Urokliwa geometria gwiazdek śniegu

„Za każdym razem, kiedy pada śnieg, jego pierwotne elementy niezmiennie mają kształt sześcioramiennej gwiazdki. To musi mieć swoją określoną przyczynę, a jeśli jest przypadkowe, to dlaczego nie spotyka się pięcio- lub siedmioramiennych gwiazdek?” – pytał czterysta lat temu Johannes Kepler, niemiecki matematyk, fizyk i astronom

16.12.2015Aktualizacja: 28.12.2015Opublikował: AS

Śnieżynki powstają w chmurach. Elementem, od którego rozpoczyna się formowanie kryształków lodu w chmurze są tzw. jądra kondensacji. Mogą to być np. cząsteczki kurzu albo pyłek kwiatowy. Gdy osiągną odpowiednią wielkość i masę, że nie są w stanie utrzymać się w chmurze, spadają w postaci śniegu. Z jednej strony gwiazdki śniegu tak bardzo różnią się od siebie, że praktycznie nie sposób znaleźć dwóch takich samych. Z drugiej, są do siebie bardzo podobne. Ich podobieństwo polega na tym, że wszystkie śnieżynki świata zachowują postać sześcioramienną lub sześcioboczną. W 1611 roku Johannes Kepler nie znalazł odpowiedzi na dręczące go zagadnienie. My dziś jednak wiemy, dlaczego śnieżynki są zawsze sześcioramienne. Rozwiązanie tego dylematu przyniosła krystalografia rentgenowska.

W badaniach okazało się, że cząsteczki wody krystalizują w heksagonalnym układzie krystalograficznym, czyli tworzą sześciokątną sieć krystaliczną. W układzie takim trzy z czterech osi leżą w jednej płaszczyźnie i mają jednakową długość, a kąt między nimi wynosi 120 stopni. Czwarta oś, która jest prostopadła do pozostałych, może mieć różną długość. Sieć krystaliczną złożona jest zatem z komórek elementarnych o sześciokątnej symetrii. Każda taka komórka składa się z sześciu atomów tlenu po jednym w każdym kącie sześcianu i atomów wodoru pomiędzy nimi. Tak powstaje graniastosłup o podstawie sześciokąta, a w każdym jego rogu znajdują się atomy tlenu. Wraz ze wzrostem kryształu, zwiększa się rozrost jego rogów. Dzieje się tak, gdyż do wystających czubków przykleja się więcej cząstek.

Największe i najpiękniejsze śnieżynki powstają przy dużej wilgotności powietrza, gdy panuje temperatura od –20°C do –10°C. W takich warunkach przyjmują one formę płatków o rozmiarach od 2 do 4 milimetrów. Im wyższa wilgotność, tym płatki śniegu mają bardziej złożone kształty, ale zawsze o sześciokrotnej symetrii.

A czy to prawda, że każda śnieżynka jest inna? Pomiędzy ziemią a chmurami panują zmienne warunki atmosferyczne – ciśnienie, temperatura, siła wiatru i wilgotność. Każdy zatem płatek spadający na ziemię pokonuje inną drogę i w różnych, niepowtarzalnych warunkach. Także jądro kondensacji każdego płatka może mieć różne położenie, kształt i wielkość. Stąd ostateczny kształt gwiazdek śniegu wygląda zupełnie inaczej.

Jeszcze jedną ciekawostką sprawą jest waga płatków śniegu. Pojedyncza śnieżynka waży około jednej tysięcznej grama czyli jeden gram śniegu zawiera przeciętnie tysiąc płatków. Ażeby uzyskać jeden kilogram śnieżnego puchu, potrzeba aż miliona śnieżynek.