Koneční se v České republice objevil dlouho očekávaný sníh. Jak sněhové vločky vůbec vznikají a jak vypadají? V atmosféře se vyskytují mikroskopické částečky prachu a pylu. Ty mohou působit jako tzv. „kondenzační jádra“, to znamená, že na nich kondenzuje vodní pára a vytváří se ledový krystalek - zárodek budoucí sněhové vločky. Základní tvar ledového krystalku je šestihranná destička, která v průběhu svého vývoje postupně narůstá. Na krystalku se usazuje vodní pára a dochází ke srážkám s kapičkami přechlazené vody, která je při teplotách pod bodem mrazu (až -12°C) stále v kapalném stavu. To se děje proto, že okolní prostředí nedovolí vodě její skupenství změnit. Stačí však jen malá změna podmínek a voda v okamžiku zmrzne. Protože v atmosféře dochází k turbulentním pohybům a tím k promíchávání vzduchu, srážky jsou intenzivnější, krystalek více roste a stává se z něj sněhová vločka. Ta při dostatečné velikosti začne putovat atmosférou směrem k zemskému povrchu a za vhodných podmínek dopadne až na zem. Je třeba, aby celá vrstva vzduchu, kterou vločka prochází, měla teplotu pod bodem mrazu. Pokud vločka projde přes tenkou vrstvu vzduchu s vyšší teplotou, může částečně táť a dopadnout na zem jako déšť se sněhem. Pokud je tato vrstva větší a vločka roztaje celá, na zem dopadá tzv. mokrý sníh.
Na následujícím videu můžeme vidět vývoj sněhové vločky. Tvary vloček a krystalů závisí hlavně na teplotě a nasycení vzduchu, kterým vločka/krystalek prochází. Nasycení nám zjednodušeně řečeno udává obsah vlhkosti ve vzduchu. Nejkrásnější vločky různých hviezdicovitých tvarů se obvykle objevují při teplotách kolem -10 až -15°C. Při velmi nízkých teplotách pod -20°C můžeme pozorovat už jen ledové jehličky. Co se velikosti vloček týče, při vhodných podmínkách, kdy je ve vzduchu vysoká vlhkost a velké množství ledových krystálů, dochází při jejich srážkách ke spojování a většímu narůstání vloček. Obyčejně mají vločky velikost kolem několika mm až 1-1,5 cm.
JAK VYROBIT SNĚHOVÉ VLOČKY Z PAPÍRU ZA 5 MINUT | Rychlý Návod na Vánoční Dekorace
Proč mají ledové krystalky zrovna tvar šestiúhelníku? To souvisí s uspořádáním molekul vody. Pro ně je nejvýhodnější právě spojení do tvaru šestiúhelníku a led tak krystalizuje v šesterečné - hexagonální - soustavě. Vzhledem k tomu, že podmínky narůstání vloček jsou velmi proměnlivé, tak nalezení dvou stejných vloček by byl velice náročný úkol. Vývoj vločky záleží na její cestě atmosférou k zemskému povrchu. Bylo spočteno, že pravděpodobnost nalezení dvou úplně identických vloček, je asi 0,00…1, kde před jedničkou je víc než 700 nul (přesný výpočet k nahlédnutí zde). Na druhou stranu, nikdo ještě všechny vločky neporovnával.
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. 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. 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. Najjednoduchšími snehových 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. 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 to 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. Šesťvrcholová súmernosť ľadového kryštálu rastie o niečo rýchlejšie, pretože viac vyčnievajú do vlhkého vzduchu v priestoru. Tak začínajú rásť zárodkyramien. 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. 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. Snehové vločky pripomínajú svojou zložitou formou fraktály. Je definovaných 35 rôznych foriem. Hviezdicovité dendrity - najčastejšie sa vyskytujúci tvar snehových vločiek je hviezdica tvorená ramenami a bočnými ramenami pripomínajúca tvar stromu („dendrit“ znamená stromovitý). 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. 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. 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. 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. Trojuholníkové kryštály - nezvyčajné tvary týchto snehových vločiek vznikajú pôsobením aerodynamického efektu. Dvanástramenné snehové vločky - keď sa počas pádu na zem zlepia dve šesťramenné snehové vločky, môže vzniknúť dvanásťramenná vločka. 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.
