O tajemstvích vody a (ne)dokonalostech rampouchů  
Obyčejná voda má neobyčejné vlastnosti. A do podoby rampouchů zmrazuje i několik fyzikálních tajenek.

 

Zvětšit obrázek
Proměny vody. Foto:autorka

Úžasná voda
Kdo by neznal chemickou formulku H2O! V biosféře téměř všudepřítomná voda je vskutku zázračnou tekutinou s vlastnostmi, které umožnily vznik pozemského života a zajišťují jeho zachování. A to nejen proto, že voda tvoří většinu objemu organismů a bez ní delší dobu vydrží jen málokterý. Chrání nás i „zvenčí“ – pára je účinným skleníkovým plynem a led má menší hustotu než kapalné skupenství. Díky tomu neklesá ke dnu, což by za krátkou dobu způsobilo pozemskou globální katastrofu, ale tvoří ochranný krunýř vodního biotopu před mrazem a dováděním větrů v přízemní vrstvě atmosféry. Tato důležitá vlastnost vyplývá z prostorové struktury jednoduché molekuly. Kyslík, kterému do uzavření vnějšího (valenčního 2p) elektronového obalu chybí dva elektrony, se snaží je získat od dvou vodíků. Jenže proton v každém vodíkovém jádru se svého jediného elektronu také nechce vzdát a tak se o něj s kyslíkem přetahuje, což oba atomy k sobě poměrně pevně váže.

Zvětšit obrázek

Molekula naštěstí není symetrická, ale má tvar širokého „V“, jehož ramena – atomy vodíku – svírají úhel téměř 105 stupňů. Ve vrcholu „V“, tedy na straně kyslíku převládá záporný náboj, část s vodíky je pak kladná. Celá molekula je tedy z hlediska elektrického náboje polární. Všude, i ve vodě platí, že opačně nabité póly se přitahují. Kladná „vodíková“ část jedné molekuly se snaží natočit a přiblížit se ke kyslíku jiné molekuly. Toto sbližování však musí soupeřit s chaotickým tepelným pohybem molekul. Výsledkem jsou neustále vznikající a zanikající slabé elektrostatické vazby mezi molekulami (vodíkové můstky) jež způsobují, že voda může být navzdory malým molekulám kapalinou i za běžných podmínek. Když rtuť na teploměru klesá a molekuly ztrácejí energii, vodíkové můstky mezi nimi vznikají snáze a jsou stabilnější. Při 0 oC a normálním tlaku 101,325 kPa (= 760 Torrů nebo 1013,25 milibarů) již vítězí nad chaosem tepelného pohybu a kapalná voda se mění v led. Každá z molekul se podílí na čtyřech vazbách se čtyřmi jinými molekulami a vytváří krystalovou mřížku náležící do šesterečné (hexagonální) soustavy (obrázek vlevo). Proto i základní tvar sněhových vloček je šestiúhelník.


Proč je led lehčí než teplejší voda pod ním? Právě proto, že pevná krystalická struktura udržuje molekuly v stabilních vzdálenostech. V kapalném stavu za vyšší teploty se ale molekulám daří při svém chaotickém pohybu tuto hranici na okamžik překonávat a tak statisticky vzato je jich více v jednotkovém objemu vody než ledu.

S polaritou molekul a přechodně vznikajícími slabými vodíkovými můstky souvisí i povrchové napětí nebo životně důležité rozpouštěcí schopnosti vody.

 

