שלג

הצצה למדע שמאחורי הפתיתים

איך נוצר השלג בענן ?

גביש שלג (snow crystal) הוא גביש קרח, מערך מוצק מסודר של מולקולות מים. צורתו המשושה מעידה על מבנה הקשרים הבינמולקולריים המרכיבים אותו. פתית שלג (snow flake) הוא אוסף של גבישים שכאלו דבוקים יחדיו. אולם, כאשר אנו מקפיאים מים במקפא, איננו מקבלים מבנה גבישי יפה שכזה אלא קוביית קרח… כיצד העננים מצליחים לייצר מבנה עדין ויפה שכזה ?

לכאורה, העננים יכלו לייצר קרח על ידי קפיאת הטיפונות הזעירות שמרכיבות אותם. טיפונות הענן נסחפות על ידי זרמים עולים מעלה, מעלה, ומתקררות. אם האטמוספירה קרה דיה וזרמי האוויר עולים לגובה שבו טמפרטורת הטיפות יורדת מתחת לאפס (= רום הקיפאון, freezing level) המים עשויים היו לקפוא. אולם, במידה וכך אכן היה קורה לא היה נוצר שלג, היו נוצרות טיפונות מים קפואות…

למרבה המזל, טיפות המים המתקררות ומגיעות לאפס מעלות צלזיוס, אינן קופאות. הן נשארות נוזליות וממשיכות להתקרר… מתקבלים מים נוזליים בטמפרטורות שמתחת לאפס – מים בקירור יתר (super cooled). הסיבה לכך היא שעל מנת שהנוזל יתגבש למוצק הוא צריך דבר מה לקפוא עליו, מצע שעליו תוכל להתחיל ההתגבשות. חלקיק זעיר, מיקרוני, יכול להספיק לטיפונות הקרות הללו, בתנאי שמבנהו המיקרוסקופי יהיה דומה לזה של הקרח. חלקיק שכזה מכונה "נבט קפאון" (freezing nucleus). במקפא הביתי אין כל צורך בנבטי קפאון, היות והמים קופאים על דפנות הכלי המשמשות להם כמצע הנחוץ לגיבוש, אולם לטיפונות המקוררות ביתר אין דופן כלי אשר עליה הם יכולים לקפוא… לעומת זאת, גרגירי אבק זעירים (אירוסולים) קיימים כמעט תמיד באוויר וגם בתוך הטיפונות ולכאורה הם יכלו להיות נבטי הקפאון. אולם, למרבה המזל, גרגירי האבק הנפוצים באטמוספירה אינם נבטי קפאון מוצלחים, בשל הרכבם הכימי. מבנה פני השטח שלהם אינו דומה למבנה הגבישי של הקרח (המרווחים בין המולקולות והזוויות ביניהם לא מתאימים). לפיכך, רק בטמפרטורות שבין מינוס 10 לבין מינוס 20 מעלות (תלוי בהרכבו הכימי גרגיר האבק) קופאות בהדרגה הטיפונות (*).

הטיפונות הקופאות ראשונות מוצאות את עצמן במצב מיוחד מאוד: חתיכות קרח קטנטנות (בגודל של כמה עשרות מיקרונים) המרחפות בינות לאוסף עצום של טיפות מים בקירור יתר. קל לנחש מה קורה כאשר טיפה מקוררת שכזו תפגע בגרעין הקרח – היא כמובן תקפא עליו מיד. אולם, מסתבר כי המים המקוררים ביתר יכולים לקפוא על רסיסי הקרח גם מבלי שהטיפות הקרות יגעו בקרח… טיפת מים מקוררת ביתר פולטת יותר אדי מים (= מים במצב גזי) מגביש הקרח, ולפיכך גביש הקרח מוצא עצמו מרחף בתוך אטמוספירה אשר כמות האדים בה גבוהה. אדי המים הללו קופאים על פני הקרח, תהליך הנקרא סובלימציה (sublimation) – מעבר ישיר ממצב צבירה גזי למצב צבירה מוצק. חתיכות הקרח הקטנות מתחילות אפוא לגדול ע"י התגבשות אדי המים עליהם ובה בשעה טיפות המים שסביבם ממשיכות להזין את האוויר באדים. לפיכך, גם אם הם לא מתנגשים זה בזה, רסיס הקרח הולכים וגדלים בהדרגה וטיפות המים הולכות ומתאדות בהדרגה. תוך כמה דקות נוצר גביש שלג.

