Macro Cavan Images/Getty Images

Anatomia fulgilor de zăpadă. Sunt cu adevărat unici? 

De Adriana Moscu 18.01.2021

Dantelate, sub formă de stea, ori structurate în coloane, miliarde de cristale de gheață plutesc în aer în fiecare iarnă. Înainte să ți se topească pe limbă, fulgul de nea are parte de o călătorie epică. 

La ora la care scriu acest articol, afară ninge. Pot vedea cum acoperișurile blocurilor și caselor din apropiere devin albe, în timp ce pe șosele se prefigurează haosul. E regretabil că un fenomen natural atât de spectaculos precum formarea unui fulg de zăpadă produce atâta bătaie de cap la căderea lui pe suprafața terestră a unei capitale europene încă departe de a fi decent gestionată, precum este Bucureștiul. Sigur, exceptând copiii, nici în celelalte regiuni ale țării zăpada nu este întâmpinată cu prea mult entuziasm. În lumea oamenilor mari, prea mulți fulgi de nea sunt numiți „iadul alb” sau „urgia albă”. „Alb” e, oricum, un fel de-a spune, pentru că, de obicei, la câteva ore după ce ating pământul, fulgii din orașe formează mormane de zăpadă de culoare gri-mocirloasă, strică pantofii și te demoralizează vizual. 

CITEȘTE ȘI: 9 plante care înfloresc iarna. De ce iubesc frigul?

E clar că fulgul de zăpadă își trăiește clipele de glorie cât timp este încă în aer. Dar cum își formează arhitectura simetrică și de ce niciunul nu este identic cu celălalt? 

Modificări graduale și structuri complexe

Nu doar că niciun fulg nu este geamănul identic al altuia, dar, până ajunge să atingă solul, el nu mai este identic nici cu sine însuși. Forma unui fulg de nea este influențată de temperatură și umiditate și, pentru că se află în continuă mișcare, el trece prin mai multe zone atmosferice care îi schimbă continuu structura. 

Un fulg de zăpadă începe să se formeze atunci când o picătură de apă extrem de rece îngheață pe particulele de praf sau polen din aer, formând astfel un cristal de gheață. Pe măsură ce cristalul de gheață coboară spre pământ, vaporii de apăGlaciologul japonez Ukichiro Nakaya a creat cristale de zăpadă și a prezentat relația dintre temperatură și saturația vaporilor de apă. Această relație a fost numită ulterior Diagrama Nakaya, wikipedia.org îngheață pe cristalul primar și construiesc noi cristale – cele șase brațe ale fulgului de zăpadă. 

Orice picătură de ploaie sau fulg de zăpadă se formează mai întâi ca un nucleu, în jurul unui firicel mic de murdărie sau praf, care acționează ca o suprafață pentru condensarea sau înghețarea vaporilor de apă. (Gândește-te la asta atunci când lași un fulg de nea să ți se topească pe limbă.) Chiar și la o umiditate de 100%, picăturile de ploaie nu se formează altfel. Pe măsură ce temperaturile sunt din ce în ce mai reci, în partea superioară a atmosferei, apa din jurul firului de praf va îngheța. 

Cu cât cristalul crește, se formează o prismă hexagonală, care este datorată structurii cristaline a apei înghețate.Totuși, felul în care se formează gheața nu a fost încă înțeles pe deplin de oamenii de știință, însă o explicație mai amplă găsești aici: „The Crystalline Structure of Ice”, cambridge.org Fulgul de zăpadă își mărește diametrul prin preluarea umezelii din picăturile de apă foarte reci din jur. În funcție de nuclee, picăturile îngheață la temperaturi diferite, de aceea fulgii și picăturile conviețuiesc în același nor – un nor trebuie să aibă -40°C pentru a îngheța complet. Termenul mai larg pentru toate nucleele din atmosferă (cunoscute și ca „semințe de nori”) este cel  de nucleu de condensare a norilor (CCN).„Cloud Condensation Nucleus”. sciencedirect.com

Efectul Bergeron

Procesul de absorbție a umezelii din picăturile supra-răcite este cunoscut ca Efectul Bergeron și este legat de umiditatea și saturația aerului. Acest proces a fost descris de meteorologul suedez Tor BergeronDespre biografia și cercetările lui Bergeron, aici: britannica.com în 1935. Procesul explică transferul continuu al vaporilor de apă din picăturile supra-răcite către cristalele de gheață, în urma diferenței nivelurilor de umiditate din apa supra-răcită și gheață. La temperaturi negative, presiunea de suprafață a cristalelor de gheață este mai mică decât cea a apei lichide, fapt ce conduce la formarea fulgilor de zăpadă în detrimentul picăturilor de apă. Greutatea cristalelor de gheață crește continuu, până când acestea încep să cadă.

