Vine iarna. Sau, mai precis, sezonul de iarnă începe pe 21 decembrie. Unii oameni îl urăsc, în timp ce alții (ca mine) îl iubesc.
De fiecare dată când auzim cuvântul iarnă, ne gândim la acea perioadă rece a anului în care purtăm eșarfe, jachete și paltoane și ne adunăm cu cei dragi și mâncăm (o mulțime) de mâncare delicioasă.
Dar dacă ți s-ar cere să descrii cuvântul „iarnă” cu un simbol simplu, care ar fi acel simbol? Cei mai mulți dintre noi s-ar gândi probabil la un fulg de zăpadă alb și frumos. Și nu suntem singurii care se gândesc la asta: dacă cauti pe Google cuvântul „iarna” și mergi la secțiunea de imagini, vei găsi o mulțime de poze cu fulgii de nea.
Fulgul de nea este cel mai iconic simbol care reprezintă vremea rece și este, de asemenea, o imagine tradițională folosită în perioada Crăciunului.
Este bine cunoscut faptul că majoritatea fulgilor de zăpadă au șase laturi (model hexagonal) și multe ramuri în jurul lor. În afară de asta, fulgii de zăpadă vin într-o mare varietate de forme și dimensiuni. Acest lucru duce la expresia comună „nu există doi fulgi de zăpadă la fel”.
Dar cum se formează un fulg de zăpadă? În acest blog, vom descrie procesul de formare a fulgilor de zăpadă și vom explica de ce există o varietate de forme și dimensiuni. Pentru a face asta, trebuie doar să înțelegem câteva concepte de bază: umiditate și suprasaturație.
Umiditate și condiții medii
Mulți dintre noi, înainte de a merge la serviciu, la facultate sau la universitate, vom verifica prognoza meteo pentru a decide dacă trebuie să ne purtăm paltoanele sau să luăm cu noi o umbrelă. Zilnic puteți găsi o mulțime de informații despre prognoza unei anumite zile. Probabil că vei fi familiarizat cu temperatura minimă și maximă, vizibilitatea și șansa de ploaie.
Există și o altă informație care este întotdeauna raportată și care este relevantă pentru acest timp: umiditatea relativă a unui oraș, care este exprimată în mod normal ca procent. Ce înseamnă acea valoare? Cu cuvinte simple, umiditatea este o măsurare a cantității de vapori de apă din aer. Acest sistem poate fi văzut ca un amestec, cu aerul ca solvent și apa ca solut. Sau, te poți gândi la asta într-un mod mai simplu: ca un burete umed, unde aerul este buretele care va reține apa.
Temperatura mediului afectează umiditatea: cu cât temperatura este mai mare, cu atât aerul poate reține mai mulți vapori de apă (și invers). Dar există un prag: pentru o temperatură fixă (să zicem 20 C) aerul nu poate absorbi și reține cantități nelimitate de apă.
Conceptul de umiditate relativă (RH) este practic raportul dintre cantitatea curentă de vapori de apă prezentă în aer și cantitatea maximă de vapori de apă pe care aerul ar putea să o rețină la o anumită temperatură, exprimată în procente.
De exemplu, dacă prognoza unei zile însorite raportează o umiditate relativă de 60%, aerul poate reține în continuare mai multă apă (cu cel puțin 40 de puncte procentuale mai mult). Dacă vedem o umiditate relativă de 95%, înseamnă că aerul este aproape plin de apă și poate conține doar cinci puncte procentuale în plus. Temperaturile scăzute tind să dea valori ridicate ale RH, iar temperaturile ridicate tind să dea valori medii și mici ale RH
Formarea fulgilor de zăpadă necesită valori ridicate ale umidității relative, adică este necesar să existe prea mulți vapori de apă în mediu; sau, mai puține cuvinte, avem nevoie de nori , deoarece aici se nasc fulgii de zăpadă.
Totuși, mai avem nevoie de ceva. În figura de mai jos, putem observa temperaturile medii maxime și minime și RH înregistrate în două orașe: Londra, Marea Britanie, și Toronto, Canada. Observăm că Londra are întotdeauna valori ridicate ale RH (de unde vremea înnorată), iar în anotimpurile de iarnă aceste valori tind să crească și mai mult.
Din păcate (sau din fericire, în funcție de punctul tău de vedere), Londra rareori se confruntă cu ninsori, deoarece temperaturile nu sunt de obicei suficient de scăzute (în jur de 4–6C). Pe de altă parte, orașul Toronto este un loc înzăpezit și, deși are valori de RH similare cu cele ale Londrei, se așteaptă ca temperaturile sale medii să scadă sub 0C.
Suprasaturare
Deci, avem nevoie de valori ridicate ale RH și temperaturi scăzute, dar acest lucru încă nu este suficient pentru a forma fulgi de zăpadă: trebuie să existe o anumită stare instabilă în nori: suprasaturarea , care apare atunci când există mai mulți vapori de apă în aer decât limita obișnuită. de 100%.
Acest fenomen are o cauză: imaginați-vă că temperatura este de 4C, iar RH raportată este în jur de 96% (care este aproape capacitatea maximă a aerului). Dacă temperatura scade sub 4C, capacitatea de reținere a vaporilor de apă a aerului va scădea (RH va crește), ceea ce este o situație instabilă.
Aerul trebuie să facă ceva pentru a reveni la starea stabilă: excesul de vapori de apă se cristalizează, fie în picături de apă, fie direct în gheață, în funcție de temperatura norului.
