Tajomstvá snehovej vločky

29. dec. 2017 • Fyzikálne vedy

Tajomstvá snehovej vločky

Vznik ľadových kryštálikov alebo snehových vločiek (zhluky kryštálikov) je jedným z najkrajších javov prebiehajúcich v atmosfére. Variácií snehových vločiek je obrovské množstvo, najmä vďaka citlivej podstate ich vzniku. Ako sa teda vytvárajú ľadové kryštály či vločky snehu?

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. V týchto oblakoch prechádza vodná para z kvapky na kryštál, nad ktorým je menší tlak vodnej pary v stave nasýtenia.“ 

Tab.1: Vývoj ľadového kryštálu v závislosti od teploty vzduchu.

Ľadové kryštály majú podľa odborníčky pravidelnú šesťuholníkovú kryštálovú mriežku. Podľa teploty okolia vzniku (tab.1, obr. 2) sa tvoria kryštály rôzneho tvaru, napr. ihlice, hranoly, doštičky, hviezdice.

Obr. 2: Základné tvary snehových kryštálov.

Podľa vlhkostných pomerov v atmosfére sa tieto tvary môžu navzájom kombinovať. Bolo popísaných viac ako 21-tisíc rôznych tvarov snehových kryštálov, zaoberá sa nimi jeden vedný odbor – kryštalografia snehu. RNDr. Ingrid Damborská, CSc. pokračuje, že podľa medzinárodnej klasifikácie sa delia na 10 základných skupín: 1. doštičky, 2. hviezdice (dendrity), 3. stĺpiky, 4. ihlice, 5. vločky jednoduché, 6. stĺpiky s doštičkami, 7. nepravidelné priestorové častice, 8. krúpky, krupica, 9. ľadové zrná, 10. krúpy. „Kryštáliky ľadu jednoduchších tvarov pozorujeme vo vyšších vrstvách atmosféry (5 – 12 km), kde tvoria obvykle vysoké oblaky. V nižších vrstvách atmosféry sa vyskytujú v oblakoch kryštáliky zložitejšej štruktúry. Vznik rôznych tvarov ľadových kryštálov závisí hlavne od fyzikálneho stavu okolitého prostredia a od štruktúry ľadového jadra.“

Obr.3: Ideálny tvar kryštálika.Z meteorologických prvkov má najväčší význam teplota a vlhkosť vzduchu. 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. Za ideálny tvar ľadového kryštáliku sa považuje hexagonálna dvojpyramída s tupými bočnými hranami a so šesťuholníkovou spodnou aj hornou základňou (obr.3).  

„Tento ideálny tvar je 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 (obr.4). 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,“ uvádza RNDr. Ingrid Damborská, CSc.

Obr. 4: Vznik rôznych tvarov ľadových kryštálov v závislosti od teploty a presýtenia.

Pri nízkych teplotách vzduchu, napr. -30 °C, v dôsledku väčšieho presýtenia atmosféry vodnou parou vzhľadom k ľadu, dochádza k rýchlemu narastaniu kryštálikov, kedy sa nový plošný zárodok vytvorí skôr, ako sa ukončí rast predchádzajúcej plochy, vysvetľuje odborníčka. „Plocha kryštálu pritom narastá od okraja smerom do stredu v dôsledku pôsobenia elektrostatických síl, ktorými sú viazané molekuly vody v mriežke ľadu. Preto je najväčšia časť molekúl viazaná na hranách a rohoch kryštálu, kde sú prichádzajúce molekuly najmenej rušené susednými molekulami. Nakoniec sa viažu molekuly uprostred plochy, kde je väzba najsilnejšia. Pri nízkych teplotách vzduchu a veľkom presýtení atmosféry vodnou parou tak dochádza k vytváraniu dutých kryštálikov, najmä vo vyšších hladinách atmosféry.“

Obr. 5: Priestorový dendrit.Zvyšovanie teploty a pokles tlaku vodnej pary nad ľadom vedie k spomaleniu rastu kryštálov. „Vtedy plochy kryštálu narastú skôr, než sa vytvorí nový plošný zárodok a vzniknuté kryštály majú jednoduchý kompaktný tvar (pri teplotách –20 °C až -30 °C). Ďalším zvyšovaním teploty vzduchu bude dochádzať k zosilneniu difúzie molekúl vodnej pary k povrchu kryštálu, ktorý bude v dôsledku toho rýchlejšie narastať do strán.“ Vytvorené doštičky tak budú pomaly prechádzať do zložitejších hviezdičiek, ktoré odborníci nazývajú dendrity (obr. 5). Pri teplote okolo 0 °C nadobúdajú kryštáliky ľadu v atmosfére ihlicovitý tvar. Tieto kryštáliky však nenarastajú priamo sublimáciou, ale zamrznutím vody na topiacich sa častiach kryštálu, vzniknutej kondenzáciou vodnej pary, dodáva odborníčka.

