 21-tisíc rôznych tvarov snehových kryštálov, zaoberá sa nimi jeden vedný odbor - kryštalografia snehu. Doc. RNDr. Daniela Velichová, CSc. uviedla, že rozoznávame niekoľko základných foriem a tvarov, ktoré vznikajú za istých podmienok pri kryštalizácii vodnej pary a drobných kvapiek vody, a pri istej teplote.
RNDr. Ingrid Damborská, CSc. uvádza, že podľa medzinárodnej klasifikácie sa delia na 10 základných skupín:
- doštičky
- hviezdice (dendrity)
- stĺpiky
- ihlice
- vločky jednoduché
- stĺpiky s doštičkami
- nepravidelné priestorové častice
- krúpky, krupica
- ľadové zrná
- krúpy
Podľa teploty okolia vzniku sa tvoria kryštály rôzneho tvaru. V nižších vrstvách atmosféry sa vyskytujú v oblakoch kryštáliky zložitejšej štruktúry, zatiaľ čo kryštáliky ľadu jednoduchších tvarov pozorujeme vo vyšších vrstvách atmosféry (5 - 12 km), kde tvoria obvykle vysoké oblaky. Z meteorologických prvkov má najväčší význam teplota a vlhkosť vzduchu.
Nasledujúca tabuľka sumarizuje vplyv teploty na tvar snehových vločiek:
| Teplota okolia | Charakteristika rastu a typické tvary |
|---|---|
| Okolo -30 °C | Rýchle narastanie kryštálikov, zložitá štruktúra, nový plošný zárodok vznikne skôr. |
| -20 °C až -30 °C | Jednoduchý, kompaktný tvar (doštičky, hranoly), plochy narastú skôr než nový plošný zárodok. |
| Okolo -12 °C | Optimálna teplota pre počiatočnú tvorbu snehu. |
| Okolo -6 °C | Stĺpiky, ihly (pomerne malé biele vlásky). |
| Blízko 0 °C | Ihlicovitý tvar. |
| Blízko 0 °C (až slabo nad nulou) | Vločky sa spájajú do väčších zhlukov, prítomnosť kvapalnej vody ako "lepidla" (mokrý, ťažký sneh). |
Špecifické formy snehových vločiek
- Hviezdicovité dendrity: Najčastejšie sa vyskytujúci tvar snehových vločiek je hviezdica tvorená ramenami a bočnými ramenami pripomínajúca tvar stromu. Vznikajú, keď je teplejšie, v dôsledku zosilnenia difúzie molekúl vodnej pary k povrchu kryštálu, ktorý rýchlejšie narastá do strán.
- Stĺpiky a ihly: Snehové vločky v tvare stĺpikov sa objavujú pri teplote okolo -6° C. Sú pomerne malé a môžeme ich pozorovať ako malé biele vlásky pri slabom snežení. Dlhé tenké stĺpiky nazývame ihlovité kryštály.
- Stĺpiky s klobúčikmi: Tieto tvary vznikajú, keď vločka rastie počas cesty cez vrstvy rôznej teploty.
- Papraďovité hviezdicovité dendrity: Sú väčšie ako bežné dendrity a majú výraznejšie ramená s mnohými listami, tvarom pripomínajúce listy paprade.
- Diamantový kryštálový prach: Tieto drobné kryštály ľadu vyzerajú v slnečnom svite ako drobný iskriaci prach. Sú to najmenšie snehové vločky a objavujú sa počas ostrého chladného počasia.
- Trojuholníkové kryštály: Nezvyčajné tvary týchto snehových vločiek vznikajú pôsobením aerodynamického efektu, často pri páde hranou dole.
- Dvanásťramenné snehové vločky: Vznikajú, keď sa počas pádu na zem zlepia dve šesťramenné snehové vločky.
- Vločky s inovaťou a krúpy: Kryštály ľadu vznikajúce v mrakoch tvorených kvapôčkami vody sa s týmito kvapkami často zrážajú a kvapky na ľad primŕzajú, čím vzniká inovať.
Fyzikálna morfogenéza a jedinečnosť snehových vločiek
Transformácia jednoduchého ľadového hranola na komplikovane tvarovanú hviezdicovú vločku so šiestimi členitými ramenami je príkladom fyzikálnej morfogenézy. Je to proces, počas ktorého spontánnou cestou vzniká z neživého beztvarého materiálu útvar zložitého tvaru a formy, keď z počiatočného chaosu vzniká určitá presná zákonitosť a poriadok, štruktúra. Šesť vrcholov ľadového kryštálu rastie o niečo rýchlejšie, pretože viac vyčnievajú do vlhkého vzduchu v priestoru. Tak začínajú rásť zárodky ramien. Ako kryštál postupne rastie, zárodky sa zväčšujú a na ich vrcholoch opäť vyrastajú bočné zárodky ďalších ramien. Stálym opakovaním tohto procesu napokon vzniká zložitý komplexný tvar snehovej vločky.
