K

a˝dy komunikat o gwa∏townym och∏odzeniu to dla
w∏aÊcicieli domów sygna∏, by pomyÊleli o opatuleniu
instalacji wodnej. Na ogó∏ wszyscy bowiem wiedzà,

˝e woda, zamarzajàc, zwi´ksza swojà obj´toÊç, a zatem gro-
zi to rozsadzeniem rur. Ma∏o kto natomiast Êwiadom jest fak-
tu, i˝ w ten prosty sposób jednoczeÊnie unika si´ zwi´kszenia
ciÊnienia w rurach, wywo∏anego tym, ˝e powierzchnia lodu
pozostaje p∏ynna.

Zamarzanie wody i topnienie lodu to najpospolitsze i zara-

zem najbardziej spektakularne przyk∏ady zmiany fazy ma-
terii. Mimo to podstawowe aspekty zachodzenia tych prze-
mian przez d∏ugi czas intrygowa∏y badajàcych je fizyków
i chemików. Dopiero w ostatnich 15 latach okaza∏o si´, ˝e
wyt∏umaczenia niektórych tych zagadkowych zachowaƒ na-
le˝y szukaç w istnieniu i w∏asnoÊciach cienkiej warstwy wo-
dy o gruboÊci zaledwie kilku czàsteczek.

Ta kwazip∏ynna b∏ona, b´dàca naturalnym stanem lodu

powsta∏ym w procesie zwanym topnieniem powierzch-
niowym, wykazuje pewne cechy strukturalne znajdujàcego
si´ tu˝ pod nià cia∏a sta∏ego, ale ma ruchliwoÊç cieczy. Pomi-
mo mikroskopijnej gruboÊci odgrywa zasadniczà rol´ w prze-
biegu procesów topnienia i zamarzania, ma te˝ wp∏yw na
skutki, jakie te procesy wywo∏ujà w Êrodowisku. B´dàc za-
równo drogà, po której p∏ynie woda, jak i noÊnikiem ∏adun-

ku elektrycznego, owa g∏adka warstwa ma si∏´ unoszenia g∏a-
zów z ziemi i ciskania piorunów z nieba.

OkreÊlenie „topnienie powierzchniowe” przede wszyst-

kim kojarzy si´ nam z cia∏em sta∏ym, które w miar´ podgrze-
wania topi si´ od powierzchni w g∏àb. Kawa∏ek mas∏a na pa-
telni czy grudka cyny w czasie lutowania dlatego zaczynajà
si´ topiç na powierzchni, bo na zewnàtrz sà cieplejsze ni˝
w Êrodku. Tymczasem topnienie powierzchniowe dotyczy
g∏ównie mniej oczywistego zjawiska: nawet wtedy gdy cia∏o
sta∏e ma t´ samà temperatur´ wewnàtrz i na zewnàtrz, po-
krywa si´ cienkà warstwà swojej fazy ciek∏ej o temperaturze
o kilkadziesiàt stopni Celsjusza ni˝szej od charakterystycz-
nej dla siebie temperatury topnienia.

Ânie˝ki i jazda na ∏y˝wach

Aby zrozumieç fizyk´ zjawiska topnienia powierzch-

niowego, wyobraêcie sobie, ˝e znajdujecie si´ w samym Êrod-
ku kryszta∏u lodu, gdzie czàsteczki wody uk∏adajà si´ w sta-
∏y i powtarzajàcy si´ wzór, tworzàc sztywnà sieç. W miar´
przemieszczania si´ ze Êrodka kryszta∏u ku jego powierzch-
ni spotykacie czàsteczki wody rozmieszczone okresowo, a ka˝-
da z nich jest równomiernie otoczona swoimi czterema najbli˝-
szymi sàsiadkami. Jednak kiedy dotrzecie do powierzchni

