Čarobnost snežnih kristalov – fizika snežink

    Tih jesenski večer, že cel dan je nekako dišalo po snegu, ko se predstava končno le začne. Veliki kosmi snega počasi padajo proti tlem, skozi snežno zaveso ne prodre skoraj nikakršen šum. Vse obstane, kot da se čudi predstavi, ki nam jo je še enkrat pripravila narava skozi prepleteno igro ledu, vode in vodne pare…

    A sneg ne čudi le na tej, makroskopski skali, s plesom snežink in debelo snežno odejo. Ravno tako presenetljiv je tudi na nekaj manjši skali. Stopite kdaj, medtem ko sneži, na plano in si oglejte snežinke. Prav gotovo vas preseneti raznolikost oblik, ki jih nudijo snežni kristali. Čarobnosti snežnih kristalov je v preteklosti podleglo kar nekaj velikih imen fizike. Tako je že davnega leta 1611 Johannes Kepler objavil kratek spis O šesterokotni snežinki, ki je morda celo prvo znanstveno delo povezano s snežnimi kristali. V svojem spisu je celo razglabljal o tem, da je šesterokotna simetrija snežnih kristalov verjetno v neki povezavi s heksagonalnim tesnim zloženim skladom sfer. Pri tem je, povsem pravilno, tudi ugotovil, da nima na voljo sredstev s katerimi bi lahko odgovoril na vprašanja, ki jih poraja kristalizacija ledu. Minilo je več kot 300 let, peden so tovrstna vprašanja našla del odgovora z nastopom rentgenske kristalografije.

    Spisek imen, ki so jih pritegnili snežni kristali se nato nadaljuje preko Renéja Descartesa (okoli leta 1635), Roberta Hooka (1665) pa tja do prvih fotografskih poskusov beleženja snežne raznolikosti. Morda najbolj poznane fotografije snežnih kristalov je posnel Wilson A. Bentley (1865-1931), kmet iz Vermonta, ZDA. Že kot najstnik je Bentley med prvimi ljudmi sploh, združil nov izum -fotografijo s preprostim mikroskopom, ter ovekovečil snežne kristale na fotografijah. Fotografiranje snežnih kristalov je postalo Bentleyevo življenjsko poslanstvo. Tako je dolge zimske mesece preživel v iskanju in fotografiranju snežnih kristalov. Od 5000 snežnih kristalov kolikor jih je posnel, je s pomočjo W. J. Humphreysa z U. S. Weather Bureau nekaj čez 2000 slik leta 1931, le malo pred svojo smrtjo, objavil v knjigi Snow Crystals, ki je še danes v tisku!

    Wilson A. Bentley med fotografiranjem

       

    Nekaj iz velike zbirke slik snežnih kristalov, ki jih je posnel Bentley. Veliko več jih lahko najdete na domači strani W. A. Bentleyja

    Navdahnjen z Bentleyevo knjigo je v 1930-tih letih s sistematičnim delom začel Ukichiro Nakaya, fizik na Univerzi Hokkaido v Sapporu. Sprva je tako kot Bentley opazoval le naravne snežne kristale ter v nekaj letih naredil preko 3000 fotografij v goratih predelih Hokkaida. V tem času je tudi razvil svojo klasifikacijo snežnih kristalov z okoli 40 morfološkimi kategorijami. Nato je kot prvi nadaljeval z delom v laboratoriju, kjer je uspel s sistematičnim spreminjanjem pogojev, temperature in nasičenosti zraka, reproducirati vse v naravi najdene morfologije. Svoje delo je povzel v obliki diagrama, ki ga po njem sedaj imenujejo Nakayin diagram. Zaradi njegovega načina dela, ga lahko imamo za prvega, ki je skušal oblike snežnih kristalov tudi fizikalno pojasniti.

    Ukichiro Nakaya med delom.

    Za Nakayo se je do današnjih dni zvrstila še cela serija raziskovalcev snežnih kristalov, ki vse bolj podrobno in temeljito beležijo in pojasnjujejo fizikalne osnove snežnih kristalov. Kljub precejšnjemu zanimanju pa še vedno kar nekaj vprašanj ostaja odprtih, tako da fizike čaka še kar nekaj dela.

