Hópelyhek kialakulása

Wilson A. Bentley hópehely-fotója A kezdet: kondenzálódik egy aprócska porszemen egy igen kis mennyiségû vízpára, ez a hideg levegõben kifagy. Adott tehát egy nagyon kicsike jégmagocska, erre azután további pára fagy rá, növelve a méretét egy idõ múlva hatszögletû kristálylapocska jön létre belõle. Álljunk meg egy pillanatra! Miért lesz hatszögletû a jégkristály és így a hópehely?

Wilson A. Bentley hópehely-fotója (forrás: http://snowflakebentley.com)

 Vízmolekula szerkezete Az oka a vízmolekulában rejtõzik. A magányos vízmolekula oxigénje mellett, egymással 104,45 fokos szöget bezáró két hidrogén található, amelyek fagyáskor egymáshoz kapcsolódva tetraéderes alakzatba rendezõdnek úgy, hogy a tetraéder közepén lesz az oxigén, két csúcsán a két hidrogén, két fennmaradó csúcsát pedig nemkötõ elektronpárok alkotják.



 A tetraéder szögei már 109,5 fokosak lesznek. Vízmolekula fagyáskor tetraéderes szerkezetet vesz fel A hidrogén és e nemkötõ párok segítségével kapcsolódnak egymáshoz a vízmolekulák, a molekulák persze a számukra legkedvezõbb energiájú helyzetet veszik fel, s a hidrogénkötések kapcsolják egybe õket, fagyáskor stabilizálódva. A tetraéderek szabályos elrendezõdése hozza létre a hatszöges szimmetriát mutató vízjeget. A növekvõ jégkristály sarkain mindig van nemkötõ elektronpár, így a következõ vízmolekula ide szeretne majd kapcsolódni - ezzel a molekulaszintû hatszöges szimmetriát lassacskán látható méretûvé teszi.



 A jégben az egybekapcsolódó vízmolekulák tetraéderei hatszöges térbeli elrendezõdést eredményeznek A kezdetekkor egy már kis nagyítással is látható, de igencsak aprócska hatszöghasáb keletkezik, amelynek egyelõre nincsenek kinyúló ágai. Az, hogy milyen alakú lesz a hatszöghasábból kifejlõdõ hópihe, a környezeti körülményektõl függ. Számos kutatás folyt már e témában, nem csupán a természetben kialakult hópelyhek megfigyelésével, hanem mesterségesen, laboratóriumokban növesztett kristályokkal is. Ezekbõl az tudjuk, hogy a legfontosabb a hópelyhek alakja szempontjából a hõmérséklet, a telítettség mértéke, a légnyomás, a szél. A hópelyhek kialakulási feltételek - hõmérséklet, telítettség - szerinti diagramja Ezen körülmények számtalan kombinációban állhatnak elõ, mind egy-egy hópihe mikrokörnyezetében, mind a kialakuló hófelhõ egészét tekintve. A hópihe persze nem marad egy helyben a felhõben, hanem folyamatosan vándorol, így növekedése során eltérõ körülmények közé kerülhet, megváltoztatva ezzel a kialakuló formát. Annál szabályosabb lesz a forma, minél inkább egyezõek a körülmények a felhõben. Ha a lefelé tartó hópihe kevéssé hideg légrétegen jut át, több pihe egybekapcsolódhat, összefagyva már igen tekintélyes méretû pihecsomók hullhatnak, ezért is van enyhébb téli idõben látványos, nagypelyhes havazás.



Nagy hidegben viszont porhó esik, ami vagy egészen apró dendritekbõl, vagy egyszerûbb szerkezetekbõl áll. Ha erõs szél van, akkor a szél is összetörheti a szabályos pelyheket, a végeredmény apróbb, töredezett hókristálydarabkák tömege. Ha a felhõben még a kialakulás fázisának kezdetén egybekapcsolódik két kis jégkristály-lapka, ezeken egymáshoz képest 30 fokkal elforgatva kezd nõni két rétegben a két összenõtt pihe (ezek kezdetektõl egybenõnek), így egy egészen ritkán látható, 12 ágú hópihe lesz a végeredmény. Érdemes vadászni rájuk havazás során, játéknak se rossz! A kutatások alapján egyszerûsített ábrát is készítettek már a hópehelyformák különféle körülmények közti megjelenésérõl, amelynek segítségével a lehulló pihéket figyelve egy kis információt kapunk a felhõben uralkodó viszonyokról is.





