10.07.2025
Снегът е вид замръзнала вода. Състои се от множество малки ледени кристалчета, които се оформят в снежинки. В зависимост от обстоятелствата, при които се образува, снегът може да бъде лек и пухкав или влажен и тежък. Снегът се състои предимно от въздух, поради което от физическа гледна точка се описва като „пореста среда“. Ако искате, това е въздушна ледена пяна.
Снегът е важна част от кръговрата на водата и има многобройни последици за околната среда. Той покрива земята и влияе на регионалния климат. Снегът оказва голямо влияние и върху местообитанията на животните и растенията, тъй като представлява изолационен слой и може да съхранява вода. Когато се разтопи през пролетта, той се превръща в източник на вода.
Снегът е важен и за хората, както за свободното време (каране на ски, сноуборд и шейни), така и за транспорта (напр. ски лифтове, ски-ду). Снегът обаче може да причини опасности като лавини, проблеми с трафика и щети на инфраструктурата, особено когато падне голямо количество.
Като цяло снегът е очарователно метеорологично явление, което играе важна роля в природата и ежедневието.
Процесите, които водят до образуването на снежни кристали, са сложни и зависят от много фактори, като например температура, влажност, налягане и количество водни пари във въздуха.
Като цяло образуването на снежен кристал започва, когато водните пари кондензират върху малки частици във въздуха. Тези частици служат като ядра или така наречените „центрове за образуване на ядра“ за кондензацията на водните пари. За да може водната пара от въздуха изобщо да се закрепи върху частиците, въздушният пакет, в който се намира водната пара, трябва да е наситен. Наситен означава, че относителната влажност на въздуха в пакета е 100 %. За да се предотврати незабавното топене на снежните кристали, температурата на въздуха трябва да е под точката на замръзване. Ако при тези условия около тези ядра се натрупат достатъчно водни пари, се образуват малки снежни кристали от лед.
Температурата и т.нар. пренасищане, т.е. абсолютният дял на водата във въздуха, определят формата на снежния кристал.
Снежните кристали могат да имат различна форма и структура в зависимост от условията на околната среда, но едно свойство е винаги едно и също: те имат шест ъгъла. Ако пренасищането е 0,1 г на кубичен метър въздух и температурата е близка до 0°С, обикновено се образуват малки плочки (вж. също илюстрацията и снимката). Ако има повече налична вода в абсолютно изражение, тромбоцитите започват да образуват рамена. Образуват се класическите снежни звезди или дендрити. Тези снежни кристали растат непрекъснато в облака. Ако станат прекалено тежки, те падат надолу, следвайки силата на гравитацията. В този процес те често биват завихряни от ветровете. В резултат на това те се заплитат и залепват, образувайки снежинката. Тъй като тя е още по-тежка от отделните дендрити, пада на земята.
Кристалите на снега имат шестоъгълна форма, което се дължи на молекулярната структура на водата. Шестоъгълната форма се създава от начина, по който водните молекули се подреждат по време на образуването на снежните кристали.
Тъй като снегът е замръзнала вода, снежният кристал се състои от водни молекули. Те от своя страна се състоят от кислороден атом, заобиколен от два водородни атома. Когато се образува снежен кристал, водните молекули се подреждат в правилна схема и образуват хексагонална структура.
Шестоъгълната форма се създава от ъглите на връзките между водните молекули. Ъглите между водородните атоми и кислородния атом в молекулата на водата са приблизително 104,5 градуса. Когато водата кристализира, водните молекули се вписват най-добре в шестоъгълна структура поради тези ъгли.
За нас, хората, снегът е студен, защото температурата му е по-ниска от тази на тялото ни. Когато снегът падне върху кожата ни, той отнема топлината от тялото ни и ни кара да се чувстваме студени. Вятърът усилва усещането за студ от снега, тъй като пренася топлината от кожата ни по-бързо.
Въпреки че за нас, хората, снегът се усеща като студ, самият той всъщност е доста горещ на Земята. За да разберем това, трябва да познаваме понятието „хомоложна температура“. Тя описва температурата, при която даден материал, в случая сняг или лед, се топи. Хомоложната температура на снега е 0°С. Тъй като в нашите географски ширини снегът рядко се застудява повече от -30°С, температурата му винаги е доста близка до хомоложната му температура, т.е. винаги е много близо до температурата на топене, която е много висока за самия материал сняг. Ако вземете хомоложната температура за референтна, снегът може дори да се счита за горещ материал.