    Klasifikacije snežnih kristalov

    Obstaja kar nekaj različnih shem klasifikacije naravnih snežnih kristalov in ostalih zamrznjenih padavin. Vse klasifikacije vsebujejo osnovni obliki- ploščato in stolpičasto, ločijo pa se v podrobnostih. Seveda so klasifikacije do neke mere povsem poljubne, saj je presoja, v katero kategorijo razvrsititi kristal precej individualna, a so kljub temu uporabne, saj omogočajo uporabo skupnega jezika za opis opazovanj.

    Osnovni obliki snežnih kristalov, brez dendritičnih prirastkov, ki sta neposredni odraz heksagonalne strukture ledu na molekularnem nivoju. Zgoraj je stolpičasti, spodaj pa ploščati snežni kristal.

    Najbolj razširjena je klasifikacija Mednarodne komisije za sneg in led, ki je nastala leta 1951. Ta shema predlaga sedem glavnih oblik snežnih kristalov, po vrsti: ploščati, zvezdasti kristali, stolpičasti, igličasti, prostorski dendriti, stolpci s krajci in nepravilne oblike. K tem so dodali še tri zvrsti zamrznjenih padavin: mehka toča, sodra (babje pšeno) in toča.

    Poleg te obstaja že omenjena klasifikacija Nagaye, ki je glavnih sedem morfologij nadalje razdelil na 41 individualnih morfoloških tipov. Najbolj podrobno pa sta morfologijo snežnih kristalov razdelalal leta 1966 Magono in Lee, ki sta snežne kristale razvrstila v kar 80 morfoloških razredov.

    Kot vidimo imajo snežni kristali pravilnih oblik šesterokotno simetrijo. Le ta je neposredna posledica tega, da ima sama zgradba ledu na molekularnem nivoju heksagonalno simetrijo. Ob normalnih pogojih namreč led kristalizira v tako imenovani Ih kristalni fazi. Voda lahko kristalizira v celi plejadi različnih kristalnih struktur. Pri normalnem tlaku je stabilna faza tako imenovana faza I, medtem ko gredo oznake faz tja do XIV. Kristalna faza I ima nadalje dve sorodni obliki: Ih, ki ima heksagonalno simetrijo, in Ic, s kubično strukturo podobno diamantu. Led Ic nastaja le pri zelo nizkih temperaturah (pod 140 K), tako da imamo ob običajnih temperaturah nekaj pod 0°C, kot jih najdemo v naravi, opraviti le s kristalno strukturo Ih.

    Mrežna struktura ledu Ih s heksagonalno simetrijo.

    Heksagonalna simetrija z molekularnega nivoja se nato kaže tudi v pravilni obliki kristala ledu. Le ta bo imel zopet šesterokotno (heksagonalno ) simetrijo, v najbolj preprosti obliki pač obliko šesterokotne prizme, kot jo kaže slika.

     

    Nastanek in rast snežnega kristala

    Da bo snežni kristal imel šesterokotno simetrijo je torej nekako intuitivno jasno, saj imamo že na molekularnem nivoju heksagonalno strukturo. Kako pa dospemo do vse te množice oblik in pri tem tudi pojasnimo, zakaj ob določeni vrednosti temperature in nasičenosti zraka nastane ta in ne drugačna oblika snežnega kristala pa je že povsem druga zgodba. Pa začnimo pri začetku. Da sploh dobimo iz vlažnega zraka kapljice vode (ali kristale ledu) mora biti zrak prenasičeno vlažen. Nasičeno vlažen zrak bi denimo dobili, če bi vodo nalili v posodo in jo nato zaprli. Nekaj vode bi izparelo, dokler ne bi bilo nad vodno gladino toliko vodne pare, da izparevanje ne bi bilo več mogoče. Če bi bilo vodne pare več, bi se ta kondenzirala na vodni gladini. Imeli bi prenasičeno vodno paro.

    Vendar pa prenasičeno vlažen zrak sam po sebi ni dovolj. Potrebujemo namreč tudi nukleacijska jedra. Nasičeni parni tlak za kroglice (male dežne kapljice) je namreč višji kot za vodo z ravno gladino v posodi. Če je torej v prostoru prenasičeno vlažen zrak, je ta prenasičen le v primerjavi z vodo z ravno gladino, ne pa za kapljice, kjer je gladina ukrivljena. Premajhne kapljice bodo tako izparevale in ne rasle! Če se po naključju na kupu nabere nekaj molekul vode, to še ni dovolj in taka struktura se takoj zopet razbije. Seveda, če bi nastala dovolj velika kapljica, bi ta rasla še naprej. A velike kapljice ne nastanejo kar tako, puf! , iz ničesar. V prostoru torej potrebujemo dovolj velika nukleacijska jedra, razne prašne delce in podobno, okoli katerih lahko kondenzira voda (oz. kristalizira led).

