Skąd się bierze śnieg?

Zastanawiasz się, skąd się bierze śnieg i dlaczego czasem sypie przy dodatniej temperaturze? A może chcesz wyjaśnić dziecku, czemu nie wolno jeść śniegu z podwórka? Z tego artykułu dowiesz się, jak powstaje śnieg, od pierwszej cząsteczki pary wodnej w chmurze aż po brudną breję na chodniku i kosmiczne „śnieżyce” poza Ziemią.

Jak powstaje śnieg w chmurach?

Śnieg rodzi się wysoko nad twoją głową, w chmurach przechłodzonych, gdzie panuje niska temperatura i duża wilgotność. Para wodna ma tam często mniej niż 0°C, ale wciąż pozostaje gazem. Do nagłej przemiany w lód potrzebuje maleńkiego „rusztowania”. Mogą to być drobinki pyłu z pustyni, pyłki kwiatowe, cząstki sadzy albo inny mikroskopijny pył zawieszony w powietrzu. Meteorolodzy nazywają je jądrami kondensacji.

Kiedy taka cząstka znajdzie się w odpowiednio zimnej części chmury, wokół niej zaczynają przyczepiać się pierwsze molekuły H₂O. Zachodzi wtedy resublimacja, czyli bezpośrednia przemiana przechłodzonej pary w lód z pominięciem ciekłej wody. To właśnie ten proces odróżnia śnieg od zwykłego lodu, który zamarza z wody. Rośnie więc maleńki kryształek lodu, początkowo mający dość prostą formę, a jego dalszy kształt zależy od temperatury i wilgotności w kolejnych warstwach chmury, przez które wędruje.

W typowej chmurze temperatura spada wraz z wysokością, a wilgotność zmienia się z metra na metr – dlatego praktycznie każdy płatek śniegu jest inny.

Dlaczego płatki śniegu mają kształt gwiazdek?

W chemii woda wydaje się prosta: to tylko H₂O. W stanie stałym układa się jednak w bardzo uporządkowaną sieć krystaliczną. Lód ma strukturę sześciokątną, co widać w kształcie śnieżynek. Pierwszy kryształek rośnie w dość stabilnych warunkach i przypomina miniaturowy sześcian lub sześciokątną płytkę. Gdy trafi do innej części chmury, gdzie jest ciut zimniej albo wilgotniej, na jego krawędziach zaczynają wyrastać ramiona.

Te ramiona rozwijają się równocześnie. Każde z sześciu „ramion” doświadcza bardzo podobnych warunków, bo płatek jest mały, a chmura w danej chwili dość jednorodna. Dlatego śnieżynki są prawie symetryczne, choć nigdy idealnie. Nawet niewielka zmiana temperatury o ułamek stopnia albo podmuch wiatru w chmurze potrafi zmienić wzór i sprawić, że w jednym płatku zobaczysz dodatkowe odgałęzienia, a w innym gładkie ramiona bez ozdób.

Od maleńkiego kryształka do opadu śniegu

Tak długo, jak płatek jest lekki, prądy powietrzne w chmurze potrafią go utrzymać w zawieszeniu. Wędruje więc w górę i w dół, raz przez warstwy bardziej wilgotne, raz bardziej suche. Z każdej takiej podróży wraca „grubszy”, bo do jego powierzchni doczepiają się kolejne kryształki lodu. W końcu staje się na tyle ciężki, że prąd noszący go dotąd w górę słabnie i śnieżynka zaczyna opadać.

Na drodze z chmury do ziemi płatek przechodzi przez kolejne warstwy powietrza o innym składzie i temperaturze. Jeśli w dolnej części atmosfery jest mróz, dociera na ziemię jako delikatny puch. Gdy w drodze spotka cieplejsze powietrze, zaczyna się topić lub całkowicie zamienia się w deszcz. Właśnie z tej wędrówki bierze się ogromna zmienność zimowych opadów: od suchego, skrzypiącego śniegu po ciężką, mokrą breję znaną z odwilży.

Dlaczego śnieg pada przy dodatniej temperaturze?

Sytuacja, w której na termometrze przy domu widzisz +2°C, a z nieba spada śnieg, wydaje się sprzeczna z intuicją. W rzeczywistości termometr mierzy temperaturę tylko na swojej wysokości, najczęściej około 2 metrów nad ziemią. Tymczasem w chmurze, kilometr wyżej, może być nawet o 5–7°C zimniej. Tam śnieg powstaje, a potem spada w dół przez coraz cieplejsze warstwy powietrza.

