Choć zima opuściła nas na dobre i od jakiegoś czasu biegamy
ochoczo w lekkich butach i zgrabnych płaszczykach, wracamy do niej w wielkim,
mineralogicznym stylu! Nie ma to nic wspólnego z tym, że prognozy pogody na
majówkę są okropne, ani z tym, że wszyscy zaczęli masowo kupować woreczki do lodu.
Nie chodzi też o to, że dla nas zabrakło.
Lubimy zimę i kochamy śnieg - dlatego w dzisiejszym artykule z serii „Geologia
czai się wszędzie” (czy jakoś tak) zaprezentujemy ujmujący świat kryształów
lodu. Na zachętę fragment opracowanego
przez BBC programu The secret life of ice,
enjoy!
Spodobało się? Zapraszamy do lektury!
Będziemy stopniowo ochładzać atmosferę, pozostając pod
wpływem ciśnienia, w jakim zwykliśmy żyć. Póki co, mamy temperaturę pokojową:
nasz lód jest jeszcze wodą, toteż od niej zaczynamy. Z geologicznego
punktu widzenia woda to mineraloid, czyli substancja mineralna, niewykazująca
budowy krystalicznej. Nuda. Wystarczy jednak trochę chłodu i mamy lód. Ile
chłodu nam potrzeba, żeby uzyskać kryształy lodu każdy wie: 0°C.
Czyżby?
Poniżej zera istotnie mamy do czynienia z zamarzającą wodą –
ileż to razy rozbijaliśmy lód na kałuży w chłodne jesienno-zimowe poranki, czy
zdrapywaliśmy szron z auta. Odwołam się jednak do filmiku, który zaserwowałyśmy
Wam na początku – woda w butelce miała odpowiednią temperaturę, coś jednak
musiało się zadziać, żeby lód zaczął krystalizować. Potrzebny był zalążek
krystalizacji – w tym wypadku był to już powstały kryształ lub bąbel powietrza.
W kałuży mógł to być jakiś śmieć lub odrobina błota, na szybie samochodu tę
rolę spełniały rozbite komary lub drobny pył, który osadził się jak wracaliśmy
z pracy do domu. W chmurach, gdzie tworzy się śnieg, jest to także jakiś pyłek
– a żeby było bardziej geologicznie, możemy uznać, że jest to pył wulkaniczny. Taki
zarodek jest nam potrzebny do momentu, w którym temperatura wody spadnie do
-36°C. Poniżej tej temperatury krystalizacja zachodzi samoistnie.
Ktoś mógłby
teraz zapytać: dlaczego w takim razie woda, którą wsadziliśmy do zamrażarki w
specjalnym woreczku po kilku godzinach wpada do szklanki jako bryłka lodu, a
nie wypływa jako bardzo zimna woda? Odpowiedź jest prosta: nie jest to czyste H2O,
a kranówa, w której rozpuszczone jest całe mnóstwo mniej lub bardziej paskudnych
substancji, które psują nasz eksperyment (ale ułatwiają życie). Ponadto lodówka
trzęsie się jak szalona, więc w razie potrzeby, w odpowiednim momencie
zaopatruje wodę w bąbel powietrza.
Jakie kryształy możemy uzyskać?
Większość ludzi płatek śniegu utożsamia z tym ze znaku
drogowego A-32 „Uwaga oszroniona droga” (osobiście preferujemy nazwę: „uwaga
śnieg”), a lód z półprzezroczystą bryłką pływającą w drinku. Tymczasem, świat
kryształów zamarzniętej H2O jest znacznie bardziej urozmaicony. Zanim
się w niego zagłębimy ustalmy jedną ważną rzecz: zamarznięta kropla deszczu to
nie to samo co płatek śniegu. Jaka jest różnica? To pierwsze, to po prostu
bezładna bryłka, znana lepiej jako grad. Grad jest nudny jak woda, nie wykazuje
żadnych wyrafinowanych form i wzorów, toteż nie będzie się nim zajmować. To
drugie natomiast, jest to kryształ w pełnym tego słowa znaczeniu i dlatego
poświęcimy mu chwilę uwagi.
Wszyscy doskonale wiemy, że lód krystalizuje w układzie
heksagonalnym. Dla niewtajemniczonych w świat krystalografii
wyjaśniam: oznacza to, że pojedynczy
kryształ (od tej pory będę go nazywać płatkiem śniegu) ma sześciokrotną oś
symetrii. Co przekłada się na dobrze nam znane stwierdzenie, że płatek śniegu
zawsze ma sześć gałązek. W dodatku, większość z nas słyszała kiedyś
stwierdzenie „każdy płatek śniegu jest inny”.
Jaki dokładnie?
