Pahulja

Makro fotografija prirodne pahulje

Pahulja jest pojedinačni ledeni kristal koji je dostigao dovoljnu veličinu, i možda se spojio s drugim, da pada kroz Zemljinu atmosferu kao snijeg.[1][2][3] Svaka pahulja stvara jezgro oko sićušne čestice u prezasićenim vazdušnim masama privlačeći pothlađene kapljice vode u oblaku, koje se smrzavaju i nakupljaju u kristalnom obliku. Složeni oblici nastaju kako se pahulja kreće kroz različite temperaturne i vlažne zone u atmosferi, tako da se pojedinačne pahulje u detaljima razlikuju jedna od druge, ali se mogu kategorizirati u osam širokih klasifikacija i najmanje 80 pojedinačnih varijanti. Glavni sastavni oblici za kristale leda, od kojih se mogu pojaviti kombinacije, su igla, stupac, ploča i inje. Snijeg izgleda bijele boje iako je napravljen od čistog leda. To je zbog difuzne refleksije cijelog spektra svjetlosti od strane malih kristalnih strana pahulja.[4]

Nastanak

[uredi | uredi izvor]
Svježe pale pahulje

Snježne pahulje stvaraju jezgro oko mineralnih ili organskih čestica u zračnim masama zasićenim vlagom koje su ispod smrzavanja. Oni rastu neto akrecijom do početnih kristala u heksagonalnim formacijama. Kohezivne sile su prvenstveno elektrostatičke.

Nukleus

[uredi | uredi izvor]

U toplijim oblacima, čestica aerosola ili "ledeno jezgro" mora biti prisutna u ili u kontaktu sa kapljicom da bi djelovala kao jezgro. Čestice koje čine jezgra leda su vrlo rijetke u poređenju sa jezgrima na kojima se formiraju kapljice tečnog oblaka; međutim, nije jasno šta ih čini efikasnim. Glina, pustinjska prašina i biološke čestice mogu biti efikasni,[5] iako je nejasno u kojoj mjeri. Umjetna jezgra uključuju čestice srebrnog jodida i suhog leda, a oni se koriste za stimulaciju padavina u zasijavanju oblaka.[6] Eksperimenti pokazuju da se "homogena" nukleacija kapljica oblaka javlja samo na temperaturama nižim od −35 °C.[7]

Rast

[uredi | uredi izvor]
Slika snježnog mraza na oba kraja snježne pahuljice pomoću skeniranim elektronskim mikroskopom.

Jednom kada se kapljica vode zamrzne kao jezgro leda, ona raste u prezasićenom okruženju – u kojem tečna vlaga koegzistira s ledom izvan svoje ravnotežne tačke na temperaturama ispod nule. Kapljica tada raste taloženjem molekula vode u zraku (pare) na površinu kristala leda gdje se skupljaju. Budući da su kapljice vode mnogobrojnije od kristala leda zbog njihovog čistog izobilja, kristali mogu narasti do veličine stotina mikrometara ili milimetara na račun kapljica vode. Ovaj proces je poznat kao Wegener−Bergeron−Findeisen proces. Odgovarajuće smanjenje vodene pare uzrokuje isparavanje kapljica, što znači da kristali leda rastu na račun kapljica. Ovi veliki kristali su efikasan izvor padavina, jer zbog svoje mase padaju kroz atmosferu i mogu se sudarati i lijepiti zajedno u klastere ili agregate. Ovi agregati su obično vrsta ledenih čestica koje padaju na tlo.[8] Guinnessova knjiga rekorda navodi najveće agregirane pahulje na svijetu kao one iz januara 1887. u Fort Keogh, Montana, za koje se tvrdilo da su široke 38 cm – što je znatno izvan uobičajeno dokumentovanog raspona agregiranih pahulja od 76–100 mm u širini. Uočeni su pojedinačni kristali veličine novčića (17,91 mm u prečniku).[3] Snježne pahulje obložene injem oblikuju kuglice poznate kao krupa.