    Tudi če so nukleacijska jedra okrogla, pa se bo z rastjo kristala kaj kmalu pokazala pravilna struktura. Če se namreč površina, ki jo kristal tvori z zrakom ne ujema z eno od simetričnih ploskev kristala (v primeru ledu z eno od stranskih ploskev šesterokotne prizme ali pa z njeno spodnjo oz. zgornjo ploskvijo), tedaj je ta površina na molekulskem nivoju precej groba. Iz nje štrli veliko atomov in s tem prostih vezi ter možnosti za hitro nadaljnjo rast. Verjetnost, da kristal raste na takih nepravilnih mestih, je tako precej večja kot na tistih delih, kjer je površina lepa, gladka. To si zlahka ponazorimo s spodnjo sliko, kjer sestavljamo kar navadne kocke. Kristal bo rasel hitreje tam, kjer je več stičnih točk z ostalimi kockami (večja možnost vezave).

    Rast kristala na nepravilnih površinah pripelje do pravilne oblike kristala. Od tu naprej rast kristala določata predvsem dva mehanizma. Prvi je difuzija- kako hitro lahko molekule vode difundirajo skozi zrak in dospejo do površine kristala. Drugi je površinska fizika ledu- kako učinkovito se vodne molekule pritrjujejo na ledno mrežno strukturo. Preplet obojega nato določa, kako hitro bodo rasle stranske strani ali vrhnja in spodnja stran prizme, pa tudi kakšne morebitne izrastke bo prizma dobila.

    Kako hitro rastejo ploskve najverjetneje določa kvazitekoča plast na površini kristala, četudi je na mestu poudariti, da kvantitativnega modela za rast ni. Kvazitekoča plast nastane na povšini kristala in je nekakšen vmesnik med trdnim in tekočim stanjem. Od temperature je nato odvisno, kako debela je ta plast, pri čemer seveda narašča s temperaturo, dokler pri temperaturi tališča ne zavzema celotnega kristala. Kvazitekoča plast naj bi bila tudi krivec, da nam na ledu drsi (čeprav se lahko z drsalkami drsamo zaradi taljenja ledu zaradi trenja in ne zaradi kvazitekoče plasti), da se sprimejo kristali ledu, ko delamo sneženo kepo, nenazadnje pa vpliva tudi na samo rast sneženih kristalov.

    Zaradi različne kristalne strukture je kvazitekoča plast na spodnji in zgornji strani prizme različna od tiste na stranskih ploskvah, kar ima za posledico tudi različno rast kristala navzgor in navzdol (v c -smeri) v primerjavi z rastjo vstran (v a- smereh). Pri zelo nizkih vrednostih nasičenja zraka, recimo nekaj procentov nad sto, t.j. nad nasičenostjo zraka, snežni kristali rastejo predvsem kot enostavne heksagonalne prizme (na vpliv difuzije tako lahko pozabimo, postane pa pomembna pri večjih vrednostih prenasičenja). Hitrost rasti v c- in a -smereh je odvisna od temperature. Tako pri temperaturah do -2°C prevladujejo ploščati kristali (c/a << 1), med -2 in -5°C stolpičasti (c/a>>1), nato med -5°C in -15°C zopet ploščati, pri pod -30°C pa zopet stolpičasti.

    Kot že rečeno pa pri večjih stopnjah prenasičenja postane pomembna tudi difuzijska narava procesa. Le ta nato šele poskrbi za celotno plejado različnih oblik. S sistematičnim delom v laboratorijih je uspelo sistematizirati pogoje, pod katerimi nastajajo različne oblike, vse skupaj pa je zbrano na spodnji sliki.


    Skica odvisnosti pojavnosti oblik snežnih kristalov od temperature in prenasičenosti. Poševna črta (water saturation) kaže, kje je meja nasičenega zraka glede na vodo z ravno gladino. Parni tlak nad ledom je namreč pod 0°C nižji kot nad podhlajeno tekočino. Približno do te črte torej najdemo prenasičeno vlažen zrak v oblakih (prenasičen glede na led- supersaturation relative to ice). Oblike kristalov: plates dendrites- ploščati kristali z dendriti, needles-iglice, hollow prisma- votle prizme, sector plates – ploščati kristali, thick plates- debelejši ploščati kristali, very thick plates- zelo debeli ploščati kristali, solid prisms- polne prizme.

