Sciencemag.cz
Doporučujeme
Mezi hlavní skupiny tvarů ledových částic patří jehlice, hexagonální sloupek, destička, pyramida, projektil, šesticípá hvězdice a dendrit. Ty nejkrásnější vločky hvězdicovitých tvarů se nejčastěji objevují při teplotách kolem -10 až -15 °C.
Krásu miniaturních ledových krystalů, které se v zimě elegantně snášejí na zem, obdivují lidé od nepaměti. Sněhové vločky fascinovaly už německého matematika a astronoma Johannese Keplera. Ten o nich dokonce při svém pobytu v Praze napsal krátké pojednání, které jako novoroční dárek věnoval svému blízkému příteli. Stejně jako my se v něm pídil po tom, jak ledová krása vlastně vzniká.
„Tu, jaká šťastná náhoda! Chlad srazil vodní páry, vytvořil sníh a několik vloček spadlo na můj kabát. Všechny byly šestiúhelné s ochmýřenými paprsky. U Herkula! Jsou menší než kapka vody, přesto mají vlastní tvar. To je přece vhodný dárek pro milovníka ničeho. Navíc je důstojným dárkem od matematika, který nic nemá a nic nedostává, neboť padá z nebe a je podobná hvězdám. A teď rychle k dobrodinci předat dárek dříve, než jej teplo mého těla promění v nic.“
To píše v roce 1611 v úvodu svého spisku De nive sexangula – O šestiúhelné sněhové vločce: poutavé čtení o „ničem“ Johannes Kepler. Krátký text, ve kterém se zamýšlí nad příčinami vzniku sněhových vloček, daroval k Novému roku svému patronu a mecenáši, „milovníkovi ničeho“, Janu Matoušovi Wackerovi z Wackenfelsu.
Nepřehlédněte: Přihlášky do bakalářských programů na Matfyz do 31. 3. 2021
Jak vznikají sněhové vločky
V atmosféře se vyskytují mikroskopické částečky prachu, pylu a dalších pevných příměsí, které mohou působit jako takzvaná „kondenzační jádra“. Znamená to, že na nich kondenzuje vodní pára a vytváří se ledový krystalek – zárodek budoucí sněhové vločky.
Základní tvar ledového krystalku představuje 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. Je to proto, že prostředí vodě nedovolí její skupenství změnit. Stačí však jen malá změna podmínek a voda v okamžiku zmrzne.
Při srážce ledového krystalku s kapičkou přechlazené vody voda na krystalku okamžitě namrzne. Protože v atmosféře dochází k promíchávání vzduchu, srážky jsou intenzivnější, krystalek 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. Přitom je třeba, aby celá vrstva vzduchu, kterou vločka prochází, měla teplotu pod bodem mrazu. Pokud totiž projde přes tenkou vrstvu s vyšší teplotou, může částečně tát a dopadnout na zem jako déšť se sněhem.
Jaký bude mít vločka výsledný tvar, závisí hlavně na podmínkách, kterými prochází, konkrétně na teplotě a nasycení (obsah vlhkosti) vzduchu. Touto problematikou se zabýval japonský fyzik Ukichiro Nakaya (1900 – 1962). Dlouho zkoumal přírodní sníh a sesbíral na tři tisíce fotografií různých tvarů ledových krystalků a sněhových vloček. Ty poté rozdělil do 41 morfologických skupin a vytvořil tzv. Nakayův diagram. Ten zobrazuje vztah mezi tlakem vzduchu, teplotou a nasycením, a výsledným tvarem sněhových vloček, které v daných podmínkách vznikají. Zatímco teplota ovlivňuje především tvar vločky, nasycení páry jeho složitost.
Mezi hlavní skupiny tvarů ledových částic patří jehlice, hexagonální sloupek, destička, pyramida, projektil, šesticípá hvězdice a dendrit. Působením turbulencí ve vzduchu, spojováním krystalů při jejich srážkách a namrzáním přechlazených kapek na stěny krystalů může vznikat obrovské množství různých tvarů.
V současné době odborníci rozlišují 121 tříd sněhových částic. Ty nejkrásnější vločky hvězdicovitých tvarů se nejčastěji objevují při teplotách kolem -10 až -15 °C. Při velmi nízkých teplotách klesajících pod -20 °C už však můžeme pozorovat jen ledové jehličky a jednoduché destičky.
Pokud je ve vzduchu vysoká vlhkost a velké množství ledových krystalků, dochází k jejich srážkám a spojování, a vločka tak narůstá. Obvyklá velikost vločky je několik milimetrů až 1,5 centimetru. Pokud se však spojí velký shluk, výsledný útvar může mít až 5 cm. Ke spojování obvykle dochází při teplotách kolem -5 °C. Ty největší vločky ovšem vznikají, pokud se teplota pohybuje okolo nuly, s klesající teplotou se zmenšují.
