Magia fizyki

Między fizyką a magią
Dlaczego płatki śniegu są symetryczne?
Dlaczego nie ma dwóch identycznych śnieżynek?
To tylko niektóre z pytań, na które można znaleźć odpowiedź, badając biały puch.

Jadąc na nartach lub lepiąc bałwana, nie zastanawiamy się zwykle, czym jest śnieg. Jasne, wszyscy wiedzą, że to zamarznięta woda, ale jednak różni się od kawałka lodu. Płatki śniegu są kryształami, a każdy z nich ma niepowtarzalny kształt.

Podobno pierwszy nad naturą śniegu zastanawiał się Jan Kepler. Ten sam, który odkrył reguły rządzące ruchem planet w Układzie Słonecznym. W 1611 roku Kepler napisał krótką rozprawę "O sześciokątnych płatkach śniegowych", w której zastanawiał się, dlaczego wszystkie płatki są sześciokątami. Nie mógł znać odpowiedzi. Poznaliśmy ją dopiero trzy wieki później wraz z rozwojem krystalografii rentgenowskiej.

Narodziny gwiazdy

Płatki śniegu rodzą się w chmurach. Ale sama woda i niska temperatura nie wystarczą, żeby powstał biały puch. Potrzebne jest jeszcze "rusztowanie", od którego wszystko się rozpocznie. To, mówiąc fachowo, jądro kondensacji. Może być np. drobinka kurzu lub pyłek kwiatowy i to na nim rozpoczyna się kondensacja cząsteczek wody i tworzenie kryształu. Woda destylowana właśnie z powodu braku drobnych zanieczyszczeń może być w stanie ciekłym nawet w temperaturze -40⁰C.

Najpierw wszystkie kryształki lodu rosną tak samo, formując tzw. heksaedr - sześcian foremny. Ale im kryształek lodu jest większy, tym szybciej zaczynają rosnąć jego rogi. Dlaczego? Kanciaste czubki bardziej "wystają" i do nich przykleja się więcej cząsteczek wody z nasyconego parą wodną powietrza otaczającego kryształ. Nieco większe tempo wzrostu rogów sprawia, że kryształ lodu z sześcianu zamienia się w... sześcioramienną gwiazdę.

W czasie podróży płatka śniegu w kierunku powierzchni ziemi zmienia się zarówno wilgotność, jak i temperatura otoczenia. Na czubku każdego ramienia gwiazdki może rozwinąć się znowu sześcian, a z każdego z jego rogów może znowu "wyrosnąć" szpikulec. Taki proces może zajść nawet kilka razy od chwili powstania płatka śniegu do momentu, w którym dotknie on gruntu, dlatego płatki śniegu mogą mieć bardzo złożone i symetryczne kształty. Dlaczego symetryczne?

W różnorodności siła

Warunki wewnątrz chmury są zmienne, ale odległość pomiędzy ramionami śniegowej gwiazdki jest na tyle mała, że każde z ramion "rośnie" praktycznie w tej samej temperaturze i wilgotności. A to oznacza, że rośnie w identyczny sposób. Ale płatki śniegu wcale nie muszą przypominać gwiazdek i wcale nie muszą mieć wymyślnych kształtów. Ich kształt w dużym stopniu zależy od temperatury i wilgotności otoczenia. W bardzo niskich temperaturach - poniżej -20⁰C - nie sposób w padającym śniegu znaleźć wymyślnych kształtów podobnych do gwiazdek czy dendrytów.

Na ziemskich biegunach pada śnieg w kształcie kolumienek czy płaskich płytek o podstawie sześciokąta. W nieco wyższej temperaturze kształt śnieżynek zależy od wilgotności otoczenia. Jeżeli jest ona wysoka, mogą tworzyć się płatki o kształcie dendrytów albo charakterystyczne śniegowe gwiazdki. Jeśli jednak wody w powietrzu jest mało, powstaną sześciokątne kolumienki lub sześciokątne płytki z wydrążonymi wzorami. Gdy temperatura jest jeszcze wyższa (około -5⁰C), a wilgotność stosunkowo wysoka, z nieba będą spadały... igły. Generalnie, im wyższa wilgotność, tym kryształki lodu mają bardziej złożone kształty.

Najciekawsza jest historia powstawania tych płatków śniegu, które życie rozpoczęły np. w warunkach dużej wilgotności, a potem kontynuowały swój "rozwój", gdy wody w powietrzu było znacznie mniej. Wtedy złożone na początku kształty mogą się upraszczać wraz z oddalaniem się od środka kryształka. Z kolei gdy rosnący kryształek z bardziej suchego powietrza wpadnie w obszar wilgotniejszego - im dalej od jego środka (od zalążka płatka), tym wzór będzie bardziej złożony. Z płatkiem śniegowym jest bowiem trochę tak jak z pniem drzewa. Historię życia obydwu można odczytać, analizując poszczególne warstwy w przekroju poprzecznym. Przy tym, im bliżej środka, tym bliżej momentu powstania

.

I tak jak nie ma dwóch identycznych drzew, tak nie ma dwóch takich samych płatków śniegu. Dlaczego tak się dzieje? Kluczem jest znowu zmienna temperatura i wilgotność. To od tych dwóch czynników zależy kształt i stopień skomplikowania kryształka lodu. Dla dwóch powstałych w bezpośrednim sąsiedztwie płatków droga na ziemię nigdy nie będzie taka sama. Tak więc wpływ zmiany temperatury i wilgotności na każdy z nich będzie inny.