Fulgii, sub lupă

Wilson A. Bentley, pionierul microfotografiei, este prima persoană care a captat imaginea unui fulg de zăpadă.„Wilson A. Bentley: Pioneering Photographer of Snowflakes”: siarchives.si.edu Wilson a fost fascinat de structura cristalină a fulgilor pe când locuia la ferma părinților săi din Vermont, Statele Unite. Prin adaptarea unui microscop la o cameră cu burduf și după ani de încercări și erori, el a devenit cel dintâi care a fotografiat un singur fulg de zăpadă în 1885.

În 1903, a trimis 500 de amprente ale fulgilor de zăpadă către Institutul Smithsonian, în speranța că ar putea fi de interes pentru savanți. Aceste imagini fac acum parte din arhivele instituției.

Cartea lui Bentley, Snow Crystals,O găsești pe amazon.com cuprinde peste 2.400 de imagini cu fulgi de zăpadă și a fost publicată în 1931. În ea este susținută teoria potrivit căreia nu există doi fulgi de zăpadă identici și a constituit un material de studiu solid pentru specialiști.

De fapt, fotografierea unui fulg de zăpadă este un lucru dificil chiar și după apariția camerelor performante de azi. Fotografia trebuie făcută rapid, în condiții de frig extrem – chiar și căldura corporală poate topi un fulg. Iluminatul trebuie să fie desăvârșit pentru a dezvălui toate nuanțele unice ale designului fulgului de nea, fără a produce căldură.  

Un număr nedefinit de forme

Valoarea care dictează dacă o picătură sau un cristal va câștiga sau pierde vapori de apă se numește presiune de vapori.„Vapor Pressure” sciencedirect.com Ca și în cazul presiunii aerului, vaporii de apă se deplasează de la o presiune mică, la una mai mare. 

Din cele explicate mai sus se subînțelege că aceste cristale de zăpadă nu sunt picături de ploaie înghețate (acestea din urmă poartă numele de lapoviță). Un cristal de zăpadă apare atunci când vaporii de apă din aer se transformă direct în gheață. și, pe măsură ce mai mulți vapori de apă se condensează pe cristal, acesta crește, se dezvoltă.  Atunci apar modelele sale ornamentate.

Cristalul hexagonal crește cel mai repede la colțuri și pe laturi. Așa se formează cele șase brațe. La temperaturi diferite, mai multe brațe cresc din aceste brațe inițiale, iar acestea pot avea grosimi diferite, ceea ce duce la un număr de posibile forme greu de cuprins cu mintea. Natura exactă a creșterii depinde de temperatură și umiditate și poate apărea în foarte multe feluri de-a lungul tuturor fețelor prismei hexagonale originale. 

Totuși, potrivit profesorului Kenneth G. Libbrecht, șeful departamentului de fizică al Institutului de Tehnologie din California, care și-a concentrat cercetările recente asupra proprietăților cristalelor de gheață, în special asupra structurii fulgilor de zăpadă,Un interviu despre pasiunea lui găsești aici: „Something in the air”:cabinetmagazine.org nu toți fulgii arată ca o stea cu șase colțuri. În opinia lui, clasificarea acestora depinde de cât de mult este dispusă știința să subdivizeze cristalele care cad din cer.

