16 stycznia
światowy dzień ŚNIEGU
16 stycznia obchodzony jest Światowy Dzień Śniegu.
Ludzie od wieków interesowali się tajemnicą ukrytą za płatkami śniegu spadającymi delikatnie za oknem w mroźne zimowe dni. Pojedyncze kryształki lodu znane jako płatki śniegu formują się wysoko ponad naszymi głowami z pary wodnej, tworząc unikatowe, nierzadko bardzo widowiskowe, ale zawsze sześcioramienne formy, co związane jest ze strukturą wiązań wodorowych tworzących się w sieci krystalicznej lodu.
„Kartka z kalendarza” to cykl artykułów, które powstawały z okazji różnych nietypowych świąt. Autorami prezentowanych materiałów są studenci, doktoranci i pracownicy Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych UŚ.
dr Anna Maroń, dr Joanna Palion-Gazda i prof. dr hab. Barbara Machura | Instytut Chemii
Jednakże nie tylko sama uroda tego zjawiska przyciąga człowieka. Płatki śniegu stanowią stałą postać wody niezbędnej do życia na naszej planecie. Ich tworzenie się i obecność jest kluczowe dla wielu zjawisk meteorologicznych i środowiskowych. Pełnią ważną rolę w procesie elektryfikacji chmur, wyładowań elektrycznych, jak również mają istotne znaczenie w procesach chemicznych zachodzących w wyższych warstwach atmosfery, dla których kluczowa jest powierzchnia styku z warstwą lodu. Badania nad tworzeniem się i dynamiką wzrostu kryształów płatków śniegu stanowią fundamentalny problem w nauce.
Struktura krystaliczna lodu
Pierwsze naukowe spojrzenie na symetrię geometrycznych form płatków śniegu zawdzięczamy Johannesowi Keplerowi, który swoje rozważania zawarł w rozprawie „Noworoczny podarek albo o sześciokątnych płatkach śniegu” (1611 rok). Filozof znajduję wiele analogii pomiędzy sześciokątnymi kształtami śnieżynek i kształtem plastra miodu, a problem swój rozważa w oparciu o teorię zwartego, heksagonalnego ułożenia kul w przestrzeni. Noworoczny podarek uznaję za pierwszą w historii rozprawę, w której rozważa się problemy krystalizacji, a nawet za pierwszą pracę naukową z krystalografii. Dwadzieścia sześć lat później, w dziele „Les Metéores”, Rene Descartes przedstawił opis morfologii płatków śniegu, a Robert Hooke w 1665 roku opublikował tom „Micrographia”, w którym zamieścił szkice tego, co oglądał pod mikroskopem, w tym również rysunki płatków śniegu. Dalszy postęp w tym obszarze nastąpił dzięki rozwojowi fotografii. W roku w 1931 Wilson Bentley, który zyskał przydomek „The Snowflake Man” opublikował słynną (wznawianą po dzień dzisiejszy) książkę „Snow Crystals”, w której znalazło się ponad 2000 mikrofotografii płatków śniegu. To właśnie te fotografie zainspirowały fizyka Ukichiro Nakaya’ma do rozpoczęcia systematycznych badań laboratoryjnych nad procesem wzrostu kryształów lodu. Badał on m.in. w jaki sposób różne czynniki takie jak temperatura i wilgotność powietrza wpływają na postać formujących się płatków śniegu. W ten sposób powstał diagram morfologii płatków śniegu.
Diagram morfologii płatków śniegu (Kenneth G. Libbrecht, Caltech).
Proces wzrostu pojedynczego płatku śniegu rozpoczyna się, gdy kropelka pary wodnej w chmurze napotyka np. cząstkę pyłu, kurzu w powietrzu. To ona stanowi „zaczątek” do procesu zarodkowania kryształu. Gdy temperatura spada rozpoczyna się przemiana fazowa pary wodnej w ciało stałe, czyli lód. W początkowej fazie tworzą się wyłącznie kryształki o postaci heksagonalnych płytek, które następnie w procesie wzrostu mogą przyjąć różnorodne postacie.
Chociaż do dnia dzisiejszego wiele aspektów związanych z procesem wzrostu płatków śniegu jest już dobrze poznanych, m.in. struktura krystaliczna lodu, istota oddziaływań między cząsteczkami wody, diagram przejść fazowych dla wody, czy też równowagowa struktura powierzchni lodu, to pewne podstawowe aspekty związane ze zjawiskiem wzrostu płatków śniegu, takie jak diagram morfologii płatków śniegu wciąż skrywają wiele tajemnic do odkrycia!
W te piękne zimowe wieczory nie pozwólmy odebrać sobie również dziecięcego spojrzenia na fascynujące nas przez wieki płatki śniegu. Znajdźmy chwilę by podziwiać ich urodę, nucąc piosenkę: „Płatki śniegu jak białe anioły opadają wolniutko na ziemię”.
Literatura:
- Johannes Kepler, Noworoczny podarek albo o sześciokątnych płatkach śniegu, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa, 2006.
- Kenneth G. Libbrecht Prog. Phys. 2005, 68, 855.
Zdjęcia płatków śniegu o różnych kształtach (Wilson A. Bentley)