Izgled

[uredi | uredi izvor]

Boja

[uredi | uredi izvor]
Snježni kristali na jakoj direktnoj sunčevoj svjetlosti djeluju kao male prizme

Iako je led sam po sebi čist, snijeg obično izgleda bijele boje zbog difuzne refleksije cijelog spektra svjetlosti raspršivanjem svjetlosti malim kristalnim plohama pahuljica od kojih se sastoji.[4]

Oblik

[uredi | uredi izvor]

Oblik snježne pahulje je u velikoj mjeri određen temperaturom i vlažnošću na kojoj se formira.[8] Rijetko, na temperaturi od oko −2 °C, pahulje se mogu formirati u trostrukoj simetriji – trouglaste pahulje.[9] Većina snježnih čestica je nepravilnog oblika, uprkos njihovom uobičajenom prikazu kao simetričnim. Malo je vjerovatno da su bilo koje dvije pahulje slične zbog procijenjenih 1019 (10 kvintiliona) molekula vode koje čine tipičnu pahulju[10] koje rastu različitim brzinama i različitim obrascima ovisno o promjeni temperature i vlažnosti u atmosferi koja pahulja propada na svom putu do zemlje.[11] Pahulje koje izgledaju identično, ali se mogu razlikovati na molekularnom nivou, uzgajane su u kontroliranim uslovima.[12]

Iako snježne pahulje nikada nisu savršeno simetrične, rast neagregirane pahulje često se približava šesterostrukoj radijalnoj simetriji, koja proizlazi iz heksagonalne kristalne strukture leda.[13] U toj fazi, pahulja ima oblik malog šestougla. Šest "ruka" pahuljice, ili dendrita, tada rastu nezavisno od svakog uglova šesterokuta, dok obje strane svake ruke rastu nezavisno. Mikrookruženje u kojem pahulja raste dinamički se mijenja kako pahulja pada kroz oblak, a male promjene temperature i vlažnosti utiču na način na koji se molekuli vode vezuju za pahulju. Budući da su mikrookruženje (i njegove promjene) skoro identične oko pahulje, svaka ruka ima tendenciju rasta na gotovo isti način. Međutim, boravak u istom mikro−okruženju ne garantuje da svaka ruka raste isto, za neke kristalne oblike nije slučaj jer osnovni mehanizam rasta kristala također utiče na brzinu rasta svake površine kristala.[14] Empirijske studije sugerišu da manje od 0,1% snježnih pahulja pokazuje idealan šestostruki simetrični oblik.[15] Povremeno se uočava dvanaest razgranatih pahulja; oni održavaju šesterostruku simetriju.[16]

Klasifikacija

[uredi | uredi izvor]
Rana klasifikacija pahulja Israel Perkins Warren.[17]

Pahulje se formiraju u širokom spektru zamršenih oblika, što dovodi do ideje da "nema dvije iste". Iako su gotovo identične pahulje napravljene u laboratoriji, malo je vjerovatno da će se naći u prirodi.[10][18][19][20] Prvi pokušaji pronalaženja identičnih snježnih pahuljica fotografisanjem hiljada njih mikroskopom od 1885, Wilson Alwyn Bentley, otkrili su široku paletu snježnih pahulja o kojima danas znamo.

Ukichiro Nakaya je razvio morfološki dijagram kristala, povezujući oblik kristala s temperaturom i uslovima vlage pod kojima su se formirali, što je sažeto u sljedećoj tabeli:[21]

Morfologija kristalne strukture kao funkcija temperature i zasićenosti vodom
Raspon temperature Opseg zasićenja (g/m3) Vrste snježnih kristala

ispod zasićenja

Vrste snježnih kristala

iznad zasićenja

0 °C do −3.5 °C 0.0 − 0.5 Čvrste ploče Tanke ploče

Dendriti

−3.5 °C do −10 °C 0.5 − 1.2 Čvrste prizme

Šuplje prizme

Šuplje prizme

Igle

−10 °C do −22 °C 1.2 − 1.2 Tanke ploče

Čvrste ploče

Sektorne ploče

Dendriti

−22 °C do −40 °C 0.0 − 0.4 Tanke ploče

Čvrste ploče

Stubovi

Prizme

Mikrograf Wilson Bentley koji prikazuje dvije klase pahulja, ploču i stupac. Nedostaje primjer igle.

Oblik snježne pahulje određen je prvenstveno temperaturom i vlažnošću na kojoj se formira.[8] Zamrzavanje zraka do −3 °C promoviše planarne kristale (tanke i ravne). U hladnijem vazduhu do −8 °C, kristali se formiraju kao šuplji stubovi, prizme ili igle. Na zraku do −22 °C, oblici ponovo postaju pločasti, često s razgranatim ili dendritičnim karakteristikama. Na temperaturama ispod −22 °C, kristali postaju pločasti ili stubasti, u zavisnosti od stepena zasićenosti. Kako je Nakaya otkrio, oblik je također funkcija toga da li je prevladavajuća vlaga iznad ili ispod zasićenja. Forme ispod linije zasićenja teže ka čvrstim i kompaktnim. Kristali formirani u prezasićenom zraku teže ka čipkastim, nježnim i ukrašenim. Mnogi složeniji obrasci rasta se također formiraju kao što su bočne ravni, rozete metaka i planarni tipovi u zavisnosti od uslova i jezgri leda.[22][23][24] Ako je kristal počeo da se formira u režimu rasta stuba, na oko −5 °C, a zatim padne u topliji pločasti režim, tada pločasti ili dendritski kristali niču na kraju kolone, stvarajući tako pod nazivom "ograničena kolona".[8]

