Śnieg jest jednym z najbardziej zadziwiających dzieł na Ziemi.
Wszyscy oczywiście wiemy, że składa się z kryształków zamarzniętej wody. Wszyscy pamiętamy, że te kryształki tworzą się w górnych warstwach atmosfery, gdzie para wodna styka się z mroźnym powietrzem tworząc płatki o sześciokątnych kształtach.
Wszyscy pewnie nieraz słyszeliśmy, że nie ma dwóch identycznych płatków śniegu, a przynajmniej do tej pory takich nie stwierdzono.
Skąd więc się bierze śnieg? Dlaczego jest biały? Czy to prawda, że nie ma dwóch takich samych śnieżynek? Jeśli tak, to dlaczego? Czy ich geometryczny i piękny kształt może być dziełem przypadku?
Jest zresztą więcej zastanawiających faktów dotyczących śniegu:
Dlaczego woda – swoją drogą prosta w swej budowie, ale niezwykła w swych właściwościach substancja – w odpowiednich warunkach tworzy takie regularne, piękne gwiazdki, a nie po prostu zamienia się z zwykłe grudki?
Skąd natura wiedziała, że taki kształt umożliwia płatkom bezszelestny, delikatny i bezpieczny (dla roślin, zwierząt i ludzi) spadek lotem ślizgowym poprzez powietrzną atmosferę?
Czy to nie zastanawiające, że tak opadające płatki „przy okazji” oczyszczają atmosferę? Skąd natura wiedziała, że śnieg może utworzyć doskonałą izolacyjną warstwę (dzięki powietrzu uwięzionemu między kryształkami), która pozwala nasionom, roślinom i zimującym żyjątkom przetrwać niebezpieczne mrozy?
Czy to przypadek, że spadające płatki niosą ze sobą związki takich pierwiastków, jak azot czy siarka, dzięki czemu podczas wiosennego przebudzenia topniejący śnieg dostarcza glebie nie tylko niezbędnej wody, ale też ją użyźnia? A jednocześnie śnieg jest „jadalny” dla ludzi i zwierząt i może służyć zimą jako rezerwuar świeżej wody.
Wilson A. Bentley przy pracy
Naukowcy od lat badają fenomen gwiazdek śniegowych. Każda z nich może się składać nawet ze stu delikatnych kryształków lodu, które tworzą niezliczoną liczbę przepięknych wzorów. Niektórzy uczeni poświęcili kilkadziesiąt lat na badanie i fotografowanie przez mikroskop śnieżynek.
Największe zasługi na tym polu niewątpliwie miał Wilson A. „Snowflake” Bentley (1865-1931), który zajmował się tematem ponad 40 lat. To właśnie on stwierdził, że „nigdy nie znalazł dwóch identycznych płatków śniegu”. Po nim też nikomu się to nie udało.
Biorąc pod uwagę ilość spadających w ciągu roku płatków śniegu, ich różnorodność jest naprawdę zadziwiająca.
Ostatnio badanie płatków śniegu przeprowadził Kenneth G. Libbrecht, wykładowca fizyki na Caltech, słynnej kalifornijskiej uczelni (California Institute of Technology). Jego wieloletnie badania dokumentuje kilka książek oraz bogato ilustrowana strona internetowaSnowCrystals.com.
Choć rzeczywiście Kenneth G. Libbrecht nie znalazł dwóch takich samych płatków, to wyróżnił kilkanaście typów, w które można je pogrupować. O ich kształcie decyduje temperatura, wilgotność i ciśnienie powietrza, w którym powstają. Oto niektóre z typów:
Kryształt o strukturze przypominającej gałęzie drzewa. Ramiona gwieździstych kryształów rozdzielają się tworząc bardziej skomplikowane wzory. Ten typ płatków śniegu zazwyczaj osiąga od 2 do 4 milimetrów. Bardziej skomplikowana forma tego typu przypomina paproć i osiąga do 5 milimetrów.
Graniastosłup – najprostsza forma, jaką przybierają kryształki śniegu. W zależności od tego, jak szybko rosną jego boczne ściany, graniastosłup może przypominać płaski, sześciokątny płatek, lub kolumnę o przekroju sześciokąta. Każdy płatek śniegu posiada sześciokrotną oś symetrii.
Płatki w kształcie gwiazd. Występująca dość często struktura o sześciu szerokich ramionach, przypominająca gwiazdę. Powstają w temperaturze zbliżonej do -2 i -15 stopni Celsjusza.Płatki podzielone. Ten typ jest połączeniem dwóch wcześniejszych. Powstaje, gdy ramiona niektórych kryształków w kształcie gwiazd kończą się graniastosłupami.
Igiełki - powstają w temperaturze około -5 stopni Celsjusza. Gdy osiądą na ubraniu, wyglądają jak białe włosie. Składają się z 2 wydrążonych kolumn o sześciokątnym przekroju. Mała zmiana temperatury powoduje, że zamiast rozrastać się wszerz, tworząc płatki, cząsteczki wody tworzą kryształy o długiej, cienkiej strukturze. Naukowcom póki co nie udało się odkryć, dlaczego tak się dzieje.
Inne typy to różne rozety lub kolumny, czasem zaczopowane, czasem dwuczęściowe gwiazdy, więc dwunastoramienne, lub też inne mniej lub bardziej regularne formy (większość płatków nie jest idealnie symetryczna), zawsze jednak sześcioramienne lub sześciokątne .
Dla porównania, warto zerknąć na tzw. sztuczny śnieg, również sfotografowany pod mikroskopem przez Libbrechta. Armatki śniegowe wystrzeliwują wodę i sprzężone powietrze, które podczas dekompresji zamraża cząsteczki wody. Sztuczny śnieg to po prostu zamarznięte kropelki wody. Dzieło człowieka w niczym nie przypomina cudownych kryształków śniegu i jest tylko ich marną,
nieciekawą imitacją.