    Difuzija vodne pare od kristalu oddaljenih področij, kjer je koncentracija večja (prenasičena), k površini kristala, kjer je koncentracija vodne pare manjša, seveda omejuje rast kristala, pa tudi samo obliko. Pri tem je pomemben pojav nestabilnosti. Prva izmed njih je Mullins-Sekerkova nestabilnost, ki povzroči, da enostavno rastoči kristali dobijo kompleksnejšo obliko. Pomislimo na primer na ravno površino kristala, ki raste v področje prenasičene pare. Če se na površini kristala pojavi manjši izrastek, bo le ta rastel še naprej, vse hitreje v primerjavi s površino, saj kaže dlje v področje večje koncentracije pare. Zaradi tega izrastek raste hitreje kot sama površina. Rast ravne površine je torej nestabilna, rast kristala bo težila k nastanku kompleksnejših oblik.

    Neposredna posledica Mullins-Sekerka nestabilnosti je nastanek dendritičnih izrastkov na snežnih kristalih. Poučna je na primer računalniška simulacija rasti kristala, in sicer na dvodimenzionalnem primeru. Začnemo z okroglim zametkom kristala (nukleacijskim jedrom), ki najprej raste z dodajanjem na neravnih površinah (neravnih na molekularnem nivoju), dokler ne dobi šesterokotne oblike. Nato le ta še nekaj časa raste enakomerno, dokler se na kotih ne pojavijo manjše nepravilnosti, ki se razvijejo v dendritične izrastke. Številke na desni ponazarjajo čas rasti v sekundah. Prenasičenost vodne pare za primer a) je 17% in za primer b) 34%.

    Po podobnem mehanizmu nato iz samih izrastkov na glavnem jedru kristala izrastejo novi dendritični izrastki, na teh izrastkih nato zopet novi. Nekako tako kot rastejo veje na drevesu. Zametke stranskih dendritičnih izrastkov lahko opazimo tudi na koncu zgornjega kristala b), še lažje pa dendritično rast uvidimo na primeru pravega dendritično zraslega snežnega kristala- prototipu snežinke kot jo najdemo v vsaki otroški knjigi.

    Detajl snežnega kristala, ki lepo kaže dendritično rast.

    Snežinka iz otroških sanj.

    Prav tako zanimiva je Hopperjeva nestabilnost. Ob pravih pogojih namreč, namesto da bi pognali dendritični izrastki, rastejo hitreje kar celotni robovi ploskev. S tovrstno rastjo nastanejo tako imenovani Hopperjevi kristali. Ker robovi kristala najbolj izstopajo, pač rastejo najhitreje, pri čemer poberejo iz zraka večino vodnih molekul, tako da notranji deli stranic rastejo počasneje. S tem nastanejo značilne stopničaste stranice.

    Kako torej raste “prava” snežinka v snežnem oblaku? Kot že rečeno svojo rast začne s tem, da se na nukleacijskem jedru izločijo prve molekule vode v nastajajočem kristalu ledu. Ta doraste do pravilne hesagonalne prizme velike nekaj mikrometrov. Ta nato raste naprej v skladu s tem, kakšni sta temperatura in prenasičenost zraka v njegovi neposredni okolici. Le ta se seveda spreminja s tem, ko nastajajočo snežinko veter odnaša po oblaku. Če na primer snežinko odnese v zračni žep z nekaj nižjo temperaturo, lahko na koncu dendritov zrastejo majhne ploščice, če pa zaide v območje večje nasičenosti, morda novi dendritasti izrastki. Pomembno pri tem je, da je snežni kristal sorazmerno majhen, tako da so atmosferske razmere na vseh šestih stranicah skoraj povsem enake, zato tudi vse stranice rastejo enako. Zaradi tega se ohrani začetna šesterokotna simetrija z molekularnega nivoja.

    Snežinka tako v svoji obliki nosi celotno zgodbo o tem, v kakšnem okolju se je nahajala v različnih trenutkih svoje rasti. Nakaya je zato velikokrat o snežinkah govoril kot o “pismu z neba”.