Poza tym jest mało prawdopodobne, że w obydwu przypadkach identyczne było "rusztowanie", czyli tzw. jądro kondensacji, do którego przyczepiły się pierwsze cząsteczki wody. A od kształtu i wielkości "zarodka" śnieżki zależą pierwsze chwile formowania się płatka śniegowego. Nawet o wiele bardziej regularne kryształki, które powstały w niskich temperaturach, czyli np. "słupkowe" - dokładne pomiary potwierdzają niepowtarzalność każdego z nich. Te różnice wiążą się także z tym, że wodór i tlen - budowniczowie wody - występują w naturze w różnych odmianach. Cząsteczkę wody może tworzyć zamiast "zwykłego" wodoru jego trochę cięższy brat - deuter, a zamiast tlenu O¹⁶ jego izotop O¹⁸.

Intrygująca symetria

Niezależnie jednak od różnic w kształcie, które dla niektórych rodzajów kryształków widoczne są od razu, a dla innych dopiero po dokładnych pomiarach, wszystkie spadające z nieba płatki śniegu mają jedną cechę wspólną - strukturę o tzw. sześciokrotnej osi symetrii. Co to oznacza? Tylko tyle, że nie sposób znaleźć śnieżynki, która będzie gwiazdką o innej liczbie ramion niż sześć, albo "śnieżynkę słupek" o podstawie innej niż sześciokąt. I ta właściwość kryształów lodu wydaje się najbardziej intrygująca. Spośród nieskończonej liczby kształtów wszystkie są ilustracją sześciokąta foremnego.

Dlaczego? Aby to wyjaśnić, trzeba najpierw zrozumieć, czym jest kryształ. To ciało stałe, w którym określona konfiguracja atomów zwana komórką elementarną jest wielokrotnie powtarzana. Zamrożone cząsteczki wody tworzą heksagonalną (sześciokątną) sieć krystaliczną. Każda komórka elementarna kryształu lodu składa się z sześciu atomów tlenu po jednym w każdym kącie sześcianu i atomów wodoru pomiędzy nimi. Na każdy atom tlenu przypadają dwa atomy wodoru, tworząc znany wzór sumaryczny wody - H2O.

Jeżeli wzrost kryształu nie jest niczym zakłócony, a tak jest w przypadku formowania się kryształków lodu w chmurach, symetria przekroju zewnętrznego kryształu jest obrazem symetrii jego sieci krystalicznej. Innymi słowy, jeżeli komórka elementarna ma sześciokrotną oś symetrii, cały kryształ (płatek śniegu) nie pozbędzie się swojej sześciokątnej natury.

Płatki śniegu są zamrożoną wodą. Ale samo zamrożenie wody wcale nie wystarczy. Kostki lodu w zamrażarce nie wyglądają przecież jak śniegowe gwiazdki. Oprócz wody potrzebna jest jeszcze cierpliwość. Kryształ śniegu musi rosnąć sam, nie można mu przeszkadzać. Ale to wciąż nie wszystko. W końcu spadającym kroplom deszczu też nikt nie przeszkadza, a nie zamarzają w płatki śniegu. Zagadka powstawania płatków śniegu polega na tym, że zamrożeniu ulega bezpośrednio para wodna - bez fazy pośredniej, czyli skroplenia się pary w ciecz. To zjawisko nazywa się resublimacją. I na tym polega tajemnica tworzenia nieskończonej liczby bajecznych kształtów, które zawsze mają sześć kątów.

Śnieg w laboratorium

Kryształy lodu, śnieżki można stworzyć sztucznie - w laboratorium - i wtedy dokładnie przyjrzeć się, jak rosną. Tylko w laboratorium można tak zmieniać warunki zewnętrzne w czasie wzrostu lodowego kryształu, aby sprawdzić, które czynniki mają wpływ (i jaki) na jego rozwój. Takie eksperymenty nie są bynajmniej zabawą znudzonych naukowców. To poważne badania. Po pierwsze, to, co dzieje się w chmurach, może mieć duży wpływ na klimat. Po drugie, zrozumienie, jak zachowują się płatki śniegu w większych skupiskach, jest też niezbędne do przewidywania lawin śniegowych. Po uderzeniu płatka śniegu o powierzchnię ziemi jego delikatna i wyszukana struktura jest już przeszłością.

Płatki łamią się i razem z innymi tworzą zbitkę nieregularnych kryształów. Pod wpływem siły grawitacji i naporu następnych warstw gęstość tych poprzednich staje się coraz większa. Dużo zależy od temperatury otoczenia. Im jest ona wyższa, tym większa gęstość leżącego na podłożu śniegu. A właśnie gęstość poszczególnych jego warstw jest najważniejsza przy próbie przewidzenia zasięgu, prędkości czy trasy lawiny. W końcu obserwacja rosnących kryształów lodu powiększa naszą wiedzę na temat samego procesu rozwoju kryształu. Bo mimo że poznaliśmy dość dobrze ten proces, wciąż nie rozumiemy jego subtelnych szczegółów. Dlaczego np. na ramionach śniegowej gwiazdki powstają dalsze odgałęzienia akurat w tym miejscu, a nie kawałek dalej? Czy rządzi tym przypadek, a może chwilowe zachwianie równowagi?