Kredit: Martin Short

Obdivuhodné rampouchy
Laik by předpokládal, že okolo vody bylo již vyzkoumáno téměř vše. Alespoň za běžných podmínek. Jak ale dokazují některé odborné publikace, i růst rampouchů, slovensky cencúľov, může vyvolat vědeckou polemiku. Například na stalaktitech a rampouších si udělal doktorát Martin Short z Kalifornské university. Prokázal, že i když růst vápencových stalaktitů a ledových rampouchů podléhá různým procesům, výsledný tvar je v případě vnějších stabilních a ničím nerušených podmínek podobný (přesněji sobě-podobný) a blíží se geometricky dokonalému kuželu, kterého růst a rozměrové parametry podléhají stejnému matematickému popisu (obrázek vpravo). Short ve své teorii uvažuje o „mikroklima“, které se v těsném okolí rampouchu vytvoří. Zdánlivě paradoxně na povrch namrzající voda uvolňuje teplo, protože dochází k změně skupenství. Tím se nepatrně ohřívá okolní tenká vrstvička vzduchu jenž pak stoupá vzhůru a vytváří slabounké vzestupné proudění. To chrání část vody před rychlým zamrznutím a umožňuje ji stékat níž po rampouchu a přispívat k délce kužele, jenž se zužuje tak rovnoměrně, že se to dá v případě ideálních podmínek vždy stejně matematicky popsat. Jenom konec netvoří dokonalý hrot, ale kdybychom si jej prohlédli pod lupou, zpozorujeme v jeho středu drobnou konkávní prohlubeň.

Zvětšit obrázek
Schéma zařízení na růst rampouchů. Kredit: Chen & Morris, University of Toronto, dec. 2010

 

Jenže Short pocházející z jihovýchodu USA si doktorát dělal na Arizonské universitě v Tucsonu. A tak rampouchy a stalaktity chodil studovat do jeskyň, kde ani vánek nenaruší v podstatě stabilní podmínky. Není divu, že jeho starší kanadští kolegové nedůvěřovali podezřele idealizující teorii a řekli si, že Martin těch opravdových, reálnými podmínkami formovaných rampouchů v životě moc neviděl. Fyzik Stephen Morris z University v Torontu chtěl nejdříve studovat přirozené, venku ulomené ledové kužely, ale pak se s kolegou Antonym Szu-Han Chenem rozhodli vytvořit zařízení pro fyzikální modely, které umožňovalo studovat rampouchy vznikající za různých podmínek a z vody s různým obsahem solí (obrázek vlevo). V horní části zařízení bylo umístěno regulovatelné kapátko kropící rampouch narůstající z malé podpěry, která pomalu rotovala s frekvencí jedna otočka za 4 minuty. Nízkou rychlost experimentátoři zvolili proto, aby neměla žádný vliv na tvar narůstajícího rampouchu. Cílem tohoto vertikálního „grilování“ bylo rovnoměrné vystavení všech stran kuželu jednosměrnému proudu chladného vzduchu, kterým bylo možné simulovat působení větru o různé rychlosti. Fyzikové v tomto zařízení nechali za různých podmínek (teploty, přítoku vody, rychlosti proudění vzduchu) narůst 93 rampouchů. Když použili destilovanou vodu, pak až 45centimetrové konusy povětšinou splňovaly Shortovy předpoklady o matematicky ideálním sobě-podobném tvaru. Překvapující bylo, že se k této dokonalosti blížily, když je zařízení mírně ofukovalo chladným vzduchem a ne, jak se původně předpokládalo, když bylo v experimentálním zařízení úplné „bezvětří“. V takovém případě led prý často vytvářel bizarnější tvary – například rampouchy s koncem větvícím se do několika samostatných kuželovitých ramen. Zejména když namísto destilované vody vědci použili pitnou vodu, tedy s mírným obsahem rozpuštěných solí. Z ní vznikající rampouchy měly tendenci se různě zakřivovat, stáčet nebo se na nich vytvářely vybouleniny.

 

Typický zimní pohled na střechu v Kanadě.
Kredit: Chen & Morris,
University of Toronto, 2010

Zvlněný povrch přírodního rampouchu.
Kredit: Chen & Morris,
University of Toronto, 2010
Časová série snímků dvou rampouchů
rostoucích za stejných podmínek.
Horní řada – rampouch z destilované vody,
spodní – z pitné vody.
Kredit: Chen & Morris,
University of Toronto, 2010
Příklady nepravidelného růstu: a/ ohyb, b/ ohyb a pootočení,
c/,d/ rozvětvění konců, e/ postupný nárůst vedlejších ramen.
Interval mezi snímky: 10 min.
Kredit: Chen & Morris,
University of Toronto, 2010

 


