Jak se rodí sněhové vločky

Když v zimě sněží, snášejí se z nebe drobounké nadýchané vločky. Jsou skvělé, pokud stavíte sněhuláka, otravné, pokud potřebujete ráno vyjet autem z garáže, a nádherné, když nějakou z nich chytíte na rukáv a prohlédnete si ji zblízka.

Úvod do sněhové vločky

Přes všechnu svoji křehkou krásu není sněhová vločka nic jiného než kousek zmrzlé vody. V zimě kolem sebe naleznete spoustu dalších příkladů zmrzlé vody – rampouchy, jinovatku, led na rybníce či námrazu na okně. Ačkoliv každý vypadá jinak, jejich základem je jeden a ten samý typ krystalu ledu. Nazývá se Ih: I jako jedna a h jako hexagonální. Známe více krystalů ledu, ale tento jediný existuje v běžných pozemských podmínkách. Z jeho šesterečné struktury vyplývá, že základem každé sněhové vločky je maličký šesterečný krystal – jeho tvar si můžete představit jako placičku odříznutou z tužky.

Sněhová vločka ovšem nevzniká zmrznutím tekuté vody (proto vám také ve formičce na led nikdy vločky nevzniknou), ale namrzáním vodní páry. Je‑li vodní pára v rovnováze s volnou kapalinou, tj. co se z kapaliny vypaří, to zase zpátky zkondenzuje, nazývá se sytou. Ovšem když takové syté páře například snížíme teplotu, jako se to běžně stává v mracích, stane se přesycenou. Je to metastabilní stav – může ještě neurčitou dobu zůstat přesycená, ale pokud jí poskytneme možnost, tak na vhodném povrchu zkondenzuje na kapalinu (to pokud je teplota nad nulou), anebo na tuhý led (pokud je teplota pod nulou). Vhodný povrch nazýváme kondenzačním jádrem. V ovzduší jsou to nejčastěji zrnka prachu a právě kolem nich se vytvářejí dešťové kapky nebo sněhové vločky.

Růst vločky

Když pára kondenzuje, přičemž se nemusí jednat jen o led, usazují se její molekuly nejraději v místech, kde už budou obklopeny jinými molekulami, protože tam budou mít nižší potenciální energii. K nastartování růstu krystalu tak pomůže kondenzační jádro, na které mohou nasedat a zahájit růst ledového krystalu. Do míst s nejnižší energií se usazují i nadále – při růstu krystalu nejprve dokončí jednu jeho plošku a potom, trochu neochotně, začnou budovat plošku novou.

Malý šestihranný krystal, který je zárodkem sněhové vločky, se vznáší v přesycené studené páře. Jeho šest hran trčí do prostoru, a proto je větší šance, že právě sem dosednou nové molekuly. Krystalu začnou růst větve. V závislosti na aktuální teplotě a koncentraci vodních par se mění tempo a charakter růstu a na budoucí sněhové vločce vznikají jehlice, plošky či větvičky. Protože všech šest výběžků vločky zažívá v jednom okamžiku prakticky stejné okolní podmínky, rostou symetricky a nakonec vytvoří pravidelnou šestihrannou vločku.

V mraku ovšem nemusí vzniknout jen klasická vločka. V závislosti na teplotě se občas objevují šestihranné dříky, jehlice, duté sloupečky, placičky či útvary připomínající létající talíře nebo ozdobné lustry.

Sněhová vločka je symetrická

Dokonale symetrická vločka vyroste jen za příznivých podmínek. Pokud jí okolní prostředí v mraku nebo cestou k zemi není nakloněno, vločka se poškodí a dokonale symetrický útvar nevznikne. Nesymetrických vloček je daleko více, než byste čekali, ale na detailních fotografiích je spatříte málokdy. Fotografování vloček je totiž náročné umění a umělec většinou touží zvěčnit dokonalou vločku. Kromě těch křivých je tu i jedna puntíkatá, na kterou prostě napršelo. Nasedly na ni drobounké vodní kapičky a zmrzly.

Sněhová vločka je šestistranná

Přestože se v předchozích odstavcích mnohokrát opakovalo, že zárodečný krystal ledu a tedy i vločka jsou šestihranné, občas narazíme i na vločky dvanáctihranné či trojhranné.

