Jak powstaje płatek śniegu?

Chcąc stworzyć zimową krainę czarów lub doskonałą rzeźbę z lodu, warto wiedzieć, jak powstaje płatek śniegu. Choć niełatwo jest odtworzyć wygląd płatków śniegu, naukowcom udało się stworzyć wspaniałe obrazy tworów natury za pomocą fotografii cyfrowej. Te zdjęcia płatków śniegu z całego świata pozwoliły naukowcom spojrzeć na proces powstawania płatków śniegu z nowej perspektywy.

Gałęzie powstają w wyniku kondensacji pary wodnej

Widziałeś zapewne zdjęcia, filmy i reklamy przedstawiające gałęzie wyrastające na płatku śniegu. Te piękne struktury powstają, gdy para wodna skrapla się na maleńkich wypustkach na powierzchni płatka śniegu. Z czasem nierówności te stają się coraz większe i zatrzymują więcej pary wodnej, tworząc skomplikowaną strukturę. Ten skomplikowany proces ma proste wytłumaczenie: chodzi o to, jak para wodna skrapla się na różnych powierzchniach.

W miarę wzrostu płatka śniegu zmienia się jego struktura wewnętrzna. Od graniastosłupa o sześciu ścianach do struktury przypominającej gałązki – płatek śniegu jest w stanie zmieniać te formy w różnych momentach. Proces kondensacji wpływa na cząsteczki wody, które zmieniają swoje zachowanie w zależności od temperatury i wilgotności powietrza. Zmieniająca się atmosfera wpływa na rozwój płatka śniegu, ponieważ niewielkie zmiany temperatury i wilgotności powodują, że cząsteczki zachowują się inaczej.

Płatki śniegu powstają, gdy chmury pełne wilgoci osiągają temperaturę zamarzania. Para wodna w zasadzie nie przechodzi w stan ciekły i skrapla się na centralnej cząsteczce pyłu. W miarę jak na krysztale lodu skrapla się coraz więcej pary wodnej, powstają kolejne rozgałęzienia. Płatek śniegu może wtedy rosnąć i rozwijać się. W przyrodzie jest to proces naturalny i jest to jeden z najpiękniejszych sposobów jego obserwacji.

Płatek śniegu składa się z kryształów o sześciu bokach. Sześć boków oznacza sześć punktów, ale kształt zależy od poziomu wilgotności i temperatury powietrza w momencie formowania się płatka. Struktura molekularna lodu również wpływa na wygląd płatków śniegu. Pojedynczy płatek śniegu może mieć nawet sześć boków, ponieważ w trakcie wędrówki na powierzchnię doświadcza różnych warunków atmosferycznych.

Warto przeczytać: Jak uchronić się przed odmrożeniami?

Wzrost płatka śniegu zależy od tego, w jaki sposób cząsteczki wody są włączane w proces wzrostu kryształu. Fizyka stojąca za tym procesem jest dość złożona i stanowi przedmiot ciągłych badań. Historia płatka śniegu zaczyna się od pary wodnej w powietrzu, która powstaje w wyniku parowania z oceanów lub transpiracji roślin. Woda ta paruje w niskich temperaturach, w wyniku czego powstają płatki śniegu o skomplikowanej strukturze.

Słupki puste są symetryczne w każdej kolumnie

Słupki puste w płatku śniegu mają kształt sześciokąta, a płyty końcowe mają po sześć rozgałęzionych kryształów. Bez szkła powiększającego puste obszary nie są widoczne. W tych regionach znajdują się pary pęcherzyków powietrza osadzonych w lodzie. Wydrążone regiony płatków śniegu tworzą się zwykle w temperaturze poniżej -5 stopni Celsjusza lub około 21 stopni Fahrenheita.

Kolumnowy kryształ śniegu z czasem nabiera bardziej złożonych kształtów. Może on urosnąć do postaci pustej kolumny ze stożkową pustką na jednym końcu lub do postaci cienkiej igły lodowej. Ten typ kryształu często rośnie w skupiskach zwanych rozetami kulistymi, nazwanych tak ze względu na kształt przypominający pocisk. W klastrach wzrost ograniczony dyfuzją hamuje wzrost w centrum, nadając płatkowi śniegu jego stożkowaty wygląd.

Podczas zimowych burz puste kolumny w płatkach śniegu często zapadają się, a taki płatek jest łatwy do zidentyfikowania przy użyciu silnego mikroskopu. Jego kształt przypomina pustą szpulę wędkarską, szpulkę nici lub dwa koła samochodowe. Tworzenie się pustych słupów jest wynikiem spadania płatków śniegu przez różne warstwy dolnej i środkowej atmosfery. Warstwy te mają różną temperaturę i wilgotność.

Kolumny puste w płatkach śniegu są symetryczne w każdej kolumnie, a ich struktura wywodzi się z najbardziej podstawowych symetrii matematycznych w przyrodzie. Heksagonalna struktura krystaliczna płatka śniegu oraz kształt cząsteczek wody determinują strukturę siatki krystalicznej lodu. Te dwa czynniki determinują wiązania chemiczne między płatkami śniegu, a układ heksagonalny określa kształt płatka śniegu. Ten łańcuch rozumowania prowadzi do najbardziej elementarnych praw fizyki.

