Snežna romantika v enačbah in kotih

Naslednjič, ko bo zunaj snežilo, se ne jezite na cestne delavce, ki jih je zima spet prehitela, ampak raje ulovite snežinko ali dve in se podajte na pot raziskovalca. Kaj opazite? Morda, da so snežinke simetrične, in če jih še malo bolj približate, boste ugotovili, da so šesterokrake. Vse. Ampak zakaj?

Res je, vse snežinke v naravi so šestkrake in niti dve nista povsem enaki. Zmotno je prepričanje, da je snežinka narejena iz zmrznjene vode. Če vzamete v roke kocko ledu in jo primerjate s snežinko, boste hitro opazili razliko. V nasprotju z ledom, ki nastane, ko voda zmrzne, se snežinka oblikuje ob neposrednem prehodu iz vodne pare v trdo snov. Vodna para se nabira na kondenzacijskih jedrih (prašnih delcih) in zmrzne. Ampak to nam še ne razloži, zakaj so snežinke šesterokrake.
 

Čudna voda

Za odgovor na to vprašanje se moramo podati v svet sestave vodnih molekul. Molekula vode je iz dveh atomov vodika in enega kisika. Atom kisika ima v zunanji lupini šest elektronov, atoma vodik vsak po enega. Z dodajanjem dveh elektronov vodikovih atomov dobimo stabilno konfiguracijo osmih elektronov oziroma štirih parov elektronov. Vez med vodikom in kisikom se imenuje kovalentna vez. Porazdelitev štirih parov elektronov v tridimenzionalnem prostoru bi imela pričakovano obliko tetraedra (s kotom med atomi, ki znaša 109,5 stopinje). Tako bi bili pari kar se da oddaljeni drug od drugega. Ker pa se dva prosta para elektronov kisika odbijata, to potisne atoma vodika drugega proti drugemu in je kot med njima 104,5 stopinje. Prav ta lastnost dá vodi nenavadni značaj.

Vodo velikokrat opišemo kot čudno, ker ima neobičajne lastnosti. Na primer: voda je pri štirih stopinjah Celzija bolj gosta kot pri vseh drugih temperaturah. Poleg tega ima neobičajno visoko temperaturo ledišča in vrelišča, večjo toplotno kapaciteto od večine običajnih snovi (dovesti moramo veliko toplote, da jo segrejemo). Vse to je posledica vodikove vezi, ki nastane, ker para elektronov v kisiku povzročita, da ima molekula na mestu kisika rahlo negativen naboj, na mestu vodika pa pozitiven, in ker se nasprotja privlačijo, se kisik ene molekule vode poveže z vodikom druge molekule, kar povzroči nastanek vodikove vezi. Ko voda zmrzne, se ta vez vedno znova ponovi. Zaradi prej omenjenega kota med atomi pa nastane ploskovna šesterokotna oblika kristala. Prav ta simetrija se prenese na makroskopski pojav nastanka snežinke.


 

Niti dve snežinki nista enaki

Nadaljnja rast snežinke poteka primarno na špičastih delih kristala. Ker je temperatura na vseh delih kristala enaka, rastejo snežinke enakomerno. Kakšne oblike bodo, je odvisno predvsem od temperature in vlažnosti zraka. Pri temperaturi okoli –5 stopinj Celzija se tvorijo dolge snežinke, pri –15 stopinjah Celzija pa tiste najlepše zvezdaste. Pri drugih je pogoj tudi dovolj visoka vlažnost, saj se pri suhem zraku oblikujejo bolj enostavni kristali. Ko snežinka pada, se temperatura in vlažnost spreminjata, tako lahko nastanejo različne oblike. In ker je pot vsake snežinke drugačna, dobimo drugačne oblike snežink.



Ko boste tako naslednjič opazovali snežinke, boste opazili, da niti dve nista enaki. Znanstveniki še vedno iščejo natančen odgovor, zakaj je tako, najverjetneje se skriva v mikro spremembah vremena in razmer, ki lahko vplivajo na rast snežink. Do takrat pa uživajte v pogledu na te male fraktalčke in ne jezite se preveč na cestno službo.

–––
Dr. Maruša Bradač je raziskovalka in profesorica fizike na kalifornijski univerzi v Davisu.

Tudi znanje o koncu vesolja je pomembno
Odkritje male galaksije na samem robu vidnega vesolja