Formarea unui fulg de nea
După cum am văzut, suprasaturația duce la formarea de picături de apă. Viața unui fulg de zăpadă începe ca o picătură minusculă de apă suprarăcită care îngheață în nori pentru a crea un cristal de gheață. Picăturile ar putea îngheța dacă temperatura norului este suficient de rece.
Dacă norii sunt mai caldi, formarea cristalului poate începe în jurul unui nucleu, cum ar fi o impuritate (o particule de praf sau polen) într-un proces cunoscut sub numele de nucleare .
Figura de mai jos descrie procesul de formare a unui fulg de nea:
a) O singură particulă de praf plutește într-un nor. Praful va oferi o suprafață solidă unde va începe procesul de congelare.
b) Vaporii de apă se vor lipi de particulele de praf, condensându-se pe suprafața acesteia.
c) Această etapă este una dintre cele mai importante: apa se va transforma în gheață. Dispunerea moleculelor unei substanțe determină modul în care aceasta se cristalizează: apa îngheață într-o structură hexagonală . Această formațiune hexagonală permite moleculelor de apă (fiecare cu doi atomi de hidrogen și unul de oxigen) să se formeze împreună în cel mai eficient mod. Acest mic cristal poate fi văzut ca o sămânță din care va crește un fulg de zăpadă.
d) Cele șase colțuri ale structurii hexagonale ale cristalului cresc mai repede, deoarece ies puțin mai departe în aerul umed, astfel încât colectează apa mai repede decât oriunde altundeva pe cristal, determinând ramurile să încolțească. Și, deoarece condițiile din jurul cristalului de zăpadă sunt aproape constante, brațele cresc la aproximativ aceeași viteză (simetrie).
e) Aleatorietatea preia aici: condițiile ar putea favoriza creșterea de noi plăci, formarea de brațe/ramuri pe noile plăci etc. Fulgul de zăpadă crește pe măsură ce moleculele de apă din aer se unesc cu cristalul de gheață, până când devine suficient de greu pentru a cădea la pământ. Temperaturile mai trebuie să fie suficient de reci, altfel fulgul de nea se va topi și rezultatul va fi zăpada umedă.
Etapa e) menționată mai sus și ceea ce urmează după aceasta reprezintă, în general, un proces dinamic complex: din moment ce cristalele de zăpadă cad prin nor, ele experimentează diferite temperaturi, umiditate, curenți de aer și procese fizice de-a lungul coborârii lor și, astfel, structura fulgului de zăpadă. se va schimba mereu cu timpul. Rezultatul final este modelul complex și unic al unui fulg de nea.
Diagrama morfologică
Modelarea matematică a formării fulgilor de zăpadă este o adevărată provocare, deoarece implică o mulțime de fizici diferite (transformarea fază lichid-vapori, termodinamică, transfer de energie și masă) depinde de timp și de condițiile meteorologice și așa mai departe.
Cercetătorii au studiat acest proces de mult timp. Unul dintre cei mai cunoscuți cercetători din această zonă este un fizician japonez numit Ukichiro Nakaya, care a fost prima persoană care a efectuat experimente de formare a cristalelor de zăpadă în condiții controlate în 1930. El a observat că morfologia fulgilor de zăpadă depinde de temperatură și de condiții. de suprasaturare. Toate observațiile și rezultatele sale pot fi rezumate în diagrama morfologiei cristalelor de zăpadă .
Diagrama oferă informații despre diferitele tipuri de cristale de zăpadă care cresc în aer la presiunea atmosferică în funcție de temperatură și de suprasaturarea vaporilor de apă (grame de apă pe metru cub). La valori mici de suprasaturare si temperaturi mai mari de -5C se vor obtine placi mici.
Este surprinzător cum morfologia fulgilor de zăpadă se schimbă drastic la temperaturi și mai scăzute: de la coloane și prisme solide (-5C) la plăci solide (sub -10C). Temperatura determină în principal dacă cristalele de zăpadă vor crește în plăci sau coloane.
Cand valorile umiditatii sunt scazute, cristalele vor creste incet si se vor obtine forme simple.
Când umiditatea este mai mare, cristalele vor crește rapid și apoi apar forme mai complexe și ramificate.
În câteva cuvinte: saturațiile mai mari vor produce structuri mai complexe. Informațiile și observațiile acestei diagrame au fost dovedite și confirmate experimental în ultimii ani și a fost extinsă la temperaturi de -70C.
Cea mai faimoasă structură de fulgi de zăpadă este structura dendrită, al cărei nume înseamnă asemănător copacului. Este ușor de identificat datorită structurii sale ramificate. Dendritele mici se obțin la temperaturi în jur de -3C, dar cele mai mari se văd la temperaturi mai scăzute (de la -20 la -25C), și asta pentru că atmosfera conține mai multă umiditate.
Un alt fulg de zăpadă frumos și de recunoscut este placa sectorată care formează un model hexagonal cu o formă de stea în centru, iar această structură este văzută în condiții de temperatură aproape similare pentru dendrite, dar cu valori mai mici ale umidității.
Fulgii de zăpadă cu plăci subțiri nu pot obține suficientă umiditate pentru a forma ramuri. Aceste cristale tind să se formeze la temperaturi mai calde.
Unii cercetători din întreaga lume modelează structurile fulgilor de zăpadă, alții simulează formarea unui fulg de zăpadă folosind modele complexe, alții încearcă să aplice haosul și teoria fractală pentru a explica formarea ramurilor și modelele complexe ale fulgilor de zăpadă. Mai sunt câteva mistere care încă nu au un răspuns despre acest fenomen minunat.
