Śnieżna fizyka

Zaskakująca cecha płatków śniegu decyduje o tym, w jaki sposób zlatują w dół

kształtów płatków śniegu, ich podróż ku Ziemi wygląda zawsze tak samo – i wręcz przewidywalnie. Naukowcy, którzy prześledzili tory spadania ponad pół miliona śnieżynek, zaproponowali wzór matematyczny precyzyjnie opisujący sposób wirowania białych drobin w powietrzu.

Tim Garrett, fizyk atmosfery z University of Utah i lider zespołu, którego badania opublikowano w „Physics of Fluids”, bada płatki śniegu od prawie dekady. Choć zachowanie tych delikatnych, efemerycznych obiektów może się wydać mało istotne, prędkość, z jaką opadają, jest ważną zmienną w prognozowaniu pogody, nawet w tropikach; większość opadów atmosferycznych, niezależnie od tego, jak kończą, zaczyna jako śnieg.

Ruch płatków śniegu jest zwykle badany w laboratoriach w kontrolowanych warunkach, które nie oddają całej złożoności natury. Dlatego od dekad badacze atmosfery próbują podglądać śnieżynki w terenie.

Własny pomysł miał też Garrett. On oraz dwaj inżynierowie z jego uczelni – Dhiraj Kumar Singh i Eric Pardyjak – zbudowali urządzenie do pomiaru masy, gęstości, powierzchni i kształtu indywidualnych płatków śniegu lądujących na elektrycznej płycie grzejnej, w którą z kolei skierowane były kamery wideo oraz światło laserowe. Dzięki temu badacze mogli obserwować, jak poruszają się śnieżynki pod wpływem turbulencji powietrza.

„Pozwoliliśmy atmosferze, by robiła to, co chce, by zachowywała się w sposób, który nie jest kontrolowany przez naukowca – mówi Garrett. – Myślę, że dlatego udało nam się odkryć tę nadzwyczajną, elegancką prostotę”.

Naukowcy odkryli liniową zależność pomiędzy średnim przyspieszeniem płatka śniegu, które zależy od tego, jak on wiruje, a liczbą Stokesa opisującą, jak szybko obiekt reaguje na zmiany w turbulencji powietrza.

Na przykład szerokie i puszyste płatki wirują bardziej niż opływowe. Garrett, posługując się liczbą Stokesa, może przewidzieć, w jaki sposób będzie wirował opadający płatek śniegu. Naukowcy byli zaskoczeni także innym odkryciem, a mianowicie tym, że rozkład wirowości śnieżynek jest niemal idealnie wykładniczy, choć przecież turbulencja cały czas się zmienia, a płatki mają rozmaite kształty i rozmiary.

Dlaczego tak jest, nie wiadomo. Garrett sądzi, że może to mieć związek z tym, w jaki sposób turbulencyjne ruchy powietrza wpływają na zmianę kształtu i rozmiaru śnieżynek, a one w odpowiedzi reagują na tę turbulencję. Dalsze badania potwierdzą, czy faktycznie jest to uniwersalna reguła, mówi Jiarong Hong, inżynier mechanik z University of Minnesota. „Zobaczymy, czy wyniki tych badań da się wykorzystać do analizy naszych płatków śniegu schwytanych na różnych wysokościach i różnym podłożu” – mówi. „Jeśli kolejne badania potwierdzą uniwersalny charakter tej prostej matematycznej reguły, to jej wyjaśnienie powinno być równie proste – mówi Garrett. – Trzeba je tylko znaleźć”. Ellyn Lapointe