Fabryka gwiazd

Gdyby Kepler, sławny astronom z początku XVII wieku, miał do dyspozycji dyfraktometr rentgenowski, pewnie nie zastanawiałby się, dlaczego wszystkie płatki śniegu są sześciokątami (bo są w istocie). Może nie napisałby wtedy rozprawy „O sześciokątnych płatkach śniegowych” z 1611 roku. Niestety, promienie rentgena odkryto ponad 250 lat po opublikowaniu wspomnianej rozprawy. I tak pierwszy tekst naukowy o śniegu ma już prawie 400 lat.

Dlaczego sześć?

Co ma śnieg do promieni, którymi zwykle prześwietla się złamane kości? Gdyby nie ich przenikliwa natura, nie tylko nie wiedzielibyśmy dzisiaj, czy po upadku na nartach mamy złamaną kość piszczelową, ale także nie mielibyśmy pojęcia, jak zbudowane są kryształy. Do zaglądania do wnętrza kryształów służy dyfraktometr rentgenowski. Trzeba zaglądnąć głęboko do wnętrza kryształu lodu, by zrozumieć, dlaczego dokładnie każdy z miliardów miliardów padających płatków śniegowych ma… sześć wierzchołków. Dokładnie taki kształt ma tzw. komórka elementarna kryształu lodu. Co to takiego? W kryształach atomy czy cząsteczki mają jasno określoną pozycję. Układają się w pewien wzór. Tworzą coś, co nazywa się siecią krystaliczną.

Najmniejszą częścią, można by powiedzieć podstawową jednostką kryształu jest właśnie komórka elementarna. Każdy kryształ jest powiększeniem tejże elementarnej komórki. Jak to rozumieć? Najlepiej na przykładzie właśnie kryształu lodu. Cząsteczka wody – H2O – składa się z dwóch atomów wodoru i jednego atomu tlenu. Ale cząsteczki wody w krysztale lodu nie są rozlokowane swobodnie czy losowo. Są pogrupowane po sześć i ułożone w… kształt sześciokąta. W każdym jego wierzchołku jest atom tlenu, a atomy wodoru (razem 12, bo po dwa na jeden tlen) znajdują się pomiędzy. I to właśnie te maleńkie składające się z sześciu cząsteczek wody struktury są komórkami elementarnymi kryształu lodu. Najmniejszymi jego częściami składowymi, powtarzalnymi częściami. Gdy kryształ rośnie, powiększa się o kolejne komórki elementarne. Kolejne doklejają się do tych poprzednich, a to zawsze oznacza, że kształt sześciokąta pozostaje.

Skoro wszystkie komórki elementarne kryształu lodu wyglądają tak samo (a wyglądają), to skąd bierze się tak duża różnorodność, ba, nieograniczona różnorodność śniegowych kształtów? Zanim przyjdzie to wyjaśnić, warto wspomnieć o samym początku życia pojedynczego płatka śniegu.

Jak powstaje płatek?

Śnieg to coś znacznie więcej niż zamrożona woda. Oczywiście z chemicznego punktu widzenia kostka lodu do drinków z zamrażarki i nawet najbardziej wyszukany płatek śniegowy to dokładnie to samo. Dla chemika to to samo, a dla fizyka coś zupełnie innego. A wszystko zaczyna się od zanieczyszczenia. Nie chemicznego, ale… powiedzmy naturalnego. To może być pyłek kurzu, mała drobinka piasku czy pyłek kwiatowy. Jeżeli gdzieś wysoko nad naszymi głowami ma powstać płatek śniegu, cząsteczki wody muszą się czegoś zaczepić, czegoś złapać. To rusztowanie nazywa się jądrem kondensacji. To na nim zaczyna tworzyć się struktura kryształu. Bez niego, nawet w bardzo niskiej temperaturze, woda nie zamarznie. W superczystych warunkach woda może być w stanie płynnym nawet w temperaturze kilkudziesięciu stopni poniżej zera.

W chmurach nie ma jednak warunków sterylnych. Wokół znajdujących się tam drobinek następuje tworzenie się płatka śniegowego. Najpierw ma wielkość zaledwie kilku angstremów, czyli kilku dziesięciomilionowych części milimetra. Oczywiście ten najmniejszy, zarodkowy płatek już ma kształt sześciokąta. Rośnie szybko, bo czym większa struktura, tym łatwiej „lgną” do niej kolejne cząsteczki wody. Sześciokąt robi się coraz większy. Szybciej rosną jednak jego wierzchołki, bo bardziej „odstają” na zewnątrz. W efekcie, stosunkowo szybko sześciokąt zamienia się w sześcioramienną gwiazdę. Pozostaje jednak pytanie, dlaczego nie ma dwóch takich samych płatków?