Sneh patrí k najkrajším prejavom zimy a snehové vločky k jej najjemnejším zázrakom. Každá vločka je unikátny kryštál vody, ktorý vzniká v oblakoch pri špecifických teplotách a vlhkosti, a práve tieto podmienky určujú jej tvar a štruktúru. Snehové vločky sú komplexné štruktúry tvorené vodou, ktoré nás obklopujú počas zimných mesiacov.
Názvom snehová vločka v skutočnosti nazývame kryštál ľadu. Molekuly zamrznutej vody sú navzájom pospájané v presnom hexagonálnom usporiadaní, ktoré je viditeľné v typickom tvare vyznačujúcom sa osovou súmernosťou podľa šiestich rôznych osí so spoločným bodom v strede útvaru, podľa ktorého je celý útvar stredovo súmerný. Snehová vločka je však aj všeobecné pomenovanie akéhokoľvek chuchvalca snehu, ktorý v zime padá z mrakov. Často sú to zlepence stoviek kryštálikov ľadu, ktoré sa spoja počas svojho pádu na zem vplyvom rôznych faktorov.
Ako vzniká snehová vločka?
Snehová vločka sa zrodí vysoko v oblakoch, kde je veľmi chladno. Všetko začína maličkou kvapôčkou vody, ktorá zamrzne na drobnom kúsku prachu alebo inej častice. Keď je v oblakoch dostatok studeného vzduchu, na túto kvapôčku sa začnú pridávať ďalšie a ďalšie kryštáliky ľadu. Základným chemickým procesom, ktorým prechádzajú, je kryštalizácia. Snehová vločka začne vznikať v oblačnom prostredí, a teda bez pevného základu, keď sa drobná čiastočka vlhkosti zmrazí na jeden pevný mikroskopický bod. Prípadne môže ísť o zrniečko nečistoty, ktoré ľad obalí a postupne sa na drobnej mikroskopickej guľôčke tvoria ramená.
RNDr. Ingrid Damborská, CSc. z Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave (Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie) vysvetľuje, že vodná para môže v atmosfére bezprostredne prechádzať do pevného skupenstva. Prechod vodnej pary do tuhého stavu odborníci nazývajú sublimáciou. „K rastu ľadových kryštálov môže dochádzať dvojakým spôsobom: 1. priamym usadzovaním molekúl vodnej pary na zárodkoch (prachová častica alebo peľové zrnko) alebo kryštáloch sublimáciou; 2. 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.“
Snehová vločka je ľadový kryštál, ktorý dosiahol dostatočnú veľkosť a zlúčil sa s ostatnými. Padá cez zemskú atmosféru a dopadne na zem ako sneh. Každá vločka vzniká okolo prachovej častice vo vzduchových masách tak, že pritiahne kvapôčky podchladenej mrakovej vody. Tá potom zamŕza a zhlukuje sa v kryštalickej forme.
Kryštál snehu sa začína tvoriť tak, že sa vytvorí malá šesťuholníková základňa a keď sa kryštál zväčšuje, z každého zo šiestich krajov vyrastajú konáre. Tvar výsledného snehového kryštálu je určený presnou cestou, ktorou prešiel cez oblaky. Ale aj všetkých šesť ramien sa vydalo rovnakou cestou, a tak každé z nich zažilo rovnaké zmeny v rovnakom čase. Šesť ramien tak rastie synchrónne, čo vedie ku komplexnému, ale symetrickému tvaru.
Šesťnásobná súmernosť, ktorú vidíte v snehových kryštáloch, vyplýva z usporiadania molekúl vody v mriežke ľadových kryštálov. Keď sa tento model ľadových kryštálov točí okolo, v štruktúre môžete vidieť šesťuholníky. Odborníci uvádzajú, že ľadové kryštály majú pravidelnú šesťuholníkovú kryštálovú mriežku.
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. Snehové vločky sú však jedinečným príkladom procesu fyzikálnej morfogenézy pre zdanlivo nekonečnú rozmanitosť svojich tvarov a vzorov.
Šesť vrcholov ľadového kryštálu rastie o niečo rýchlejšie, pretože viac vyčnievajú do vlhkého vzduchu v priestore. 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. Čím rýchlejšie kryštál narastá, tým zložitejší je jeho tvar. Väčšie snehové vločky sú viac rozvetvené, ich tvar je zložitejší a vzory sú obdivuhodnejšie.
