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

Wakacyjna lektura dla nauczycieli

Zachęcamy do wpisania na swoją wakacyjną listę lektur dwóch nowych raportów dotyczących edukacji przyrodniczej. To idealne lektury letnie dla tych wszystkich, którzy zainteresowani są nauczaniem STEM oraz wykorzystaniem gier w nauczaniu!

Czytaj więcej