Skąd się jednak bierze śnieg? Dlaczego jest biały? Co sprawia, że płatki mają sześciokątne kształty? Co na ten temat mówi nauka?
Odpowiedzi próbował udzielić jakiś czas temu Witold Zawadzki w artykuleTajemnice białego puchu na Portalu Wiedzy Onetu.
Kryształki śniegu powstają z pary wodnej, która unosi się wysoko, w górne warstwy atmosfery.
Witold Zawadzki wyjaśnia:
Pomimo tego, że panuje tam niska temperatura, poniżej 0°C, woda sama nie zamarza, ale dopiero wtedy, gdy znajdzie się w pobliżu jakaś obca cząsteczka, np. pyłek, drobina kurzu lub cząsteczka dymu. Wówczas proces przebiega błyskawicznie, a zrodzony w chmurze kryształek lodu ma średnicę nie większą niż 0,1-0,3 mm. W wyniku procesu resublimacji, czyli bezpośredniego przejścia pary wodnej w lód, do kryształka-zarodnika przyłączają się kolejne cząsteczki wody. Dzięki temu płatek śniegu rośnie. Najszybciej przyrastają jego wypukłe i najbardziej oddalone od środka części. Z sześciokątnego płatka wyrasta sześcioramienna gwiazdka.
Największe i najpiękniejsze śnieżynki powstają przy dużej wilgotności powietrza, gdy panuje temperatura od -20°C do -10°C.
W takich warunkach przyjmują one formę niewielkich płatków o rozmiarach od 2 do 4 milimetrów. Im wyższa wilgotność, tym płatki śniegu mają bardziej złożone kształty.
Nie jest to zasługa jakiegokolwiek białego barwnika. Śnieg składa się z wielu bezbarwnych, prawie całkowicie przeźroczystych kryształków lodu. Jednak pewna, niewielka część światła padającego na te kryształki jest odbijana od ich powierzchni, podobnie jak szklana szyba odbija część światła. Każdy kryształek lodu odbija w różne strony (czyli rozprasza) wszystkie barwy prawie jednakowo silnie, a złożenie tych barw wywołuje w oku wrażenie światła białego. W rzeczywistości światło niebieskie jest trochę bardziej rozpraszane niż światło o barwie czerwonej. Z tego powodu śnieg ma odcień niebieski.
Dlaczego kryształki te są sześciokątne lub sześcioramienne. Wiąże się to z rozmieszczeniem atomów w cząsteczce wody, czyli H2O:
Sześcioramienny kształt płatków śniegu wynika z sześciokątnej (heksagonalnej) budowy kryształów lodu. Ale zacznijmy od początku: Każda cząsteczka wody zawiera jeden atom tlenu i dwa atomy wodoru. Atomy te nie są ułożone w jednej linii – atomy wodoru tworzą „ramiona”, rozwarte pod kątem około 104°. Jako całość cząsteczka wody jest elektrycznie obojętna, jednak jedna jej strona, ta od strony atomu tlenu, jest bardziej ujemna elektrycznie, a druga strona – elektrycznie dodatnia. Cząsteczki wody są więc dipolami elektrycznymi, czymś co przypomina magnesy posiadające dwa bieguny. Podobnie jak magnesy wzajemnie się przyciągają różnymi biegunami, tak cząsteczki wody również przyciągają się różnymi stronami. Dzięki tym oddziaływaniom, tzw. wiązaniom wodorowym, cząsteczki wody łączą w większe grupy. Najprostszym możliwym przypadkiem jest właśnie graniastosłup, którego podstawy są sześciokątami foremnymi. W wierzchołkach sześciokątów znajdują się atomy tlenu.
I w końcu najczęściej zadawane pytanie. Czy to prawda, że nie ma dwóch identycznych płatków śniegu? Jeśli tak, to dlaczego?
Proces rośnięcia jest bardzo wrażliwy na niewielkie zmiany temperatury i wilgotności. Każdy tworzący się płatek śniegu poruszając się wewnątrz chmury przechodzi przez unikalne zmiany tych czynników, dlatego kształt każdego płatka jest inny. Nawet, jeśli dwa płatki „na oko” wydają się identyczne, na poziomie krystalicznej okazuje się, że któraś „gałązka” płatka ma trochę mniej cząsteczek lub jest przesunięta o kilka lub więcej cząsteczek. Ponadto nie wszystkie cząsteczki wody są jednakowe – niektóre z nich zawierają w sobie cięższy izotop wodoru (D czyli 2H, tzw. deuter) lub cięższy izotop tlenu (18 O) zamiast odmiany 16 O.
W rzeczywistości istnieje pewne prawdopodobieństwo, że powstaną dwa identyczne płatki śniegu. Jednak w przypadku obiektu makroskopowego (czyli złożonego z bardzo dużej liczby cząsteczek, jak np. płatek śniegu, który zawiera około 10^18 [czyli trylion, jedynka z osiemnastoma zerami] cząsteczek wody), jest to niesłychanie mało prawdopodobne.
Choć naukowcy, na podstawie badań empirycznych, wiedzą już bardzo dużo o śniegu, tak naprawdę nie wiadomo dlaczego on powstaje i skąd się biorą jego zadziwiające właściwości.
„W dalszym ciągu nie jest jasna natura ani pochodzenie lodowych jąder, które w temperaturze -40°C inicjują zamarzanie kropel tworzących chmurę.”
Źródło: maciek
Licencja: Domena publiczna