Štruktúra snehových vločiek: Fascinujúci svet mikroskopických krás

Snehové vločky sú samé o sebe nádherným až fascinujúcim javom, ktorý pracuje s predstavivosťou. Sú symbolom zimy, chladu a využívaným symbolom v meteorológii. Používajú ju chladničky a mrazničky opäť vo svojej symbolike a v technickom ovládaní.

To, čo padá z oblohy a nazývame vločkami, sú zväčša vo vysokej výške pospájané viaceré vločky. Schopnosť „zaseknúť“ sa do seba následne tvorí tie typické biele vločky, ktoré vidíme aj z diaľky. Snehové vločky nám ponúkajú pohľad na fascinujúci svet mikroskopických krás, ktoré nás obklopujú počas zimných mesiacov.

Snehová vločka má viacero kryštalizovaných tvarov. Ba dokonca sa hovorí, že neexistujú dve rovnaké. Pri vyčerpateľnosti možných tvarov na tak malej ploche je to však nepravdepodobné.

Snehové vločky sú komplexné štruktúry tvorené vodou. Nič iné k tomu netreba, hoci snehová vločka môže byť nositeľom nečistôt. Podľa najnovších výskumov môže byť jej súčasťou aj mikroplast. Sú to krehké ľadové kryštáliky, ktoré sa tvoria v oblačnom prostredí, v prípade, keď teplota v ovzduší klesne na mínusové hodnoty. Základným chemickým procesom, ktorým prechádzajú, je kryštalizácia.

Snehová vločka začne vznikať v oblačnom prostredí, a teda bez pevného základu, keď sa drobná čiastočka vlhkosti zmrazí na jeden pevný mikroskopický bod. Prípadne môže isť o zrniečko nečistoty, ktoré ľad obalí a postupne sa na drobnej mikroskopickej guľôčke tvoria ramená.

Snehové vločky sú známe pre svoju nesmiernu variabilitu tvarov. Každá vločka je akoby malým umeleckým dielom prírody. Tvarová diverzita spočíva v rôznych atmosférických podmienkach, ktorým sú vystavené počas svojej cesty k zemi.

Pomenovaním snehová vločka v skutočnosti nazývame kryštál ľadu. Molekuly zamrznutej vody sú navzájom pospájané v presnom hexagonálnom usporiadaní, ktoré je viditeľné v typickom tvare vyznačujúcom sa osovou súmernosťou podľa šiestich rôznych osí so spoločným bodom v strede útvaru, podľa ktorého je celý útvar stredovo súmerný.

Snehová vločka je však aj všeobecné pomenovanie akéhokoľvek chuchvalca snehu, ktorý v zime padá z mrakov. Často sú to zlepence stoviek kryštálikov ľadu, ktoré sa spoja počas svojho pádu na zem vplyvom rôznych faktorov.

Geometria snehových vločiek

Stredová súmernosť vzniká zložením Dvoch osových súmerností určených osami, ktoré sú na seba kolmé a pretínajú sa v strede súmernosti. Nie všetky snehové vločky majú tvar šesťcípej hviezdy. Keď sa bližšie prizriete na niektoré z nich, budete pozorovať rozmanité tvary a formy.

Prečo práve šesťuholník? Šesťnásobná súmernosť, ktorú obdivujeme na snehových vločkách, je spôsobená stavbou molekúl vody v štruktúre kryštálu ľadu. Pri jeho raste pozorujeme šesťuholníky, ale kryštál ľadu je trojrozmerný útvar, maličké teleso v priestore, a takým telieskom je aj každá snehová vločka.

Hviezdicové snehové vločky sú tenučké plátky ľadu. Takými však nie sú všetky vločky, ktoré padajú v zime na zem z mrakov počas sneženia. Najjednoduchšími snehovými vločkami sú šesťboké hranoly, ktoré majú dve šesťuholníkové základne a šesť bočných stien v tvare obdĺžnikov. Môžu mať rôzne rozmery, sú dlhé a tenké, alebo nízke a tučné, alebo čokoľvek medzi tým.

Sú výsledkom pomalého zamŕzania, kryštalizácie a rastu ľadového kryštálu, a sú zvyčajne veľmi malých rozmerov.

Transformácia jednoduchého ľadového hranola na komplikovane tvarovanú hviezdicovú vločku so šiestimi členitými ramenami je príkladom fyzikálnej morfogenézy. Je to proces, počas ktorého spontánnou cestou vzniká z neživého beztvarého materiálu útvar zložitého tvaru a formy, keď z počiatočného chaosu vzniká určitá presná zákonitosť a poriadok, štruktúra.

Je mnoho príkladov prírodných procesov, na ktorých môžeme tento proces pozorovať: vlny na jazerách, pruhované vzory na snehových závejoch alebo na pieskových dunách, alebo rôzne geometrické vzory na obilných poliach, ktoré vraj vytvorili mimozemšťania. Snehové vločky sú však jedinečným príkladom procesu fyzikálnej morfogenézy pre zdanlivo nekonečnú rozmanitosť svojich tvarov a vzorov.

Ako vznikajú ramená vločky

Šesť vrcholov ľadového kryštálu rastie o niečo rýchlejšie, pretože viac vyčnievajú do vlhkého vzduchu v priestoru. Tak začínajú rásť zárodky ramien. Ako kryštál postupne rastie, zárodky sa zväčšujú a na ich vrcholoch opäť vyrastajú bočné zárodky ďalších ramien. Stálym opakovaním tohto procesu napokon vzniká zložitý komplexný tvar snehovej vločky.

Čím rýchlejšie kryštál narastá, tým zložitejší je jeho tvar. Väčšie snehové vločky sú viac rozvetvené, ich tvar je zložitejší a vzory sú obdivuhodnejšie.

Chaos a poriadok

Formovanie bočných ramien je často chaotické. Keď kryštál ľadu narastie mimoriadne rýchlo, bočné ramená sú náhodne umiestnené, niekedy nie sú vôbec symetrické, a nesymetrické sú aj ramená samotné. Oboje, chaos aj poriadok hrajú svoju úlohu pri raste snehových vločiek, preto sú ich vzory také nezvyčajné a zaujímavé.

Šesťboká hranolová stavba kryštálov ľadu je prírodným zákonom kryštalizácie. Tento je chaoticky narúšaný rýchlosťou rastu, ktorá spôsobuje členitosť ramien a zložitosť ich štruktúry. Tieto dve prírodné sily spolu vytvárajú krásnu spletitú symetrickú štruktúru snehovej vločky.

Snehové vločky pripomínajú svojou zložitou formou fraktály. Tiež vznikajú chaotickou cestou delenia a opakovania zmenšených kópií svojho pôvodného tvaru, princípom, ktorý nazývame samopodobnosť.

Rôzne tvary a formy snehových vločiek

Nie všetky snehové vločky majú tvar šesťcípej hviezdy. Keď sa bližšie prizriete na niektoré z nich, budete pozorovať rozmanité tvary a formy.

Je definovaných 35 rôznych foriem. Dajú sa rozdeliť do ôsmich hlavných skupín podľa základného tvaru:

• hviezdicovité dendrity
• stĺpiky a ihly
• stĺpiky s klobúčikmi
• papraďovité hviezdicovité dendrity
• diamantový kryštálový prach
• trojuholníkové kryštály
• dvanásťramenné snehové vločky
• vločky s inovaťou a krúpy

Hviezdicovité dendrity - najčastejšie sa vyskytujúci tvar snehových vločiek je hviezdica tvorená ramenami a bočnými ramenami pripomínajúca tvar stromu ("dendrit" znamená stromovitý). Sú to veľké vločky, ktoré padajú za studeného počasia, keď je teplota okolo -15° C.