Formovanie bočných ramien je často chaotické. Keď kryštál ľadu narastie mimoriadne rýchlo, bočné ramená sú náhodne umiestnené, niekedy nie sú vôbec symetrické, a nesymetrické sú aj ramená samotné. 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. Tento je chaoticky narúšaný rýchlosťou rastu, ktorá spôsobuje členitosť ramien a zložitosť ich štruktúry. Tieto dve prírodné sily spolu vytvárajú krásnu spletitú symetrickú štruktúru snehovej vločky. Snehové vločky pripomínajú svojou zložitou formou fraktály.
Ako vzniká snehová vločka - UNIKÁTNE INFORMÁCIE ep. 72
Veľkosť snehových vločiek a faktory, ktoré ju ovplyvňujú
Snehové vločky pri snežení môžu dosahovať rôzne veľkosti. Snehová vločka je jednoducho povedané kryštál ľadu, ktorý môže dosahovať rôzne veľkosti. Tento kryštál sa môže postupne spojiť s viacerými kryštálmi a spolu padajú k zemi.
Veľkosť snehovej vločky priamo súvisí so zmenou teploty, ktorou prejde vločka od svojho vzniku až po dopadnutie na zem. Pokiaľ sú teploty záporné, v kryštáloch ľadu nie je prítomná kvapalná voda. Naopak, keď je teplota blízka nule alebo slabo nad nulou, vo vločkách je prítomná voda. Tá vo vločkách následne funguje ako lepidlo a vločky sa spájajú. Pre vznik početných zrážok je dôležitá aj vlhká vzduchová hmota.
Pokiaľ je teplota v celom vertikálnom teplotnom profile troposféry záporná, vločky sa nezoskupujú a pozorujeme vtedy len malé vločky. Pokiaľ je teplota vo vyšších vrstvách záporná, no postupne s klesajúcou nadmorskou výškou sa teplota priblíži k 0°C, resp. vtedy sa spájajú.
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).
Najväčšie vločky, aké kedy boli zaznamenané na Zemi, padali 28. januára v roku 1887 počas snehovej búrky v americkej Montane. Obrovské vločky sme zaznamenali aj 30. januára 2015 v oblasti Bratislavy. V priemere dosahovali aj okolo 7 až 10 centimetrov. Intenzívne sneženie tu behom niekoľkých hodín spôsobilo kalamitu.
Typy a tvary snehových vločiek
Snehové vločky nám ponúkajú pohľad na fascinujúci svet mikroskopických krás, ktoré nás obklopujú počas zimných mesiacov. Každá snehová vločka je jedinečná, pretože podmienky, v ktorých rastie, sa stále menia. Niekedy je v oblakoch viac vlhkosti, inokedy menej, alebo sa zmení teplota. Tieto rozdiely spôsobujú, že vločky majú rôzne tvary - niektoré vyzerajú ako hviezdičky, iné ako malé dosky alebo ihličky.
Doc. RNDr. Daniela Velichová, CSc. uviedla: „Nie všetky snehové vločky majú tvar šesťcípej hviezdy. Keď sa bližšie prizriete na niektoré z nich, budete pozorovať rozmanité tvary a formy.“ RNDr. Ingrid Damborská, CSc. pokračuje, že podľa medzinárodnej klasifikácie sa delia na 10 základných skupín. Celkovo je definovaných 35 rôznych foriem, ktoré sa dajú rozdeliť do ôsmich hlavných skupín podľa základného tvaru:
- Hviezdicovité dendrity
- Stĺpiky a ihly
- Stĺpiky s klobúčikmi
- Papraďovité hviezdicovité dendrity
- Diamantový kryštálový prach
- Trojuholníkové kryštály
- Dvanásťramenné snehové vločky
- Vločky s inovaťou a krúpy
Podrobnejšie typy snehových vločiek:
- Hviezdicovité dendrity - najčastejšie sa vyskytujúci tvar snehových vločiek je hviezdica tvorená ramenami a bočnými ramenami pripomínajúca tvar stromu („dendrit“ znamená stromovitý). Sú to veľké vločky, ktoré padajú za studeného počasia, keď je teplota okolo -15°C.
- 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, padajúce pri slabom snežení. Dlhé tenké stĺpiky nazývame ihlovité kryštály. Niektoré majú kónické diery na oboch koncoch.
- Stĺpiky s klobúčikmi - tieto tvary snehových vločiek nie sú veľmi typické, ale v skutočnosti nie je ťažké objaviť ich, keď viete, čo máte hľadať. Vznikajú, keď vločka rastie počas cesty cez vrstvy rôznej teploty. Stĺpik začne rásť pri teplote asi -6°C, a klobúčiky na jeho koncoch narastú pri teplote -15°C.