Dzięki bardzo mądrym naukowcom wiemy, że to jaki kształt
przyjmuje płatek śniegu zależy od temperatury otoczenia i oczywiście od ilości
dostępnej wody. Jak to działa? Wyjaśnił to ktoś mądrzejszy od nas i stworzył
taki oto piękny wykres (patrz niżej). Wynika z niego, że w miarę spadku
temperatury, można uzyskać coraz bardziej odjechane kształty.
Źródło: SnowCrystals.com (http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/)
Zaczynamy od drobnych płatków, które można uzyskać już przy
-2°C. Jest to temperatura przy której mama nie wypuszcza nas z domu bez czapki,
a śnieg przybiera formę drobniutkich, płaskich sześciokątów, gwiazdek prostych
i takich, które na diagramie nazwano dendrytowymi. Internety twierdzą, że
oficjalna polska nazwa to „płatki śniegu jak kwiat paproci”.
Przy -5°C tworzą się pierwsze kolumny i drobne, smukłe
igiełki. Gdy spojrzymy na nie w odpowiednio dużym przybliżeniu, wyraźne
zauważymy, że są to graniastosłupy z sześciokątem w podstawie. A ponieważ świat
kryształów pełen jest niespodzianek i przerastających się nawzajem struktur,
często kolumny te mają zagłębienia – zupełnie jak belemnity! Choć potrafimy
powiedzieć po co belemnitom taka budowa, nie mamy pojęcia dlaczego śnieg też
tak ma. Wiemy jednak, że przy tej temperaturze stwierdzamy, że mama miała rację
odnośnie tej czapki, ale mimo to – będziemy twardzi!
Największą różnorodność płaskich form (dendrytów, kwiatów
paproci, gwiazdek i innych takich) obserwujemy poniżej -10°C. Wtedy sami nie
ruszamy się z domu bez czapki. I rękawic. I zaczynamy tęsknic za wiosną. A
wystarczyłoby zatrzymać się na chwilę i załapać w dłonie trochę śniegu. Jak to
się dzieje, że gwiazdki w takiej temperaturze są bardziej rozbudowane niż w
niskich temperaturach? Takie kryształy
tworzą się wtedy, gdy coraz to nowe cząsteczki przyklejają się do tych już
istniejących i nieco bardziej odstających. Badania laboratoryjne (wykonane
oczywiście przez prawdziwych naukowców, a nie przez nas) wykazały, że
rozpiętość gwiazdek zależy nie tyle od niskich temperatur, co podwyższonego
ciśnienia, jakie im towarzyszy. Ponadto, im większa wilgotność, tym bardziej
rozbudowane formy. Z tego zaś wynika, że najpiękniejsze płatki tworzą się
wtedy, gdy wilgotność powietrza jest największa. Dla nas znaczy to tyle, że
wydaje nam się że jest jeszcze zimniej.
Najciekawsze formy oczywiście tworzą się wtedy, gdy nikt
normalny nie wychodzi z domu jak nie musi, a najbardziej zagorzali ateiści
modlą się o rychłe nadejście wiosny. Takie temperatury źle znosi także wódka.
Wiecie już? Temperatura na Podaj kamień
spadła właśnie poniżej -30°C. A co na to śnieg? Szaleje! W tej temperaturze
wracają do nas konstrukcje kolumnowe – już nie igiełkowe, te są za delikatne na
takie warunki. W dodatku zyskują one magiczną zdolność do łączenia się z
gwiazdkami i płatkami dendrytowymi.
A gdybyśmy zeszli jeszcze niżej? Heksagonalne formy
kryształków lodu są trwałe od 0°C do -80°C. Co dalej? Możliwa staje się
krystalizacja w układzie regularnym (czyli kostka sześcienna i wariacje na jej
temat). Aby jednak formy te były trwałe, musimy schłodzić atmosferę aż do
-120°C.
Tak, widzicie tu dwanaście gałązek przy jednym płatku. Niestety, nasi mądrzy naukowcy nie wiedzą jeszcze w jakich warunkach tworzy się takie cudo, ponieważ tworzy się zbyt rzadko, żeby móc to dokładnie zbadać.
Dobra, dosyć tego chłodzenia na dzisiaj!
Oczywiście, świat lodu jest o wiele bardziej rozbudowany i
nie sposób opowiedzieć o wszystkim w jednym, krótkim artykule na blogu.
Zachęcamy do zagłębienia się w temat (niezbędne linki na dole) – jak
przyłapiecie nas na pisaniu głupot albo będziecie chcieli sami rozwinąć jakiś
wątek, dajcie znać!
Życzymy Wam udanej majówki!
PS ulepimy dziś bałwana? ;)
Źródła wiedzy:
Źródła obrazków:
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz