Fabryka gwiazd

Gdyby Kepler, sławny astronom z początku XVII wieku, miał do dyspozycji dyfraktometr rentgenowski, pewnie nie zastanawiałby się, dlaczego wszystkie płatki śniegu są sześciokątami (bo są w istocie). Może nie napisałby wtedy rozprawy „O sześciokątnych płatkach śniegowych” z 1611 roku. Niestety, promienie rentgena odkryto ponad 250 lat po opublikowaniu wspomnianej rozprawy. I tak pierwszy tekst naukowy o śniegu ma już prawie 400 lat.

Co ma śnieg do promieni, którymi zwykle prześwietla się złamane kości? Gdyby nie ich przenikliwa natura, nie tylko nie wiedzielibyśmy dzisiaj, czy po upadku na nartach mamy złamaną kość piszczelową, ale także nie mielibyśmy pojęcia, jak zbudowane są kryształy. Do zaglądania do wnętrza kryształów służy dyfraktometr rentgenowski.

Trzeba zaglądnąć głęboko do wnętrza kryształu lodu, by zrozumieć, dlaczego dokładnie każdy z miliardów miliardów padających płatków śniegowych ma… sześć wierzchołków. Dokładnie taki kształt ma tzw. komórka elementarna kryształu lodu. Co to takiego? W kryształach atomy czy cząsteczki mają jasno określoną pozycję. Układają się w pewien wzór. Tworzą coś, co nazywa się siecią krystaliczną. Najmniejszą częścią, można by powiedzieć podstawową jednostką kryształu jest właśnie komórka elementarna. Każdy kryształ jest powiększeniem tejże elementarnej komórki. Jak to rozumieć? Najlepiej na przykładzie właśnie kryształu lodu. Cząsteczka wody – H2O – składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Ale cząsteczki wody w krysztale lodu nie są rozlokowane swobodnie czy losowo. Są pogrupowane po sześć i ułożone w… kształt sześciokąta. W każdym jego wierzchołku jest atom tlenu, a atomy wodoru (razem 12, bo po dwa na jeden tlen) znajdują się pomiędzy. I to właśnie te maleńkie składające się z sześciu cząsteczek wody
struktury są komórkami elementarnymi kryształu lodu. Najmniejszymi jego częściami składowymi, powtarzalnymi częściami. Gdy kryształ rośnie, powiększa się o kolejne komórki elementarne. Kolejne doklejają się do tych poprzednich, a to zawsze oznacza, że kształt sześciokąta pozostaje.

Skoro wszystkie komórki elementarne kryształu lodu wyglądają tak samo (a wyglądają), to skąd bierze się tak duża różnorodność, ba, nieograniczona różnorodność śniegowych kształtów? Zanim przyjdzie to wyjaśnić, warto wspomnieć o samym początku życia pojedynczego płatka śniegu.

Śnieg to coś znacznie więcej niż zamrożona woda. Oczywiście z chemicznego punktu widzenia kostka lodu do drinków z zamrażarki i nawet najbardziej wyszukany płatek śniegowy to dokładnie to samo. Dla chemika to to samo, a dla fizyka coś zupełnie innego.

A wszystko zaczyna się od zanieczyszczenia. Nie chemicznego, ale… powiedzmy naturalnego. To może być pyłek kurzu, mała drobinka piasku czy pyłek kwiatowy. Jeżeli gdzieś wysoko nad naszymi głowami ma powstać płatek śniegu, cząsteczki wody muszą się czegoś zaczepić, czegoś złapać. To rusztowanie nazywa się jądrem kondensacji. To na nim zaczyna tworzyć się struktura kryształu. Bez niego, nawet w bardzo niskiej temperaturze, woda nie zamarznie. W superczystych warunkach woda może być w stanie płynnym nawet w temperaturze kilkudziesięciu stopni poniżej zera. W chmurach nie ma jednak warunków sterylnych. Wokół znajdujących się tam drobinek następuje tworzenie się płatka śniegowego. Najpierw ma wielkość zaledwie kilku angstremów, czyli kilku dziesięciomilionowych części milimetra. Oczywiście ten najmniejszy, zarodkowy płatek już ma kształt sześciokąta. Rośnie szybko, bo czym większa struktura, tym łatwiej „lgną” do niej kolejne cząsteczki wody. Sześciokąt robi się coraz większy. Szybciej rosną jednak jego
wierzchołki, bo bardziej „odstają” na zewnątrz. W efekcie, stosunkowo szybko sześciokąt zamienia się w sześcioramienną gwiazdę. Pozostaje jednak pytanie, dlaczego nie ma dwóch takich samych płatków? * Dlaczego każdy jest inny?*

