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.
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.
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.
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. |
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