Vznik ľadových kryštálikov alebo snehových vločiek (zhluky kryštálikov) je jedným z najkrajších javov prebiehajúcich v atmosfére. Sneh patrí k najkrajším prejavom zimy a snehové vločky k jej najjemnejším zázrakom. Každá vločka je unikátny kryštál vody, ktorý vzniká v oblakoch pri špecifických teplotách a vlhkosti, a práve tieto podmienky určujú jej tvar a štruktúru. V prírode sa občas môže vyskytnúť okrem bieleho snehu aj sneh rôznej farby - oranžový, červený, zelený či dokonca fialový. Pokiaľ sa totiž vo vzduchu nachádzajú znečisťujúce látky (piesok, smog), tieto sa premietnu do farby snehových vločiek.
Snehová vločka je ľadový kryštál, ktorý dosiahol dostatočnú veľkosť a zlúčil sa s ostatnými. Padá cez zemskú atmosféru a dopadne na zem ako sneh. Každá vločka vzniká okolo prachovej častice vo vzdušných masách tak, že pritiahne kvapôčky podchladenej mrakovej vody. Tá potom zamŕza a zhlukuje sa v kryštalickej forme. Snehové kryštály vznikajú z podchladených vodných kvapôčiek obsiahnutých vo vlhkom vzduchu pri nízkej teplote a menia sa na ľad. Dej pri ktorom vzniká z vodnej pary ľad sa nazýva depozícia. Snehové kryštály rastú ako prizmy, hviezdy, paličky, platničky alebo stĺpy vždy zo šesťuholníkovej základnej formy von.
Molekuly zamrznutej vody sú navzájom pospájané v presnom hexagonálnom usporiadaní, ktoré je viditeľné v typickom tvare vyznačujúcom sa osovou súmernosťou podľa šiestich rôznych osí so spoločným bodom v strede útvaru, podľa ktorého je celý útvar stredovo súmerný. Tento ideálny tvar je deformovaný rôzne podľa toho, akým spôsobom sú viazané prichádzajúce molekuly vodnej pary k ploche kryštálu a ako sa vytvárajú tzv. plošné zárodky v závislosti od teploty vzduchu a tlaku vodnej pary v okolí kryštálu. Plošný zárodok predstavuje konfiguráciu molekúl vodnej pary, ktoré sú pevne pripútané k ploche kryštálu a podporujú narastanie novej kryštálovej plochy. Pri raste kryštálikov tak niektoré kryštálové plôšky rastú rýchlejšie a iné pomalšie.
Tvorba a rast snehových kryštálov
Vodná para môže v atmosfére bezprostredne prechádzať do pevného skupenstva. Prechod vodnej pary do tuhého stavu odborníci nazývajú sublimáciou. K rastu ľadových kryštálov môže dochádzať dvojakým spôsobom: priamym usadzovaním molekúl vodnej pary na zárodkoch (prachová častica alebo peľové zrnko) alebo kryštáloch sublimáciou; alebo mrznutím prechladených kvapiek vody. Proces sublimácie sa v plnej miere uplatňuje pri viazaní molekúl vodnej pary priamo na kryštálikoch ľadu, k čomu sú vytvorené zvlášť priaznivé podmienky v zmiešaných oblakoch.
Pri nízkych teplotách vzduchu, napr. -30 °C, v dôsledku väčšieho presýtenia atmosféry vodnou parou vzhľadom k ľadu, dochádza k rýchlemu narastaniu kryštálikov, kedy sa nový plošný zárodok vytvorí skôr, ako sa ukončí rast predchádzajúcej plochy. Plocha kryštálu pritom narastá od okraja smerom do stredu v dôsledku pôsobenia elektrostatických síl, ktorými sú viazané molekuly vody v mriežke ľadu. Preto je najväčšia časť molekúl viazaná na hranách a rohoch kryštálu, kde sú prichádzajúce molekuly najmenej rušené susednými molekulami. Nakoniec sa viažu molekuly uprostred plochy, kde je väzba najsilnejšia.
