Płatki śniegu wyglądają delikatnie, ale kryją w sobie zaskakująco złożoną strukturę. Jak to możliwe, że niemal wszystkie mają sześć ramion, a jednocześnie każdy jest inny? Z pozoru są tylko drobnymi gwiazdkami z lodu, które cicho opadają na ziemię wraz z mroźnym wiatrem. Mają jednak w sobie niezwykłą regularność i porządek, o jakim trudno byłoby pomyśleć patrząc na nie tylko przez chwilę.
Każdy płatek formuje się daleko ponad naszymi głowami, w miejscu, gdzie zimne masy powietrza spotykają się z chmurami. To tam parująca woda zamarza, tworząc misterną sieć lodowych połączeń. Co decyduje o ich kształcie, symetrii i różnorodności, i dlaczego nigdy nie odnajdziemy dwóch identycznych śnieżynek?
Co to jest płatek śniegu?
Płatek śniegu to nic innego jak lodowy kryształ, który powstaje w chmurach, gdy temperatura spada poniżej zera. Jego historia zaczyna się od mikroskopijnego jądra kondensacji – może nim być cząsteczka kurzu, pyłku, sadzy, a nawet naturalny aerozol atmosferyczny. Wokół takiej drobiny skrapla się woda występująca w postaci pary. W momencie zamarzania tworzy się pierwsza, stabilna, krystaliczna struktura lodowa, stanowiąca podstawę przyszłego płatka śniegu.
W kolejnych etapach kryształ rośnie, rozbudowując swoje ramiona. Z czasem osiąga kształt, który rozpoznajemy zimą na rękawiczkach, szybach czy włosach.
Jakie są cechy płatka śniegu?
Płatki śniegu kojarzą się przede wszystkim z symetrią, unikalnością i złożonością form. Ich cechą charakterystyczną jest niemal matematyczna regularność. Wszystkie ramiona kryształu rosną w podobnym tempie, ponieważ doświadczają tych samych warunków w tej samej chwili. Jeśli w danym momencie powietrze sprzyja tworzeniu cienkich igiełek, formują się one równocześnie na wszystkich ramionach. Ramiona zachowują symetrię, ponieważ reagują równocześnie na te same bodźce, ale ścieżka wzrostu jest zawsze niepowtarzalna.
Wszystkie płatki odwołują się do tej samej molekularnej „instrukcji”, jednak ich wzór za każdym razem przebiega inaczej. To, że „nie ma dwóch identycznych płatków śniegu”, nie jest jedynie frazą poetycką, lecz skutkiem działania atmosfery. Płatki śniegu powstają i rosną w ruchu, przemieszczając się przez mikrośrodowiska o zmiennej temperaturze, wilgotności i ciśnieniu. Proces ten trwa bardzo krótko, ale jest wystarczający, by każdy kryształ rozwinął własny wzór.
Sekunda różnicy w wilgotności czy temperaturze podczas opadania potrafi przeprogramować sposób krystalizacji. W zależności od warunków atmosferycznych mogą powstawać m.in. cienkie płytki, igły, kolumny, gwiazdki czy najbardziej klasyczne dendryty o rozgałęzionych ramionach.
Dlaczego płatek śniegu ma 6 ramion?
Zadziwiająca sześciokątna forma płatków śniegu nie jest przypadkowa. Wynika z budowy molekularnej wody. Cząsteczki H₂O łączą się ze sobą poprzez tzw. wiązania wodorowe, układając się pod kątem około 105°. W momencie zamarzania formują regularną sieć o symetrii heksagonalnej. Ta struktura stanowi fundament dla sześciu ramion kryształu.
Już w 1611 roku Johannes Kepler zastanawiał się, dlaczego śnieg tworzy formy sześciokątne. Przypuszczał, że wynika to z efektywnego „pakowania” cząsteczek — dopiero wieki później potwierdzono to naukowo. Mimo że, zasada sześciu ramion jest stała, szczegółowy wzór pozostaje indywidualny.
Dlaczego płatki śniegu są białe, skoro lód jest przezroczysty?
Choć lód w kostce czy na szybie jest przezroczysty, śnieg wydaje się biały. To efekt optyczny wynikający z rozpraszania światła. Kryształki płatków mają liczne krawędzie i płaszczyzny, które wielokrotnie odbijają, załamują i rozpraszają światło, dając efekt bieli.
Podobny mechanizm sprawia, że białe wydają się chmury, piana morska oraz fale załamujące się na piasku.
Powstanie płatka śniegu to efekt niezwykle precyzyjnych procesów fizycznych: od kondensacji pary wodnej, przez krystalizację, po tworzenie symetrii. Za każdym razem natura powtarza ten sam przepis i za każdym razem tworzy coś innego.
Źródła:
https://www.scientificamerican.com/article/why-are-snowflakes-symmet
YouTube: The science of snowflakes with Brian Cox | BBC Ideas