גבישי השלג גדלים אגב ריחוף בתוך הענן, ניזונים מאדי המים המתגבשים עליהם ובמהרה נעשים כבדים יותר ויותר עד שהזרמים העולים בענן מתקשים להחזיק אותם. בעת נפילתם הם מתנגשים לעיתים זה בזה ונצמדים וכך נוצרים פתיתי השלג.

מזג אוויר מושלג בארץ

שלג נוצר בעננים מעל ארצנו לאורך כל החורף. למעשה, כמעט כל ענן ממטיר בחודשים אוקטובר-אפריל הוא "ענן קר" – כלומר, ענן שחלקו העליון מתנשא אל מעל רום הקפאון ושתהליך הווצרות המשקעים בו מתחיל בהיווצרות פתיתי שלג. אולם, כידוע, ברוב חלקי הארץ בד"כ לא יורד שלג לקרקע אלא גשם. הסיבה לכך היא הטמפרטורות הגבוהות יחסית השוררות אצלנו בסמוך לקרקע – כמעט תמיד הטמפרטורה מעל האפס. לפיכך, פתיתי השלג הנוצרים בעננים חוצים את רום הקפאון בדרכם מטה בגובה רב מעל הקרקע, מפשירים והופכים לטיפות מים – גשם.

פסגת החרמון גבוהה דיה, כך שהיא מבצבצת במהלך החורף מעל רום הקפאון ולפיכך לאורך חלק נכבד מהחורף הטמפרטורה שם בקרבת האפס או מתחת לו. לפיכך, השלג הנוצר בעננים לא מפשיר ונערם על הקרקע. פסגות ההרים האחרים בארץ נמוכות יותר ולפיכך רק באירועים חורפיים קרים במיוחד, אירועים בהם רום הקפאון יורד לגובה של כ 1000 מטר מעל פני הים, מצליח השלג לשרוד ולהגיע לפסגתם.

מדוע בעצם הטמפרטורות אצלנו בחורף מתונות יחסית (כלומר רום הקפאון אינו נמוך) והשלג נדיר ? הסיבה לכך טמונה לא רק בקו הרוחב שלנו, אלא גם בקרבתנו אל הים התיכון. גושי האוויר וענני הממטרים מגיעים אלינו ממערב, כלומר עוברים מעל מזרח הים התיכון. בתחילת החורף טמפרטורת המים היא מעל 20 מעלות צלזיוס, ובסוף החורף הטמפרטורה אינה יורדת מתחת ל 15 מעלות. לפיכך, מובן כי גם גושי אוויר קרים במיוחד הגולשים ממרכז אירופה לעברנו בחורף יגיעו אלינו עם רום קפאון גבוה. התקווה היחידה לרום קפאון נמוך יחסית, כלומר לשלג נרחב יותר בארץ, היא באירועים אשר בהם הרוחות אינן מערביות אלא צפון מערביות (כלומר: נושבות מצפון מערב לדרום מזרח). במצב שכזה גושי אוויר קרים יכולים לגלוש מטורקיה, לעבור דרך קצרה בלבד מעל הים ולהגיע אלינו עדיין קרים. למרבה הצער, הרוחות הופכות אצלנו צפון מערביות בשלב בו מערכות הגשם (השקעים הברומטרים) כבר מתפוררות או מתרחקות מאיתנו ולפיכך המשקעים הולכים ופוחתים. לכן, אירועי השלג המשמעותי אצלנו הם בדרך כלל קצרים ומועטים.

 עוד על פתיתי השלג…

אתר אינטרנט מרהיב של ה"טכניון" של קליפורניה – CalTech , שבו ניתן למצוא עוד ועוד הסברים על פתיתי השלג, צורת היווצרותם, סוגיהם השונים וכמובן המון תמונות… http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals

(*) על מנת לוודא שהטיפות יקפאו, מפזרים לעיתים גרגירים מתאימים אל תוך העננים הללו, כך שתתחיל קפיאה משמעותית של טיפות בטמפרטורות גבוהות יותר. פעולה זו נקראת "זריעת עננים" ומטרתה היא לגרום להתפתחות משקעים מהענן, "הגברת המטר".

ניר סתיו, השירות המטאורולוגי