Płatki śniegu mają nieskończoną liczbę kształtów i rozmiarów. Wiele wydaje się być dwuwymiarowymi dziełami sztuki. Inni wyglądają jak splątane skupisko strzępiastych pasm lodowych. Większość przychodzi jako jednostki, chociaż niektóre mogą upaść jako wielopłatkowe kępki. Wszystko, co ich łączy, to ich źródło: chmury, które zwykle poruszają się co najmniej kilometr nad ziemią.
Zimą powietrze na górze może być bardzo zimne – i będzie coraz zimniej, im wyżej pójdziesz. Aby utworzyć płatki śniegu, te chmury muszą być poniżej zera. Ale nie za zimno. Płatki śniegu tworzą z wilgoci w chmurze. Jeśli powietrze stanie się zbyt zimne, chmura nie będzie miała wystarczającej ilości wody, aby cokolwiek wytrącić. Więc musi być równowaga. Dlatego większość płatków rozwija się na poziomie lub tuż poniżej zera – 0 stopni Celsjusza (32 stopnie Fahrenheita). Śnieg może tworzyć się w chłodniejszym otoczeniu, ale im zimniej, tym mniej wilgoci będzie dostępne, aby zrobić płatek śniegu.
W rzeczywistości powietrze w chmurze musi być przesycone wilgocią, aby powstał płatek. Oznacza to, że w powietrzu jest więcej wody niż byłoby to normalnie możliwe. (Wilgotność względna może osiągnąć 101 procent w czasie przesycenia, co oznacza, że w powietrzu jest o 1 procent więcej wody, niż powinna być w stanie utrzymać).
Kiedy w powietrzu znajduje się zbyt dużo ciekłej wody, chmura będzie próbowała pozbyć się nadmiaru. Część tego nadmiaru może zamarznąć w kryształy, które leniwie wiją się na ziemi.
Lub to prosta odpowiedź. Szczegóły nie są aż tak proste.
Sama zimna woda nie zrobi płatka śniegu
Potrzebna jest jeszcze jedna rzecz, aby zmienić wilgotność chmury w płatek. Naukowcy nazywają to jądrem (NOO-klee-uhs). Bez przykrycia, kropelki wody nie mogą zamarznąć. Nawet gdy temperatura powietrza jest znacznie poniżej zera, krople wody pozostaną płynne – przynajmniej dopóki nie będą miały solidnego przedmiotu, do którego mogą się przyczepić.
Zwykle będzie to coś w rodzaju ziarna pyłku, cząsteczki kurzu lub jakiegoś innego lotnego kawałka. Mogą to być smogopodobne aerozole lub lotne związki organiczne uwalniane przez rośliny. Nawet małe cząstki sadzy lub mikroskopijne metalowe bity wyrzucone w wydechu samochodu mogą stać się jądrem, wokół którego krystalizują płatki śniegu.
Rzeczywiście, kiedy powietrze jest bardzo czyste, może być bardzo trudne, aby wilgoć w chmurze znalazła jądro.
Blisko ziemi każdy obiekt może okazać się odpowiednią strefą zatrzymania. W ten sposób uzyskujemy lód rymowy, który tworzy się na gałęziach drzew, lekkich słupach lub pojazdach. W odróżnieniu od mrozu, lód rymowy powstaje, gdy przechłodzone kropelki wody zamarzają na powierzchniach zamarzających. (W przeciwieństwie do tego, szron tworzy się, gdy wilgoć gromadzi się na powierzchniach w postaci płynnej, a następnie zamarza).
Wysoko w chmurach, muszą powstać maleńkie, pływające cząsteczki, aby mogły powstać kryształy śniegu. Kiedy pojawią się właściwe warunki, przechłodzone krople wody zaczną zatrzaskiwać się na tych jądrach (NOO-klee-eye). Robią to jeden po drugim, budując kryształ lodu.
Jak kształtują się płatki
Aby zrozumieć, co kryje się za skomplikowanym i złożonym kształtem płatka śniegu, naukowcy zwracają się ku chemii – działaniu atomów.
Cząsteczka wody lub H2O składa się z dwóch atomów wodoru związanych z atomem tlenu. To trio łączy w wzór “Myszka Miki”. Wynika to z polarnych wiązań kowalencyjnych (Koh-VAY-lent). Termin ten odnosi się do trzech atomów, z których każdy dzieli elektrony, ale nierównomiernie.