52 Â

WIAT

N

AUKI

Kwiecieƒ 2000

T

TO

OP

PN

NIIE

EN

NIIE

E P

PO

ON

NII˚˚E

EJ

J ZZE

ER

RA

A

N

Na

ajjn

no

ow

wsszze

e b

ba

ad

da

an

niia

a w

wyyjja

aÊÊn

niia

ajjà

à,, jja

ak

k w

wa

arrssttw

wa

a w

wo

od

dyy n

na

a p

po

ow

wiie

errzzc

ch

hn

nii llo

od

du

u

–

– u

uttrrzzyym

mu

ujjà

àc

ca

a ssii´

´ n

na

aw

we

ett p

prrzzyy tte

em

mp

pe

erra

attu

urra

ac

ch

h zzn

na

ac

czzn

niie

e n

nii˝˝sszzyyc

ch

h o

od

d zze

erra

a –

– m

mo

o˝˝e

e

w

wp

p∏∏yyw

wa

aç

ç n

na

a ÊÊlliissk

ko

oÊÊç

ç tto

orru

u ∏∏yy˝˝w

wiia

arrssk

kiie

eg

go

o ii e

elle

ek

kttrryyzzo

ow

wa

an

niie

e ssii´

´ c

ch

hm

mu

urr b

bu

urrzzo

ow

wyyc

ch

h

J

Jo

oh

hn

n S

S.. W

We

ettttlla

au

uffe

err ii J

J.. G

Grre

eg

g D

Da

assh

h

kryszta∏u, przekonacie si´, ˝e tu sieç jest zniekszta∏cona, po-
niewa˝ czàsteczki na skraju dotykajà bezkszta∏tnego Êrodowi-
ska otaczajàcego je powietrza. Czàsteczki powierzchniowe
majà najmniej wiàzaƒ chemicznych, utrzymujàcych je na miej-
scu, tote˝ w miar´ podwy˝szania temperatury drgajà znacz-
nie gwa∏towniej ni˝ czàsteczki znajdujàce si´ wewnàtrz krysz-
ta∏u. W dostatecznie wysokiej temperaturze, lecz wcià˝ poni˝ej
normalnej temperatury topnienia, zaczynajà p∏ynàç w war-
stwie podobnej do cieczy [ilustracja powy˝ej].

Koncepcja istnienia cienkiej warstwy cieczy na powierzch-

ni lodu nie jest nowa, jednak przez wiele lat nie wiedziano,
skàd ta warstwa si´ bierze. Ka˝dy, kto kiedykolwiek obrzu-
ca∏ si´ Ênie˝kami, wie, ˝e skuteczny pocisk robi si´ z mokre-
go Êniegu. Suchy Ênieg nie da si´ ulepiç w kul´. Có˝ dopiero
mówiç o daremnym trudzie zrobienia pocisku z piasku na
pla˝y? W latach trzydziestych XVII wieku francuski uczony
i filozof René Descartes zanotowa∏ swoje obserwacje o tym,
dlaczego lód trzyma si´ kupy. Blisko 200 lat póêniej rozmy-
Êlania nad tym problemem sta∏y si´ dla angielskiego fizyka Mi-
chaela Faradaya wyzwaniem do podj´cia ponad 20-letnich
drobiazgowych badaƒ Êniegu i lodu. „Kiedy ÊciÊnie si´ mokry
Ênieg, to zamarznie w bry∏´ (wraz z zawartà w nim wodà),
a nie rozsypie si´ tak jak zwil˝ony piasek czy inny rodzaj ma-
terii” – napisa∏ Faraday pod koniec 1842 roku. Na kartach je-

go dziennika sà opisane pierwsze badania zjawiska, któ-
re dziÊ nazywamy topnieniem powierzchniowym. Fara-
day sàdzi∏, ˝e pokrywajàca p∏atki Êniegu cienka warstwa
wody zamarza po to, aby je ze sobà zlepiç. W rezultacie
stwierdzi∏, ˝e dla lodu o temperaturze nieco ni˝szej od
temperatury jego topnienia obecnoÊç tej warstwy jest zja-
wiskiem naturalnym.

