wz

O sněhové vločce

V únoru 1635 strávil filozof a přírodovědec René Descartes několik dní v zasněženém Amsterodamu a jím pořízené líčení sněhových vloček, které pozoroval, dodnes nikdo nepřekonal: „…Nejvíce mne udivilo, když jsem si mezi vločkami, jež padaly ke konci, povšiml několika takových, jež měly po obvodu šest zoubků, jako by to bylo kolečko vyrobené hodinářem… …Nazítří ráno jsem spatřil malé ledové šupinky, velmi tenké, vyhlazené, průsvitné, a přitom vytvarované do dokonalého šestiúhelníka; žádný člověk by nedokázal odvést tak přesnou práci… …Nakonec následovaly křišťálové hranolky ozdobené na obou koncích šestilistými růžicemi, jen o málo většími, než byla podstava hranolku.“

Descartův stručný popis skvěle vystihuje, co je na sněhových vločkách nejzřejmější a zároveň nejúžasnější. Že mají tvar šestiúhelníka, ví každé malé dítě. Vědci však stále nerozluštili otázku, jak mohou být všechny vločky šestiúhelníkové a přitom mít tolik odlišných podob. Pokud všechny vznikají víceméně stejným způsobem, proč některé připomínají kolečka z hodinek a jiné zase křišťálové hranolky?

(Descartes měl náhodou štěstí, že zahlédl hranolky zakončené na obou koncích „šestilistými růžicemi“ jako kolečka nasazenými na osu. Řada zasloužilých pozorovatelů sněhových vloček je spatří nanejvýše jednou nebo dvakrát za život.)

Na Descartově práci je zvláštní ještě něco: ve své době šlo teprve o druhé tiskem vydané pojednaní o vločkách, které si všímalo jejich šestiúhelníkového tvaru! První zmínka pocházela z pera Johannese Keplera, astronoma, proslulého zejména pracemi o tvaru planetárních drah. Ten vydal v roce 1611 spisek nazvaný „O šestiboké sněhové vločce“. Pokud bychom šli o pouhé půlstoletí do minulosti, zjistili bychom, že tehdejší Evropané neměli o tvaru vloček ponětí. Dřevořez v díle uppsalského arcibiskupa z roku 1555 zobrazuje 23 údajných podob sněhových vloček, přičemž šestiboká je jen jedna z nich. Zbývající tvary jsou skutečně různorodé (oči, ruce, zvony, šípy i půlměsíce) a dávají tušit, že autor toho o vločkách mnoho nevěděl. naopak v Číně je přesně popsali již ve 2.století n.l.

Na první pohled nám tedy může připadat zvláštní, že ještě před čtyřmi sty lety nikdo v Evropě neznal pravý tvar vloček – a pokud je znal, svůj objev nezveřejnil. Když začne sněžit, zpravidla netrvá dlouho a my můžeme na skle auta nebo na rukávu kabátu spatřit první šestiúhelníkové útvary. Na druhé straně je pravda, že si vždycky snáz všimneme něčeho, co už předem dobře známe. Zaznamenali bychom ty dokonale pravidelné a bezchybné šestiúhelníky stejně rychle, kdybychom se s jejich existencí neseznámili už v mateřské škole?

Vraťme se ke Keplerovi, který si už tenkrát položil otázku: proč? Jaká forma, jaká síla nutí miliony vloček - šupinek, hranolků a hvězdiček ze zmrzlé vody, aby se formovaly do tvaru šestiúhelníka? Dospěl k závěru, že se vločky skládají z menších částeček a ty se z nějaké příčiny shlukují právě do tohoto útvaru. Fascinovala ho skutečnost, že se s šestiúhelníkem setkáváme všude tam, kde je třeba účelně seskupit menší části do většího celku, ať jsou to jednotlivé buňky v plástvi nebo semínka v granátovém jablku. Co může za tvar sněhových vloček, ovšem neodhalil ani on.

Keplerova otázka mohla být aspoň z části zodpovězena až ve 20.století. Struktura vločky závisí především na samotné molekule vody. Ta se, jak známo, skládá ze dvou atomů vodíku a jednoho atomu kyslíku: H2O. Při pokojové teplotě, když je voda v kapalném skupenství, jednotlivé molekuly vibrují, kloužou kolem sebe, narážejí jedna do druhé a zase se odrážejí. Přitom mezi nimi nezůstává skoro žádný volný prostor. Jakmile však teplota dostatečně poklesne, převáží elektrické vazby mezi molekulami nad tímto obvyklým chaosem a molekuly zůstanou fixovány v pevně daných pozicích. Říkáme tomu, že voda zamrzla.