    Morda le še to: snežni kristali, ki smo jih opisovali zgoraj se mnogokrat združijo v narahlo povezane kosme. Tako so snežni kristali povsem majhne snežinke, velike le tja do nekaj milimetrov, ki so nastale z direktno kondenzacijo vodne pare v led na nukleacijskih jedrih. Snežni kristali se mnogokrat nadalje povežejo v velike snežinke, prave kosme snega, ki lahko dosežejo tudi tja do pet centimetrov v premeru, če je sneg še posebno moker in lepljiv.

    Še nekaj zanimivosti

    Je kdaj preveč mrzlo, da bi lahko snežilo?
    Ne. Pravzaprav lahko sneži tudi pri neverjetno nizkih temperaturah, če je le v zraku dovolj vlage. Seveda pa je res, da navadno sneži pri dovolj toplih temperaturah, navadno nad -10°C, saj toplejši zrak vsebuje več vodne pare.

    Zakaj vremenske napovedi velikokrat zgrešijo pri napovedih snežnih padavin?
    Snežne padavine predstavljajo eden večjih izzivov za vremenarje, saj se večkrat intenzivne snežne padavine pojavijo v precej ozkih pasovih, ki so običajno široki le od deset do nekaj čez sto kilometrov. Lahko si torej predstavljamo, da so tovrstne razmeroma lokalne padavine ravno tako težko napovedljive kot poletne plohe. Prav tako je problematična tudi meja med sneženjem in dežjem, saj o tem odločajo razmeroma male temperaturne spremembe. So pa vremenske napovedi precej bolj zanesljive pri snežnih padavinah, ki izvirajo iz frontalnih sprememb vremena.

    Koliko vode vsebuje povprečna snežna odeja?
    Navadno kroži naokoli podatek, da naj bi v 10 cm snežne odeje bil 1 cm vode, kar je tudi približno res za sneg, ki zapade pri temperaturah okoli 0°C, oziroma za sneg, ki zapade ob močnem vetru. Vendar pa je vsebnost vode v snegu lahko tudi zelo različna od gornje številke. Tako je v 10 cm svežega snega lahko tudi le 1 mm vode, lahko pa tudi tja do 4 cm, odvisno seveda od kristalne strukture, temperature in hitrosti vetra. Največ snega je takega, ki vsebuje od 4mm do 1 cm vode na 10 cm snežne odeje.

    Ali je snežna odeja v splošnem bolj rahla, če so temperature nižje?
    Ne. Sneg z najmanjšo gostoto navadno pade v razmeroma mirnem ozračju pri temperaturah okoli -10°C. Pri nižjih temperaturah se kristalna struktura in velikost spremenita. Pri zelo nizkih temperaturah, npr. okoli -20°C, so kristali običajno manjši, tako da se v odeji nagnetejo bliže skupaj. Tako nastane snežna odeja z relativno veliko gostoto ( z razmerjem voda-sneg okoli 0.10, to je 1 cm vode v 10 cm snega, lahko pa tudi več).

    Zakaj je sneg bel?
    Sneg je bel zaradi tega, ker odbije praktično vso svetlobo, ki dospe do njega. Ker je sončna svetloba bela, t.j. vsebuje vse dele vidnega spektra, je zato tudi sneg bel. Kompleksna struktura snežnih kristalov namreč pomeni, da je v snegu vse polno drobnih površin, ki so različno orientirane, tako da lahko snežna odeja učinkovito odbija svetlobo v vseh smereh. Ker se večina svetlobe odbije v manj kot 1 cm globoki plasti snega, tudi ne pride do izraza absorpcija. Pač pa ta pride do izraza pri globljih plasteh snega. Če namreč skopljemo v sneg luknjo, bo imel v večjih globinah sneg nekoliko modrikasto barvo. Do tega pride, ker sneg nekoliko bolj absorbira rdeč spekter sončne svetlobe kot modri. V globlje dele snega tako prodre več modre svetlobe.

    Zakaj je sneg dober izolator?
    Na novo zapadli sneg v veliki meri sestavlja zrak, ki je ujet med ledene kristale z razvejano zgradbo. Neposedel sneg tako v 90 do 95% sestavlja ravno ujet zrak. Ker je mirujoč zrak v majhnih žepkih, kjer ne more priti do konvekcijskega prevajanja toplote, dober izolator, to velja tudi za snežno odejo. Pod meter debelo snežno odejo je tako lahko vso zimo okoli 0°C, skorajda neodvisno od temperaturnih nihanj na vrhnji strani.

    Nadaljnje branje:

    Jure Zupan

    Deli

    PUSTITE KOMENTAR

    Please enter your comment!
    Please enter your name here