Faraday i inny brytyjski fizyk, John Tyndall, niezale˝-

nie przeprowadzili eksperymenty, które wykaza∏y – przy-
najmniej ich zdaniem – ˝e p∏ynna b∏ona na powierzchni
lodu znajduje si´ w stanie równowagi. Jednak kilku wspó∏-
czesnych im uczonych nie zgadza∏o si´ z tym stwierdze-
niem. W 1849 roku James Thompson i jego brat William
(który póêniej zosta∏ lordem Kelvinem) wyrazili poglàd,
˝e cienka warstwa wody jest jedynie konsekwencjà chwi-

lowego obni˝enia temperatury topnienia wskutek tego, ˝e ja-
kiÊ obiekt zwi´ksza ciÊnienie na lód, z którym jest w kontak-
cie. W wodzie czàsteczki sà upakowane ciaÊniej ni˝ w lodzie,
a zatem nacisk na lód, wywierany na przyk∏ad przez ostrze
∏y˝wy, przybli˝a nieco w∏asnoÊci cia∏a sta∏ego do w∏asnoÊci je-
go ciek∏ej postaci.

Zjawisko to, zwane topnieniem pod ciÊnieniem, zosta∏o za-

akceptowane jako wyjaÊnienie zasady jazdy na ∏y˝wach, a je-
go opis do dziÊ mo˝na znaleêç w wielu podr´cznikach. Tym-
czasem proste wyliczenie pokazuje, ˝e topnienie pod
ciÊnieniem mo˝e odpowiadaç za ÊliskoÊç tafli lodowej jedynie
w temperaturach bliskich temperatury topnienia. Osoba
mknàca na ∏y˝wach po zamarzni´tym jeziorze powoduje ob-
ni˝enie temperatury topnienia lodu nie wi´cej ni˝ o kilka
stopni Celsjusza. Gdyby zatem topnienie pod ciÊnieniem by-
∏o jedynym czynnikiem, jazda na ∏y˝wach by∏aby mo˝liwa
tylko przy temperaturach oscylujàcych wokó∏ temperatury
krzepni´cia wody, ale wtedy przebywanie na ledwo zamar-
zni´tym jeziorze mog∏oby si´ êle skoƒczyç. T´ sprzecznoÊç
wyjaÊnili w 1939 roku Frank P. Bowden i T. P. Hughes z Uni-
versity of Cambridge. Wykazali bowiem, ˝e w ni˝szych tem-
peraturach dominuje inny czynnik: tarcie pomi´dzy ostrzem
∏y˝wy i lodem wytwarza dostatecznie du˝o ciep∏a, by po-
wsta∏a cienka warstwa wody.

Topnienie lodu pod ciÊnieniem i jego grzanie si´ wskutek

tarcia zaprzàta∏y umys∏y uczonych przez ponad 100 lat. Mi-
mo to nie potrafili oni wyjaÊniç, dlaczego tak trudno jest ustaç
na ∏y˝wach, co mo˝e poÊwiadczyç ka˝dy ∏y˝wiarz. Teorie te
nie t∏umaczà równie˝ dynamiki tkwiàcej u podstaw tworze-
nia si´ p´cznienia mrozowego spowodowanej mrozem czy
elektryzowania si´ chmur burzowych – dwóch wa˝nych zja-
wisk przyrodniczych zwiàzanych z lodem [ramka na stro-
nach 54 i 55]. Aby udzieliç wyczerpujàcych odpowiedzi na te
pytania, powrócimy do opisanej przez Faradaya obserwacji
topnienia powierzchniowego, zjawiska charakterystycznego
dla prawie wszystkich cia∏ sta∏ych.