Ľadové kryštáliky vzniknuté zmrznutím kvapiek vody a narastajúce sublimáciou vodnej pary sa môžu ďalej zväčšovať pri padaní v atmosfére. Pritom sa predovšetkým uplatňuje koagulácia (spájanie menších kryštálikov do väčších), ktorá môže podľa RNDr. Ingrid Damborskej, CSc. nastať: 1) pri padaní kryštálikov nerovnakou rýchlosťou (gravitačná koagulácia), 2) molekulárno-kinetickým (Brownovským) pohybom, 3) elektrostatickými silami, 4) atmosférickou turbulenciou. „Na kryštáloch sa usadzujú drobnejšie oblačné častice kvapalného aj pevného skupenstva v závislosti od toho, akými vrstvami kryštál padá.“

Výsledkom sú zhluky kryštálov v tvare snehových vločiek (obr. 5), kryštály so zmrznutými kvapkami vody i kryštály obalené amorfnou vrstvou ľadu. „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. Pokiaľ sú v oblaku silné vertikálne prúdy vzduchu, kryštály obalené amorfnou vrstvou ľadu rastú do veľkých rozmerov (s priemerom 5 až 50 mm) a padajú na zemský povrch ako krúpy.“

Od svojho vzniku až do úplného roztopenia sa sneh stále mení. V podstate odborníci rozoznávajú tri druhy premeny snehu (obr. 6):

  • premena rozpadom (deštruktívna metamorfóza)
  • premena narastaním (konštruktívna metamorfóza)
  • premena topením (firnovatenie)

Obr. 6: Schéma premeny snehu.V týchto fázach premeny snehu sa už nehovorí o snehových kryštáloch, ale o snehových zrnách, lebo kryštálová mriežka sa viac-menej stráca. V závislosti od priebehu počasia sa môžu jednotlivé fázy premeny rôzne kombinovať, prípadne aj preskočiť a vynechať (obr. 7 – obr. 12), podotkla RNDr. Ingrid Damborská, CSc.

Obr. 7: Nový sneh Obr. 8: Plstnatý sneh Obr. 9: Okrúhlozrnný sneh
Obr. 10: Hranatozrnný sneh Obr. 11: Dutinová inoväť Obr. 12: Zrná firnu

 

Odborníčka pridáva aj ďalšie zaujímavosti o snehu:

V priemere jeden septilión snehových vločiek spadne každú zimu. Najväčšia snehová vločka na svete podľa Guinessovej knihy rekordov mala priemer 38,1 cm a hrúbku 20,3 cm a túto gigantickú snehovú vločku našli v Montane v roku 1887.

Najzasneženejším trvale obývaným miestom na svete je rakúsky Damüls s nadmorskou výškou 1 428 metrov, kde v priemere napadne každý rok 930 cm snehu.

Najväčšieho snehuliaka vysokého 37 metrov a vážiaceho takmer 6 tisíc ton postavili obyvatelia mestečka Bethel v americkom štáte Maine v roku 2008.

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. A niektoré časti Londýna, ktorý je vyhlásený za smogom najznečistenejšie mesto Európy, pokrýva sneh šedo – čierny. Obyvatelia Uralu boli prekvapení, keď im napadol zelený sneh. Smaragdové sfarbenie spôsobila nehoda v továrni na chróm, kedy sa časť kontaminovanej vody z podzemných zdrojov dostala na povrch a pridala bielemu snehu výraznú zelenú farbu.

 

Odborný garant textu: RNDr. Ingrid Damborská, CSc. z Univerzity Komenského v Bratislave, Fakulta matematiky, fyziky a informatiky (Katedra astronómie, fyziky Zeme a meteorológie

Spracovala: Slávka Cigáňová (Habrmanová), NCP VaT pri CVTI SR

Ilustračné foto: Pixabay.com

Uverejnila: VČ

Hore
Bratislavská vedecká cukráreň
QUARK
Atmosféra počas TVT 2017
Aurelium - centrum vedy
Publikácie Veda v CENTRE
Veda v Centre
FVF 2018
Vedec roka 2017
kúpa časopisov jún 2016
Prechod VK na VND
TVT 2017 články
TAG Ženy vo vede
TAG Slovenská veda
TAG História
TAG Spektrum vedy
TAG Rozhovor
TAG Publikácia
TAG Zaujímavosti vo vede
TAG Centrum vedy
TAG Mládež
TAG QUARK
banner záhrady
Zaujímavosti vo vede
Pre zdravie človeka je dôležitý súlad medzi tukom a svalmi.
Zistite viac