To, jak rośnie kryształ, zależy od wielu czynników. W przypadku płatka śniegu ważne jest ciśnienie, ważna jest temperatura, ważna jest też wilgotność. Inaczej wygląda płatek, który powstaje w temperaturze zaledwie kilku stopni poniżej zera i niskiej wilgotności – będzie przypominał płytkę – a inaczej taki, który narodzi się w temperaturze około minus 15 stopni i wysokiej wilgotności. Ten ostatni przypomina bogato rozrośniętą gwiazdę. Przy bardzo niskich temperaturach (poniżej minus 30 stopni) powstaną kolumny o przekroju sześciokąta, a w temperaturach tylko trochę poniżej zera, za to w stosunkowo wysokiej wilgotności powstaną igiełki.

Każdy płatek śniegowy jest inny, bo w swojej podróży pomiędzy miejscem narodzin i ziemią przelatuje przez obszary, w których panują różne warunki. Zmienia się wilgotność, temperatura, a nawet ciśnienie. Dla każdego płatka inaczej, bo każdy płatek, zanim dotknie powierzchni naszej planety, pokonuje nieco inną drogę. Każdy ma inną historię, a to ona go kształtuje. Czubek każdej takiej małej gwiazdki może być zarodkiem. Może być miejscem, gdzie zacznie powstawać kolejny sześciokąt, z czasem zamieniający się w małą gwiazdkę. Ale może być też tak, że płatek zacznie powstawać w wysokiej wilgotności i średnio niskiej temperaturze (będzie miał wtedy bardzo złożoną budowę), a w czasie opadania znajdzie się w obszarze o niskiej zawartości wody w powietrzu i nieco wyższej temperaturze. Wtedy skomplikowane na początku kształty mogą się upraszczać wraz z oddalaniem się od środka kryształku. Bo z płatkami śniegu jest trochę tak jak z drzewami. Śledząc ich strukturę, można wiele powiedzieć o czasach, w których powstawały.
Czym bliżej do środka, tym bliżej momentu narodzin.

Jest jeszcze jeden powód, dla którego nie ma dwóch takich samych płatków. O ile można sobie jeszcze wyobrazić podobną drogę dwóch płatków z chmury na ziemię, to jest wręcz nieprawdopodobne, by były dwa identycznej wielkości i kształtu „zarodki”, wspomniane już jądra kondensacji. A to od nich zależy, jak w początkowej fazie będzie wyglądał płatek.

W zamrażarce można zrobić kostkę lodu, ale nie da się zrobić płatka śniegu. Dlaczego? Bo śnieg powstaje, gdy faza gazowa (para wodna) przechodzi bezpośrednio w stałą (kryształy lodu) z pominięciem fazy ciekłej. To tak zwana resublimacja. Do zamrażarki wkładamy wodę w stanie ciekłym. Powstanie więc lód, a nie kryształ lodu. Choć to wielkie uproszczenie, można powiedzieć, że lód od kryształów lodu różni się tym, czym węgiel kamienny od diamentów. W kostce lodu z zamrażarki czy bryle węgla panuje całkowity bałagan. W kryształach lodu i diamentach każdy, nawet najmniejszy atom ma swoje miejsce. Porządek, odpowiednie warunki i cierpliwość. Ot, czym jest płatek śniegu.

Tomasz Rożek