Jak powstają płatki śniegu – nowa teoria
Nauka ma kolejną propozycję odpowiedzi na pytanie, jak lód układa się w swoje niezwykłe kształty. Co sprawia, że powierzchnia lodu układa się w postaci niezwykle złożonych i delikatnych struktur? Ten fascynujący mikrokosmos, powstający pod cienką warstwą wody, powstaje ich zdaniem dzięki dynamicznemu współistnieniu trzech stanów skupienia – gazowego, ciekłego i stałego – jednocześnie. Szczególne znaczenie ma cienka warstwa wody utrzymująca się na powierzchni lodu.
Wynik badań opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications” odkrywają przed nami na nowo jedno z zupełnie prozaicznych i codziennych, a jednocześniej jedno najbardziej fascynujących zjawisk przyrody. W artykule „How ice grows from premelting films and water droplets” zespół współpracujący ze sobą brytyjskich matematyków z Loughborough University oraz hiszpańskich fizyków i chemików z Universidad Complutense de Madrid, we współpracy z hiszpańskim Instituto de Química Física Rocasolano zaprezentował swoją teorię na temat tego, jak powstaje lód. Wspólna praca pozwoliła na stworzenie modelu przedstawiającego wczesny etap procesu tworzenia się płatków śniegu.
Dr David Sibley ze School of Science brytyjskiego Loughborough University – współautor badań – wyjaśnia, że kształt i struktura lodu jest zależna od całego szeregu czynników, takich jak temperatura otoczenia czy ciśnienie atmosferyczne. Warto pamiętać, że lód tworzy się na różnych wysokościach – nie tylko na powierzchni Ziemi, ale często także wysoko w atmosferze.
– Powstawanie i narastanie lodu to dynamiczny proces, który może zachodzić, gdy jest zasilany zamarzającą wodą albo dzięki zamarzaniu pary wodnej występującej w powietrzu – opowiada matematyk. – Wbrew pozorom efekt obu dróg zamarzania jest bardzo podobny, ponieważ na granicy między lodem a powietrzem zawsze znajduje się mikroskopijna warstewka wody, czasami nazywana warstwą wstępnego topienia. Sposób, w jaki woda przenosi się między stanami parowym, ciekłym i stałym, nie jest jeszcze zbyt dobrze poznany. Nasz nowy model matematyczny, w przeciwieństwie do wcześniejszych badań, precyzyjnie uwzględnia warstwę wstępnego topienia. To pozwoliło nam na lepsze zrozumienie udziału tego elementu w procesie wzrostu lodu.
Międzynarodowy zespół naukowców pochylił się na kroplą wody zmieniającą się w płatek śniegu. Dla wielu osób samo to wydaje się fascynujące, ale wiele osób rozsądnie zapyta, dlaczego takie zjawisko ma być przedmiotem poważnych dyskusji dużej grupy specjalistów? Jak wyjaśniają autorzy, wiedza, która w ten sposób zostaje usystematyzowana, może pozwolić nam więcej dowiedzieć się także o zmianach klimatu.
Kształt kryształków lodu, które tworzą płatki śniegu, jest istotny ze względu na rozpraszanie się światła słonecznego. Ten proces tymczasem ma poważne znaczenie dla ocieplania się klimatu. Płatki śniegu na wstępnym etapie powstawania są zbudowane z jednego kryształka lodu. To do niego przyłączać się będzie para wodna z otoczenia. To, w jaki kształt płatki się uformują, będzie zależne od tego w jaki sposób i z jaką szybkością będą wzrastać.
Nowa teoria pozwala lepiej zrozumieć jak zmienia się tempo wzrostu kryształków, a za głównym czynnik, wcześniej niedoceniany, podaje poziom wilgotności otoczenia. Jeżeli wilgotność jest niska, to materiałem do tworzenia się lodu są głównie zderzające się cząsteczki pary. A jeżeli wilgotność jest wystarczająco duża, to wówczas lód rośnie bezpośrednio z obfitej warstwy wstępnego topnienia, tak samo jakby przyrastał ze środowiska wodnego.
Dalsze etapy tego procesu są nie mniej skomplikowane i wymagają kolejnych badań, dla których te mogą być punktem wyjścia. Dopiero dobre zrozumienie całego procesu pozwoli na budowanie na tej podstawie teorii związanych z klimatem. Do realnego użycia tej teorii droga jest więc jeszcze bardzo daleka, ale bez niej – zmiana myślenia w ogóle nie byłaby możliwa.
Źródło badań: David N. Sibley et al. How ice grows from premelting films and water droplets, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-020-20318-6
Opracowano na podstawie artykułu New theory for how snowflakes grow opublikowanego na portalu Phys.org.
