שלג - היווצרות השלג והגאומטריה שלו

השלג נוצר, בדומה לגשם, כשיש לחות גבוהה באוויר ואדי המים שבעננים עוברים תהליך של התגבשות והצטננות איטית בטמפרטורה הנמוכה מטמפרטורת הקיפאון. תחילה אדי המים עוברים דפוזיציה והופכים לגבישי קרח. גביש הקרח נוצר סביב חלקיק חומר כלשהו - "גרעין קרח" (IN -Ice Nucleus), גרגר אבק זעיר, עשן או אפילו חיידק. כשהגבישים מגיעים לגודל המתאים הם נופלים ארצה. תנאי מוקדם לכך שפתית השלג יגיע לקרקע הוא טמפרטורה נמוכה של האוויר דרכו הוא עובר, אחרת הפתית יינתך וייהפך לטיפת מים והשלג ירד בצורת גשם.

 

חוקרים מתחום הצומח אוספים ראיות לכך שבקטריות מסוימות, מסוג פסדומונאס סירינגה, מפרישות חלבונים המעודדים את היווצרות גבישי הקרח היוצרים את פתיתי השלג. על פי הממצאים שנאספו, לבקטריה יש השפעה משמעותית על כמות השלג הנוצרת ומשפיעות על מזג האוויר.

 

במהלך נפילתם באטמוספירה נאחזים פתיתי השלג זה בזה באמצעות הזרועות המסועפות וכך נוצרות הצורות הפרקטליות שלהם, שהן בצורות משושה.

 

צורת המשושה של פתית השלג נובעת מהרכב מולקולת המים - אטום חמצן אחד ושני אטומי מימן היוצרים משולש התואם את הזווית הפנימית של משושה. המבנה המיוחד של פתית השלג גורם להחזרת אור גבוהה, והימצאותם של גבישים רבים יחד יוצרת את הצבע הלבן, בדומה לגבישי הסוכר או המלח.

סמל היישוב מולשה בשוודיה הכולל ציור של פתית שלג

האסטרונום הגרמני יוהנס קפלר כתב לפני כארבע מאות שנים ספר בשם "פתית השלג המשושה", שבו תיאר את הנטייה הטבעית של חפצים, הדומים בגודלם ובצורתם, להתארגן בצורת משושים; מכך הסיק, שפתית השלג נוצר מהצטברות של יחידות זעירות וזהות[3]. הצורות הסימטריות של פתיתי השלג שבו את הדמיון האנושי ושולבו בתרבות האנושית, למשל בסמלי אצולה ויישובים.

 

גודלו של פתית השלג תלוי בלחות האוויר - ככל שהיא גדולה יותר, כך הפתית גדל. שטח הפנים של פתית השלג גדול יחסית למסה שלו, ולכן הוא נתקל בהתנגדות גדולה של האוויר בעת נפילתו, התנגדות המאיטה את הנפילה. משבי האוויר גורמים לכך שהנפילה אינה בקו ישר ונוצרת אשליה אופטית של ציפת פתיתי השלג באוויר.

 

לשלג יש צורות שונות, התלויות גם בטמפרטורה, בכמות המים, ובסביבת ההיווצרות באטמוספירה. צורות מסוימות קשורות בתופעות אופטיות. כאמור עד ל-40 מע' מתחת לאפס, ניתן לשמור מים בקירור יתר. מעל 8 ק"מ באטמוספירה, כל העננים עשויים קרח בלבד. לחץ על רוויה של קרח נמוכה יותר משל מים. כלומר לחץ אדים של 100% עבור מים, יהיה על רוויה עבור קרח, ובמצב כזה ייווצר קרח. אם מופיעים גבישי קרח בענן, הם יספחו אליהם את הטיפות. לגבישי קרח קשה מאוד להיווצר ללא גרעיני קרח (IN-Ice Nuclei). על מבנה הסריג של הקרח להיות דומה למבנה של הקרח, כך למשל NaCl אינו מתאים, לעומת יודיד הכסף AgI.