Jądro tlenu jest większe, więc ma więcej siły przyciągania. Szarpią mocniej ujemnie naładowane elektrony, które dzielą. To zbliża te elektrony trochę bliżej. Daje także tlenowi względny ujemny ładunek elektryczny. Dwa atomy wodoru kończą się odrobinę dodatnio pod względem ładunku.
Sama struktura cząsteczki wody przypomina szeroką V. Ale kiedy wiele cząsteczek H2O znajduje się blisko siebie, zaczynają się obracać tak, że ich ładunki elektryczne się łączą. Przeciwne ładunki przyciągają. Tak więc ujemny wodór dąży do uzyskania dodatniego tlenu. Kształt, który zwykle powoduje: sześciokąt.
Właśnie dlatego płatki śniegu mają sześć boków. Wynika to z sześciokątnej – sześciościennej struktury większości kryształów lodu. I sześciokąty łączą siły. Łączą się z innymi sześciokątami, wyrastając na zewnątrz.
Tak rodzi się płatek śniegu.
Każdy sześciokąt zawiera dużo pustej przestrzeni. To wyjaśnia, dlaczego lód unosi się na wodzie; jest mniej gęsty. Cieplejsze cząsteczki H2O w fazie ciekłej są zbyt energiczne, aby osadzić się w sztywnym sześciokącie. W rezultacie ta sama liczba cząsteczek H2O zajmuje 9 procent więcej miejsca w postaci stałego lodu niż w postaci ciekłej wody.
W zależności od temperatury te sześciokąty łączą się ze sobą i rosną na różne sposoby. Czasami robią igły. Inni mogą tworzyć rozgałęzione dendryty. Wszystkie są piękne. I wszyscy mają swoją unikalną historię wzrostu kryształów.
Struktura śniegu jest ciekawostką naukową odkąd Wilson Alwyn “Snowflake” Bentley dołączył do swojego aparatu mikroskop w 1885 roku i stał się pierwszą osobą, która je sfotografowała.
Te krótkotrwałe kryształy wciąż fascynują naukowców. Aby lepiej uchwycić ich kształt i ruch, Tim Garrett z University of Utah w Salt Lake City zbudował ostatnio lepszy aparat z płatkami śniegu. Używał go, by uzyskać wgląd w różnorodność płatków, które spadają.
Płatki śniegu według liczb
1. Typowy płatek śniegu może zawierać 1 000 000 000 000 000 000 lub 1 kwintilion cząsteczek wody. To milion razy miliony razy na milion! Te bloki konstrukcyjne mogą się konfigurować w praktycznie nieskończonej liczbie wzorów. Więc nie ma wątpliwości, że żadne dwa płatki śniegu, które napotkasz, nigdy nie będą dokładnie takie same.
2. Płatki śniegu mają zwykle mniej niż szerokość monety. Ale raz na jakiś czas tworzą się prawdziwi ludzie. W styczniu 1887 r. Ranczer z Montany stwierdził, że płatki śniegu są “większe niż szlafmany”. Oznaczałoby to około 38 centymetrów (15 cali) średnicy. Ponieważ było to z powrotem przed przenośnymi kamerami domowymi, ta liczba może być kwestionowana. Jednak płatki śniegu większe niż 15,2 centymetra (6 cali) czasami się rozwijają. Biggie mają tendencję do formowania się, gdy temperatura jest bliska zamarzaniu, a powietrze wilgotne. Rozmiar płatka śniegu odzwierciedla również inne czynniki. Należą do nich prędkość i kierunek wiatru, punkt rosy – nawet jak naelektryzowane są różne warstwy atmosfery. Jednak nikt nigdy nie przeprowadzał pomiarów, gdy leciały gigantyczne płatki.
3. Większość płatków śniegu spada w przybliżonym tempie – od 1,6 do 6,4 km (1 i 4 mil) na godzinę.
4. W chmurze, w której płatki tworzą się zwykle od jednego do dwóch kilometrów (od 0,6 do 1,2 mil), każdy krystaliczny cud może dryfować w dowolnym miejscu od 10 minut do ponad godziny przed dotarciem do ziemi. Czasami są przenoszeni z powrotem i kilka prób wymaga ich dotarcia do ziemi.
Ponoć nie ma dwóch identycznych płatków śniegu, to niesamowite…