Zvyšovanie teploty a pokles tlaku vodnej pary nad ľadom vedie k spomaleniu rastu kryštálov. Vtedy plochy kryštálu narastú skôr, než sa vytvorí nový plošný zárodok a vzniknuté kryštály majú jednoduchý kompaktný tvar (pri teplotách -20 °C až -30 °C). Ďalším zvyšovaním teploty vzduchu bude dochádzať k zosilneniu difúzie molekúl vodnej pary k povrchu kryštálu, ktorý bude v dôsledku toho rýchlejšie narastať do strán. Vytvorené doštičky tak budú pomaly prechádzať do zložitejších hviezdičiek, ktoré odborníci nazývajú dendrity. Pri teplote okolo 0 °C nadobúdajú kryštáliky ľadu v atmosfére ihlicovitý tvar.
Rozmanitosť foriem a klasifikácia
Ľadové kryštály majú podľa odborníčky pravidelnú šesťuholníkovú kryštálovú mriežku. Podľa teploty okolia vzniku sa tvoria kryštály rôzneho tvaru. Podľa vlhkostných pomerov v atmosfére sa tieto tvary môžu navzájom kombinovať. Bolo popísaných viac ako 21-tisíc rôznych tvarov snehových kryštálov, zaoberá sa nimi jeden vedný odbor - kryštalografia snehu. Podľa medzinárodnej klasifikácie sa delia na 10 základných skupín: 1. doštičky, 2. hviezdice (dendrity), 3. stĺpiky, 4. ihlice, 5. vločky jednoduché, 6. stĺpiky s doštičkami, 7. nepravidelné priestorové častice, 8. krúpky, krupica, 9. ľadové zrná, 10. krúpy.
Kryštáliky ľadu jednoduchších tvarov pozorujeme vo vyšších vrstvách atmosféry (5 - 12 km), kde tvoria obvykle vysoké oblaky. V nižších vrstvách atmosféry sa vyskytujú v oblakoch kryštáliky zložitejšej štruktúry. Z meteorologických prvkov má najväčší význam teplota a vlhkosť vzduchu. Všetky kryštály majú spoločný šesťuholníkový tvar, ktorý má pôvod v usporiadaní molekúl vody v kryštalickej mriežke a ktorý sa vyznačuje jednou hlavnou osou symetrie a tromi vedľajšími.
Šesťuholníková symetria
Šesťnásobná symetria, ktorú obdivujeme na snehových vločkách, je spôsobená stavbou molekúl vody v štruktúre kryštálu ľadu. Pri jeho raste pozorujeme šesťuholníky, ale kryštál ľadu je trojrozmerný útvar, maličké teleso v priestore, a takým telieskom je aj každá snehová vločka. Šesť vrcholov ľadového kryštálu rastie o niečo rýchlejšie, pretože viac vyčnievajú do vlhkého vzduchu v priestoru. Tak začínajú rásť zárodky ramien. Ako kryštál postupne rastie, zárodky sa zväčšujú a na ich vrcholoch opäť vyrastajú bočné zárodky ďalších ramien. Stálym opakovaním tohto procesu napokon vzniká zložitý komplexný tvar snehovej vločky. Čím rýchlejšie kryštál narastá, tým zložitejší je jeho tvar. Formovanie bočných ramien je často chaotické. Keď kryštál ľadu narastie mimoriadne rýchlo, bočné ramená sú náhodne umiestnené, niekedy nie sú vôbec symetrické, a nesymetrické sú aj ramená samotné. Obe, chaos aj poriadok hrajú svoju úlohu pri raste snehových vločiek, preto sú ich vzory také nezvyčajné a zaujímavé.