Mokre powierzchnie

Chocia˝ do roku 1950 fizycy, ∏àcznie z Faradayem, przewi-

dzieli istnienie topnienia powierzchniowego, to a˝ do po∏owy
lat osiemdziesiàtych w∏aÊciwie nikt nie obserwowa∏ mikrosko-
pijnej warstwy cieczy na topiàcej si´ powierzchni. W 1985 roku
Joost M. W. Frenken i J. Friso van der Veen z Instytutu Fizyki
Atomowej i Molekularnej w Amsterdamie tak d∏ugo bombar-
dowali wiàzkami jonów kryszta∏ o∏owiu, a˝ ogrzali go prawie
do jego temperatury topnienia równej 328°C. Ze sposobu, w ja-
ki jony odbija∏y si´ od powierzchni, obaj naukowcy wywniosko-
wali, ˝e sztywna sieç atomów na powierzchni kryszta∏u robi
si´ coraz mniej uporzàdkowana i ju˝ w temperaturze 318°C za-
czyna przypominaç atomy w cieczy. W miar´ wzrostu tempe-

Â

WIAT

N

AUKI

Kwiecieƒ 2000 53

WARSTWY WODY na lo-
dzie sprawiajà, ˝e jest on
Êliski nawet w temperatu-
rach ni˝szych od tempe-
ratury zamarzania wody.
Dzieje si´ tak, poniewa˝
czàsteczki wody w krysz-
ta∏ach lodu uwalniajà si´
z sieci, kiedy stykajà si´
z powietrzem

(powy˝ej).

RICHARD HAMILTON SMITH

Corbis

; MICHAEL GOODMAN

(wstawka)

POWIETRZE

WARSTWA P¸YNNA

STA¸Y LÓD

ratury b∏ona robi∏a si´ coraz grubsza, a˝ w koƒcu dosz∏o do to-
pienia kryszta∏u, post´pujàcego od jego powierzchni w g∏àb.
W 1986 roku Da-Ming Zhu – wówczas doktorant w Universi-
ty of Washington – odkry∏ wraz z jednym z nas (Dashem), ˝e
cienkie warstwy argonu i neonu ulegajà stopniowym przemia-
nom fazowym poni˝ej ich normalnej temperatury topnienia.
Od tamtej pory naukowcy wykazali, ˝e topnienie powierzchnio-
we cechuje prawie wszystkie cia∏a sta∏e.

Dotyczy tak˝e lodu. Kilku badaczy prowadzi obecnie obser-

wacje topnienia powierzchniowego lodu w laboratorium, lecz
ich wnioski dotyczàce zale˝noÊci gruboÊci b∏ony od temperatu-
ry nie zawsze sà ze sobà zgodne. Rozbie˝noÊci mogà wynikaç
po cz´Êci z trudnoÊci interpretowania wyników pomiarów prze-
prowadzanych ró˝nymi metodami. W przypadku metod
optycznych rejestruje si´ ró˝nic´ g´stoÊci warstwy cieczy i sta-

∏ego lodu, wykorzystujàc odmienny sposób odbijania przez nie
Êwiat∏a. Inna metoda polega na obserwacji struktury powierzch-
ni kryszta∏u poprzez rejestracj´ odbitych od niej promieni X.

Przy stosowaniu takiej samej aparatury dodatkowym czynni-

kiem, który mo˝e powi´kszaç rozbie˝noÊci mi´dzy wynikami do-
Êwiadczeƒ, jest wielka wra˝liwoÊç warstwy p∏ynnej na zanie-
czyszczenia rozpuszczone w wodzie. Zanieczyszczenia, których
êród∏em jest powietrze, szczególnie sole i dwutlenek w´gla, mo-
gà si´ dostaç do aparatury i osiàÊç na powierzchni lodu pod-
czas jego krzepni´cia. W∏aÊnie zaczynamy badaç ich wp∏yw na
topnienie powierzchniowe. Z pracy teoretycznej wykonanej
ostatnio przez jednego z nas (Wettlaufera) wynika, ˝e zanie-
czyszczenia wzmagajà topnienie powierzchniowe. Jak si´ oka-
zuje, sta∏y lód skutecznie odrzuca te zanieczyszczenia, które gro-
madzà si´ w warstwie p∏ynnej, poniewa˝ nie pasujà do jego sieci

54 Â

WIAT

N

AUKI

Kwiecieƒ 2000

TWARDA ZIMNA ZIEMIA

R

olnicy zamieszkujàcy skaliste okolice
po okresie mroênej pogody cz´sto znaj-

dujà wypi´trzenia na uprzednio g∏adkich po-
lach: kamienie stojà na coko∏ach z lodowych
igie∏, a wokó∏ wi´kszych okruchów skalnych
ziemia jest wybrzuszona.