Stĺpiky a ihly - snehové vločky v tvare stĺpikov sa objavujú pri teplote okolo -6° C. Sú pomerne malé, a môžeme ich pozorovať ako malé biele vlásky, padajúce pri slabom snežení. Dlhé tenké stĺpiky nazývame ihlovité kryštály. Niektoré majú kónické diery na oboch koncoch.

Stĺpiky s klobúčikmi - tieto tvary snehových vločiek nie sú veľmi typické, ale v skutočnosti nie je ťažké objaviť ich, keď viete, čo máte hľadať. Vznikajú, keď vločka rastie počas cesty cez vrstvy rôznej teploty. Stĺpik začne rásť pri teplote asi -6° C, a klobúčiky na jeho koncoch narastú pri teplote -15° C.

Papraďovité hviezdicovité dendrity - tieto kryštály sa podobajú na hviezdicovité dendrity, ale sú väčšie a majú výraznejšie ramená s mnohými listami. Tvarom pripomínajú listy paprade. Keď sa pozorne pozriete, uvidíte, že bočné ramená sú takmer rovnobežné so susednými hlavnými ramenami. Nie sú celkom symetrické, a bočné ramená sú často nepravidelné. Sú to veľké vločky, s priemerom až 5mm.

Diamantový kryštálový prach - tieto drobné kryštály ľadu vyzerajú v slnečnom svite ako drobný iskriaci prach. Odtiaľ pochádza aj ich názov. Sú to najmenšie snehové vločky, mnohé majú priemer menší ako priemer ľudského vlasu. Objavujú sa počas ostrého chladného počasia. Základným tvarom je tenký šesťboký hranol, perfektne symetrický tenučký plátok ľadu.

Trojuholníkové kryštály - nezvyčajné tvary týchto snehových vločiek vznikajú pôsobením aerodynamického efektu. Bývajú to malé, zrezané trojuholníky, niekedy majú výrastky v tvare šesťuholníkov a vytvárajú zvláštne symetrické útvary.

Dvanásťramenné snehové vločky - keď sa počas pádu na zem zlepia dve šesťramenné snehové vločky, môže vzniknúť dvanásťramenná vločka. Zdalo by sa, že taká kolízia sa vyskytne iba zriedkavo, ale v skutočnosti nie je vôbec ťažké objaviť počas hustého sneženia práve tieto tvary vločiek.

Vločky s inovaťou a krúpy - kryštály ľadu vznikajúce v mrakoch tvorených kvapôčkami vody sa s týmito kvapkami často zrážajú, a kvapky na ľad primŕzajú. Zmrznuté kvapôčky voláme inovať. Na kryštáloch nemusí byť žiadna inoväť, alebo iba pár kvapôčiek, ba niekedy sú celé pokryté inovaťou. Bublinky inoväte voláme krúpky, či ľadovec.

Výskum snehových vločiek v histórii

Snehové vločky fascinovali vedcov a pozorovateľov už od staroveku. Jedným z pionierov bol japonský výskumník Ukichiro Nakaya, ktorý v 20. storočí experimentoval s vytváraním umelej snehovej vločky a systematicky skúmal rôzne faktory ovplyvňujúce ich tvary.

Okrem Nakayu sa výskumu snehových vločiek venovali aj ďalší významní vedci. Wilson Bentley, známy aj ako „Snowflake Bentley,“ bol americký farmár a amatérsky meteorológ, ktorý v 19. storočí ako prvý zachytil fotografie snehových vločiek pod mikroskopom.

Detailná fotografia snehovej vločky ukazuje klasickú šesťstrannú štruktúru, ktorá drží spolu tento malý zimný zázrak. Až do nástupu makrofotografie a snímania na konci 18. storočia nebolo možné študovať štruktúru snehových vločiek, pretože sa topili príliš rýchlo na to, aby mohli byť pozorované pod mikroskopom. Začalo to mikroskopom, ktorý mu jeho matka dala v pätnástich rokoch, čo otvorilo svet mladému Wilsonovi.