Zrážanie a vznik vločiek
Ľadové kryštáliky vzniknuté zmrznutím kvapiek vody a narastajúce sublimáciou vodnej pary sa môžu ďalej zväčšovať pri padaní v atmosfére. Pritom sa predovšetkým uplatňuje koagulácia (spájanie menších kryštálikov do väčších), ktorá môže nastať: pri padaní kryštálikov nerovnakou rýchlosťou (gravitačná koagulácia), molekulárno-kinetickým (Brownovským) pohybom, elektrostatickými silami, alebo atmosférickou turbulenciou. Výsledkom sú zhluky kryštálov v tvare snehových vločiek, kryštály so zmrznutými kvapkami vody i kryštály obalené amorfnou vrstvou ľadu.
Pri teplotách pod nulou sa kryštály navzájom spájajú (zaháknu) a tvoria spolu snehové vločky. Geometria pre zaháknutie kryštálov je niekedy priaznivá, niekedy menej. V prípade že sa do snehovej vločky dostanú kvapôčky hmly, tieto vločky zamrznú a padajú vo forme drobných krúp. Na zem dopadajú kryštály, vločky alebo krúpy. Vrstvy sa ukladajú na seba a tak vzniká snehová pokrývka.
Jak vznikají sněhové vločky a proč je každá jiná?
Jedinečnosť snehových vločiek
Táto kombinácia faktorov znamená, že existuje viac možností tvarov snehových vločiek ako molekúl na Zemi. „Každý krištáľ bol majstrovským dielom dizajnu a nikdy sa nezopakoval. Žiadne dve snehové vločky nie sú úplne rovnaké. Rozoznávame však iba niekoľko základných foriem a tvarov. Vznikajú za istých podmienok pri kryštalizácii vodnej pary a drobných kvapiek vody, a pri istej teplote. Zákonitý šesťuholníkový súmerný tvar je chaoticky narušovaný vplyvom fyzikálnych podmienok.
Aj keď sú vločky približne symetrické, detaily každého ramena sa vždy menia. Vločky sú teda malé zázraky prírody - výsledok kombinácie molekulovej vedy, atmosférickej dynamiky a jedinečných okolností každého oblaku. Jeden krystalek je tvorený rádově asi 10 triliony molekul vody. Dlhú dobu sa hovorilo, že nikdy nespadnú dve rovnaké vločky, ale nie je fyzikálny dôvod, prečo by to nemohlo nastať. Na druhú stranu presný tvar vločiek určuje teplota, za ktoré vznikajú. Tak napríklad za teploty −2 °C sa tvoria vločky neobvyklého trojuholníkového tvaru.
Zmeny snehu po dopade
Počas svojho pádu podlieha snehová vločka ustavičnej premene. Mení sa aj po dopade na zem. Okamžite po dopadnutí je tvárnou masou. V podstate odborníci rozoznávajú tri druhy premeny snehu. V týchto fázach premeny snehu sa už nehovorí o snehových kryštáloch, ale o snehových zrnách, lebo kryštálová mriežka sa viac-menej stráca. V závislosti od priebehu počasia sa môžu jednotlivé fázy premeny rôzne kombinovať, prípadne aj preskočiť a vynechať.
Biela snehová pokrývka vyzerá len zdanlivo pokojná. Opakovaným snežením sa vytvárajú nové vrstvy s rôznou hrúbkou, s rozdielnymi vlastnosťami a rozdielnou súdržnosťou. Rozdielne tepelné podmienky vo vrstvách menia kryštály snehu. Vločky sa lámu, topia, sublimujú, spojujú sa navzájom. Tieto zmeny sa nazývajú metamorfóza snehu a buď vytvárajú stabilnú snehovú pokrývku alebo naopak vedú k jej nestabilite. Čím sú vlastnosti jednotlivých vrstiev (tvrdosť, vlhkosť, druhy kryštálov) podobnejšie tým je medzi nimi pevnejšia väzba. Pri rôznych vlastnostiach vrstiev vznikajú v snehovej pokrývke rôzne druhy napätia. Rozdielna priľnavosť snehových vrstiev má hlavný vplyv na vznik lavín.