Zjawisko to – nazywane p´cznieniem mro-

zowym – ma ró˝ne rozmiary, od zwyk∏ego
k∏opotu po koszmar na skal´ przemys∏owà.
P´cznienie mrozowe, choç powoduje tak
dramatyczne skutki, swojà si∏´ zawdzi´cza
mikroskopijnym p∏ynnym warstwom pokry-
wajàcym powierzchni´ lodu.

P´cznienie pojawia si´, gdy zimne powie-

trze mrozi ziemi´ i powoduje cz´Êciowe za-
marzanie wody przy powierzchni gruntu.
Rzeczywista szkoda powstaje jednak dopie-
ro w nast´pnej fazie zamarzania. Si∏y mi´-
dzyczàsteczkowe i zanieczyszczenia na po-
wierzchni lodu nie pozwalajà, by wilgoç
w gruncie ca∏kowicie zamarz∏a, zanim tem-
peratura nie spadnie o kilkadziesiàt stopni
poni˝ej 0°C. A˝ do tego momentu mikrosko-
pijna warstwa wody pokrywa kryszta∏y lodu
rosnàce mi´dzy maleƒkimi czàstkami mate-
ria∏u skalnego tworzàcego gleb´.

Woda z g∏´bszych pok∏adów gleby zasila

wzrost kryszta∏ów lodu. Ciep∏a woda ma wi´-
cej energii swobodnej ni˝ zimna i tak jak ka˝-
dy zwiàzek chemiczny dà˝y do osiàgni´cia

stanu o najmniejszej energii swobodnej.
W zamarzajàcej glebie ta tendencja w j´zy-
ku naukowców nazywa si´ ciÊnieniem ter-
momolekularnym: ciep∏a woda jest wciàga-
na do obszarów, gdzie mo˝e straciç cz´Êç
swojej energii na krzepni´cie. Drogi znajdu-
je sobie bez trudu – sà to p∏ynne warstwy
na powierzchni lodu.

Woda tak d∏ugo nap∏ywa do obszarów mi´-

dzy ziarnami oblodzonej gleby, a˝ jej ciÊnie-
nie zrównowa˝y ciÊnienie wody przybywajà-
cej. Nacisk wyst´pujàcy mi´dzy lodem i
ziarnami gleby mo˝e osiàgnàç wartoÊç rz´-
du 10

6

N/m

2

dla ka˝dego stopnia poni˝ej 0°C

i trwa a˝ do momentu, kiedy lód ca∏kowicie
zamarznie. (Warto zauwa˝yç, ˝e w przypad-
ku podnoÊnika hydraulicznego, jaki jest w ka˝-
dym warsztacie samochodowym, do podnie-
sienia samochodu o masie oko∏o 1300 kg
potrzeba jedynie 1.45

´ 10

5

N/m

2

.) Pod zie-

mià gleba p´ka najcz´Êciej na d∏ugo, zanim
wytworzy si´ takie ciÊnienie. Powsta∏à luk´
wype∏nia wtedy woda, która zamarza i tworzy
warstw´ sta∏ego lodu. W miar´ przybywania
i zamarzania wody warstwa lodu robi si´ co-
raz grubsza i wypycha znajdujàcà si´ nad
nià ziemi´, tworzàc pagórek.

Larry A. Wilen, obecnie pracujàcy w Ohio

University, w swoich ostatnich badaniach pro-
wadzonych w University of Washington zbu-
dowa∏ prostà aparatur´, która pozwoli∏a mu
wykonaç pierwsze bezpoÊrednie pomiary mi-
kroskopijnego odpowiednika p´cznienia grun-

tu. Wilen zrobi∏ komor´ w kszta∏cie dziesi´cio-
centówki, w której by∏ kryszta∏ lodu otoczony
wodà. Jednà stron´ komory stanowi∏a szkla-
na p∏ytka, a drugà – kawa∏ek plastiku. Po-
mi´dzy 0 i –1°C warstwa wody wytworzy∏a
si´ tam, gdzie lód dotyka∏ plastiku.