Niemożliwe jest znalezienie identycznych płatków śniegu w przyrodzie

Naukowcy nigdy nie byli w stanie udowodnić, że dwa płatki śniegu są identyczne, ale byli blisko. Struktura chemiczna płatków śniegu jest tak zmienna, że są one bardzo zmienne, a udowodnienie, że w naturze powstają dwa identyczne płatki, byłoby prawie niemożliwe. W rzeczywistości szanse na powstanie identycznych płatków śniegu wynoszą zaledwie jeden na milion trylionów, czyli jeden milion, po którym następuje 18 zer. Każdy płatek śniegu zawiera około 180 milionów cząsteczek wody, które łączą się ze sobą w sposób przypadkowy w złożonym środowisku.

Wynika to z faktu, że płatki śniegu zawierają różne rodzaje cząsteczek. Według naukowca zajmującego się śniegiem Charlesa Knighta, pojedynczy kryształ śniegu może zawierać do 10 000 000 000 000 cząsteczek wody, a liczba możliwych układów jest praktycznie nieskończona. Co więcej, płatki śniegu są wystawione na działanie różnych temperatur i warunków, nie ma więc możliwości, by dwa identyczne płatki śniegu miały taką samą historię rozwoju. Nawet jeśli dwa płatki śniegu wyglądają tak samo na powierzchni, z czasem nie będą takie same.

Naukowcy od dawna zastanawiali się, czy istnieje naturalny sposób na to, aby dwa płatki śniegu były identyczne. W rzeczywistości płatki śniegu są jedynymi obiektami w przyrodzie, które mogą być statystycznie identyczne. Na przykład, jeśli miałbyś trzy książki, mógłbyś je ułożyć na sześć sposobów. Ale gdybyś miał piętnaście książek, miałbyś ponad 1,3 biliona kombinacji. To więcej niż liczba atomów we wszechświecie.

Płatki śniegu, w przeciwieństwie do większości innych obiektów, układają się w skomplikowane kształty podczas lotu przez chmury. Gdy przechodzą przez pochmurną atmosferę, ich kryształy ulegają serii zmian, takich jak temperatura i wilgotność. Kryształy rosną w różny sposób, w zależności od mechanizmu wzrostu. Choć płatki śniegu mogą być identyczne wizualnie, to na poziomie molekularnym raczej nie są symetryczne ani identyczne. To utrudnia ich identyfikację i klasyfikację.

Pryzmaty sześciokątne nie są najczęstszym kształtem płatków śniegu

Płatek śniegu to trójwymiarowy kryształ powstały w wyniku zamarzania kropel wody na pyłkach i kurzu w atmosferze. Naukowcy badali symetrię płatków śniegu, aby lepiej zrozumieć ich powstawanie. Sześciokątna struktura płatka śniegu wywodzi się z budowy sieci kryształów lodu i geometrii cząsteczek wody. Geometria ta jest określona przez właściwości wiązań chemicznych i mechanikę kwantową. Złożoność procesu formowania płatka śniegu odzwierciedla się w kształcie jego gałęzi.

Pryzmaty sześciokątne mają mniejszą gęstość niż inne kształty, dlatego mają tendencję do unoszenia się na wodzie. Mają mniejszą gęstość niż lód stały i dlatego mają większą powierzchnię. Struktura sześciokątna nie jest sztywnym kształtem, ponieważ cząsteczki H2O są zbyt energiczne, aby ułożyć się w sztywną formę. Jednak graniastosłupy sześciokątne tworzą dendryty przypominające igły i nie są najczęstszym kształtem płatków śniegu.

Zobacz także: Sprawdź gdzie jest śnieg

Symetrię sześciokątnego płatka śniegu można wytłumaczyć zachowaniem cząsteczek wody w wypełnionym lodem ulu. Pszczoły mają w swoich ulach sześciokątne struktury. Naukowcy byli kiedyś zaskoczeni, dlaczego pszczoły używają sześciokątnych kształtów w swoich ulach. Przyczyna leży w ich wydajności. Gdyby ule składały się z szeregu kółek ułożonych jedno na drugim, powstałyby puste przestrzenie. Pszczoły unikają tych problemów, układając sześciokąty. Dzięki temu struktura heksagonalna pozwala im upakować najwięcej komórek na najmniejszej przestrzeni.

Oprócz pryzmatów sześciokątnych najczęstszą formą płatków śniegu jest struktura przypominająca igły. Są to najmniejsze płatki śniegu i nie są najczęściej spotykanym kształtem. Są one bardzo małe, więc aby je zobaczyć, trzeba by użyć szkła powiększającego. Nie są to najczęstsze kształty płatków śniegu, ale można je zobaczyć w prawdziwych płatkach śniegu.

Badacze odkryli ważny szczegół dotyczący powstawania. Przed odkryciem atomów Kepler wysunął hipotezę, że płatki śniegu mają strukturę heksagonalną. Jego teoria sześciokątnych kryształów opierała się na fakcie, że zawierają one sześć cząsteczek wody. Ponadto uważał, że sześciokątne płatki śniegu powstają w wyniku powolnego wzrostu powierzchni cząsteczek lodu.