- Papraďovité hviezdicovité dendrity - tieto kryštály sa podobajú na hviezdicovité dendrity, ale sú väčšie a majú výraznejšie ramená s mnohými listami. Tvarom pripomínajú listy paprade. Keď sa pozorne pozriete, uvidíte, že bočné ramená sú takmer rovnobežné so susednými hlavnými ramenami. Nie sú celkom symetrické, a bočné ramená sú často nepravidelné. Sú to veľké vločky, s priemerom až 5mm.
- Diamantový kryštálový prach - tieto drobné kryštály ľadu vyzerajú v slnečnom svite ako drobný iskriaci prach. Odtiaľ pochádza aj ich názov. Sú to najmenšie snehové vločky, mnohé majú priemer menší ako priemer ľudského vlasu. Objavujú sa počas ostrého chladného počasia. Základným tvarom je tenký šesťboký hranol, perfektne symetrický tenučký plátok ľadu.
- Trojuholníkové kryštály - nezvyčajné tvary týchto snehových vločiek vznikajú pôsobením aerodynamického efektu. Bývajú to malé, zrezané trojuholníky, niekedy majú výrastky v tvare šesťuholníkov a vytvárajú zvláštne symetrické útvary.
- Dvanásťramenné snehové vločky - keď sa počas pádu na zem zlepia dve šesťramenné snehové vločky, môže vzniknúť dvanásťramenná vločka. Zdalo by sa, že taká kolízia sa vyskytne iba zriedkavo, ale v skutočnosti nie je vôbec ťažké objaviť počas hustého sneženia práve tieto tvary vločiek.
- Vločky s inovaťou a krúpy - kryštály ľadu vznikajúce v mrakoch tvorených kvapôčkami vody sa s týmito kvapkami často zrážajú, a kvapky na ľad primŕzajú. Zmrznuté kvapôčky voláme inovať. Na kryštáloch nemusí byť žiadna inoväť, alebo iba pár kvapôčiek, ba niekedy sú celé pokryté inovaťou. Bublinky inoväte voláme krúpky, či ľadovec.
História skúmania snehových vločiek
Prvé záznamy o snehovej vločke pochádzajú od čínskych bádateľov a spisovateľov roku 135 p.n.l. Čínsky učenec Han Yin identifikoval snehovú vločku ako ying alebo snehový šesťcípy kvet, čo neskôr potvrdil v roku 1591 aj Thomas Harriot. Ľudia prvýkrát spoznávali jedinečnosť snehových vločiek aj ich charakteristickú symetriu.
Európski autori začali s dokumentovaním snehových vločiek o mnoho storočí neskôr. V roku 1555 zaznamenal škandinávsky biskup Olaus Magnus snehové vločky zvláštnych tvarov, ako napríklad mesiačikovité, šípovité alebo vločky v tvare ruky. Francúzsky filozof René Descartes ako prvý zdokumentoval podrobný popis štruktúry snehových kryštálov v roku 1637. Vo svojej vedeckej štúdii o meteorológii a počasí, Les Météores, zaznamenal niekoľko dôkladných pozorovaní snehových vločiek.
Prvým vedcom, ktorý teoretizoval o šesťnásobnej symetrii snehových kryštálov, bol nemecký vedec Johannes Kepler. V roku 1611 daroval cisárovi rímskej ríše Rudolfovi II. pojednanie s názvom Šesťrohá snehová vločka ako darček. Kepler vo svojom pojednaní porovnával šesťnásobnú symetriu snehových vločiek s kvetmi, kde však vyvodil, že podobnosti končia pri vzhľade nakoľko sú kvety živé a snehové vločky nie. Premýšľal nad organizačným princípom symetrie a siahol aj na atomistický pohľad na hmotu vďaka teórii delovej gule. Kepler si uvedomoval, že genéza kryštalickej symetrie bola veľmi sýta vedecká otázka. Na konci svojho pojednania Kepler uznáva, že veda jeho doby nebola dostatočne vyvinutá, aby vysvetlila isté javy.