Wilen tak och∏adza∏ powierzchni´ dysku,

˝eby jego Êrodek by∏ najzimniejszy. Woda
z cieplejszego brzegu dysku, pchana przez
wypadkowe ciÊnienie termomolekularne, p∏y-
n´∏a wzd∏u˝ ciek∏ej warstwy w kierunku Êrod-
ka kryszta∏u lodu. Po drodze cz´Êç jej za-
marza∏a i podnosi∏a plastikowe pokrycie
komory dok∏adnie w taki sam sposób, jak
pod ziemià narastajàce warstwy lodu wypy-
chajà gleb´ na boki. Po tym eksperymencie,
razem z Grae Worster z University of Cam-
bridge, opracowaliÊmy teori´ wyjaÊniajàcà
mikroskopijny ruch ciek∏ej warstwy, który po-
woduje p´cznienie mrozowe.

ELEKTRYFIKUJÑCE ZDERZENIA

W

goràcy letni dzieƒ zdarza si´ nam ma-
rzyç o ch∏odzie, a cz´sto nawet wr´cz

o lodzie. I bywa, ˝e w∏aÊnie wtedy z trza-

Zjawisko topnienia powierzchniowego a Êrodowisko

P¢CZNIENIE MROZOWE tworzy struktury
podobne do tych kamiennych kr´gów na wyspie
Morza Arktycznego – Spitsbergenie. Zaczynajà
one powstawaç, gdy zamarza wilgoç w glebie.
Cieplejsza woda w´druje do góry po p∏ynnych
warstwach, które pokrywajà lód (

a). Kiedy

ciÊnienie wody, znajdujàcej si´ mi´dzy lodem
a czàstkami gleby, jest wi´ksze od ciÊnienia
wody wp∏ywajàcej, gleba p´ka (

b). Woda

wdziera si´ do luki i zamarza, co powoduje
wybrzuszenie gruntu (

c).

DZI¢KI UPRZEJMOÂCI BERNARDA HALLETA,

University of Washington

MICHAEL GOODMAN

CIEPLEJ

ZIMNIEJ

LÓD

WODA

P¢KNI¢CIE

CZÑSTKA
GLEBY

a

b

c

krystalicznej. Na przyk∏ad rozpuszczone sole mogà z tego powo-
du powi´kszyç gruboÊç b∏ony przez obni˝enie zarówno tempe-
ratury topnienia lodu, jak i energii swobodnej cieczy.

Teraz, kiedy min´∏o ponad 150 lat od pierwszych obserwacji

cienkich warstw cieczy na powierzchni lodu, dokonanych przez
Faradaya, zaledwie rozpoczynamy badania podstawowych me-
chanizmów fizycznych odpowiedzialnych za ÊliskoÊç, w∏asnoÊci
przylegania i bezpoÊrednià si∏´ niszczycielskà lodu. Wiele pytaƒ
wcià˝ jednak pozostaje bez odpowiedzi. Ale wiemy na pewno, ˝e
lepsze poznanie mikrofizyki lodu pozwoli nam zrozumieç jego
wp∏yw na Êrodowisko. Si´gni´cie do czàsteczkowego pochodze-
nia p´cznienia mrozowego i elektryzowania si´ chmur to tylko
dwa z wielu mo˝liwych tematów badaƒ.

T∏umaczy∏a

Aleksandra Kopystyƒska

Â

WIAT

N

AUKI

Kwiecieƒ 2000 55

Informacje o autorach

JOHN S. WETTLAUFER i J. GREG DASH sà fizykami zatrudnio-
nymi w University of Washington i cz´sto ze sobà pracujà. Ich
wspólne zainteresowania badawcze skupiajà si´ na tym, w jaki
sposób mikroskopijne w∏asnoÊci powierzchni lodu i przejÊcia fazo-
we wody prowadzà do zjawisk o wielkiej skali, wyst´pujàcych
w Êrodowisku przyrodniczym.