Vzdálenost mezi molekulami vody znehybněnými mrazem je stále stejná. Pod rentgenem zjistíme, že se v krystalcích ledu s pozoruhodnou pravidelností opakuje obraz šestiúhelníka: v každém vrcholu šest molekul vody, z nichž každá je spojena s jinými molekulami ležícími po jejích stranách, nad ní a pod ní. Kepler byl pravdě blíž, než sám tušil – masa ledových krystalků připomíná obří plástev.

Právě opakující se šestiúhelníkový vzor je klíčem k tajemství sněhových vloček. Za příhodných atmosférických podmínek začne vznikat krystal, obvykle kolem mikroskopického zrnka prachu, na něž se nabalují další a další molekuly vody. Přitom stále zachovávají šestiúhelníkovou strukturu. Ve chvíli, kdy je dostatečně velká, aby byla vidět pouhým okem, máme před sebou sněhovou vločku.

Největším vědcem, který se ve 20.století zabýval studiem sněhových vloček, byl dnes již nežijící Ukičiro Nakaja, původně jaderný fyzik, jehož životní dráha se od základu změnila, když byl roku 1932 (ne)přízní osudu jmenován vedoucím katedry fyziky na univerzitě ležící na nejsevernějším japonském ostrově Hakkaidó. Škola postrádala vybavení, jež by umožňovalo provádět výzkumy v oblasti atomového jádra, ale zato trpěla přívaly sněhu. Nakaja se zachoval jako pravý pragmatik a vybral si nové pole působnosti. Jako první vědec vyrobil sněhové vločky v laboratorních podmínkách, když v chladících komorách naplněných vodními parami „rozvěsil“ králičí chlupy jako miniaturní prádelní šňůry. Králičí chlupy mají na povrchu drobné uzlíky, které hrají při tvorbě vloček stejnou roli jako prachové částečky obsažené ve vzduchu. Usazují se na nich ledové krystalky a umožňují vylučování dalších krystalů z okolního vzduchu. Nakaja jako první ukázal, proč mohou mít sněhové vločky tak různorodý tvar, od šesticípých hvězdiček lehkých jako pírko přes silné ledové šupiny – rovněž šestiúhelníkové – až po tyčinky ukončené na obou stranách šestihrany, o nichž se zmiňoval Descartes.

Tvar vločky vypovídá o historii jejího vzniku. Řečeno s Nakajou:sněhová vločka je dopis z nebes. Klíčovou roli hraje teplota a vlhkost vzduchu: s tím jak se mění tyto veličiny, mění se i způsob narůstání ledových krystalků. Vločka vznikající v poměrně suchém vzduchu při minus 15 °C bude mít tvar placky, kdežto při teplotě o 10 stupňů nižší se vytvoří robustní hranolek. Nadýchané šesticípé vločky z vánočních pohlednic se vytvoří ve vlhkém vzduchu při teplotě kolem minus 14 °C. Jistě si dovedete představit, jak komplikované situace nastane, když se vločka začne formovat při určité teplotě a vlhkosti, pak jí začne zmítat poryv větru, nejprve rychle, potom pomalu (rozdíl rychlosti má vliv na růst krystalů) a nakonec se snese k zemi. Okolní teplota i vlhkost se přitom opět mění. Každá taková změna uchová stávající tvar, ale přidá k němu něco nového. Nakaja měl pravdu – z tvaru vločky lze vyčíst její historii.

Čím to, že je vlhkost a teplota tak významná? A jsou-li krystaly ledu jeden jako druhý, přinejmenším na úrovni molekul, proč nejsou stejné i vločky? Tato otázka se dotýká samých hranic fyziky. Jistě se shodneme na obecné představě: volně plující molekuly vody, případně zmrzlé shluky molekul vrážejí do zformované vločky a stávají se její součástí. Čím vyšší je vlhkost vzduchu, tím víc molekul soupeří o „volná místa“. Čím nižší je teplota, tím snáze se utvářejí pevné vazby, které je udrží ve struktuře vločky. Lze si snadno představit, jak se z placky stane sloupek nebo kvádřík: místo do šířky začne narůstat do výšky. A pokud se šestiúhelníková placka nezvětšuje rovnoměrně po celém obvodu, ale jen ve svých vrcholech, začnou z ní vyrůstat „nožičky“. Je ovšem prakticky nemožné přesně zjistit, jaké podmínky panují v mikroskopickém okolí krystalu. Zde vstupují do hry nepatrné rozdíly v okolní teplotě a počtu molekul, jejichž působením může vložka změnit tvar. Ledové šupinky, které pozoroval Descartes, se zřejmě zpočátku utvářely jako hranolky a pak se změnily v placku. Přesto si - stejně jako většina vloček – uchovaly dokonalou souměrnost. Nestává se, že by jedna nožička byla desetkrát delší než ostatní. Jak může vločka vědět, co se děje na její druhé straně, a zaručit, aby po celém obvodu rostla stejně rychle? Tohle je zřejmě vůbec nejsložitější otázka.

