Tajemství tvaru sněhových vloček

sobota 28. listopad 2009 20:47

Sněhové vločky začínají svůj pomíjivý život jako částečky prachu nebo kondenzační centra, vznikající zabržděním částic kosmického záření v zemské atmosféře. Protože u nejmenších částic síly povrchového napětí překonávají asymetrii vyplývající z tvaru molekul a snaží se krystalek sbalit do tvaru kapky, vločky nejprve vznikají jako malé osmi- až dvanáctiboké hranolky, v jejichž středu lze pozorovat náznaky spirálové poruchy struktury krystalu, ze které částice rostou (viz obr. níže). Uprostřed vloček bývá pod mikroskopem vidět zárodečné jádro částice prachu, který lze z roztálého sněhu izolovat filtrací. 

Vysoký tlak povrchového napětí v malých částečkách ledu také zvyšuje jejich bod tání, což je příčinou jevu známého jako podchlazená voda. Je zajímavé, že molekuly vody zachycené na smáčivém povrchu mědi naopak zaujímají méně kompaktní uspořádání a led za takových podmínek může naopak krystalovat v podobě tenkých proužků s pětičetnou symetrií, které mají zřetelně nižší bod tání, než led v objemu, protože povrchová vazba molekul je zde naopak pevnější než objemové síly. To je příčinou toho, že přítomnost částic pevných látek tolik usnadňuje tvorbu sněhových vloček. Objevitelé tohoto jevu položertem poznamenali, že kdybychom do oceánu nasypali dostatečné množství smáčivého prášku, molekuly vody by se na jeho povrchu rozprostřely a ztuhly již při pokojové teplotě. 

 Pětičetná struktura molekul vody vzniklá absorbcí na smáčivém povrchu

Jak částice ledu roste, poměr povrchu a objemu se postupně zmenšuje, čemuž krystalek čelí tím tím, že zvětšuje svůj relativní povrch, který se v důsledku toho stává stále křehčí a členitější. Maximální velikost vločky je proto omezena její pevností - po dosažení určité velikosti se její části začínají odlamovat. Známé chuchvalce sněhu padající při vysoké vlhkosti vzduchu (tzv. "trakaře") nejsou tvořeny jednotlivými vločkami, ale propleteným chomáčkem mnoha krystalků. Členité vločky rostou za poměrně vysokých teplot, kdy vzduch obsahuje dostatečné množství vlhkosti. Pokud ale teplota vzroste příliš, vločka začne naopak vypařovat (sublimovat) a její hrany se postupně zaoblují, což je vidět na vločce na obrázku níže vpravo.

Změny tvaru vloček při rostoucím koncentračním přesycení

Vzácně při teplotách těsně pod nulou vznikají dvanáctiramenné vločky, které jsou ve skutečnosti tvořeny srostlými šestibokými dvojčaty (viz obr. níže). S klesající teplotou a snižující se vlhkostí vzduchu roste koncentrační přesycení a vločky se stávají postupně subtilnější. Naopak při nízkém přesycení (v důsledku turbulence atmosféry, čili při silném větru) krystalizace probíhá rovnovážně a dochází ke vzniku drobných prachových vloček, které jsou tvořeny z malých tyčinek až jehliček, jež se při chůzi proti větru nepříjemně zasekávají do obličeje.

Ve vysokých nadmořských výškách se v oblacích tvoří převážně duté sloupky a pokud je vzdušné proudy zanesou do oblasti s vyšším přesycením, růst vločky se prudce zrychlí tak, že sloupky lemují na obou koncích ploché destičky (viz obrázek níže). Při vysoké vlhkosti a teplotě vzduchu vznikají občas trojboké hranolky, o jejichž vzniku se zmíním podrobněji níže. Vzhledově zajímavé "vločky" s obsahem množství zachycených vzduchových bublinek nevznikají kondenzací vodních par, ale podobně jako jinovatka zmrznutím kapek vody.

Ačkoliv jsou sněhové vločky známy bohatstvím svých tvarů a v podstatě neexistují dvě, které by byly zcela stejné, o jejich výsledné podobě rozhodují v podstatě dva základní procesy:

  1. rychlost s jakou se molekuly vody dostávají z objemu vzduchu na povrch krystalku a
  2. rychlost, s jakou se molekuly mohou pohybovat na povrchu, než se usadí na své místo v krystalku.  

Za podmínek blízkých rovnovážným molekuly vody mohou ještě dlouho po dosednutí na povrch vločky putovat po povrchu krystalku a "vyčkávat" na optimální místo s nízkým obsahem energie, do kterého by mohly zapadnout jako kulička do jamky. Takovými místy jsou především vnitřní rohy - kouty, kde jsou nové molekuly ke stěnám krystalu přitahovány hned ze tří stran současně. Dále pak taková místa tvoří schody, ke kterým jsou molekuly vody přitahovány ze dvou stran a konečně rovný povrch, ke kterému jsou molekuly přitahovány alespoň ze strany jediné. Molekuly dosedající na hranu, popř. na roh krystalu jsou poutány nejslaběji a tak - pokud jim to tepelný pohyb molekul umožní - cestují po povrchu krystalku tak dlouho, dokud nezapadnou do nejbližšího schodu na krystalku. Podél schodu pak zase cestují v jednom rozměru, dokud nenaleznou kout, ve kterém se usadí a tím jejich cestování skončí.