Literatura uzupe∏niajàca

ICE PHYSICS AND THE NATURAL ENVIRONMENT. Red. J. S.

Wettlaufer, J. G. Dash i N. Untersteiner. NATO ASI Series I: Global
Environmental Change, vol. 56; Springer-Verlag, 1999.

Dodatkowe informacje mo˝na znaleêç w Internecie na stronie Furio

Ercolessi’s Surface Physics pod adresem:

http://www.sissa.it/cm/sp/course/refs.html

skiem b∏yskawicy lód spada z nieba w po-
staci gradobicia. Lód znajduje si´ tak˝e w ko-
wadle burzy, gdzie czynnie uczestniczy w ge-
nerowaniu pioruna. Jedno z najbardziej
spektakularnych zjawisk ˝ycia codziennego
– wy∏adowanie atmosferyczne – t∏umaczo-
no kiedyÊ jako wyraz gniewu bogów ciskajà-
cych piorunami; w póêniejszych czasach wy-
∏adowania atmosferyczne zach´ca∏y
uczonych do badaƒ nad podstawowà natu-
rà elektrycznoÊci. Jak si´ okazuje, tajemni-
ca sposobu ∏adowania si´ chmury tkwi w mi-
krofizyce lodu. W elektryzowaniu bierze
udzia∏ p∏ynna warstwa – o gruboÊci zaled-
wie kilku czàsteczek – która pokrywa po-
wierzchnie kryszta∏ków lodu przedmuchiwa-
nych przez chmury.

Wy∏adowanie zaczyna si´ zwykle u pod-

stawy chmury, gdzie jest dostatecznie zim-
no, by zamarz∏y kropelki wody. Kiedy ma-
leƒkie kryszta∏ki lodu unoszà si´ w pràdzie
wst´pujàcym, zderzajà si´ ze sobà i zlepia-
jà w du˝e kulki gradu, które spadajà na zie-
mi´. W zderzeniu z gradzinà mniejsze krysz-
ta∏ki lodu odbijajà si´ ku górze i unoszà
∏adunek dodatni, pozostawiajàc równy co do
wartoÊci ∏adunek ujemny na spadajàcej kul-
ce gradu. W rezultacie chmura elektryzuje
si´ – ∏adunek dodatni zbiera si´ blisko szczy-
tu chmury, a ujemny w pobli˝u jej podstawy.

Naukowcy wywnioskowali to z obserwacji

i symulacji przeprowadzonych w laborato-
rium, ale mieli k∏opot z wyt∏umaczeniem wiel-
koÊci i znaku ∏adunku elektrycznego chmu-
ry. W 1984 roku Greg J. Turner i C. David
Stow z University of Auckland w Nowej Ze-
landii wysun´li hipotez´, ˝e cienkie warstwy
wody, które pokrywajà powierzchnie kryszta∏-
ków lodu i kulek gradu, mogà uczestniczyç
w procesie ∏adowania elektrycznego. Pi´ç
lat póêniej wyjaÊniliÊmy, tj. nasza kole˝an-
ka Marcia Baker z University of Washington
i jeden z nas (Dash), jak to mo˝e si´ dziaç:
∏adunek elektryczny jest przenoszony przez
wod´, która przep∏ywa z kulek gradowych
na kryszta∏ki lodu podczas ich zderzeƒ.

Brian Mason sprawdzi∏ t´ teori´ w naszym

laboratorium. Badania te stanowi∏y cz´Êç je-
go pracy doktorskiej, którà zakoƒczy∏ w 1998
roku. Za pomocà dwóch kwarcowych mikro-
wag Mason zwa˝y∏ ziarna lodu przed zde-

rzeniem i po nim. Kwarcowa mikrowaga mo-
˝e wykrywaç ró˝nice mas rz´du 10

–8

g – wi´c

jest wystarczajàco czu∏a do pomiaru bardzo
ma∏ej masy kilku warstw czàsteczek wody.
W celu ustalenia, czy ∏adunek jest przeno-
szony z masà, zmierzy∏ te˝ pràdy elektrycz-
ne, które przep∏ywa∏y podczas zderzeƒ.