Oboje, chaos aj poriadok hrajú svoju úlohu pri raste snehových vločiek, preto sú ich vzory také nezvyčajné a zaujímavé. Šesťboká hranolová stavba kryštálov ľadu je prírodným zákonom kryštalizácie, ktorý je však chaoticky narúšaný rýchlosťou rastu, čo spôsobuje členitosť ramien a zložitosť ich štruktúry. Čím rýchlejšie kryštál narastá, tým zložitejší je jeho tvar. Snehové vločky pripomínajú svojou zložitou formou fraktály. Keď kryštál ľadu narastie mimoriadne rýchlo, bočné ramená sú náhodne umiestnené, niekedy nie sú vôbec symetrické, a nesymetrické sú aj ramená samotné.
K otázke, či je každá snehová vločka jedinečná, doc. RNDr. Daniela Velichová, CSc., uviedla: „Áno aj nie! Žiadne dve snehové vločky nie sú úplne rovnaké.“ Originalita každej vločky je spôsobená jedinečnou dráhou, ktorú vločka počas svojho vzniku v mraku urazí. Každá vločka krystalizuje za inej posloupnosti teplôt a koncentrácií vodných par, než vločka susedná, a vďaka tomu sa od nej líši.
Zväčšovanie a pád snehových vločiek
Ľadové kryštáliky vzniknuté zmrznutím kvapiek vody a narastajúce sublimáciou vodnej pary sa môžu ďalej zväčšovať pri padaní v atmosfére. Pritom sa predovšetkým uplatňuje koagulácia, teda spájanie menších kryštálikov do väčších, ktorá môže podľa RNDr. Ingrid Damborskej, CSc. nastať:
- Pri padaní kryštálikov nerovnakou rýchlosťou (gravitačná koagulácia).
- Molekulárno-kinetickým (Brownovským) pohybom.
- Elektrostatickými silami.
- Atmosférickou turbulenciou.
Výsledkom sú zhluky kryštálov v tvare snehových vločiek, kryštály so zmrznutými kvapkami vody i kryštály obalené amorfnou vrstvou ľadu. Pokiaľ je teplota v celom vertikálnom teplotnom profile troposféry záporná, vločky sa nezoskupujú a pozorujeme vtedy len malé vločky. Naopak, pokiaľ je teplota vo vyšších vrstvách záporná, no postupne s klesajúcou nadmorskou výškou sa teplota priblíži k 0°C, resp. je slabo nad nulou, vo vločkách je prítomná kvapalná voda. Tá vo vločkách následne funguje ako lepidlo a vločky sa spájajú. Taký sneh býva mokrý a ťažký, a vtedy vznikajú najväčšie snehové vločky.
Vplyv na veľkosť vločiek má aj vietor. Pri prítomnom vetre sa nedokážu vytvoriť veľké zhluky, keďže ich vietor rozfúka. Najvhodnejšie prostredie pre obrovské vločky je záporná teplota vo výškach, ktorá je potrebná pre vznik snehových vločiek, a následne v čo najväčšej časti vertikálneho teplotného profilu teplota okolo 0°C (prioritne pod bodom mrazu). Ak sa ľadové kryštály vytvoria a naberú dostatočnú hmotnosť, začnú pomaly padať na zem. V priemere jeden septilión snehových vločiek spadne každú zimu. Najväčšie vločky, aké kedy boli zaznamenané na Zemi, padali 28. januára v roku 1887 počas snehovej búrky v americkej Montane a dosahovali až 38 centimetrov. Obrovské vločky sme zaznamenali aj 30. januára 2015 v oblasti Bratislavy, kde v priemere dosahovali okolo 7 až 10 centimetrov.
Premena snehovej pokrývky
Ak je pri zemskom povrchu záporná teplota, snehové vločky padajú na Zem vo forme snehu alebo snehových (ľadových) krúpok a môžu zostať ležať na zemskom povrchu v podobe snehovej pokrývky. Od svojho vzniku až do úplného roztopenia sa sneh stále mení. Hneď ako dorazí snehová vločka na zem, začne sa meniť. Jemné ľadové kryštály čerstvo napadaného snehu sú najprv neporušené, avšak vplyvom zmeny teploty sa menia. V podstate odborníci rozoznávajú tri druhy premeny snehu, ktoré sa nazývajú metamorfóza snehu. V týchto fázach premeny snehu sa už nehovorí o snehových kryštáloch, ale o snehových zrnách, lebo kryštálová mriežka sa viac-menej stráca.