Ukicsiro Nakaya által kategorizált hópelyhek (forrás: www.its.caltech.edu)

Hazánkban nem épp gyakori idõjárási helyzet, amikor a felszín közelébe érkezik igen hideg levegõ, ami egyidejûleg párás is, ekkor a pára talaj közelében is kifagyhat a levegõben maradva, s kialakulhatnak a felhõkbõl ismert különféle hatszöghasáb kristályocskák. Ezt gyémántpornak hívjuk, s a fátyolfelhõkhöz hasonlóan halójelenségek jöhetnek rajta létre. Ha a gyémántpor-felhõben vagyunk, a milliónyi kristályka úgy csillog a fényben, mintha mikroszkopikus méretû briliánsok kavarognának körülöttünk, innen kapta a nevét a jelenség. Egy videó, melyben látható a gyémántpor kavargása:




Sarkvidéken, magas hegyek közt gyakoribb a gyémántpor kialakulása, nagy hidegben még a hóágyúk is létrehozhatnak többé-kevésbé szabályos kristálykákat.



Eltérõ hõmérsékletben létrehozott mesterséges hópelyhek, a képrészeken feltüntetve a kialakuláskori hõmérsékletet (forrás: www.its.caltech.edu )

Miért nem hatszögletû a dér, a zúzmara vagy az ablakon növekvõ jégvirág? Ezek a kristályok nem szabad levegõben alakulnak ki, hanem valamilyen tárgy felületén. A tárgyak sosem egyenletesek, rajtuk kisebb-nagyobb hibák, por, kinövések, szõrök vannak. A jég ezen hibákon kezd növekedni, ám a felület, amelyen nõ, térben változik, így nem egyformák a körülmények a jegesedés számára. Figyeljük meg, amint télen pl. a buszok ablakán a vandálok által belekarcolt csíkok mellett kezd a jégvirág növekedni! A karc a szélein egy kissé felpúpozza a felületet, ha nagyítóval nézzük, láthatjuk a hegyes éleket, csúcsokat, melyekre elkezd kifagyni a vízpára. Még nagyobb nagyítással bármilyen tárgyon láthatunk olyan felületi hibákat, amelyeknél elindulhat a jegesedés.


A jégvirág növekedése: attól függõen, hogy mennyi pára és milyen hideg áll rendelkezésre, változik a mintázat. A képen megfigyelhetõ, amint a növekvõ csúcsok "megeszik" a párát az üveglapon. (forrás: http://myamazingfact.blogspot.com )

 A zúzmara, dér esetében a növények szõrszálacskái adnak kiindulási alapot a jégnek, amely aztán kedvezõ körülmények esetén elkezdi felvenni a hatszöges szimmetriát. Néha csak hegyes, tûszerû oszlopok lesznek, máskor laposabb kristályok is kialakulnak.

zoli1974 zúzmara-makróképe

.


A hópelyheket tudományos kíváncsisággal tanulmányozta már Kepler és Descartes is, Robert Hooke pedig mikroszkóp alatt is vizsgálta õket s készített róluk remek rajzokat.



Hópihe-rajzok Descartes, Bartholin és Cassini képei alapján

Wilson A. Bentley hópihe-fényképezõ felszerelésével (forrás: http://snowflakebentley.com )

Wilson A. Bentley hópihe-fényképezõ felszerelésével A 19. század végén Wilson A. Bentley, a hópihék világhírû szerelmese számára már a fényképezés is rendelkezésre állt. Bentley egyszerû parasztfiú volt, aki az USA Vermont államában született és élt, lakhelyére a hosszú, kemény telek a jellemzõk. Bentley-t gyerekkorában a tanítónõ édesanyja otthon oktatta, nem járt iskolába, ám ez nem korlátozta le tudását és kíváncsiságát. Édesanyjának volt egy kis mikroszkópja, melynek segítségével Bentley már igen fiatalon tanulmányozni kezdett különféle tárgyakat. A körülmények adták magukat: egy nagy hóvihar után hópihe került a mikroszkóp alá, eztán számos rajzot készített farmjuk hideg pajtájában órákon át a mikroszkóp felett fagyoskodva. Amikor meghallotta, hogy létezik fényképezõgép, mellyel a mikroszkópban látható dolgokat lehet megörökíteni, addig könyörgött apjának, míg az megvásárolta neki. Innen még hosszú munka és kísérletezés vezetett a világ elsõ hópehelyfotójának megszületéséig: 1885. január 15-ig. Ettõl a pillanattól fogva egész életét meghatározták a hatszögû szépségek, világhírû lett több ezer fényképbõl álló gyûjteménye, amely akár példa is lehetne arra, hogy nincs két egyforma hópihe. Bentley fotói 1902-bõl Számos cikke és tanulmánya jelent meg a korabeli lapokban, késõbb meteorológiai megfigyeléseket is végzett. Bentley szinte gyermeki rajongásában a legszebb hókristályokat fotózta.