Jak to przewidzieli w swojej teorii Baker

i Dash, przekazaniu masy zawsze towarzy-
szy∏ przep∏yw ∏adunku. Wzrastajàcy krysz-
ta∏ek lodu – który dostawa∏ warstw´ wody
o gruboÊci zaledwie stu czàsteczek na po-
wierzchni 0.01 mm

2

– po zderzeniu uzyski-

wa∏ ∏adunek dodatni.

Uzyskujàc ten zadziwiajàcy i wa˝ny rezul-

tat, Mason dowiód∏, ˝e przekazana masa
jest znacznie wi´ksza, ni˝ wynika∏oby to
z podstawowej teorii topnienia powierzch-
niowego, która uwzgl´dnia zale˝noÊç od tem-
peratury i rozmiaru kryszta∏ku. Ten brak
zgodnoÊci by∏ jednà z istotnych wskazówek,
które zmobilizowa∏y nas do opracowania do-
k∏adniejszego modelu zderzeƒ elektryzujà-
cych chmury. U podstaw naszej teorii le˝y
mechanizm, który zwi´ksza tendencj´ lodu
do przejÊcia w stan ciek∏y nawet w tempe-
raturze ni˝szej od jego temperatury topnie-
nia: mocne uderzenie mo˝e w takim stopniu
uszkodziç sieç molekularnà sta∏ego lodu, ˝e

dalsze topnienie za-
czyna si´ nawet
w

temperaturze

–10°C lub ni˝szej.
Wraz z zanieczyszcze-
niami takimi jak czà-
steczki dwutlenku w´-
gla, które zwykle
znajdujà si´ na po-
wierzchni lodu, zderze-
nia prowadzà do two-

rzenia si´ warstwy wody o coraz wi´kszej
gruboÊci. GruboÊç tej warstwy jest wa˝na,
poniewa˝ uwalnia ona wi´cej p∏ynnej masy
i ∏adunku, które nast´pnie mogà przenosiç
si´ z jednej lodowej powierzchni na drugà.

Po takim zderzeniu powstawanie cieczy

uwalnia tak˝e ujemnie na∏adowane jony,
które gromadzi∏y si´ w pobli˝u powierzchni
kryszta∏ku lodu podczas jego wzrostu. W
czasie zderzenia kryszta∏ki lodu i gradziny
majà wspólnà warstw´ stopionà i wtedy ro-
snàce kryszta∏ki tracà troch´ swoich ujem-
nych jonów. Podejrzewamy, i˝ gradziny
przelatujàc nast´pnie przez podstaw´ chmu-
ry, sprawiajà, ˝e gromadzi si´ tam ∏adunek
ujemny, który jest êród∏em wy∏adowania
atmosferycznego.

Dalsze eksperymenty i obliczenia b´dà

sprawdzianem tych nowych teorii, chocia˝
mo˝na powàtpiewaç, czy mechanizm gro-
madzenia si´ ∏adunku, który prowadzi do wi-
dowiskowych b∏yskawic i powstawania si∏,
powodujàcych p´cznienie mrozowe, rzeczy-
wiÊcie tkwi w warstwie wody o gruboÊci za-

WY¸ADOWANIE ATMOSFERYCZNE zaczy-
na si´ zwykle u podstawy chmur burzowych,
gdzie spadajàce gradziny przekazujà ∏adunek
ujemny nabyty podczas zderzenia z kryszta∏-
kami lodu, które unoszà si´ w pràdzie wst´-
pujàcym (

wstawka).

FRANK A. CARA

Bruce Coleman Inc.

MICHAEL GOODMAN

KRYSZTA¸EK
LODU

+

–

GRADZINA