Eduscience

Eduscience

W zimie jest ich pełno – lepią się do szalika, spadają na chodnik, przyklejają do szyb autobusów. Płatki śniegu, bo to o nich mowa, są jednym z licznych dzieł sztuki, którego autorką jest sama natura.

Z pozoru płatek śniegu wygląda jak mały, szybko topiący się, biały okruszek. Tymczasem, jeśli bliżej mu się przyjrzeć, ma niezwykle misterną i symetryczną budowę. I – co ciekawsze – każdy z nich jest niepowtarzalny.

Jak powstaje śnieg?

Tworzy się w chmurach silnie nasyconych parą wodną. Przy ujemnej temperaturze, wokół tzw. jądra kondensacji, czyli drobiny zawieszonej w atmosferze, na przykład pyłku rośliny, kurzu lub innego zanieczyszczenia, zaczyna się tworzyć kryształek lodu. Ma on formę graniastosłupa sześciokątnego. Stąd powstające w chmurze płatki śniegu to zazwyczaj sześcioramienne symetryczne gwiazdki. Ich kształt zależy jednak już od warunków atmosferycznych, w których się tworzą, przede wszystkim od wilgotności, temperatury powietrza i ciśnienia atmosferycznego.

Jeśli temperatura powietrza jest bardzo niska, a wilgotność mała,  kształty śnieżynek nie są zbyt wymyślne. Wystarczy jednak nieznaczny wzrost wilgotności powietrza, a już od krawędzi płatka śniegu odrastają coraz to nowe igiełki, tworząc fantazyjne wzory. Zmiany kształtu płatka śniegu zachodzą symetrycznie.

Chociaż powyższy opis sprawia wrażenie, że o płatkach śniegu wiemy prawie wszystko, nie jest to prawdą. Naukowcy nadal głowią się nad ich kunsztownymi i niepowtarzalnymi kształtami. Płatek śniegu, wbrew powszechnym mniemaniom, nie jest zamarzniętą kropla wody, a proces, wskutek którego powstał, należy do bardzo skomplikowanych i trudnych do zbadania.

Nauka na tropie płatków śniegu

Prof. Kenneth Libbrecht, fizyk z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego, od lat zgłębia zjawisko powstawania płatków śniegu. Wydał na ten temat kilka książek, m.in. „Płatek śniegu – sekret piękna zimy” („The Snowflake: Winter's Secret Beauty”, wyd. 2003), bogato ilustrowanych zdjęciami unikatowych drobinek śniegu wykonanych pod mikroskopem w warunkach laboratoryjnych.

Naukowiec oszacował, że zanim sześcioramienny kryształek, który nazywamy płatkiem śniegu, opuści chmurę, aby spaść w formie opadu, absorbuje ok. 100 000 kropelek wody zawieszonych w powietrzu.

Proces powstawania unikatowych kształtów płatków śniegu w zależności od warunków atmosferycznych Libbrecht obserwował w swoim laboratorium, wykorzystując do tego komorę klimatyczną. Na kawałku szkła rozrzucał mikroskopijne kryształki lodu. Następnie pod mikroskopem oddzielał je od siebie i kierował na nie strumień lekko ogrzanego powietrza. Para wodna krystalizowała na krysztale (w tym wypadku jądrze kondensacji), tworząc w efekcie widoczny kształt płatka śniegu.

Fotografie Libbrechta to kontynuacja prac Wilsona „Snowflake” Bentley’a (1865–1931), znanego jako jednego z pierwszych fotografów płatków śniegu. Bogatą kolekcję jego zdjęć można oglądać w muzeum w mieście Jericho w stanie Vermont w Stanach Zjednoczonych (oficjalna strona: www.snowflakebentley.com).

Każdy z nas jest inny jak… płatek śniegu

Każdy płatek śniegu jest unikatowy, ponieważ każdy z nich powstaje w nieco innych warunkach kondensacji. Także długość drogi płatka śniegu do powierzchni ziemi jest różna, a w trakcie jego podróży wielokrotnie zmieniają się warunki atmosferyczne. Tak więc mimo że wszystkie płatki śniegu z danej chmury, odbywają podobną drogę w podobnych warunkach, to wkraczają w nie w różnym czasie. Stąd wpływ czynników atmosferycznych na wszystkie płatki nie jest taki sam.

Dowodzą tego zarówno badania, jak i liczne zdjęcia Libbrechta, który publikuje je m.in. na swojej stronie www.its.caltech.edu. Swoje spostrzeżenia naukowiec tłumaczy czysto matematycznie, zestawiając obrazowo wielość kombinacji różnych form płatków śniegu z 15 książkami, które chcemy ułożyć na półce:

„Mamy więc 15 kombinacji dla pierwszej książki, 14 dla drugiej, 13 dla trzeciej etc. Pomnóżmy to, a otrzymamy ponad bilion sposobów na ułożenie zaledwie 15 książek (…). A teraz spójrzmy na złożoność kryształu lodu, w którym możemy się dopatrzyć setki różnych elementów. Biorąc pod uwagę, że te wszystkie elementy mogą inaczej się rozwijać lub przemieścić w inne miejsce, nasze obliczenia będą wyglądały podobnie jak w przykładzie z książkami. Stąd ilość możliwości powstania kryształu lodu jest olbrzymia”.

Oprócz tego wspomniana strona jest przydatną bazą wiedzy o płatkach śniegu – możemy tam znaleźć liczne teksty dotyczące badań Libbrechta czy zakładkę FAQ, w której znajdują się materiały o tym, czy śnieg jest biały oraz jakie warunki muszą być spełnione, by przy ujemnej temperaturze nie padał śnieg.

 

Tekst: Dagmara Bożek-Andryszczak


Bibliografia:

http://www.smithsonianmag.com/science-nature/the-art-and-science-of-growing-snowflakes-in-a-lab-180949243/?no-ist, dostęp: listopad 2014

www.its.caltech.edu, dostęp: listopad 2014

Fot. Alexey Kljatov, źródło: https://www.flickr.com/photos/chaoticmind75/5528522349/in/set-72157626146319517, dostęp: listopad 2014