Jemné ramená snehovej vločky sa pomaly deformujú, vo väčšine prípadov sa odlomia a spoja sa s ostatnými. Pri oteplení sa týmto spôsobom stáva z čerstvého prašanu sneh vlhkejší a ťažší. Ak sa tieto topiace a opäť mrznúce cykly opakujú, sneh sa mení na hrubozrnný a mokrý. Ďalším roztápaním a zmrazovaním sa zo snehu postupne vytvorí tzv. zľadovatený sneh. Sneh, ktorý má minimálne jeden rok a vyznačuje sa mimoriadne vysokou hustotou, sa nazýva firn. Má zrnitú štruktúru a pomaly sa premieňa na ľadovec.
Pri snežení sa každá nová snehová pokrývka pokúsi spojiť so starou. Opakovaným snežením sa vytvárajú nové vrstvy s rôznou hrúbkou, s rozdielnymi vlastnosťami a rozdielnou súdržnosťou. Čím sú vlastnosti jednotlivých vrstiev (tvrdosť, vlhkosť, druhy kryštálov) podobnejšie, tým je medzi nimi pevnejšia väzba. Pri rôznych vlastnostiach vrstiev vznikajú v snehovej pokrývke rôzne druhy napätia. Rozdielna priľnavosť snehových vrstiev má hlavný vplyv na vznik lavín, pričom krúpy majú dobrú priľnavosť a pri menšom množstve robia pokrývku pevnejšiu.
Farba snehu a zaujímavosti
Sneh nie je biely, ale priehľadný! Rovnako ako voda sú aj snehové kryštály transparentné, teda bezfarebné. Sú to však akési malé zrkadlá, ktoré odrážajú a rozptyľujú svetlo, čím vytvárajú dojem bielej farby. V prírode sa občas môže vyskytnúť okrem bieleho snehu aj sneh rôznej farby - oranžový, červený, zelený či dokonca fialový. Pokiaľ sa totiž vo vzduchu nachádzajú znečisťujúce látky (piesok, smog), tieto sa premietnu do farby snehových vločiek. Oranžový sneh napadal v roku 2007 na Sibíri vďaka vysokej koncentrácii piesku v ovzduší počas snehovej búrky. V ruskom Krasnodare zase riasy, rastúce v snehu či ľade v polárnych a alpských oblastiach, spôsobili ružovú farbu snehovej pokrývky. Obyvatelia Uralu boli prekvapení, keď im napadol zelený sneh.
Snehová vločka je z 90 % vzduch. Keď chodíme po snehu, tlak našich topánok stláča drobné kryštáliky snehu. Tieto kryštáliky sa lámu a vytvárajú známy škrípavý zvuk. Najväčšia snehová vločka na svete vraj mala až 38 centimetrov!
Tvorba snehových vločiek v laboratóriu
Výrobou vločiek v laboratóriu a ich zkoumaním sa zabýva napríklad Kenneth Libbrecht z Technologického institutu v Pasadeně. Jeho „vločkostroj“ je v zásade veľmi jednoduché zariadenie, ktoré pracuje ako difúzna komora. Na vrchu tepelne izolovaného boxu je zdroj vodných par o teplote cca 40°C, zatiaľ čo spodná časť je chladena na približne -40°C. Klidný vzduch v prístroji vytvára ideálne podmienky pre nerušenú krystalizáciu vločiek. Libbrecht s obľubou pestuje vločky na špičkách ledových jehel, kde nastaví správnou teplotu a množství vodních par a pozoruje rast vločky.
Difúzna komora nie je jedinou možnosťou, ako si vypestovať snehové vločky v laboratóriu. Najjednoduchším zariadením je bedýnka s ledovým vzduchem, do ktorej shora foukáte vodní páru a přidáváte trochu kouře coby nukleační jádra. Touto technológiou vytváral umelé vločky aj japonský vedec Ukichiro Nakaya, ktorý sa ako prvý systematicky zabýval výskumom vločiek a rozdelil ich do 41 kategórií. Tvorba snehových vločiek v laboratóriu objasňuje mnohé o krystalizácii vody, ktorá je stále tak trochu záhadnou kapalinou.
tags: #pad #snehovej #vlocky #fyzika