Pierwsze płatki rzeczywiście często roztapiają się w locie. Podczas topnienia oddają jednak ciepło otaczającemu powietrzu, które się ochładza. W pewnym momencie powietrze na tyle traci energię, że kolejne płatki trafiają już na względnie „komfortową” dla siebie temperaturę i docierają na ziemię jako śnieg, choć termometr wciąż wskazuje lekkie plusy. Zdarza się też odwrotna sytuacja: powietrze przy powierzchni jest lekko ujemne, ale powyżej 0°C na pewnej wysokości; wtedy początkowo zamarznięte cząstki topią się i spada deszcz, a nie śnieg.

Śnieg, grad i deszcz – czym się różnią?

Na pierwszy rzut oka wszystkie są „wodą z nieba”, ale warunki ich powstawania są inne. Śnieg to kryształki lodu, które rosną spokojnie w chmurach warstwowych lub warstwowo-deszczowych. Grad rodzi się z kolei w potężnych, burzowych chmurach kłębiastych, gdzie występują bardzo silne ruchy wznoszące.

W gradzinie lód narasta warstwowo. Małe ziarno lodu jest wielokrotnie wyrzucane w górę i z powrotem spada w dół w jednym obiegu w obrębie chmury. Za każdym razem obmarza nową „skórką” z przechłodzonej wody. Taka kula rośnie czasem do kilku centymetrów średnicy. Deszcz jest najprostszym przypadkiem: krople wody kondensują na jądrach kondensacji jako ciekła woda i spadają na ziemię, ewentualnie po drodze zmieniając swój rozmiar. Różnice między tymi rodzajami opadów można przejrzyście pokazać:

Jak temperatura i albedo wpływają na topnienie śniegu?

Na pierwszy rzut oka wydaje się, że śnieg topi po prostu ciepłe powietrze. Meteorolodzy i glacjolodzy widzą to inaczej. O tym, czy śnieg się topi, decyduje bilans cieplny powierzchni, czyli zestaw wszystkich zysków i strat energii. Zysk energii daje promieniowanie krótkofalowe (światło) ze słońca i nieba oraz promieniowanie długofalowe z atmosfery, czyli ciepło emitowane przez chmury i warstwę powietrza. Straty biorą się z odbicia części światła oraz z wypromieniowania ciepła przez sam śnieg.

Bilans modyfikuje też turbulencyjna wymiana ciepła. Silny wiatr, wysokie lub niskie temperatury i wilgotność wpływają na to, jak szybko energia przepływa między śniegiem a powietrzem. Jeśli bilans jest dodatni, śnieg się nagrzewa aż do 0°C, a potem zaczyna topnieć. Gdy bilans jest ujemny, nawet przy lekko dodatniej temperaturze powietrza, śnieg może wciąż się wychładzać i przetrwać dłużej, niż sugerowałby zwykły termometr.

Czym jest albedo śniegu?

Jednym z najważniejszych składników bilansu cieplnego jest albedo, czyli zdolność powierzchni do odbijania światła. Świeży, biały śnieg odbija nawet około 90% padającego na niego promieniowania słonecznego. Ciemna asfaltowa droga tylko około 5%. To ogromna różnica w ilości energii pochłanianej przez podłoże. Im powierzchnia jest ciemniejsza, tym więcej energii z promieniowania krótkofalowego zamienia się w ciepło i przyspiesza topnienie lodu.

Dobrym porównaniem jest garderoba w upalny dzień. Czarna koszulka nagrzewa się szybko, jasna pozostaje chłodniejsza. Lodowce nie mają jednak garderoby na zmianę. Ich „biały T-shirt” – czysta pokrywa śnieżna – może z czasem ulec zabrudzeniu. Osadzają się na nim cząstki sadzy z pożarów lasów, pył wulkaniczny i zanieczyszczenia z fabryk czy silników diesla. Taki ciemny śnieg pochłania znacznie więcej ciepła niż świeży, biały puch i przyspiesza topnienie lodu.