Farmár z Vermontu Wilson Bentley vytvoril prvý fotografický album padajúceho snehu, ktorý ohúril svet kúzelnou štruktúrou snehových vločiek. Už ako chlapec sa začal Bentley zaujímať o mikroskopickú štruktúru kryštálov a v 80. rokoch 19. storočia začal experimentovať s fotoaparátom ako prostriedkom na zachytenie okolia, ktoré pozoroval. Práve za týmto účelom zostrojil dômyselný mechanizmus spojenia fotoaparátu a mikroskopu pre lepšie rozlíšenie a detailnejšie obrazce. Svoj prvý snehový kryštál si odfotografoval v roku 1885 ako devätnásťročný. Za celú svoju kariéru zachytil na sklenené fotografické platne viac ako 5000 záberov snehových vločiek. Jeho fotografie poskytli pohľad na tento fenomén širšej verejnosti najmä vďaka publikáciám v novinách a časopisoch. Spolu s W. J. Humphreysom zostavil Magnum Opus s názvom Snow Crystals, ktoré obsahovalo viac ako 2000 fotografií snehových vločiek.
Postupný nárast záujmu o snehové vločky nabral na obrátkach a v 30. rokoch 20. storočia prešiel na viac odborný vedecký smer vďaka japonskému fyzikovi Ukichiro Nakaya, ktorý započal prvé laboratórne výskumy snehových kryštálov, čo je odklon od doposiaľ jednoduchého pozorovania voľným okom. Nakaya vniesol do tejto kratochvíle najnovšie vybavenie a vedecké techniky dvadsiateho storočia. Preniesol sa cez fyzickú štruktúru vločky a sústredil sa na vznik a tvorbu vločiek. V polovici storočia Nakaya pestoval snehové vločky v laboratóriu pomocou jednotlivých králičích chlpov umiestnených v chladiacej miestnosti. Pohral sa s nastavením vlhkosti a teploty, pestovaním základných typov kryštálov a zostavil svoj originálny katalóg možných tvarov.
Kenneth Libbrecht je úžasný človek, ktorý je pripravený opustiť slnkom prehriatu južnú Kaliforniu uprostred zimy, dostať sa do Fairbanks (Aljaška), obliecť si teplú bundu a sadnúť si na zamrznuté pole s fotoaparátom a kúskom peny v rukách. Hľadá tie najžiarivejšie, najštruktúrovanejšie a najkrajšie snehové vločky, aké môže príroda vytvoriť. Najzaujímavejšie vzorky sa podľa neho zvyknú vytvárať na najchladnejších miestach - notoricky známom Fairbanks a zasneženej severnej časti New Yorku.
Jedinečnosť snehových vločiek
„Áno aj nie! Žiadne dve snehové vločky nie sú úplne rovnaké. Rozoznávame však iba niekoľko základných foriem a tvarov. Vznikajú za istých podmienok pri kryštalizácii vodnej pary a drobných kvapiek vody, a pri istej teplote. Zákonitý šesťuholníkový súmerný tvar je chaoticky narušovaný vplyvom fyzikálnych podmienok,“ uviedla doc. RNDr. Daniela Velichová, CSc. na tému Snehové vločky - je skutočne každá z nich jedinečná? „Preto je tvar snehových vločiek taký rozmanitý a náhodný.“
Presný tvar vločky určuje teplota, za ktorej vznikajú. Napríklad pri teplote -2°C sa tvoria vločky neobvyklého trojuholníkového tvaru. Jeden takýto kryštál tvorí asi miliarda molekúl vody.
Aj keď sú vločky približne symetrické, detaily každého ramena sa vždy menia. Vločky sú teda malé zázraky prírody - výsledok kombinácie molekulovej vedy, atmosférickej dynamiky a jedinečných okolností každého oblaku. Aj keď by ste hľadali celý život, nenájdete dve úplne rovnaké.
Premeny snehovej pokrývky
Na zem dopadajú kryštály, vločky, krúpy. Vrstvy sa ukladajú na seba a tak vzniká snehová pokrývka. Biela snehová pokrývka vypadá len zdanlivo pokojná. Pri snežení sa nová snehová pokrývka viac alebo menej dobre spája so starou. V jej vnútri sa vplyvom gravitácie a zmeny teploty dejú permanentné zmeny. Opakovaným snežením sa vytvárajú nové vrstvy s rôznou hrúbkou, s rozdielnymi vlastnosťami a rozdielnou súdržnosťou.
Rozdielne tepelné podmienky vo vrstvách menia kryštály snehu. Vločky sa lámu, topia, sublimujú, spojujú sa navzájom. Tieto zmeny sa nazývajú metamorfóza snehu a tá buď vytvára stabilnú snehovú pokrývku, alebo naopak vedie k jej nestabilite. 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.
