Ako vzniká kalamitka

Ľadové kryštáliky alebo snehové vločky (zhluky kryštálikov) sú jedným z najkrajších javov prebiehajúcich v atmosfére. Poskytujú nám však nielen radosť pri zimných hrách a športoch, ale neraz aj mnoho starostí, problémov a námahy. Čo vlastne vieme o ich vzniku?

Snehové kryštály

V prírode sa stretávame s celým radom rôznych foriem ľadu. Napríklad z búrkových oblakov občas vypadávajú krúpy, v zimných mesiacoch sa pri vhodných termodynamických podmienkach vytvárajú rôzne druhy námrazy a inoväte na steblách trávy, oknách obydlí či drôtoch elektrického vedenia, značnú časť zemského povrchu pokrýva sneh.

Čo dokáže vodná para

Veľmi dôležitú úlohu má v atmosférických procesoch vodná para. Môže v atmosfére prechádzať nielen do kvapalného, ale aj bezprostredne do pevného skupenstva, čím vznikajú ľadové kryštáliky. Prechod vodnej pary do tuhého stavu nazývame sublimácia. Ľad môže mať amorfnú a kryštalickú štruktúru. V atmosfére sa vyskytujú rozmanité tvary kryštálikov ľadu. Kryštáliky ľadu – tuhé atmosférické zrážky rozdeľujeme podľa medzinárodnej klasifikácie do 10 základných skupín: 1. doštičky, 2. hviezdice (dendrity), 3. stĺpiky, 4. ihlice, 5. vločky jednoduché, 6. stĺpiky s doštičkami, 7. nepravidelné priestorové častice, 8. krúpky, krupica, 9. ľadové zrná, 10. krúpy.
Tvary kryštálikov ľadu môžu prezradiť, z akej výšky pochádzajú: jednoduchšie sú z vyšších vrstiev atmosféry (5 – 12 km), kde tvoria obvykle vysoké oblaky. Kryštáliky zložitejšej štruktúry sa vyskytujú v oblakoch v nižších vrstvách atmosféry.

Obr. 1: Ideálny tvar kryštálika

Ako sa zrodia

Vznik rôznych tvarov ľadových kryštálov závisí hlavne od fyzikálneho stavu okolitého prostredia a od štruktúry ľadového jadra. Z meteorologických prvkov má najväčší význam teplota a vlhkosť vzduchu. Všetky kryštály majú spoločný šesťuholníkový tvar, vyznačujúci sa jednou hlavnou osou symetrie a troma vedľajšími. Za ideálny tvar ľadového kryštálika sa považuje hexagonálna dvojpyramída s tupými bočnými hranami a so šesťuholníkovou spodnou aj hornou základňou. Tento ideálny tvar sa deformuje podľa toho, akým spôsobom sa viažu prichádzajúce molekuly vodnej pary k ploche kryštálu a ako sa vytvárajú tzv. plošné zárodky v závislosti od teploty vzduchu a tlaku vodnej pary v okolí kryštálu. Plošný zárodok predstavuje usporiadanie (konfiguráciu) molekúl vodnej pary, ktoré sú pevne pripútané k ploche kryštálu a podporujú narastanie novej kryštálovej plochy. Pri nízkych teplotách vzduchu, napr. -30 °C, kryštáliky narastajú rýchlo v dôsledku väčšieho presýtenia atmosféry vodnou parou vzhľadom k ľadu. Vtedy sa nový plošný zárodok vytvorí skôr, ako sa ukončí rast predchádzajúcej plochy.
Plocha kryštálu pritom narastá od okraja smerom do stredu. To sa vysvetľuje pôsobením elektrostatických síl, ktoré viažu molekuly vody v mriežke ľadu. Preto je najväčšia časť molekúl viazaná na hranách a rohoch kryštálu, kde sú prichádzajúce molekuly najmenej rušené susednými molekulami. Nakoniec sa viažu molekuly uprostred plochy, kde je väzba najsilnejšia. Pri nízkych teplotách vzduchu a velkom presýtení atmosféry vodnou parou sa takto vytvárajú duté kryštáliky najmä vo vyšších hladinách atmosféry. Zvyšovanie teploty a pokles tlaku vodnej pary nad ľadom spomalí rast kryštálov. Vtedy plochy kryštálu narastú skôr, než sa vytvorí nový plošný zárodok a vzniknuté kryštály majú jednoduchý kompaktný tvar (pri teplotách -20 °C až -30 °C). Ďalším zvyšovaním teploty vzduchu zosilnie difúzia molekúl vodnej pary k povrchu kryštálu, ktorý v dôsledku toho bude narastať rýchlejšie do strán. Vytvorené doštičky tak pomaly prechádzajú do zložitejších hviezdičiek, ktoré nazývame dendrity. Pri teplote približne 0 °C nadobúdajú kryštáliky ľadu v atmosfére ihlicovitý tvar. Tieto kryštáliky však nenarastajú priamo sublimáciou, ale zamrznutím vody (vzniknutej kondenzáciou vodnej pary) na topiacich sa častiach kryštálu.