Zanieczyszczenia a przyspieszone topnienie lodowców

Badania prowadzone w Himalajach przez International Centre for Integrated Mountain Development (ICIMOD) pokazały, że w niektórych regionach Indii około 30% topnienia lodowców można przypisać właśnie zanieczyszczeniom antropogenicznym. Są to głównie cząstki sadzy pochodzące z spalania węgla, pracy silników diesla oraz tradycyjnych stosów pogrzebowych. Wiatr przenosi te cząstki na setki, a nawet tysiące kilometrów, aż osiadają na śniegu i obniżają jego albedo.

Podobne zjawisko obserwuje się na lądolodzie Grenlandii. Francuski zespół badawczy kierowany przez A. Dumonta opisał w 2014 roku, jak niewielkie obniżenie albedo świeżego śniegu o zaledwie 1% może zwiększyć utratę masy lądolodu o około 27 gigaton rocznie. Ten efekt wzmacniają sprzężenia zwrotne opisywane przez Jasona Boxa w projektach takich jak Dark Snow Project. Wcześniejsze topnienie powoduje większą zawartość wody w śniegu, a to jeszcze bardziej zaciemnia jego powierzchnię i przyspiesza kolejne topnienie, także w wysokich partiach lodowca.

Czy śnieg jest czysty?

Biały, puszysty śnieg wygląda niewinnie, szczególnie w oczach dzieci. Podczas zajęć edukacyjnych maluchy często dostają zadanie: zebrać śnieg do pojemników, wnieść go do sali i poczekać aż się rozpuści. Potem wspólnie oglądają wodę. Efekt zwykle zaskakuje wszystkich – woda po roztopieniu jest mętna i brudna. Widać w niej drobiny piasku, fragmenty liści, ziarenka ziemi i ciemny pył.

Dzieci, które przyglądają się śniegowi pod lupą, szybko zauważają, że śnieg zbierany z chodnika, boiska czy pobocza ulicy nie ma nic wspólnego z czystością. Zawiera zanieczyszczenia z ruchu samochodowego, spaliny, drobiny gumy z opon, wyrzucone przez wiatr śmieci. Właśnie dlatego nawet ładnie wyglądający, biały puch z miasta nie nadaje się do jedzenia. To praktycznie mieszanka wody i zanieczyszczeń w formie chwilowo zamrożonej.

Naturalny śnieg a śnieg sztuczny

W ośrodkach narciarskich i na górkach saneczkowych coraz częściej pojawia się śnieg sztuczny. Powstaje z wody rozpylanej pod dużym ciśnieniem w zimnym powietrzu. Maszyny, tzw. armatki śnieżne, tworzą maleńkie kropelki, które przy odpowiednio niskiej temperaturze zamarzają w locie. Ten śnieg ma inną strukturę niż naturalne śnieżynki. Zwykle jest bardziej zbity, mniej puszysty, a jego kryształki przypominają grudki lodu.

Dla dzieci – co pokazują zajęcia z M. Jagielską – wciąż jednak atrakcyjniejszy jest śnieg naturalny. Ma przyjemniejszą w dotyku strukturę, łatwiej z niego lepić bałwana i rzucać się śnieżkami. Choć i jeden, i drugi rodzaj bywa mokry i zimny, to naturalny śnieg daje więcej wrażeń zmysłowych: skrzypi pod butami, lśni w słońcu i układa się w rozmaite kształty. Sztuczny jest bardziej technicznym „materiałem” narciarskim niż żywiołem kojarzonym z dziecięcą zabawą.

Jakie formy może przybierać śnieg?

Kiedy myślisz o śniegu, wyobrażasz sobie delikatną gwiazdkę. To tylko jedna z wielu możliwych form. Kształt płatka zależy od kombinacji temperatury i wilgotności w chmurze. Badania prof. Kennetha G. Libbrechta z Caltechu, który od lat hoduje śnieg w laboratorium, pokazały, jak czuły jest to system. Zmiana o kilka stopni wystarczy, by zamiast wyszukanej śnieżynki powstała prosta igiełka.

Przy temperaturach między około -10 a -20°C i dużej wilgotności tworzą się znane z ilustracji gwiazdkowate śnieżynki. Gdy jest nieco cieplej, około -3 do -10°C, kryształy przybierają formę igiełek lub niskich kolumienek. Przy bardzo niskich temperaturach pojawiają się płaskie, sześcioramienne płytki. Gdy woda zamarza bardzo szybko, a cząsteczki nie zdążą się ułożyć w uporządkowaną sieć, powstaje zwykły lód o mniej regularnej strukturze.

Jak duży może być płatek śniegu?

