Dejte to k ledu. Ale ke kterému?

„A přece mě můj dobrý kůň ve vlasti přenesl přes široké jezero jako to za námi, a přitom si nesmočil ani chlup nad kopytem,“ řekl křesťanský rytíř Saracénovi. Saracén naň pohlédl s překvapením. „Ani Mrtvé moře, ani žádný ze sedmi oceánů, které omývají zemi, neunese na hladině tíhu koňského kopyta.“

Walter Scott: Talisman

Když zmrzne voda, vznikne led. Toto tvrzení asi nikoho ze čtenářů žijících v mírném podnebném pásmu nepřekvapí. Pro středomořského Saracéna před příchodem účinného sdílení informací to však byla představa nesmyslná. Různé životní zkušenosti vedou k různým závěrům.

Nějakou zkušenost s ledem máme v našich zeměpisných šířkách všichni. Mohlo by se zdát, že tak běžné médium již musí být velmi dobře prozkoumáno. Opak je však pravdou. O ledu a zvláště o zmrzlých roztocích se zásadní zjištění teprve dozvídáme z probíhajících vědeckých výzkumů, na kterých se také podílím. O struktuře a anomáliích vody ve Vesmíru před časem psal Jiří Kolafa,¹⁾ já bych se rád na problematiku podíval spíš z pohledu pozorování a pokusů.

Jaký je rozdíl mezi ledem a sněhem? Odpověď chemika je, že žádný: jedná se o stejnou látku – vodu v pevném skupenství. Odpověď lyžaře je, že veliký: na čerstvém prašanu se jezdí nesrovnatelně lépe než na sněhu umělém či po zledovatělých plotnách.

Tvar sněhových vloček závisí na teplotě a vlhkosti, při nichž vznikají.Schéma Libbrecht K. G., Rep. Prog. Phys., DOI: 10.1088/0034-4885/68/4/r03

Sněhové vločky vznikají desublimací vodní páry v troposféře. Teplota a množství vodní vlhkosti, tedy míra podchlazení a přesycení vodní páry, diktují rychlost tvorby sněhové vločky, a tím i tvar ledového monokrystalku. Zpětně, z tvaru vločky, můžeme usuzovat na podmínky jejího vzniku (obr. 1). Všimněte si, že ploché vločky vznikají při teplotách těsně pod 0 °C a pak v rozmezí –10 až –22 °C, kdežto sloupkové (tvaru neořezané dřevěné tužky) až jehlovité v rozmezí –3 až –10 °C a pak z přesycené páry při teplotách nižších než –22 °C. Pro ploché vločky platí, že čím jsou rozvětvenější a dekorovanější, tím z přesycenější páry rostly. Společné pro všechny vločky je, že se na jejich tvarech pozná základní uspořádání molekul vody v krystalové mřížce: je šesterečné, a tak ploché vločky budou nejčastěji tvořit šestiúhelníky a rozvětvené budou mít šest ramen. Nevěříte-li, vyjděte se s lupou na vločky podívat nebo aspoň zhlédněte řadu fotografií, které od roku 1885 nashromáždil sedlák Wilson Bentley a jeho následovníci.²⁾

Vločky sněhu mívají často dendritickou strukturu, jsou jemné a drobné. Právě proto čerstvý prašan ve svém objemu udržuje spoustu vzduchu. Oproti tomu sníh umělý je vlastně drobná zmrzlá krupička vzniklá mrazením roztoku. Dle původu je termín „umělý sníh“ velmi zavádějící. Sníh, jak již bylo řečeno, vzniká desublimací vodní páry na led. Ale „sněžná děla“ přeměňují na led vodu kapalnou. Měli bychom tedy spíš hovořit o „umělých kroupách“. Kroupy v letních mracích vznikají právě vynášením kapek vody do výšek, kde je nízká teplota, a proto zmrznou v led (Vesmír 90, 694, 2011/12; 78, 496, 1999/9).

Zbývá snad dodat, že voda se ráda podchlazuje, aniž zmrzne. Nechová se tedy přesně tak, jak by podle fázového diagramu měla. Vytvoření zárodečku krystalku se totiž musí zaplatit zvýšením energie systému. Dokud není krystalek dostatečně velký, vzniká na energetický dluh. Dluhu se dá vyhnout pomocí cizorodé částečky, která usnadní vznik ledového zárodku. Takovou částečkou může být například zrnko prachu, pylu nebo buněčná stěna bakterií. Zejména jeden druh bakterie, Pseudomonas syringae, se pro kondenzaci vody jeví jako velmi účinný. Tato bakterie napadá některé běžné rostliny, například rajčata, a způsobuje na nich černé skvrny. Rostlinám však nejvíce uškodí s příchodem mrazů – bez ní by voda na listech zůstala podchlazená až do asi –8 °C, kdežto v přítomnosti P. syringae zmrzne již při –1,8 °C. Způsobí otevření krycího epitelu a zpřístupnění živin v rostlině pro bakterie.