Je pravda, že nemohou existovat dvě zcela stejné vločky? Až do roku 1988 odpovídali vědci kladně; nyní říkají: …možná. V květnu 1988 totiž Nancy Knight z Národního střediska pro výzkum atmosféry v coloradském Boulderu oznámila nález dvojice „prakticky totožných“ vloček. Byly objeveny 1.listopadu 1986 týmem zkoumajícím mraky z letadla letícího ve výšce kolem 6000 metrů. Tvarem se podobají malým sloupkům s dutou střední částí připomínající baňatou vázu a skutečně se zdají být identické. Dr. Knight, expertka na sněhové vločky, tvrdí, že nikdy dřív neviděla vločky, které by byly do takové míry “stejné nebo přinejmenším tak velmi podobné“. Přesto nedokážeme s jistotou říct, zda byly obě vločky skutečně jedna jako druhá - existuje pouze jeden snímek z jediného úhlu a při jednom zvětšení. To ponechává možnost milovníkům tradičního tvrzení. Ti mohou i nadále poukazovat na některé velmi přesvědčivé statistiky a tvrdit, že nejspíš ani tyto dvě vločky nebyly „tak docela“ stejné.

Představte si, kolik vloček muselo napadat na naši planetu od dob jejího vzniku. Jeden odhad zní 1035; pod tímto číslem – jedničkou následovanou 35 nulami – se skrývá množství sněhu těžší než celá zeměkoule, i přesto, že každá vločka váží pouhou miliontinu gramu. Jistě si řeknete, že se v takovém množství musely vyskytnout aspoň dvě, které byly zcela totožné - nebo snad ne?

Tak počítejme. Každá vločka obsahuje asi 1018 (miliardu miliard) molekul vody a ty mohou být uspořádány nekonečným množstvím způsobů. Co je to nekonečné množství? Představme si osamělou vločku, jak se snáší k zemi a přitom zvolna roste. Hrubým výpočtem zjistíme, že než dopadne na zem, asi milionkrát se zopakuje situace, v níž si nová molekula, která se k ní bude chtít připojit, bude moci „vybrat“ z většího množství pozic než z jedné jediné. Spektrum možností tak narůstá do neuvěřitelných cifer: počet možných tvarů vloček může být triliony trilionů krát větší, než kolik jich od počátku světa nasněžilo. A kromě toho je krajně nepravděpodobné, že by dvě vločky prošly zcela stejným vývojem. Kdybychom současně z jednoho místa vypustily dva balónky, poletí každý jinam, protože je poženou jiné závany větru. Dvě vločky padající stejnou cestou navíc nemohou získat stejný tvar už proto, že molekuly vody, které pohltí prvá vločka, nemůže absorbovat druhá.

Statistická data vedou k nevyhnutelnému závěru: je mimořádně nepravděpodobné, aby se na světě vyskytly dvě zcela stejné vločky.

A co si myslíte o fotografii, kterou zkoumala dr. Knight? Buď zobrazuje dvojici téměř shodných, nikoli identických a pak se jedná o pouhou kuriozitu, anebo je to jediný existující důkaz existence dvou vloček, které se od sebe ničím nelišily. V tom případě je snímek vědeckým skvostem a naprostým mezníkem ve čtyřsetleté historii zkoumání těchto křehkých sněhových krásek.

 

Padající sněhoví „sedláci“ v noci na Šumavě…

 

Pokud tedy toho napadaného množství sněhových vloček ještě letos nemáte dost, tak vám doporučuji podívat se na speciální fotografie sněhových vloček na webové stránce Snow crystals. Další odborné informace v angličtině najdete na stránkách Kalifornského Institutu nebo v češtině na stránkách hvězdárny ve Vsetíně


VEZA

Zpět na Úkazy na nebi a ve vesmíru

 

Zpět k Mostu ?