Adesea, sute sau chiar mii de cristale de zăpadă se ciocnesc și se lipesc între ele în aer, pe măsură ce cad, formând pufuri subțiri, delicate, numite fulgi de zăpadă. De altfel, Cel mai mare fulg de zăpadă, înregistrat în Cartea Recordurilor„Did You Know The Largest Snowflake Ever Recorded Was 15 Inches Wide?” worldatlas.com a fost observat în luna ianuarie a anului 1887, la Fort Keogh, Montana, Statele Unite, și măsura 38 cm în lățime și 20 m grosime. Prin comparație, mărimea obișnuită a unui fulg de nea este de 7-10 cm lățime. Este posibil ca în interiorul furtunilor de zăpadă să existe și fulgi mai mari de atât, însă structura care leagă fulgii de zăpadă între ei este mult prea delicată ca să reziste turbulențelor din aer. Cel mai probabil, fulgul uriaș (cu diametrul mai mare ca al unei mingi de fotbal), a aterizat pe sol în condiții atmosferice foarte blânde, cu vânt slab sau chiar în lipsa vântului. 

Câte feluri de fulgi există?

Nu se poate spune cu exactitate. Cu timpul, clasificările au devenit tot mai largi. În anii 1940, cea mai mare diagramă cuprindea 41 de tipuri. Numărul lor a crescut la 80 în anii 1960 și recent a apărut un nou tabel cu 121 de tipuri de fulgi de zăpadă.„A global classification of snow crystals, ice crystals, and solid precipitation based on observations from middle latitudes to polar regions” (PDF): patarnott.com

Profesorul LibbrechtPoți cumpăra cărțile sale despre fulgii de zăpadă de pe Amazon: amazon.com a întocmit un tabel cu 35 de tipuri de fulgi, pe care le consideră reprezentative pentru ce se poate vedea sub lupă de cele mai multe ori. Iată câteva dintre ele:

Fulg de nea. Dendrită stelară.

Dendrite stelare. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Dendritele stelare

Sunt cele mai cunoscute (și mai spectaculoase) cristale de zăpadă. Numele lor provine de la aspectul în formă de stea cu ramificații bogate, ca ramurile unui copac. Dendritele stelare sunt destul de mari și ușor de observat, mai ales dacă porți o haină de culoare închisă. Cele mai frumoase apar când vremea este geroasă (aproximativ -15°C). 

Fulg de nea. Coloană

Coloane. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Coloane și ace

Cristalele de zăpadă ca o coloană sunt destul de frecvente și apar atunci când temperatura este în jur de -6°C. Sunt mici și ușor de trecut cu vederea, fiindcă arată ca niște bucăți minuscule de fire albe.

Fulgi de nea. Ace

Ace. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Cristalele columnare lungi și subțiri sunt numite și cristale cu ac, iar unele dintre ele au regiuni goale conice la ambele capete.

Fulgi de nea. Coloane cu plafon

Coloane cu plafon. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Coloane cu plafon

O coloană simplă plafonată are forma a două roți pe o axă sau a unei bobine goale. Coloanele cu plafoane multiple au plăci suplimentare între cele două capace exterioare. Un astfel de fulg se formează atunci când trece prin diferite temperaturi, pe măsură ce crește. În jurul valorii de -6°C apare coloana, căreia i se adaugă plăcile la aproximativ -15°C.

Fulg de nea. Dendrite stelare asemănătoare cu feriga

Dendrite stelare asemănătooare cu feriga. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Dendrite stelare asemănătoare cu feriga

Aceste cristale sunt ca dendritele stelare obișnuite, dar mai mari și cu ramificații mult mai dese, ca ale unei ferigi. Dacă privești cu atenție, vei vedea că ramurile laterale sunt în mare parte paralele cu ramurile lor vecine. De asemenea, aceste cristale nu sunt perfect simetrice. Ramurile laterale de pe un braț nu sunt aceleași cu cele de pe celelalte ramuri.

Fulf de nea. Cristal a un praf de diamant

Cristal ca un praf de diamant. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Cristale ca un praf de diamant

Aceste mici cristale de zăpadă arată ca un praf scânteietor în lumina soarelui, de unde își primesc numele. Sunt cele mai mici cristale de zăpadă, iar multe dintre ele nu sunt mai mari ca diametrul unui fir de păr uman. Se văd cel mai adesea atunci când viscolește.

Fulg de nea. Cristal triunghiular

Cristal triunghiular. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Cristale triunghiulare

Anumite mișcări ale aerului ajută la producerea acestor cristale de zăpadă neobișnuite. De obicei sunt mici și au forma unor triunghiuri trunchiate. Uneori, din cele șase colțuri răsar ramuri care produc o simetrie neobișnuită.