 Követõje Ukicsiro Nakaya japán (eredetileg atom-) fizikus már képzett tudósként hûtött laboratóriumában tanulmányozta, fényképezte és kategorizálta a kristályokat, nem csupán a szépeket, hanem a torz vagy nem szokványos alakúakat is. Nakaya hópihéi - bal oldalon az általa létrehozott mesterséges, jobbra a természetes pihe:



 Ma már nem szükséges megvárni a telet, ha valaki hópelyhet szeretne látni: mesterséges körülmények közt is tudunk a valódihoz nagyban hasonlító pelyheket elõállítani, mivel ismerjük a keletkezési körülményeiket. Eleinte magasság szerint változó hõmérsékletû kamrában próbáltak hópelyhet elõállítani, a kamra tetején bejuttatott vízbõl, ám az eredmény nem nagyon hasonlított a természet alkotta pelyhekre. Kissé más módszer volt az, amikor a kamrába egy kis tûszerû drótot helyeztek, melybe aztán magas feszültségû áramot vezetve növesztették a kristályokat. Tûhegyen növesztett mesterséges hópihék A kis hópihe a dróttû végén kezdett kialakulni, s egészen hasonló lett a természeteshez.



 Ha azt akarjuk szimulálni, ami egy felhõ belsejében is lezajlik, a dróttût a növekvõ kristállyal a kamra belsejében más és más helyre kell tenni. Amikor kialakul a jégmag s elkezd kristályformát ölteni, lekapcsolják az áramot, áthelyezik a tût a kristálykezdeménnyel együtt a kamra más hõmérsékletû részébe, újra bekapcsolják az áramot, a kristály pedig tovább növekedik. http://snowhunter.extra.hu/index_elemei/ho_video.gif Laboratóriumban mindez természetesen megörökíthetõ, látványos animációban figyelhetjük meg, miként alakul ki a hópehely. Növesztettek hópelyheket vékony szálakon is, a már említett Ukicsiro Nakayama például nyúlszõr szálán készített "természetazonos" hópihét. Nakaya a hólaboratóriumában Ha majd elérkezik a sokak által várt havazás, érdemes egy kis kézi nagyítóval vizsgálgatni a hópelyheket, megfigyelni alakjukat, a havazás ideje alatt ennek változását.



Lehet róluk rajzot készíteni, vagy, ha van megfelelõ makrókép készítésére alkalmas fényképezõgépünk, akkor fotózzunk is bátran. Ilyenkor a pelyheket sötét háttéren érdemes megörökíteni, ügyelve arra, hogy a háttér anyaga is hideg legyen. A célnak tökéletesen megfelel egy egyszínû, sötét, sûrû szövésû vászondarab, amelyet egy néhány centis léckeretre (üzletben párszáz forintért kapható kis fa képkeret tökéletesen megfelelõ) felfeszítve elõ is hûthetünk, azután csak ki kell tartani a hulló hópelyhek közé a megfigyelésekhez.


Hópehely elektronmikroszkópos fotója.

Gál Ervin dér-makróképe




A cikk az alábbi források segítségével készült:
http://emu.arsusda.gov/snowsite/selected/select1.html http://www.its.caltech.edu/~atomic/publist/rpp5_4_R03.pdf

http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/class/class.htm
http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/class/snowtypes4.jpg
http://books.google.hu/books?id=vPVdHwpkfu0C&printsec=frontcover#v=onepage&q=&f=false
http://www.hot.ee/her/lumi.html

A képek forrása:
http://snowflakebentley.com http://www.nyu.edu
http://www.its.caltech.edu http://myamazingfact.blogspot.com
http://books.google.hu/books?id=vPVdHwpkfu0C&printsec=frontcover#v=onepage&q=&f=false http://snowflakebentley.com http://emu.arsusda.gov/snowsite/selected/select1.html

http://www.metnet.hu

A cikket írta: Landy-Gyebnár Mónika (Noli)