Typy premeny snehu v snehovej pokrývke:
- Deštruktívna premena: Nastáva vplyvom vetra už vo vzduchu a pokračuje bezprostredne po dopade na zem. Zložitá štruktúra sa mení na malé guľaté kryštály. Zmenšuje sa aj objem vzduchu medzi kryštálmi a snehová pokrývka sadá. Zvýšený tlak vo vnútri snehovej pokrývky tiež prispieva k premene. Čím sú teploty bližšie k 0 °C, tým rýchlejšie prebieha premena. Pri cca -5°C trvá proces približne 8-14 dni. Kryštály prechádzajú cez etapu plstnatého snehu k zaokrúhleným zrnám. Tieto zrná majú najmenšiu veľkosť, väzba medzi nimi je dobrá, čo prispieva k stabilizácii snehovej pokrývky. Nízke teploty zmeny spomaľujú a nebezpečenstvo lavín trvá dlhšie.
- Konštruktívna premena: Vznikajú pri nej nové formy kryštálov. Teplota snehu pri zemi je okolo 0 °C. V prípade dlhodobo nízkych teplôt (pod −10 °C) a hrúbke snehovej pokrývky nad pol metra nastáva veľký rozdiel teplôt na povrchu a na spodku snehovej pokrývky. Vodná para obsiahnutá v spodných vrstvách snehovej pokrývky vplyvom tepla začne stúpať. Dochádza k premene plynného skupenstva na pevné (depozícia) a vznikajú ľadové kryštály hranatého tvaru - pohyblivý sneh. Konečným štádiom tejto kryštalizácie je dutinová inovať (pohárikové kryštály) v tvare dutých šesťbokých zrezaných ihlanov veľkosti 5 mm až 4 cm. Kryštály sa zoskupia do novej, veľmi nestabilnej vrstvy, ktorá je podobná piesku alebo kryštálovému cukru (sype sa pomedzi prsty) a nemá žiadnu súdržnosť. Pri hrúbke pokrývky vyššej ako 1 m je rozdiel teplôt okolo 20°C. Konštruktívna metamorfóza prebieha pomalšie, môže trvať 2 až 4 týždne. Pokles snehovej pokrývky nie je viditeľný.
- Tavná metamorfóza: Prebieha, keď teplota snehovej pokrývky stúpne nad 0 °C napr. oteplením, slnečným žiarením alebo fénovým vetrom. Keď sa snehové kryštály začnú topiť, sadá a spevňuje sa snehová pokrývka. Rovnako môže k metamorfóze dochádzať vplyvom vlhkosti počas dažďa. Pri silnom premočení sa pevnosť stráca, lebo póry sa zapĺňajú vodou, ktorá medzi kryštálmi vytvára vodný film. Ak voda príde na nepriepustnú vrstvu, vytvorí nestabilnú vrstvu pre základové lavíny.
Tabuľka základných tried snehu a ich premena v snehovej pokrývke
| Trieda snehu | Charakteristika | Vplyv na snehovú pokrývku |
|---|---|---|
| Nový sneh | Pôvodný tvar kryštálov, veľmi pórovitý a ľahký. | Čerstvo napadaná vrstva, ľahko sa premiestňuje vetrom. |
| Čiastočne premenené snehové zrná | Pôvodný tvar kryštálov je ešte čiastočne znateľný, rozvetvený. | Medzištádium deštruktívnej premeny, vplyv vetra. |
| Zaokrúhlené zrná | Osamotené zrná bez väzby na susedné, ovplyvnené teplotou. | Konečné štádium deštruktívnej premeny, malé snehové zrná. |
| Hranaté kryštály (pohárikové kryštály) | Plné zrná s rovnými plochami, väčšinou s rovnými plochami, tvoria sa pri vysokom teplotnom gradiente. | Medzištádium konštruktívnej premeny, náchylné na lavíny. |
| Dutinová inovať | Duté tvary s rovnými plochami a ostrými hranami, vznikajú na povrchu pokrývky pri mrazoch. | Konečné štádium konštruktívnej premeny, veľmi nestabilná vrstva. |
| Zľadovatená kôra | Vzniká na povrchu snehovej pokrývky, ak slnko roztopí jej povrch a v noci zamrzne. | Hrúbka závisí na dĺžke a intenzite slnečného žiarenia, vytvára pevnú vrstvu. |
| Povrchová inovať | Vzniká za chladných nocí na povrchu snehovej pokrývky kondenzáciou vodných pár. | Nestabilná vrstva, ktorá môže slúžiť ako klzná plocha pre lavíny. |
tags: #snehove #vlocky #krystal