Fulgi de zăpadă cu 12 ramuri

Cristal cu 12 ramuri. Kenneth Libbrecht/Profimedia/Science Photo Library

Fulgi de zăpadă cu douăsprezece ramuri

Dacă două cristale de zăpadă cu șase ramuri de dimensiuni mici se ciocnesc în aer, se pot lipi împreună și se pot transforma într-un fulg de zăpadă cu douăsprezece ramuri – un fenomen destul de des întâlnit pentru un ochi pasionat și exersat.

Simetrici, dar nu identici

Un cristal de zăpadă în formă de stea începe cu formarea unei mici plăci hexagonale. Pe măsură ce cristalul crește, din cele șase colțuri apar ramurile. Însă în timpul căderii, cristalul experimentează temperaturi și umidități diferite, iar fiecare schimbare atmosferică face ca brațele să crească puțin diferit.

Forma exactă și finală a cristalului de zăpadă este determinată de traiectoria precisă pe care a parcurs-o printre nori. Dar cele șase brațe au parcurs toate același drum și, prin urmare, fiecare a experimentat aceleași schimbări în același timp. Astfel, cele șase brațe cresc sincronic, într-o formă complexă, simetrică. Și, pentru că nu există două cristale de zăpadă care urmează exact aceeași cale prin nori în timp ce cad, niciunul nu arată exact la fel.

Fulgi de designer, creați în laborator

Echipa condusă de profesorul Libbrecht a realizat, totuși, fulgi de zăpadă aproape identici, din vapori de apă, prin controlul strict al condițiilor din laborator.Întregul proces, cu imagini video, este descris pe site-ul său, snowcrystals.com Savantul i-a numit „fulgi de designer” sau „cristale sintetice” și spune că le poate modifica forma finală prin schimbarea temperaturii și a umidității, pe măsură ce cristalul crește și dezvoltă.

Cristalele de gheață au fost cultivate chiar și dincolo de atmosfera terestră, la bordul navetei spațiale Challenger, în timpul zborului STS-8. Experimentul, cunoscut sub numele Asahi Shimbun,„Crystal growth of artificial snow” nasa.gov a avut ca scop investigarea creșterii cristalelor în condiții de imponderabilitate. Cristalele cultivate în spațiu aveau forma unor poliedre sferice și nu se deosebeau de cele produse în experimentele terestre.

De altfel, de pe site-ul its.caltech.edu poți afla cum să-ți creezi propriul fulg de nea la tine acasă. Pentru început, ai nevoie doar de niște gheață uscată, o sticlă de Cola din plastic și câteva păhărele din polistiren.



Text de

Adriana Moscu

Este jurnalist și, de aproximativ 20 de ani, se bucură de principalul avantaj al profesiei, pentru că nicio zi nu seamănă cu alta. Are o relație de love-hate cu oamenii, pe care, de cele mai multe ori, îi îmblânzește prin interviuri.

ȘTIINȚĂ|OVERVIEW

Ce au descoperit pe Marte roverele dinaintea lui Perseverance?

De Ionuț Preda 17/02/2021
În ajunul amartizării lui Perseverance, ne uităm la ce ne-au adus predecesorii săi
ȘTIINȚĂ|STUDIU

O româncă lucrează la crearea unui antivenin universal 

De Tibi Puiu 16/02/2021
O nouă terapie bazată pe inhibitori de toxine ar putea salva viețile celor care cad victime șerpilor veninoși. Laura-Oana Albulescu, cercetătoare în Marea Britanie, este membru-cheie al echipei care încearcă să creeze primul antivenin universal din lume. 
ȘTIINȚĂ|OVERVIEW

Trei misiuni spațiale ajung pe Marte în această lună

De Ionuț Preda 09/02/2021
Cursa pentru explorarea Planetei Roșii se intensifică.
ȘTIINȚĂ|STUDIU

Carpații, probabil ultimul refugiu al urșilor de peșteră

De Andrada Fiscutean 04/02/2021
Cu zeci de mii de ani în urmă, în apropierea peșterilor din Carpați trăiau urși, lei și hiene. Cercetătorii încearcă să afle mai multe despre aceste animale, pentru a înțelege de ce dispar speciile.