Ako milovník zimy chcel využiť mikroskop na prezeranie snehových vločiek. Jeho počiatočné skúmanie sa ukázalo ako fascinujúce a frustrujúce, keď sa snažil pozorovať vločky s krátkou životnosťou. Aby sa mohol podeliť o svoje objavy, začal načrtávať to, čo videl, a do svojej sedemnástky nazbieral niekoľko stoviek náčrtov.

Keď mu otec kúpil kameru, Wilson ju skombinoval s mikroskopom a 15. Okrem vývoja prístroja musel navrhnúť spôsob na zachytenie snehového kryštálu a jeho transport s minimálnym poškodením. Zistil, že najlepšie zachytí kryštály na chladnom zamatovom podnose. Dával pozor, aby kryštál neroztopil svojím dychom, zdvihol ho na vopred vychladenú podložku s tenkou drevenou dlahou z metly.

Sklíčko sa potom nieslo do jeho fotografického prístrešku a umiestnilo sa pod mikroskop. Podsvietený obraz bol zaostrený pomocou systému strún a kladiek, ktoré vymyslel, aby sa zmestili do jeho rukavice.

Pochopil, že snehové vločky sa tvoria, keď padajú z oblohy, a ich rast a vzhľad sú formované stovkami meniacich sa podmienok, ako sú nadmorská výška, teplota a vlhkosť. Táto kombinácia faktorov znamená, že existuje viac možností tvarov snehových vločiek ako molekúl na Zemi.

„Každý krištáľ bol majstrovským dielom dizajnu a nikdy sa nezopakoval.

Metamorfóza snehu

Vrstvy sa ukladajú na seba a vzniká snehová pokrývka. Biela snehová pokrývka vypadá len zdanlivo pokojná. Pri snežení sa nová snehová pokrývka viac alebo menej dobre spája so starou. V jej vnútri sa vplyvom gravitácie a zmeny teploty dejú permanentné zmeny. Opakovaným snežením sa vytvárajú nové vrstvy s rôznou hrúbkou, s rozdielnymi vlastnosťami a rozdielnou súdržnosťou.

Rozdielne tepelné podmienky vo vrstvách menia kryštály snehu. Vločky sa lámu, topia, sublimujú, spojujú sa navzájom. Tieto zmeny sa nazývajú metamorfóza snehu a tá buď vytvára stabilnú snehovú pokrývku, alebo naopak vedie k jej nestabilite. Čím sú vlastnosti jednotlivých vrstiev (tvrdosť, vlhkosť, druhy kryštálov) podobnejšie tým je medzi nimi pevnejšia väzba. Pri rôznych vlastnostiach vrstiev vznikajú v snehovej pokrývke rôzne druhy napätia. Rozdielna priľnavosť snehových vrstiev má hlavný vplyv na vznik lavín. Na metamorfózu pôsobia aj vonkajšie činitele, napr. Tak ako všetky látky má aj sneh svoju pevnosť. Ako dochádza k premenám v snehovej pokrývke, dochádza aj k zmene jej pevnosti.

V tabuľke sú uvedené základné triedy, ktoré majú vzťah k lavínam:

Vzniká pôsobením gravitačných síl, v dôsledku váhy snehu. Prejavuje sa ubúdaním výšky snehu. Proces je podmienený vnútornými premenami snehu, kryštály sa zmenšujú, hustota sa zväčšuje.

Plazenie sa vyskytuje aj na miernych svahoch. Pôsobia dva smery pohybu. Kolmo ku svahu - sadanie a pohyb po svahu. Horné vrstvy sa pohybujú rýchlejšie ako spodné. Voda môže mať rôzne skupenstvá a tým snehová pokrývka môže prechádzať rôznymi fázami.

• kondenzácia - opačný jav vyparovania. Prechod od plynného ku kvapalnému skupenstvu.
• tuhnutie - (zmrazovanie), opačný jav topenia.
• desublimácia - opačný jav sublimácie.