Dvanáctiramenná vločka je tak trochu podvod, protože se jedná o dvě vločky na sobě. Někdy zárodečný krystal naroste do podoby malého ledového sloupečku a teprve na jeho koncích se začnou tvořit klasické vločky. Občas se stane, že konce takového dříku jsou vůči sobě potočené o 30° a když se pak podíváme na dvojici vzniklých vloček shora, vypadají jako jedna s dvanácti rameny.

Vločka o třech stranách začala svůj život jako šestihranná placička. Za normálních okolností padá takováto placička naplocho, takže ji ze všech stran symetricky obtéká vzduch s vodními molekulami a vločka přirůstá ze všech stran stejně. Tento krásný pravidelný růst ovšem může ledascos narušit. Pokud na jednu hranu dosedne třeba kousek prachu, vločka se převrátí a začne padat hranou dolů. Díky tomu tato strana přirůstá rychleji a díky aerodynamice stejně rychle přirůstají další dvě hrany, zatímco ty zbývající tři zakrní. Vzniká pravidelný trojhran, který má oproti šestihranu tu výhodu, že už jeho vývoj nic nemůže narušit. Na zem pak dopadne cosi připomínající výsadkovou loď miniaturních sněžných mimozemšťanů.

Každá vločka je originál

O vločkách se často říká, že jsou unikátní a že žádné dvě nejsou stejné. Originalita každé vločky je způsobena jedinečnou dráhou, kterou vločka během svého vzniku v mraku urazí. každá vločka krystalizuje za jiné posloupnosti teplot a koncentrací vodních par než vločka sousední a díky tomu se od ní liší. Protože existuje prakticky nekonečně mnoho možností, jak může vločka zmrznout, je takřka nemožné, aby vám na nos spadly dvě zcela identické vločky.

Pokud byste ovšem sněhové vločky vypěstovali v laboratoři za stejných podmínek, mohly by se jedna druhé velmi podobat, i když na molekulární úrovni by se vždy lišily.

Kalifornský designér vloček

Výrobou vloček v laboratoři a jejich zkoumáním se zabývá například Kenneth Libbrecht z Technologického institutu v Pasadeně ve slunné Kalifornii. Jeho „vločkostroj“ je v zásadě velmi jednoduché zařízení (návod na skromnější verzi přinášíme v boxíku). Jedná se o difúzní komoru. Na vrchu tepelně izolovaného boxu je zdroj vodních par o teplotě cca 40°C, zatímco spodní část je chlazena na přibližně ‑40°C. Protože teplý vzduch je lehčí než studený, tak zůstává nahoře, neproudí a všechen vzduch v přístroji je klidný a vytváří tak ideální podmínky pro nerušenou krystalizaci vloček. Vodní páry se do spodní části zařízení šíří díky difúzi a zde namrzají na vhodná krystalizační jádra a vytvářejí vločky, případně jiné ledové útvary.

Pozor, vysoké napětí

Libbrecht s oblibou pěstuje vločky na špičkách ledových jehel. Na dno komory „vločkostroje“ strčí drátek a počká, až se na jeho špičce utvoří malý ledový krystal. Potom na drát přivede napětí kolem 2 kV. Vzniklé elektrické pole bude mít největší gradient kolem hran a hrotů ledového krystalu, a protože molekuly vody jsou polární, v tomto poli se natočí a dosednou jedna na druhou tak, že vytvoří úzkou ledovou jehlu.

Když se napětí odstraní, je špička ledové jehly ideálním místem, odkud může sněhová vločka začít růst. Stačí nastavit správnou teplotu a množství vodních par a pak už jen sledovat, jak vločka roste. Změnou parametrů je možné vytvořit v podstatě jakýkoliv ledový útvar.

Vločkostroje

Difúzní komora není jedinou možností, jak si vypěstovat sněhové vločky v laboratoři. Nejjednodušším zařízením je bedýnka s ledovým vzduchem, do které shora foukáte vodní páru a přidáváte trochu kouře coby nukleační jádra. Ke dnu bedýnky se pak pomalu snášejí sněhové vločky. Pokud zařízení trochu vylepšíte a přidáte slabý vzestupný proud, který bude vločky ve vzduchu stabilizovat, napodobíte tím poměrně dokonale podmínky v mraku a výsledkem budou vločky velice se podobající opravdovým.