Prechod doštičky do hviezdice

Ako rastú

Ľadové kryštály môžu rásť dvoma spôsobmi: priamym usadzovaním molekúl vodnej pary na zárodkoch alebo kryštáloch sublimáciou a mrznutím prechladených kvapiek vody. Sublimácia sa v plnej miere uplatňuje pri viazaní molekúl vodnej pary priamo na kryštálikoch ľadu, čo umožňujú obzvlášť priaznivé podmienky v zmiešaných oblakoch. V nich prechádza vodná para z kvapky na kryštál, nad ktorým je menší tlak vodnej pary v stave nasýtenia (maximálne možný tlak vodnej pary pri danej teplote vzduchu). Rozdiel nasýtenej vodnej pary nad ľadom a prechladenou vodou je záporný a dosahuje maximum (-0,269 hPa) pri teplote -12 °C. V dôsledku toho prebieha na kryštálikoch ľadu kondenzácia skôr a zároveň aj rýchlejšie ako na kvapkách vody. Ak teda vedľa seba existujú prechladené kvapky vody a kryštáliky ľadu, dochádza k vyparovaniu kvapiek a nasledovnému rastu ľadových kryštálikov sublimáciou na úkor vyparujúcich sa kvapiek vody. Tento prechod má dôležitú úlohu pri tvorbe zrážok.

Priestorový dendrit

Z fyzikálneho vyjadrenia vyplýva, že rast kryštálikov ľadu sublimáciou závisí predovšetkým od ich tvaru a je oveľa zložitejší ako rast kvapiek kondenzáciou. Významnú úlohu má pritom 5 doplňujúcich faktorov:
1. Rozdielny tlak nasýtenej vodnej pary nad rôznymi hranami toho istého ľadového kryštálu. Nad základňou malého, ale relatívne dlhého kryštálu, je napätie nasýtenia menšie ako nad bočnými stenami, v dôsledku čoho kryštálik rastie do dĺžky. Takýto rast stĺpika je výrazný pri malých vonkajších presýteniach, napr. pri nízkych teplotách vzduchu.
2. Rozdielny gradient tlaku vodnej pary. Na rozdiel od kvapky vody nepozorujeme okolo kryštálika ľadu sférické rozdelenie hustoty vodnej pary, ale v blízkosti hrán a rebier je gradient tlaku relatívne väčší. To spôsobuje zvýšený prísun vodnej pary do týchto miest, zosilnenú sublimáciu, a teda rýchlejší rast ľadu hrán a rebier. Rýchly rast ľadu na rebrách, obklopujúcich malú základňu, vytvára postupne mnohouholník s prázdnymi miestami. Po dosiahnutí určitej kritickej velkosti hrán a rebier prestane kryštálik rásť týmto smerom a začne sa vetviť na rebrách v šiestich smeroch vo forme lúčov. K centru snehovej vločky bude prichádzať stále menej vodnej pary a budú vznikať velké rozvetvené hviezdicové vločky snehu dendrity.
3. Závislosť charakteristického rozmeru od tvaru kryštálika. Pri raste ľadových kryštálikov má význam ich počiatočný tvar a velkosť, čo charakterizuje kapacita kryštálu vyjadrujúca rozmanitosť tvarov ľadových kryštálikov v prírode.
4. Ventilačný činiteľ. Ak narastajúca snehová vločka začne padať výraznou rýchlosťou, jej kontakt s presýtenou atmosférou sa zosilňuje a sublimácia sa zrýchľuje úmerne tzv. ventilačnému činiteľovi Y.
5. Rekondenzácia, t. j. rast ľadových kryštálikov namŕzaním prechladených kvapiek vody do vytvorenia velkých snehových vločiek alebo sublimácia vodnej pary na kryštálikoch ľadu na úkor vyparujúcich sa kvapiek vody. Napríklad pri teplote -5 °C dosahuje rýchlosť rastu kryštálov v dôsledku rekondenzácie 0,7 μm/s. Najpriaznivejšie podmienky na rekondenzáciu sú v zmiešaných oblakoch, pričom najintenzívnejšie prebieha tento proces pri teplote okolo -12 °C, keď je rozdiel tlaku nasýtenej vodnej pary nad ľadom a prechladenou vodou maximálny. To vedie k tvorbe koloidálne nestáleho oblaku a vypadávaniu zrážok. Efekt ventilácie ešte rekondenzáciu zosilňuje.

Krúpy

Ľadové kryštáliky vzniknuté zmrznutím kvapiek vody a narastajúce sublimáciou vodnej pary sa môžu ďalej zväčšovať pri padaní v atmosfére. Pritom sa predovšetkým uplatňuje koagulácia (spájanie menších kryštálikov do väčších), ktorá môže nastať napríklad pri padaní kryštálikov nerovnakou rýchlosťou, elektrostatickými silami či atmosférickou turbulenciou.
Na kryštáloch sa usadzujú drobnejšie oblačné častice kvapalného aj pevného skupenstva v závislosti od toho, akými vrstvami kryštál padá. Výsledkom sú zhluky kryštálov v tvare snehových vločiek, kryštály so zmrznutými kvapkami vody i kryštály obalené amorfnou vrstvou ľadu. Ak je pri zemskom povrchu záporná teplota, snehové vločky padajú na zem vo forme snehu alebo snehových (ľadových) krúpok. Ak sú v oblaku silné vertikálne prúdy vzduchu, kryštály obalené amorfnou vrstvou ľadu rastú do velkých rozmerov (s priemerom 5 až 50 mm) a padajú na zemský povrch ako krúpy.

Ingrid Damborská
Katedra meteorológie a klimatológie FMFI UK

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 02/2002. Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.
Komentáre