Поради това снегът има висока термична активност. Това, което на пръв поглед изглежда странно, става логично, когато това явление се сравни с други материали, които ние, хората, така или иначе възприемаме като горещи. Нека сравним снега с метал: температурата на топене на алуминия например е около 660 °C. Следователно обикновено алуминият е много далеч от точката си на топене в сравнение със снега. От друга страна, снегът постоянно е много близо до точката на топене и това кара водните молекули постоянно да се отделят от ледените зърна и да преминават в газова фаза, сублимирайки във водни пари.
Снегът се състои от вода. Водата е уникална субстанция с различни агрегатни състояния и специална характеристика, известна като аномалия на водата.
Съвкупните състояния на водата са
Аномалията на водата се отнася до някои необичайни свойства, които водата проявява в сравнение с други вещества. Ето някои примери:
Тези аномалии на водата са тясно свързани с уникалната структура и взаимодействия на водните молекули. Водородните връзки между водните молекули играят решаваща роля за наблюдаваните свойства на водата. Ледът има по-ниска плътност от водата, тъй като при замръзване водните молекули се подреждат в решетъчна структура, която изисква повече пространство и следователно заема по-голям обем за същото количество вода. Резултатът: плътността намалява (вж. също следващата глава). Всеки, който някога е забравял напитка във фризера, е запознат с този ефект. Ако чакате твърде дълго, накрая ще имате само счупено стъкло и замръзнала течност във фризера. Аномалията в плътността на водата до голяма степен е причина за това, че растенията и животните могат да оцелеят във водоем през зимата. В едно езеро например ледът, който се образува, плува отгоре и не позволява на езерото да се охлади твърде много. Освен това останалата вода в езерото остава течна и може да продължи да осигурява необходимата среда за живот на живите организми.
Аномалия на водата:
Теглото на снега може да варира значително. Поради тази причина снегът не се определя или измерва в единица за маса (напр. килограм), а винаги се описва спрямо референтен обем (напр. кубичен метър). Тогава вече не говорим за теглото на снега, а за неговата плътност. Плътността на даден материал се определя като маса на единица обем. Обикновено се дава в килограми на кубичен метър (kg/m³). По принцип снегът има по-малка плътност от водата, което означава, че даден обем сняг има по-малка маса от същия обем вода. Това понятие може да се използва и за описание на плътността на сухия сняг (т.е. сняг, състоящ се само от лед) и на мокрия сняг. „Сух“ в този контекст означава, че снегът се състои само от ледени кристали, докато „мокър“ сняг се състои от смес от ледени кристали и вода. Поради структурата си и това дали е сух или мокър, снегът може да има много различни стойности на плътността (вж. таблицата). Максималната стойност на плътността на снега е при вида му като чист лед, който тежи 917 kg/m³.
Порьозността е тясно свързана с принципа на плътността. Снегът може да бъде силно порест материал. Порьозността се отнася до съотношението на порите или кухините в даден материал спрямо общия обем. Тя е мярка за това колко пространство в материала се заема от нетвърд материал. Силно порьозният материал има по-голям брой пори спрямо обема си (= ниска плътност) и следователно по-висока порьозност. От друга страна, един плътен материал има по-малко пори и следователно по-ниска порьозност. Прочутият шампанизиран прах от Юта обикновено има плътност от 30-50 kg/m³ и вероятно е най-порьозното състояние на снега. Ако превърнете плътността в порьозност, ще установите, че обемът на 1 кубичен метър шампанска пудра се състои само от 3-6% лед – останалото е въздух.
Порьозността е популярна единица в материалознанието и може да повлияе на механичните свойства на материалите, като например тяхната якост, еластичност или топлопроводимост. Важно е да се отбележи, че порьозността се отнася не само до броя на порите, но и до тяхното разпределение, форма и размер. Тези фактори могат да повлияят на специфичните свойства и функции на даден порест материал.
Топлопроводимостта показва колко добре даден материал провежда топлина. По-долу са изброени коефициентите на топлопроводност на въздуха, леда и водата, тъй като снегът се състои от тези елементи:
Следователно всички материали, които могат да се намират в снежната покривка, са сравнително слаби проводници на топлина. Вследствие на това много порестият сняг, т.е. сняг с голям дял въздух и малък дял лед, има много силен изолационен ефект.