Další možností je natáhnout do difúzní komory provázek, na kterém vločky vyrostou. Touto technologií vytvářel umělé vločky japonský vědec Ukichiro Nakaya (původním vzděláním jaderný fyzik), který se jako první systematicky zabýval výzkumem vloček. Rozdělil je do 41 kategorií. Kromě provázku zkoušel i jiné materiály, například pavoučí vlákno či králičí chlup.

Jinou variantou je nechat růst vločky z krystalků, které se nechaly spadnout na dno (ale moc velké nevyrostou) nebo je chytit v elektromagnetické pasti (ale i tady bývá obtížné velký krystal udržet). Kromě elektrického pole můžete zkoušet různé chemické příměsi ve vzduchu, které růstu vloček napomohou.

Letní sníh

Tvorba sněhových vloček v laboratoři není jen způsob, jak postavit v červenci v Kalifornii sněhuláka. Objasňuje nám mnohé o krystalizaci vody, která je stále tak trochu záhadnou kapalinou, přestože je v přírodě takřka všudypřítomná. Navíc se dají tyto znalosti rozšířit i na pěstování jiných krystalů, sice možná méně krásných, ale o to užitečnějších.

A pokud venku sněží, vypněte počítač a běžte zkoumat sněhové vločky, které pro vás ve velkém vyrobila příroda!

Edita Bromová

Web:

snowcrystals.com – vše, co jste kdy chtěli vědět o sněhových vločkách

snowdays.popularfront.com – vystřihněte si svoji sněhovou vločku

Návod na domácí výrobu sněhové vločky:

Sněhovou vločku, nebo alespoň krystalky podobné sněhové vločce, si můžete snadno vyrobit doma. Budete k tomu potřebovat:

• Prázdnou průhlednou láhev od coly nebo vody (0,3l)


• Houbičku na nádobí


• Rybářský vlasec, čím tenčí, tím lepší


• Tlustou jehlu


• Čtyři špendlíky


• Lepicí pásku


• Kancelářskou sponku


• Suchý led


• Asi tři polystyrénové kelímky


• Papírové ubrousky

Čisté prázdné láhvi odřízněte dno. Upravte houbičku tak, aby se dala vložit do dna láhve, a přichyťte ji čtyřmi špendlíky zabodnutými do láhve. Vlasec navlékněte na jehlu a provlékněte ho skrz dno láhve a houbičku. Jeden konec přilepte lepicí páskou, na druhý uvažte jako závažíčko kancelářskou sponku. Když nasadíte dno zpátky na láhev a tu otočíte dnem vzhůru, měl by vlasec uvnitř ní volně viset. Láhev usaďte hrdlem dolů do polystyrénových kelímků tak, aby mezi vrškem kelímku a houbičkou v láhvi byly asi 3 centimetry. Nemáte‑li vhodné kelímky, slepte si z polystyrenu vlastní nádobku.

Nyní je váš „vločkostroj“ připraven. Navlhčete houbičku, sestavte láhev a kolem ní dobře navršte nadrcený suchý led. Při práci s ledem buďte opatrní a používejte rukavice. Suchý led je zmrzlý oxid uhličitý a má teplotu ‑60°C. Netaje, ale sublimuje (mění se rovnou z pevné fáze na plynnou) a proto vršek kelímků naplněných suchým ledem utěsněte papírovými ubrousky.

Pozorujte zavěšený vlasec v lahvi. Během několika minut se na něm začnou tvořit krystalky ledu.

Jak to funguje?

Voda z houbičky se vypařuje a kolem houbičky vzniká nasycená pára. Difúzí se tato pára postupně šíří dolů, do oblasti vzduchu, který je chlazen suchým ledem na teploty pod nulou. Tady se díky poklesu teploty pára stává přesycenou a je ochotna krystalizovat na jakémkoliv vhodném podkladu, který představují stěny lahve a vlasec.