Teoretycznie, gdyby warunki w chmurze długo się nie zmieniały, płatek mógłby rosnąć bez końca. W praktyce atmosferę cechuje duża zmienność. Płatek często trafia w takie rejony chmury, gdzie wilgotność spada albo zaczyna się topić już w powietrzu. Z obserwacji prof. Libbrechta wynika, że największe pojedyncze śnieżynki, jakie udało się dobrze sfotografować, miały około 1 centymetra średnicy. Większe struktury znane z niektórych przekazów to prawdopodobnie zlepione ze sobą płatki, a nie jeden gigantyczny kryształ.

Rozmiar płatka ma też praktyczne konsekwencje. Duże, rozbudowane gwiazdki spadają wolniej i miękko osiadają na ziemi, tworząc puszystą warstwę. Małe, zbite grudki lub ziarna śniegu spadają szybciej, bardziej przypominając drobny grad. To dlatego przy tej samej „ilości opadu” w jednych sytuacjach wrażenie jest lekkie i bajkowe, a w innych odczuwasz śnieg jako bolesne uderzenia w twarz.

Czy śnieg pada tylko na Ziemi?

Śnieg kojarzy się głównie z naszą planetą, bo ponad 70% powierzchni Ziemi zajmują oceany, a atmosfera ma warunki sprzyjające resublimacji. Ale opady przypominające śnieg spotykamy także w innych miejscach Układu Słonecznego. Na Marsie wielokrotnie zaobserwowano chmury, z których pada marsjański śnieg. Średnia temperatura około -60°C sprzyja zamarzaniu dwutlenku węgla i wody.

W 2008 roku lądownik NASA Phoenix zarejestrował opad śniegu z chmur około 4 km nad powierzchnią Marsa. Ten śnieg nigdy jednak nie dotarł do gruntu. Wyparował w suchych, niższych warstwach atmosfery. Takie zjawisko nazywa się virga i znamy je także z Ziemi, gdy opad zanika przed dotarciem do ziemi, bo dolne partie powietrza są bardzo suche. W 2012 roku na Marsie wykryto też opady śniegu z zamrożonego dwutlenku węgla, czyli suchego lodu.

Śnieg poza planetami skalistymi

Interesujący przykład „śniegu kosmicznego” daje Enceladus – księżyc Saturna. Z jego powierzchni wybuchają gejzery wyrzucające pióropusze pary wodnej i lodu. Cząstki te powoli opadają z powrotem, tworząc na lodowej skorupie Enceladusa charakterystyczne, regularne wzory. Tempo tego opadu jest niezwykle małe: szacuje się, że warstwa rośnie tam o tysięczne części milimetra rocznie.

Aby na powierzchni Enceladusa zgromadziło się około 100 metrów zamarzniętej wody, potrzeba kilkudziesięciu milionów lat. Ten kosmiczny „śnieg” ma inną dynamikę niż burze śnieżne znane z Alp czy Karpat, ale wciąż opiera się na tej samej zasadzie: zamianie pary w lód i powolnym opadaniu kryształków pod wpływem grawitacji.

Burza śnieżna – co to za zjawisko?

Na koniec warto wspomnieć o jeszcze jednym zimowym fenomenie: burzy śnieżnej. To rzadkie połączenie intensywnego opadu śniegu z wyładowaniami atmosferycznymi. Zimowe burze zdarzają się rzadziej niż letnie, bo wymagają specyficznego układu mas powietrza. W jednym miejscu musi spotkać się bardzo zimne powietrze przy ziemi z cieplejszą, wilgotną masą wyżej, co powoduje silne ruchy wznoszące i rozwój chmur burzowych, ale o mroźnej zawartości.

Burza śnieżna może być groźna dla infrastruktury i ludzi. Przy silnym wietrze widoczność spada niemal do zera, a śnieg na przemian topi się i zamarza na przewodach, dachach czy jezdniach. Dlatego, kiedy prognozy mówią o burzy śnieżnej, warto z dużą ostrożnością planować podróże, a w górach unikać stromych stoków, gdzie świeży śnieg może łatwo ruszyć lawiną.

• Śnieg powstaje w chmurach z przechłodzonej pary wodnej.
• Do jego narodzin potrzebne są jądra kondensacji.
• Kształt płatka zależy od temperatury i wilgotności.
• Na tempo topnienia wpływa albedo i zanieczyszczenia.