Magono i Lee su osmislili klasifikaciju svježe formiranih snježnih kristala koja uključuje 80 različitih oblika. Oni su navedeni u sljedećim glavnim kategorijama (sa simbolom):[25]

  • Igličasti kristal (N) – podijeljen na: jednostavne i kombinacije igala
  • Stubčasti kristal (C) – podijeljen na: jednostavne i kombinacije stubova
  • Pločasti kristal (P) – podijeljen na: pravilan kristal u jednoj ravni, ravan kristal sa proširenjima, kristal sa nepravilnim brojem grana, kristal sa 12 grana, deformisani kristal, zračeći sklop ravnih grana
  • Kombinacija stubastog i pločastog kristala (CP) – podijeljeno na: stupac sa ravnim kristalom na oba kraja, metak sa ravnim kristalima, ravan kristal sa prostornim proširenjima na krajevima
  • Stubasti kristal sa proširenim bočnim ravnima (S) – podijeljen na: bočne ravni, bočne ravnine slične ljuskama, kombinaciju bočnih ravnina, metaka i stupova
  • Okvirni kristal (R) – podijeljen na: okvirni kristal, gusto obrubljen kristal, kristal nalik na krupu, krupa
  • Nepravilni snježni kristal (I) – podijeljen je na: čestice leda, obrubljene čestice, odlomljeni komad od kristala, razno
  • Klica snježnog kristala (G) – podijeljena na: minutni stupac, klica skeletnog oblika, minuta heksagonalne ploče, sićušni zvjezdani kristal, minutni sklop ploča, nepravilna klica

Svaki je dokumentiran mikrografijama.[26]

Međunarodna klasifikacija za sezonski snijeg na tlu opisuje klasifikaciju snježnih kristala, nakon što se taloži na tlo, koja uključuje oblik zrna i veličinu zrna. Sistem također karakterizira snježni omotač, jer se pojedinačni kristali metamorfiziraju i spajaju.[27]

Galerija

[uredi | uredi izvor]

Izbor fotografija koje je napravio Wilson Bentley (1865–1931):

Sveobuhvatne fotografske studije svježih pahuljica pokazuju da je jednostavna simetrija predstavljena na Bentleyevim fotografijama rijetka.[28]