Stejné, a přece jiné
Už Kepler konstatoval, že ledové krystalky mají tvar šestiúhelníků. Proč zrovna ten? Souvisí to s uspořádáním molekul vody. Pro ně je nejvýhodnější právě spojení do tvaru šestiúhelníku, a led tak krystalizuje v šesterečné – hexagonální – soustavě. Stejný princip platí i pro napojování dalších molekul vody.
Pravidelný tvar vloček se snaží vysvětlit řada teorií. Jedna například říká, že pravidelnost je založená na přenosu informace mezi jednotlivými rameny vločky pomocí povrchového napětí. Jiná teorie pravidelnost vysvětluje homogenností fyzikálních podmínek, za kterých vločka vzniká.
Nabízí se otázka, jestli mohou existovat dvě stejné vločky. Vzhledem k tomu, že podmínky narůstání vloček jsou velmi proměnlivé, nalezení dvou identických vloček v přírodě je prakticky nemožné. Jak už bylo řečeno, vývoj vločky záleží na její cestě atmosférou k zemskému povrchu. Po její dráze se liší teplota a vlhkost, v rámci atmosféry jsou tyto rozdíly sice malé, ale i tak mají velký vliv na variabilitu vloček.
Ve sněhové vločce se nachází asi 10 na 18 molekul vody, které mohou být různě uspořádané. Také proto je pravděpodobnost nalezení dvou stejných sněhových vloček velice malá. V minulosti se však vědcům podařilo vytvořit dvě identické sněhové vločky v laboratoři, kde na rozdíl od atmosféry mohou být dodrženy úplně stejné podmínky.
A na závěr jedna zajímavost. Možná jste netušili, že sněhová vločka vydává při dopadu na vodní hladinu ostrý nepříjemný zvuk s frekvencí mezi 50 až 200 kHz. Je to kvůli tomu, že se v ní nachází velké množství vzduchu – vzduch tvoří 9/10 celého jejího objemu. Ve chvíli, kdy dopadne na vodní hladinu, roztaje a vzduch v podobě malinké bublinky vypustí do vody. Bublinka poté putuje zpět k vodní hladině, kmitá, a tím vydává vysoký pištivý zvuk. Ten je sice pro člověka neslyšitelný, neboť lidské ucho dokáže zaznamenat pouze zvuky s frekvencí do 20 kHz, ale některá zvířata ho pravděpodobně vnímají. Takový zvuk může navíc komplikovat práci sonarům, neboť vytváří jakýsi šum.
Použité zdroje:
KEPLER, Johannes. O šestiúhelníkové sněhové vločce poutavé čtení o „ničem“. Třetí upravené vydání, Praha: Nakladatelství MatfyzPress, 2017. ISBN 978-80-7378-335-8. ŘEZÁČOVÁ, Daniela. Fyzika oblaků a srážek. Praha: Academia, 2007. Gerstner, sv. 2. ISBN 978-80-200-1505-1.
Guide to Snowflakes – SnowCrystals.com. SnowCrystals.com [online]. Dostupné z: http://www.snowcrystals.com/morphology/morphology.html
Snowflakes – No Two Alike?. ITS Home [online]. Dostupné z: https://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/alike/alike.htm
Deafening snowflakes – News in Science (ABC Science). ABC (Australian Broadcasting Corporation) [online]. Copyright © [cit. 05.01.2021]. Dostupné z: https://www.abc.net.au/science/articles/2000/03/07/108316.htm
No Two Snowflakes the Same – Likely True, Research Reveals. National Geographic [online]. Copyright © 1996 [cit. 05.01.2021]. Dostupné z: https://www.nationalgeographic.com/science/2007/02/no-two-snowflakes-the-same/
Autor: Kateřina Vodičková
Převzato z Matfyz.cz.
Ten kmitočet zvuku by mohl mít souvislost s tvarem vločky. Představuji si to následovně. Vzduch je uzavřen v nádobě, kterou tvoří stěny z vody. Ta ráda v tak tenké vrstvě přenáší rezonance. A ty rezonance budou vyvolávány odporem vzduchu, stejně jako na dvouplošníkách při určité(tzv. konstrukční) rychlosti začnou vibrovat výztuhy křídel, trup i samotná křídla, prostě celý dvouplošník… A pak by bylo logické(stejně jako podle tvaru letadla a použitých materiálů byla dána maximální konstrukční rychlost), kdyby každý tvar měl svoji specifickou konstrukční rychlost od které se bude odvíjet již zmíněný rozsah frekvence při dopadu vločky na hladinu vody… Vlastně by se podle frekvence dala asi určit teplota a vlhkost vzduchu v dané lokalitě, až někdo sestaví tabulku frekvencí ve vztahu ke tvaru vločky…