Led v oblacích

Profesor Karlovy univerzity v Praze Stanislav Hanzlík (11. 5. 1878 – 8. 10. 1956), jeden z klasiků meteorologie, říkával ve svých přednáškách, že „polovina krásy světa je v oblacích“. Měl zřejmě na mysli pohled na oblohu zvýrazněnou bohatstvím tvarů a někdy i barev oblaků. Velká krása, při tomto pohledu z dálky neviditelná, se však skrývá uvnitř oblaků v podobě ledových krystalků a jejich komplexů. Určitou představu o zmíněné kráse si lze utvořit, jestliže se nám za příhodných meteorologických poměrů podaří tyto částice zachytit z tuhých srážek, které z oblaků vypadávají.

Jak led v oblacích vzniká?

Termodynamická analýza problému poněkud mění vžitou laickou představu, že kapalná voda vždy mrzne v led, je-li dosaženo bodu mrazu, tj. za normálního tlaku a teploty 0 °C. Víceméně to platí pro makroskopické objemy vody, ale nikoli pro nepatrné zárodky oblačných kapiček o rozměrech jednotek nebo destin mikrometru, které v oblaku vznikly na kondenzačních jádrech. Příslušný výpočet ukazuje, že takto maličké kapičky čisté vody v oblacích mrznou v mikroskopické částečky ledu až při teplotách pod –40 °C. Mohou však běžně zmrznout i při teplotách vyšších, jestliže obsahují krystalizační neboli ledová jádra, tedy zárodky oblačných ledových částic o velikosti zhruba jednoho mikrometru.

Ledové částečky pak narůstají přímým ukládáním molekul vodní páry do krystalové struktury ledu. Základním tvarem ledového krystalku je pravidelný šestiboký hranol, jehož průřezem kolmým na hlavní osu krystalu je pravidelný šestiúhelník. Z toho vyplývají tři možné tvarové formy:

• Šestiboký sloupek, který může mít na koncích jehlance, nebo naopak dutiny v podobě číší. Jestliže jsou sloupky velmi dlouhé a tenké, mluvíme o jehlicích (krystalek roste převážně ve směru hlavní krystalové osy).
• Tenké nebo silnější šestiúhelníkové destičky, jejichž růst probíhá rovnoměrně ve směrech kolmých na hlavní krystalovou osu.
• Šesticípé hvězdice neboli dendrity (růst krystalku probíhá převážně jen ve směrech vedlejších krystalových os představujících osy šestiúhelníku).

O tom, která ze zmíněných forem převládá, rozhodují vnější podmínky růstu ledového krystalku. Ty jsou dány teplotou vzduchu a mírou přesycení vodní páry ve vzduchu vůči ledu (vliv teploty je ale výraznější). Jestliže tedy sledujeme tvary ledových krystalků ve srážkách vypadávajících z oblaků, můžeme na základě svých pozorování získávat informace o teplotních a vlhkostních parametrech uvnitř oblaků.

Okolnosti ovlivňující vývoj ledových částic

Jaký vliv má teplota? V oboru teplot od 0 °C do –5 °C se objevují převážně jednoduché hladké destičky nebo jejich segmenty. V teplotním rozmezí –5 až –10 °C naopak převažují sloupkovité krystalky. Od –10 do –25 °C znovu výrazně převažují plošné krystalky tvaru destiček nebo hvězdic (dendritů), popřípadě jednoduchých kombinací těchto tvarů (například dvě destičky propojené krátkým sloupkem). Povrchy ledu jsou zde obvykle s různými znaky (žebrováním apod.). V oblasti teplot pod –25 °C se uplatňuje převaha sloupkovitých krystalků, zejména jejich složitějších kombinací, například různých srostlic apod.

Proč má přesycení vodní párou méně výrazný vliv?

Protože při nízkých přesyceních vůči povrchu ledu je větší tendence k vývoji sloupkovitých krystalků. S růstem hodnot přesycení se pak více uplatňují destičky, a posléze hvězdice. Jde tedy o vzájemně se kombinující dva vlivy, a proto se při určitých podmínkách téměř nikdy jeden tvar nevyskytuje zcela výlučně, ale pouze převažuje. Obdobné výsledky byly získány i numerickými simulacemi.

Další pěkné tvary ledových krystalků můžeme pozorovat v tuhých usazených srážkách, které se při teplotách pod 0 °C vytvářejí na stéblech trav, větvích stromů a keřů, drátech, plotech a jiných předmětech. Přímou sublimací vodní páry v led se tvoří jíní, které má podobu jemných jehliček, jejich subtilních srostlic nebo peříček. Lidově bývá označováno jako šedý mráz, šedivec nebo šedivák. Jinovatka je krystalická námraza, která vytváří křehkou ledovou usazeninu ve tvaru jehel, jejich komplexů nebo skupin. Vzniká obvykle při teplotách nižších než –8 °C, často za mlhy. Rychlým zmrznutím kapek přechlazené vody při styku s předměty při teplotách přibližně –2 až –10 °C vzniká zrnitá námraza v podobě bílé usazeniny ozdobené větvičkovitými krystalky. Přímou sublimací vodní páry v led vznikají také veliké plošné ledové krystaly na prochlazených plochách skleněných oken. Působí dojmem změti květin a palmových listů.