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. ^ Knight, C.; Knight, N. (1973). Snow crystals. Scientific American, vol. 228, no. 1, pp. 100–107.
  2. ^ Hobbs, P.V. 1974. Ice Physics. Oxford: Clarendon Press.
  3. ^ a b Broad, William J. (20. 3. 2007). "Giant Snowflakes as Big as Frisbees? Could Be". The New York Times. Arhivirano s originala, 4. 11. 2011. Pristupljeno 12. 7. 2009.
  4. ^ a b Lawson, Jennifer E. (2001). "Chapter 5: The Colors of Light". Hands-on Science: Light, Physical Science (matter). Portage & Main Press. str. 39. ISBN 978-1-894110-63-1. Arhivirano s originala, 1. 1. 2014. Pristupljeno 28. 6. 2009.
  5. ^ Christner, Brent Q.; Morris, Cindy E.; Foreman, Christine M.; Cai, Rongman & Sands, David C. (2007). "Ubiquity of Biological Ice Nucleators in Snowfall". Science. 319 (5867): 1214. Bibcode:2008Sci...319.1214C. CiteSeerX 10.1.1.395.4918. doi:10.1126/science.1149757. PMID 18309078. S2CID 39398426.
  6. ^ "Meteorology Glossary: Cloud seeding". American Meteorological Society. 26. 1. 2012. Arhivirano s originala, 22. 12. 2015. Pristupljeno 5. 1. 2016.
  7. ^ Basil John Mason (1971). Physics of Clouds. Clarendon. ISBN 978-0-19-851603-3.
  8. ^ a b c d M. Klesius (2007). "The Mystery of Snowflakes". National Geographic. 211 (1): 20. ISSN 0027-9358.
  9. ^ Libbrecht, Kenneth G. (11. 9. 2006). "Guide to Snowflakes". California Institute of Technology. Arhivirano s originala, 10. 7. 2009. Pristupljeno 28. 6. 2009.
  10. ^ a b John Roach (13. 2. 2007). ""No Two Snowflakes the Same" Likely True, Research Reveals". National Geographic News. Arhivirano s originala, 9. 1. 2010. Pristupljeno 14. 7. 2009.
  11. ^ Libbrecht, Kenneth (Winter 2004–2005). "Snowflake Science" (PDF). American Educator. Arhivirano (PDF) s originala, 17. 9. 2010. Pristupljeno 19. 10. 2010.
  12. ^ Olsen, Erik (16. 2. 2018). "Meet the scientist who makes identical snowflakes". Quartz. Pristupljeno 16. 2. 2018.
  13. ^ Nelson, Jon (15. 3. 2011). "The Six-fold Nature of Snow". The Story of Snow. Arhivirano s originala, 9. 12. 2017.
  14. ^ Nelson, Jon (17. 3. 2005). "Branch Growth and Sidebranching in Snow Crystals" (PDF). Story of Snow. Arhivirano (PDF) s originala, 5. 1. 2015.
  15. ^ Bohannon, John (10. 4. 2013). "ScienceShot: The True Shape of Snowflakes". ScienceNOW. American Association for the Advancement of Science. Arhivirano s originala, 29. 10. 2016. Pristupljeno 5. 1. 2016.
  16. ^ Smalley, I.J. (1963). "Symmetry of Snow Crystals". Nature. 198 (4885): 1080–1081. Bibcode:1963Natur.198.1080S. doi:10.1038/1981080b0. S2CID 4186179.
  17. ^ Warren, Israel Perkins (1863). Snowflakes: a chapter from the book of nature. Boston: American Tract Society. str. 164. Pristupljeno 25. 11. 2016.
  18. ^ Kenneth G. Libbrecht. "Identical-Twin Snowflakes".
  19. ^ Jon Nelson (26. 9. 2008). "Origin of diversity in falling snow" (PDF). Atmospheric Chemistry and Physics. 8 (18): 5669–5682. Bibcode:2008ACP.....8.5669N. doi:10.5194/acp-8-5669-2008. Arhivirano (PDF) s originala, 20. 11. 2011. Pristupljeno 30. 8. 2011.
  20. ^ Libbrecht, Kenneth (Winter 2004–2005). "Snowflake Science" (PDF). American Educator. Arhivirano s originala (PDF), 28. 11. 2008. Pristupljeno 14. 7. 2009.
  21. ^ Bishop, Michael P.; Björnsson, Helgi; Haeberli, Wilfried; Oerlemans, Johannes; Shroder, John F.; Tranter, Martyn (2011). Singh, Vijay P.; Singh, Pratap; Haritashya, Umesh K. (ured.). Encyclopedia of Snow, Ice and Glaciers. Springer Science & Business Media. str. 1253. ISBN 978-90-481-2641-5.
  22. ^ Matthew Bailey; John Hallett (2004). "Growth rates and habits of ice crystals between −20 and −70C". Journal of the Atmospheric Sciences. 61 (5): 514–544. Bibcode:2004JAtS...61..514B. doi:10.1175/1520-0469(2004)061<0514:GRAHOI>2.0.CO;2.
  23. ^ Kenneth G. Libbrecht (23. 10. 2006). "A Snowflake Primer". California Institute of Technology. Arhivirano s originala, 10. 7. 2009. Pristupljeno 28. 6. 2009.
  24. ^ Kenneth G. Libbrecht (January–February 2007). "The Formation of Snow Crystals". American Scientist. 95 (1): 52–59. doi:10.1511/2007.63.52.
  25. ^ Magono, Choji; Lee, Chung Woo (1966). "Meteorological Classification of Natural Snow Crystals". Journal of the Faculty of Science. 7 (jezik: engleski) (Geophysics izd.). Hokkaido. 3 (4): 321–335. hdl:2115/8672.
  26. ^ Pruppacher, H. R.; Klett, J. D. (25. 6. 2010). Microphysics of Clouds and Precipitation (jezik: engleski). Springer Science & Business Media. str. 43. ISBN 978-0-306-48100-0.
  27. ^ Fierz, C.; Armstrong, R.L.; Durand, Y.; Etchevers, P.; Greene, E.; et al. (2009), The International Classification for Seasonal Snow on the Ground (PDF), IHP-VII Technical Documents in Hydrology, 83, Paris: UNESCO, str. 80, arhivirano (PDF) s originala, 29. 9. 2016, pristupljeno 25. 11. 2016
  28. ^ Pilcher, Helen (17. 12. 2013). "The great white lie: What snowflakes really look like". New Scientist. Pristupljeno 6. 6. 2023.