Ako už bolo spomenuté v snehovej pokrývke prebiehajú permanentné zmeny. Zmeny prebiehajú v závislosti od počasia (teplota, vietor, slnko) až do roztopenia snehu. Premena kryštalickej štruktúry začína už v atmosfére a intenzívne pokračuje po dopade na zem. Mení sa tvar a veľkosť snehových kryštálov čo má vplyv na hustotu a štruktúru snehovej pokrývky a tým aj na jej napätie a pevnosť v jednotlivých vrstvách. To má priamy vplyv na vznik lavín. V závislosti od priebehu počasia sa môžu jednotlivé fázy rôzne kombinovať, prípadne preskočiť alebo vynechať.

Nastáva vplyvom vetra už vo vzduchu a pokračuje bezprostredne po dopade na zem. Zložitá štruktúra sa mení na malé guľaté kryštály. Zmenšuje sa aj objem vzduchu medzi kryštálmi a snehová pokrývka sadá. Zvýšený tlak vo vnútri snehovej pokrývky tiež prispieva k premene. Čím sú teploty bližšie k 0 °C, tým rýchlejšie prebieha premena. Pri cca -5°C trvá proces približne 8-14 dni. Kryštály prechádzajú cez etapu plstnatého snehu k zaokrúhleným zrnám. Tieto zrná majú najmenšiu veľkosť, väzba medzi nimi je dobrá čo prispieva k stabilizácii snehovej pokrývky. Nízke teploty zmeny spomaľujú a nebezpečenstvo lavín trvá dlhšie.

Vznikajú pri nej nové formy kryštálov. Teplota snehu pri zemi je okolo 0 °C. V prípade dlhodobo nízkych teplôt (pod −10 °C) a hrúbke snehovej pokrývky nad pol metra nastáva veľký rozdiel teplôt na povrchu a na spodku snehovej pokrývky. Vodná para obsiahnutá v spodných vrstvách snehovej pokrývky vplyvom tepla začne stúpať. Dochádza k premene plynného skupenstva na pevné (depozícia) a vznikajú ľadové kryštály hranatého tvaru - pohyblivý sneh. Konečným štádiom tejto kryštalizácie je dutinová inovať (pohárikové kryštály) v tvare dutých šesťbokých zrezaných ihlanov veľkosti 5 mm až 4 cm. Kryštály sa zoskupia do novej, veľmi nestabilnej vrstvy, ktorá je podobná piesku alebo kryštálovému cukru (sype sa pomedzi prsty) a nemá žiadnu súdržnosť. Pri hrúbke pokrývky vyššej ako 1 m je rozdiel teplôt okolo 20°C. Konštruktívna metamorfóza prebieha pomalšie, môže trvať 2 až 4 týždne. Pokles snehovej pokrývky nie je viditeľný.

Prebieha keď teplota snehovej pokrývky stúpne nad 0 °C napr. oteplením, slnečným žiarením alebo fénovým vetrom. Keď sa snehové kryštály začnú topiť sadá a spevňuje sa snehová pokrývka. Rovnako môže k metamorfóze dochádzať vplyvom vlhkosti počas dažďa. Pri silnom premočení sa pevnosť stráca, lebo póry sa zapĺňajú vodou ktorá medzi kryštálmi vytvára vodný film. Ak voda príde na nepriepustnú vrstvu voda vytvorí nestabilnú vrstvu pre základové lavíny. Pozor pri jarných túrach. Najlepšie túru naplánovať tak, aby sme sa vrátili do obeda, pokiaľ je pokrývka spevnená nočnými mrazmi.

tags: #snehové #vločky #štruktúra

Populárne príspevky:

• Rúra na pečenie Siemens
• Recept na Jablkový Koláč so Snehom
• Zázračný nápoj: Zlaté mlieko
• Zdravé cereálne sušienky
• Nutričné hodnoty Karamelového Donutu