Снежната покривка е много разнообразна, тъй като снегът се променя от момента, в който падне на земята, и остава там. Колко бързо и масирано се извършва тази трансформация, зависи от температурата, плътността на снега (= порьозност) и теглото на лежащите над него снежни слоеве. Ако например има големи температурни разлики в близост до повърхността на снега, снежните кристали могат да се трансформират от по-скоро заоблени форми в ъгловати, ъгловати форми в рамките на няколко часа.
Описанието на трансформацията на снега, известна също като метаморфоза, е смесица от морфологично описание, което се отнася до формата на снежните кристали (вж. таблицата с формите на зърната), и описание на процеса. Затова се прави опит да се опише и характеризира формата и образуването на променените снежни кристали. Могат да се разграничат три вида трансформации:
Деградационната трансформация описва процесите, които превръщат новия снежен кристал в малки кръгли зърна чрез т.нар. филц (сняг).
Първоначално фино разклонените, сравнително големи кристали на пресния сняг се превръщат в малки кръгли зрънца. Причината за това е неравномерното разпределение на водните молекули в гнездата на пресния сняг: във върховете всяка водна молекула има само няколко съседа, които могат да я задържат в структурата на леда. В пониженията и вдлъбнатините обаче има много съседни молекули, които могат да задържат водната молекула на място. От физична гледна точка налягането на водните пари върху изпъкнали форми (хребети, върхове) е по-голямо, отколкото върху вдлъбнати форми (вдлъбнатини, вдлъбнатини). С течение на времето тази разлика в налягането води до сублимация на леда в областта на върховете, до миграция на водни пари към вдлъбнатите области на новия снежен кристал и до повторното му отлагане под формата на лед.
Зад този процес стои универсалният стремеж на природата да намали до минимум повърхностната енергия. Геометричната форма с най-ниска повърхностна енергия е сферата. В резултат на деградиращата трансформация сложният снежен кристал става все по-сферичен. Полученото в резултат на това укрепване на връзките може да се обобщи с термина „синтероване“. Следователно синтероването е последица от деградиращата метаморфоза.
Този процес започва веднага след отлагането на нов снежен кристал. Тъй като пространството на порите става все по-малко и ледените зърна също стават все по-малки, обемът намалява и снежната покривка се сляга – процес, който можем да наблюдаваме с просто око след нов снеговалеж. Продължителността на този процес зависи от температурата. По-високите температури в снежната покривка (приблизително от -5°С до 0°С) водят до сравнително бърз процес на разлагане; при по-ниски температури този процес е по-бавен. Високото налягане (напр. натоварване поради много пресен сняг) допълнително ускорява трансформацията на разграждането. Както бе споменато в началото, процесът на синтероване обикновено протича в три форми на зърната (вж. таблицата на формите на зърната): Пресният сняг се превръща във филц, който се свива на малки кръгли зърна, докато процесът на разграждане продължава.
Агломерацията и деградационната трансформация имат различно въздействие върху образуването на лавини (вж. статията за образуването на лавини). Например по време на прехода от кристал на пресен сняг към кристал на филц се наблюдава краткосрочна загуба на здравина, тъй като деградационната трансформация разрушава взаимосвързаността на кристалните клони, но все още не са се образували нови мостове, които биха могли да компенсират загубата на здравина. На практика това се проявява в лавините от рохкав сняг, които често се появяват непосредствено след появата на нов сняг. В резултат на деградиращата трансформация пресният сняг също става свързан и дъсчен и в комбинация със слаб слой може да доведе до лавина от плочи. По принцип обаче деградационната трансформация е благоприятна за стабилността на много порести слоеве (напр. слаби слоеве), тъй като връзките в кристалната структура се укрепват и стабилизират.
Кристалът на снега расте по време на трансформацията на натрупване. Движещата сила на метаморфозата на снега е температурният градиент в снежната покривка, като основната съставка е водната пара. Температурният градиент описва температурната разлика между повърхността на снега и земята спрямо дълбочината на снега. Колкото по-голям е градиентът, толкова по-бързо и по-силно протича трансформацията на натрупването. Тъй като снежната покривка изолира много добре, през зимата в близките до земята слоеве се установява постоянна температура, близка до 0 °C. На повърхността на снега температурата на снега варира значително поради енергийния обмен с атмосферата и може да достигне много ниски температури. Колкото по-голяма е температурната разлика в снежната покривка и колкото по-малка е дълбочината на снега, толкова по-голям е градиентът.
По-топлият въздух в порите на дъното съдържа повече водни пари, отколкото по-студените слоеве над него, което кара водните пари да се издигат към по-студените слоеве и да рекристализират като лед от долната страна на по-студените кристали (отлагане). Образуват се фасети и ръбове, зърното расте и бавно се превръща в ъглов кристал и накрая в кристал с чашка или дълбока замръзналост (плаващ сняг). Това се образува главно на земята, но може да се появи и в по-високите междинни слоеве. Решаващият фактор винаги е голямата температурна разлика на кратко разстояние. Ако тази разлика съществува в слоевете близо до повърхността, там също могат да се образуват ъгловати кристали, особено на сенчести склонове по време на дълги студени периоди.
Друга кристална форма на трансформацията на натрупването е повърхностната зрялост. Процесът на образуване на повърхностната зрялост е същият като този на дълбоката зрялост (отлагане). Водните пари при образуването на повърхностна слана обаче идват от околния въздух, който преминава над снежната покривка.
Трансформацията на натрупването е толкова важна, защото създава слаби слоеве. Кристалите на чашата са крехък материал само поради размера си. Поради големите, ъглови и наклонени форми на кристалите между тях могат да се образуват само няколко контактни точки. Ледената структура губи здравина. Освен това големите структури сега имат още по-силен лостов ефект върху всяка допълнителна връзка, което в крайна сметка води до по-добро разпространение на фрактурите. С други думи, ако един-единствен елемент се счупи в слой от дълбок лед, това отслабва непропорционално структурата на леда.
Трансформацията на натрупването обаче не винаги намалява стабилността на снежната покривка. Ако например цялата снежна покривка претърпи масивна трансформация на натрупване поради дълъг период на студено време, вече няма никакъв свързан сняг, който би могъл да се плъзне като снежна плоча. Снежната покривка вече се състои само от свободни, несвързани снежни кристали. В този случай разпространението на счупването е значително намалено и нерядко се случва да изпитате най-финия пухкав сняг при много безопасни условия. Ситуацията става отново критична едва когато пристигне следващият снеговалеж или снегонавявания и свободните пластове се превърнат в слаб слой, покрит със сняг.
Щом температурата на снега се повиши до 0 °C, кристалите започват да се топят по ъглите и ръбовете си. Те придобиват закръглена форма и се приближават един към друг. Често под лупа могат да се видят конгломерати (струпвания) от няколко зърна (вж. таблицата с формите на зърната). Отделните закръглени снежни кристали растат силно и за кратко време могат да достигнат размери от няколко милиметра. Получената вода първоначално заема само вдлъбнатините и контактите на кристалите в клъстерите. Това вгнездяване на малки количества вода в ъглите на порите увеличава капилярните сили между кристалите и увеличава здравината. Докато съдържанието на влага в снега и диаметрите на зърната са ниски, настъпва втвърдяване. Снегът се слепва и е идеален за дълги битки със снежни топки или за построяване на красив снежен човек.
С напредването на топенето порите все повече се запълват с вода от топенето. Водата вече не може да се задържи в ъглите на порите и се оттича под действието на гравитацията. Снежните кристали вече са почти изцяло покрити с водна обвивка и са отделени един от друг. Изчезването на връзките между зърната води до голяма загуба на здравина (гнил сняг). Малките разлики в количеството на водата определят дали мокрият сняг е стабилен, или не. Промените в количеството на водата обаче могат да настъпят много бързо. Обикновено снегът остава стабилен до около 3 % обемни течна вода. Ако тази прагова стойност бъде надхвърлена, снежната покривка много бързо губи своята стабилност.
Ако влажен или мокър слой сняг замръзне, той образува стабилна кора от разтопен сняг. Снегът става много твърд. В резултат на многократното редуване на топене и повторно замръзване се получава едрозърнест сняг, който скиорите извън Швейцария наричат донякъде небрежно „firn“.