Zajímavý úkaz popsal před osmi lety Kazuto Ueno z kanadské akciové společnosti Hydro-Québec, který studoval problém námrazy na elektrickém vedení. Povrch rampouchů není vždy hladký, ale často zvlněný (obrázky v tabulce). „Vzdálenost mezi dvěma vrcholy „čeřin“ je vždy asi jeden centimetr a je téměř nezávislá od teploty vzduchu, množství po povrchu tekoucí vody nebo rychlosti větru,“ tvrdí Ueno a úkaz vysvětluje pomocí povrchového napětí vody. Morris a Chen ve svých experimentech dospěly k závěru, že povrch rampouchu se nakrabatí častěji, když použijí pitnou a ne destilovanou vodu. Způsobí to nové vrstvičky ledu, jež kruhové čeřiny vytvářejí postupně směrem odspodu nahoru. Uspokojivé vysvětlení zatím ale kanadští vědci neznají. Jak sami tvrdí, jejich výsledky jim položily více otázek, než nabídly odpovědí.


Nuž, kdo z nás laiků by byl řekl, že obyčejné rampouchy jsou cílem vědeckého dovádění a počátkem 21. století budou při jejich výzkumu fyzikové krčit rameny :).

 


Video 1 – zrychlený záznam 10hodinového růstu rampouchu rotujícího s frekvencí 1 obrátka za 4 minuty.

Podmínky: destilovaná voda a mírné proudění okolního vzduchu. Rampouch má téměř ideální konusový tvar.

 

 

Video 2 – zrychlený záznam 10hodinového růstu rampouchu rotujícího s frekvencí 1 obrátka za 4 minuty.

Podmínky: pitná voda a mírné proudění okolního vzduchu. Rampouch již nemá tak dokonalý tvar a jeho povrch zdobí pravidelné vlnky.



Video 3 - zrychlený záznam 10hodinového růstu rampouchu rotujícího s frekvencí 1 obrátka za 4 minuty.

Podmínky: pitná voda a žádné přístrojem vytvářené proudění okolního vzduchu. Spodní část rampouchu se rozvětvuje a jeho povrch není hladký, ale vlnitý.

 

 

Video 4 – zrychlený záznam 10hodinového růstu ledového stalakmitu vzhůru ze dna experimentálního zařízení. Na povrchu se postupně tvoří výrazné vlnovité nerovnosti.

 

 

Zdroje: University of Toronto

Autor: Dagmar Gregorová
Datum: 05.01.2011 08:38
Tisk článku

Kšiltovka s led diodama Čtyřlístek - chlapecká -
Knihy.ABZ.cz
 
 
cena původní: 219 Kč
cena: 194 Kč
Kšiltovka s led diodama Čtyřlístek - chlapecká


Diskuze:

Poznámky od věci a perličky

Frantisek Kroupa,2011-01-05 19:35:40

Hydro Quebec je kanadská (quebecká) obdoba ČEZu. Proto tam občas dokonce říkají elektrickým sloupům "hydrotower". Ještě k té čezácké obdobě: před dvanácti lety v okolí Montrealu začalo do silného mrazu pršet (!), takže se vše obalilo ledem. Ten následně potrhal prakticky všechna vedení včetně sedmi vysokonapěťových (ta naštěstí ne všechna naráz), co napájí Montreal s okolím (cca 3 mil. obyvatel). No a na sídle firmy na znamení solidarity ... zhasli logo ;-).

http://en.wikipedia.org/wiki/North_American_ice_storm_of_1998

Odpovědět

Vliv rotace na růst

Radim Dvořák,2011-01-05 15:53:59

Zejména u videa č. 3 to vypadá, že rychlost otáčení byla zvolena příliš velká a má vliv na růst rampouchů. Od 0:13 začíná vznikat šroubovitá struktura a dobře patrné je to kolem 0:35. Jev se mnohokrát opakuje. Spíše než odstředivou silou bude způsoben ovlivněním dráhy kapky rotací.

Odpovědět


Re: Vliv rotace na růst

M D,2011-01-05 16:09:01

Jedna obratka za 4 minuty. To myslim ze neni tak rychle. Video to zkresluje.

Odpovědět


Re: Vliv rotace na růst

Jan Konečný,2011-01-06 09:21:15

Záleží i na tom, jak rychle stéká kapka.