Tému Snehové vločky - je skutočne každá z nich jedinečná? prezentovala úspešná vedkyňa v odbore aplikovaná matematika doc. RNDr. Daniela Velichová, CSc., dňa 30. januára 2018 o 9.00 hod. v Bratislavskej vedeckej cukrárni v Centre vedecko-technických informácií SR. K otázke v názve svojho vystúpenia, či je každá snehová vločka jedinečná, uviedla: „Áno aj nie! Žiadne dve snehové vločky nie sú úplne rovnaké. Rozoznávame však iba niekoľko základných foriem a tvarov. Vznikajú za istých podmienok pri kryštalizácii vodnej pary a drobných kvapiek vody, a pri istej teplote. Zákonitý šesťuholníkový súmerný tvar je chaoticky narušovaný vplyvom fyzikálnych podmienok. Doc. RNDr. Daniela Velichová, CSc., pochádza z Bratislavy. Študovala na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Komenského (UK) v Bratislave, špecializáciu Matematika a deskriptívna geometria. Je vedúcou Ústavu matematiky a fyziky na Strojníckej fakulte Slovenskej technickej univerzity (STU) v Bratislave. Okrem pedagogickej činnosti na univerzite aktívne pôsobí v oblasti matematického vzdelávania európskych inžinierov v rámci Európskej organizácie SEFI a v Európskej asociácii žien v matematike EWM. Jej výskum je zameraný predovšetkým na geometriu a geometrické modelovanie útvarov, počítačovú grafiku, e-learning v matematike a vývoj webových aplikácií. Je autorkou okolo 200 publikácií v uvedených oblastiach.
Obrázky: z prezentácie doc. Velichovej “Vznik snehových vločiek” a opis depozície. Počas svojho pádu podlieha snehová vločka ustavičnej premene. Mení sa aj po dopade na zem. Okamžite po dopadeľ je tvárnou masou. Sneh je pevné skupenstvo vody. Snehové kryštály vznikajú z podchladených vodných kvapôčok obsiahnutých vo vlhkom vzduchu pri nízkej teplote a menia sa na ľad. Dej pri ktorom vzniká z vodnej pary ľad sa nazýva depozícia. Snehové kryštály rastú ako prizmy, hviezdy, paličky, platničky alebo stĺpy vždy zo šesťuholníkovej základnej formy von. Tento tvar vzniká usporiadaním molekúl, keď dosiahnu pevné skupenstvo a tvoria ľad.
Ďalšie metamorfózy snehu: kryštály neskoršie viac uľahnú a vytvárajú nebezpečnú ľadovú vrstvu. Pri snežení sa každá nová snehová pokrývka pokúsi spojiť so starou. Biela snehová pokrývka vyzerá len zdanlivo pokojná. 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 buď vytvárajú stabilnú snehovú pokrývku alebo naopak vedú k jej nestabilite. Čím sú vlastnosti jednotlivých vrstiev 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.
Pozorovali ste už niekedy snehovú vločku zblízka? Určite ste si mohli všimnúť určitú pravidelnosť, geometrickú krásu. Snehové vločky sú vlastne zhluky ľadových kryštálikov, ktoré sa na seba nalepia počas padania na zem. Predovšetkým od teploty, ktorou prejde vločka od svojho vzniku až po dopad na zem. Keď sú teploty nižšie ako bod mrazu, v kryštálikoch sa nevyskytuje kvapalná voda. Najväčšie snehové vločky vznikajú, keď je vo vyšších vrstvách záporná teplota, ktorá sa postupne približuje k nule. Taký sneh býva mokrý a ťažký. Pokiaľ je však teplota len záporná, nevytvorí sa v ľadových kryštálikoch kvapalná voda, nemajú lepidlo, a tak sa nemajú ako spájať. Vplyv na veľkosť vločiek má aj vietor. Ak je silný, vločky rozfúkne a tie sa nespoja. Tvar vločiek závisí od teploty a nasýtenia vzduchu, ktorým kryštálik počas svojho vývoja prechádza. Nasýtenie vzduchu udáva obsah vlhkosti vo vzduchu. Podľa teploty okolia sa tvoria kryštáliky rôzneho tvaru, napríklad hviezdice, hranoly, doštičky, ihlice. V závislosti od vlhkosti vzduchu sa tieto tvary môžu navzájom kombinovať. Táto krásna geometria stojí za obdiv. Tak čo, skúsite si nabudúce odchytiť neporušenú vločku a identifikovať jej tvar?