ŚNIEG

Czy to prawda, że nie ma dwóch identycznych płatków śniegu? Czy każdy z nich jest inny? Odpowiedź okazuje się być połączeniem fizyki i metafizyki.

Zacznijmy od wyjaśnienia, jak powstają płatki śniegu. Jak zapewne wiecie, parowanie z jezior i rzek, transpiracja roślin oraz oddechy ludzi i zwierząt emitują parę wodną do atmosfery. Para wodna gromadzi się, tworząc chmury.

Cząsteczki wody w chmurach biorą udział w złożonym tańcu przemian fazowych. Zmienne takie jak temperatura, ciśnienie, a nawet obecność pyłu, mogą wpływać na powstawanie śniegu. Kiedy robi się zimno, gazowe cząsteczki chcą przejść do fazy ciekłej, ale dużo łatwiej im to zrobić, jeśli znajdują stałe podłoże, na którym mogą osiąść. Zjawisko to znane jest jako zarodkowanie i można je zaobserwować w warunkach domowych.

Spróbuj podgrzać szklankę z wodą w kuchence mikrofalowej. Jeśli szkło jest wyjątkowo czyste, woda może ogrzać się do ponad 100 stopni Celsjusza i nadal nie pojawią się bąbelki. Ale jeśli włożysz do wody pałeczkę lub inny przedmiot o szorstkiej powierzchni, nagle zacznie gwałtownie wrzeć, przechodząc z cieczy w gaz. W chmurze, pył spełnia tę samą rolę: stanowi on powierzchnię, na której woda może ulec przemianie fazowej (w tym przypadku z pary wodnej w wodę).

Chmura to w istocie masa cząsteczek pary wodnej, w które znalazły cząsteczki kurzu i doszło do kondensacji – powstały kropelki wody. W miarę jak chmura ochładza się, niektóre kropelki zaczynają zamarzać, podczas gdy inne nie przechodzą w stan stały. Niektóre nawet odparowują z powrotem do postaci gazu. Gdy cząsteczki pary wodnej wchodzą w kontakt z zamrożoną kropelką, zamarzają, tworząc ciało stałe. Pominięcie fazy ciekłej ma kluczowe znaczenie dla powstawania płatka śniegu – dzięki temu powstaje płatek śniegu, a nie kropelka lodu.

Nowo powstałe płatki śniegu wykazują niewielkie różnice, jeśli chodzi o ich sześciokątny kształt. Gdyby proces zatrzymał się w tym momencie, wszystkie płatki śniegu byłyby złożonymi z 10 cząsteczek wody strukturami, na oko nie do odróżnienia. (Określenie „na oko” należy tutaj rozumieć metaforycznie. Złożonego z 10 cząsteczek płatka śniegu nie można zobaczyć nawet pod standardowym mikroskopem optycznym).

Ale to nie koniec. Części rosnącego śniegowego kryształu mają nieregularne krawędzie z nierównościami, które lepiej przyciągają inne cząsteczki wody niż bardziej gładkie części sześciokąta. Ponieważ coraz więcej cząsteczek pary wodnej osadza się na tych wystających elementach, szorstkie krawędzie stają się stosunkowo dużymi wypukłościami z własnymi nierównymi krawędziami, które przyciągają więcej cząsteczek wody. Dzięki temu procesowi nierówna krawędź staje się gałązką kryształu. W końcu odgałęzienia tworzą własne nierówne krawędzie, z których rozwijają się dalsze odgałęzienia i tak dalej.

Również temperatura i wilgotność powietrza wpływają na to, jak nowe cząsteczki pary wodnej wiążą się z rosnącym płatkiem śniegu. Wyższa temperatura i mniejsza wilgotność sprzyjają tworzeniu się litych płytek i pryzmatycznych form – tego rodzaju płatki laikowi wydają się nudne. Gdy w chmurze robi się chłodniej i bardziej wilgotno, coraz więcej jest płatków bajecznie pięknych. Naukowcy określają te kształty jako dendryty i płatki podzielone (ang. sectored plates). W tych samych warunkach mogą także powstawać igły – długie, cienkie kryształki lodu, które w ogóle nie wyglądają jak płatki.

Możemy teraz wrócić do pytania o dwa identyczne płatki śniegu. – To naprawdę zależy od tego, co masz na myśli mówiąc o płatku śniegu i co rozumiesz przez odmienność – mówi Kenneth Libbrecht, profesor fizyki z California Instytutem of Technology i prawdopodobnie najlepszy na świecie ekspert w dziedzinie powstawania śniegu.

Nowo powstałe kryształki śniegu składające się tylko z garstki molekuł byłyby prawie niemożliwe do rozróżnienia. Ale to nie jest problem. Mówimy o prawdziwych płatkach śniegu, które mają około tryliona cząsteczek (jedynka z 18 zerami).

Żadne prawo  natury nie uniemożliwia powstania dwóch naprawdę identycznych płatków śniegu. Tak więc na poziomie czysto technicznym możliwe jest istnienie dwóch takich samych śnieżynek. I zupełnie możliwe, aby dwa płatki śniegu były jedynie „na oko” nie do odróżnienia. Ale z rachunku prawdopodobieństwa wynika, że jest to niezwykle mało prawdopodobne. Libbrecht daje pomocniczy przykład:

– Istnieje ograniczona liczba sposobów, aby ułożyć kilka cegieł – mówi. – Ale jeśli masz dużo cegieł, liczba kombinacji bardzo szybko rośnie. Mając ich wystarczająco dużo, można ułożyć podjazd, chodnik lub zbudować dom.

Cząsteczki wody w płatku śniegu są jak te cegły. Gdy zwiększa się liczba części składowych, liczba możliwych kombinacji rośnie w niewiarygodnym tempie.

Libbrecht wyjaśnia to na przykładzie półki. Jeśli masz tylko trzy książki na półce, jest tylko sześć sposobów ich ułożenia. (To 3 razy 2 razy 1). Gdy masz 15 książek, istnieje 1,3 biliona (1300 000 000 000) możliwości (15 razy 14 razy 13, itp.). Przy stu książkach, liczba kombinacji staje się znacznie większa niż szacowana liczba atomów we wszechświecie.

Zwykły płatek śniegu ma setki krawędzi i odgałęzień, każde o nieco innej geometrii. Na świecie spadło wiele płatków śniegu, ale nie dosyć, aby powstanie dwóch identycznych śnieżynek można było uznać za prawdopodobne.

Jeśli jesteś sceptyczny, możesz przeprowadzić własne badania. Ale zarezerwuj sobie sporo czasu. Libbrecht szacuje, że każdego roku spada około kwadryliona – to 1 z 24 zerami – płatków śniegu.

autor: Brian Palmer

żródło: The Washington Post

Loading Facebook Comments ...

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

*

code