Odpovědět

Pre Petra K - dôležitosť menšej hustoty ľadu

Dagmar Gregorova,2011-01-05 12:19:29

Petře, predstavte si ľad vznikajúci v polárnych oblastiach na hladine oceánu. Ak by bol hustejší než voda, začal by klesať. Samozrejme by sa rozpúšťal, lebo pod ním je vyššia teplota aj tlak.
Keď však voda mrzne, pri fázovom prechode uvoľňuje nepatrné množstvo energie, lenže ide o obrovské objemy... Ak by ľad v dôsledku nižšej hustoty klesal, po prvé by ochladzoval vodu tým, že má 0st.C a nie 4, ale aj tým, že by sa roztápal, lebo fázový prechod z pevného na kvapalné skupenstvo je proces endotermický.
A na povrchu by sa vďaka mrazivému vzduchu vytváral ľad stále nový a nový... a ten by stále klesal a klesal.
V zime v polárnych oblastiach vzniká na hladine pol až 2metrový ľad (odhadom), pokrývajúci asi 14 miliónov km2. Ak raz vznikne, voda pod ním je chránená pred ďalším vymŕzaním. Ak by klesal, vznikol by kolobeh, ktorý by umožňoval výraznú výmenu tepla, či skôr chladu medzi vzduchom, ktorý má asi -20 až -40 st. C.
Skúste to domyslieť. A to nielen pre oceány, ale aj sladkovodné vodné nádrže a toky, v ktorých by sa ľad usadzoval na dne.

Odpovědět


kolobeh energie

Petr K,2011-01-05 14:36:14

Pokud jsem to tedy spravne pochopil, tak zabranuje kolobehu energie, takze se zima drzi vice na polu? A je to opravdu problem? Kdyby tam ten led nebyl, tak by se "zima" rozprostela na vetsim uzemi. Proste by svet mel vetsi tendenci k tepelne rovnovaze. Ostatne celkove mnozstvi energie je stejne, at je led hustsi nebo ne.
A kdyz do toho zapocteme albedo, tak by se diky klesajicimu ledu melo jeste dodatecne oteplit -
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Albedo-e_hg.svg
takze zadne riziko snowball earth.

Odpovědět


Zamrzání sladkovodních nádrží až ke dnu

Vladimír Wagner,2011-01-05 16:21:10

Jedním z důsledků by bylo, že by během zimy, velká část sladkovodních nádrží mohla na led zmrznout celá až ke dnu. Teď je na dně voda teplá 4oC. A teplejší voda se tam díky nižší hustotě špatně dostává. Pokud by tam klesal led, došlo by k jejímu ochlazování a sladké nádrže i řeky by pak často mohly vymrzat až na dno. To by mělo dramatický vliv hlavně na život ve vodě.

Odpovědět


kaprici

Petr K,2011-01-05 16:56:45

Jo, to jsem psal uz v prvnim prispevku, ale je to skutecne tak dulezite pro zivot, ze se to neustale zminuje? Jiste, chov kapru by asi skoncil, ale povazme ty vyhody - zadne riziko snowball earth, bunky se nam nebudou trhat.
V porovnani s temito, mi male/plyke sladkovodni nadrze nepripadnou az tak dulezite.
Proste celkove mi pripadne, ze se z toho, ze led je mene husty, dela docela dost povyku, pritom opacna varianta mi subjektivne laikovi pripadne vyhodnejsi. A i kdyby nebyla, tak skutecne je tato vlastnost TAK vyznamna, ze se neustale zduraznuje?

Odpovědět


Nedoroloval jsem :-)

Vladimír Wagner,2011-01-05 17:40:28

Vážený Petře, nedoroloval jsem až k počátku diskuze, takže máte pravdu, že jsem pouze zopakoval to, co už jste napsal. Vliv na situaci v moři a celé klima je mnohem komplikovanější a zatím si netroufám to rozebírat.