Závislost tvaru vloček na teplotě a přesycení vodních par

V konečném výsledku tak za příznivých rovnovážných podmínek vzniká kompaktní, pravidelný krystal bez kazu ve tvaru šestibokého hranolu. Protože molekuly vody jsou nesymetrické a do krystalu se ukládají ve vrstvách, jsou povrchové síly krystalku v jednom směru výrazně nižší, než ve zbývajících dvou a vzniklý hranolek bývá plochý. Za speciálních podmínek, například uvnitř dutin v antarktických ledovcích mohou krystaly vody růst za podobně klidných a ustálených podmínek jako minerályz hydrotermálních pramenů (např. krystaly křemene) - a výsledkem jsou křišťálově čisté, dokonale pravidelné monokrystaly vody. které se vločkám podobají jen nepatrně.

    

Výše popsaný mechanismus se může uplatňovat jen při malém rozdílu koncentrací vody v objemu a na povrchu krystalku, čili za podmínek nízkého přesycení - tj. při velmi pomalém ochlazování vzduchu s nízkým obsahem vlhkosti. V reálných případech je voda často nucena na povrchu krystalu namrzat rychleji, než se molekuly vody stačí pohybovat po povrchu krystalu a nestačí se přitom zabudovávat do energeticky nejvýhodnějších pozic. Výsledkem pak bývá tvar krystalu, který se více blíží protáhlému hranolku, popř. až pérovitě rozvětvenému šestibokému keříčku - čili typické sněhové vločce. K podobnému jevu dochází i při krystalizaci v roztoku: při prudkém ochlazení roztoku cukru nebo soli  vypadává látka z kapaliny v podobě peříčkovitě rozvětvených krystalků, které se špatně promývají a čistí.

Migrace molekul vody po povrchu krystalků je tím pomalejší, čím je nižší teplota, proto je možné s klesající teplotou očekávat i větší podíl rozvětvených krystalků. S klesající teplotou však klesá i obsah vodní páry ve vzduchu, čímž se snižuje koncentrační přesycení. K tomu přistupuje i to, že za velmi nízkých teplot nelze očekávat prudké výkyvy teplot obecně - za těchto podmínek je vznik rozvětvených vloček čím dál obtížnější a tedy i vzácnější. Proto se nejkrásnější nadýchané sněhové vločky tvoří jen při sněžení v poměrně úzkém rozmezí teplot mezi -13 až - 17 °C za klidného počasí.

Trojboké vločky stále prozrazují svůj původ v šestibokém hranolu Obtékání vzduchu při pádu sněhové vločky preferuje plochý tvar krystalků

 

Za normální situace se uplatňuje plochý tvar krystalku, který vzduchem plachtí převážně ve vodorovné poloze jako list papíru. K největšímu obtékání a tím pádem nejintenzívnější krystalizaci pak dochází na hranách, kde molekuly vody mohou kondenzovat za poměrně rovnovážných podmínek. U vloček krystalizujících ve velké výšce (tj. řídkém vzduchu stratosféry) nebo silného větru je vliv obtékání čím dál zanedbatelnější, protože zde vločky málokdy plachtí - krystalky pak vypadávají v podobě hranolků až jehliček.

Různé mezní tvary trojbokých až šestibokých vloček

Pokud je vzduch velmi klidný, mohou vločky naopak urazit velkou část své dráhy při cestování po hraně jako šipka. Takový způsob obtékání silně preferuje trojúhelníkovitý tvar krystalku, protože šípovitý tvar současně zlepšuje obtékání vzduchu na náběžných hranách krystalku, které v dusledku toho přirůstají nejrychleji. Samozřejmě, pokud ke sněžení dochází v silně turbulentním prostředí (vítr), pak se vliv gravitace na tvar vloček stává zanedbatelný a tvar vloček se více blíží pravidelnému šestiúhelníkovému tvaru, který je z hlediska geometrie uspořádání molekul vody energeticky nejvýhodnější.  

Creative Commons License
Blog, jehož autorem je Milan Petřík, podléhá licenci Creative Commons Uveďte autora-Neužívejte dílo komerčně-Zachovejte licenci 3.0 Česko.

Milan Petřík

FjPeEnzBjbWjoLBkWGUuiUkW02:5025.7.2011 2:50:22
rYAPtcmUQvFvatCzqogkCZE03:4122.7.2011 3:41:06
kmfHCILUnvZbMTuWrpOoUTXH02:3913.7.2011 2:39:52
PetrikPrůvodce sněhovými vločkami22:3027.12.2009 22:30:12
PetrikLedové krajky na oknech15:4029.11.2009 15:40:38
PepíčekVaňku,13:3729.11.2009 13:37:30
Petr z Táborazajímavé07:5229.11.2009 7:52:29
marekNebude to tak zlé,07:4929.11.2009 7:49:25
PetrikSouvislosti ve fyzice04:2429.11.2009 4:24:26
PetrikVysoká bagristická04:1329.11.2009 4:13:32
PepíčekVaňku,03:5729.11.2009 3:57:06
VanekRe:Na rozdíl od Hermánků01:2429.11.2009 1:24:07
benškoda00:1029.11.2009 0:10:58
AnnaNa rozdíl od Hermánků.23:0628.11.2009 23:06:20
Petrikpěknej oslí můstek22:3228.11.2009 22:32:14
marekMnooo,21:5428.11.2009 21:54:12
PetrikKeplerovo studium sněhových vloček21:4828.11.2009 21:48:55
marekNádhera,21:2328.11.2009 21:23:49

Počet příspěvků: 19, poslední 25.7.2011 2:50:22 Zobrazuji posledních 19 příspěvků.

Milan Petřík

Milan Petřík

Aktuality a postřehy ze světa vědy

Astronomie, fyzika

REPUTACE AUTORA:
0,00

Seznam rubrik