Odpovědět


jj

Petr K,2011-01-06 09:07:45

Nechtel jsem pusobit nikterak agresivne, pokud to tak vyznelo tak se omlouvam :) Proste jen klasicka zvidavost "proc?" :-)
Samozrejme lze jen souhlasit, ze zmenu na morske klima to muze mit naprosto nepredvidatelnou, asi urcite mimo nase "lokalni" znalosti/schopnosti. Vzdycky me jen zarazelo, jak se z toho dela buh-vi-jaka super vlastnost, to je cele.
Mimochodem, i kdyby led mel stejnou hustotu jako kapalna voda, tak v mori by stale plaval, ze? nebo sul zamrza do ledovce v nejake vyznamejsi mire taky?

Odpovědět

dulezitost hustoty ledu

Petr K,2011-01-05 09:59:39

Dobry den,
priznam se, ze nikdy jsem nijak nepochopil argument, ze je dulezite, aby led byl mene hustejsi nez kapalna voda. K cemu je dobre, ze se na povrchu vytvori neprostupna krusta? Mozna pro toho ceskeho kaprika, kde hrozi, ze ten 3 mmetrovy rybnicek promrzne cely, ale v oceanu...? Chapu, ze pro "snowball earth" ma vyznam to, ze ma vetsi odrazivost nez kapalna voda, ale kdyby tomu tak nebylo, tak existuje jeste nejaky dalsi duvod proc je ta nizsi hustota vyhodna?
Kdyby tomu bylo normalne, tak se bunky nemusi tak desive bat ledovych krystalu, coz by taky mohlo zajimave (by nam ti mamuti mohli vypochodovat z ledu :-D )
A tady jedna mimoradne zdarila stranka jako bonus
http://www.btinternet.com/~martin.chaplin/index2.html

Odpovědět


oprava

Petr K,2011-01-05 10:02:01

Kdyz to po sobe ctu, tak me to placlo do oci - vzdyt led vlastne tu snowball earth zpusobil... Tak ted uz me nenapada ani jeden duvod, proc je ta nizsi hustota uzitecna... rad se necham poucit!

Odpovědět


Uzitocnost

Marek Fucila,2011-01-05 11:06:22

Podla mna nema ziaden zmysel uvazovat nad tym, ci a ako je pre biosferu uzitocne, ze lad ma nizsiu hustotu. Zivot sa do sucasnych podmienok vyvinul na zaklade toho, ze voda ma tuto vlastnost. Z pohladu biologie je teda tato vlastnost vody takpovediac z definicie.

Inak to vidim z pohladu fyziky/chemie. Som sice laik, ale dovolim si predpokladat, ze podmienky, ktore urcuju priestorovu strukturu molekul vody v roznych skupenstvach platia univerzalne, a teda okrem zmeny v podobe ponarajuceho sa ladu by to ovplyvnilo asi vlastnosti mnozstva inych chemickych latok.

Potom ma uvaha o tom, co by sa stalo, ak by bol lad hustejsi asi taku realnu hodnotu ako uvaha o tom, ako by se varili, ak by zemny plyn horel pri teplote par stupnov celzia alebo co by sa stalo so zivotom, ak by sa vapnik nerozpustal vo vode...

Odpovědět


oprava

Marek Fucila,2011-01-05 11:09:18

myslel som vapenec

Odpovědět


uvaha

Petr K,2011-01-05 11:24:02

No sice samozrejme je to vsechno spekulace, nicmene, kdyz uz se vseobecne tvrdi, ze je to tak vyznamna vlastnost, tak bych rad vedel proc. Proc je to treba tak dulezitejsi nez prave trebas ten vapenec.

Odpovědět


trhanie buniek ľadom

Martin Smatana,2011-01-05 22:36:25

Potrhanie buniek kryštálikmi ľadu vznikajúcimi vo vakuolách a v cytoplazme je len jedným spôsobom poškodenia buniek. Rastliny z oblastí so silnými mrazmi sa tomu prispôsobili a ľad vo vakuolách ani v cytoplazme ich nepoškodí. Ochranu im poskytujú cukry v cytoplazme, počas otužovania na jeseň sa im prebudujú membrány, a odolnosť proti mrazu sa zvyšuje so zmenšujúcou sa veľkosťou buniek a vakuol.
Druhý spôsob poškodenia ľadom je nepriamy - ľad v medzibunkových priestoroch na seba viaže vodu z buniek, tým sa nadmerne skoncentrujú soli a organické kyseliny a bielkoviny sa poškodia denaturáciou.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni