O výrobě sněhu

Proces výměny tepla

K tvorbě sněhu z vody dochází díky přenosu tepla. Teplo, které se z vody uvolní vypařováním nebo konvekcí ohřívá okolní prostředí. Toto teplo vytváří za sněhovým dělem zvláštní, od okolí výrazně odlišné mikroklima. Pochopení procesu výměny tepla umožní lépe využívat systémy umělého zasněžování.

Výrobu technického sněhu ovlivňuje celá řada proměnných. Mezi nejdůležitější patří teplota a vlhkost vzduchu, nukleační teplota a velikost kapiček spreje vody ze sněhového děla.

uspořádání molekul tekuté vody

uspořádání molekul ledového krystalu

Mokrá teplota

Teplota kapičky vody vystříknuté ze sněhového děla se typicky pohybuje mezi 1°C až 6°C. V okamžiku, kdy voda opustí trysku a dostane se do volného vzduchu, teplota kapiček začne prudce klesat díky vedení tepla a vypařování. Teplota bude klesat tak dlouho, dokud nenastane rovnovážný stav. Mokrá teplota (teplota mokré baňky teploměru) je právě tímto rovnovážným stavem.

Teplota kapiček vody nemůže klesnout pod mokrou teplotu okolního prostředí. Hodnota mokré teploty závisí na teplotě a relativní vlhkosti vzduchu. Teploměr, který máte za oknem, ukazuje "suchou", tedy normální teplotu. Představte si, že obalíte rtuťovou baňku tohoto teploměru mokrým hadříkem - teploměr bude najednou ukazovat odlišnou hodnotu. To proto, že voda z hadříku se odpařuje a tím snižuje teplotu, kterou teploměr měří. Čím více se bude voda odpařovat, tím více tepla odvede a tím nižší teplotu naměříte. Pokud bude vzduch suchý, voda se bude odpařovat rychleji. Bude-li ale relativní vlhkost vzduchu stoprocentní, voda se nemůže do vzduchu odpařovat a v tomto případě naměří suchý i mokrý teploměr stejnou hodnotu. Tento jev si potvrdíte na vlastní kůži, pojedete-li na motorce v mokrém oblečení. I v horkém počasí vám bude zima.

Následující tabulka uvádí hodnoty mokré teploty.

Příklad: z tabulky lze vyčíst, že podmínky pro výrobu sněhu jsou stejné při teplotě -2.2°C a 20% relativní vlhkosti jako při -6.3°C a 90% vlhkosti, protože je v obou případech stejná mokrá teplota.

Nukleační teplota

Pokud známe mokrou teplotu, umíme předpovědět, zda kapičky vody skutečně zmrznou. Přeměna vody na led nastává díky nukleaci - aby kapička vody zmrzla, musí nejprve dosáhnout své nukleační teploty. Existují dva druhy nukleace: homogenní a heterogenní.

Homogenní nukleace

K homogenní nukleaci dochází, nemá-li voda žádný kontakt s cizími přísadami nebo povrchy. Při homogenní nukleaci dochází k přeměně skupenství buď snížením teploty nebo změnou tlaku. Zásadní vliv na mrznutí vody má teplota.

Homogenní nukleace začne v okamžiku, kdy velmi malá skupina molekul dosáhne pevného skupenství. Tato skupinka molekul - semínko pro nukleaci - se stává základem růstu dalších krystalů až do okamžiku zmrznutí celého objemu vody. Proces tvorby krystalů se řídí množstvím odvedeného latentního (skupenského) tepla. Molekuly vody se k semínku připojují velmi rychle. Během růstu krystalů se uvolňuje energie, která způsobuje ochlazení připojených molekul. Růst krystalů pokračuje, dokud nejsou připojeny všechny molekuly. V tomto okamžiku se stane z vody led.

Lidé si obvykle myslí, že čistá voda zmrzne při teplotě 0°C. Ve skutečnosti dochází k nukleaci (tedy mrznutí) čisté vody při teplotě -40°C. K tomuto jevu, označovanému jako "supercooling", dochází ve vyšší troposféře nebo při laboratorních pokusech.

Heterogenní nukleace

Při teplotě nad –40°C dochází k přeměně skupenství díky přítomnosti cizích příměsí ve vodě. Tyto materiály se chovají jako semínko a obvykle fungují při vyšších teplotách, než semínka vytvořená z čisté vody při homogenní nukleaci. Místo, kde se semínko vytvoří, nazýváme nukleační bod. Stejně jak homogenní nukleaci tak i nukleaci heterogenní řídí dva nedůležitější faktory: výměna energie při tvorbě semínka a rychlost růstu krystalu. Při heterogenní nukleaci bude mít zásadní vliv na mrznutí vody konfigurace nukleačního bodu a přenos energie.

Při výrobě technického sněhu dochází k heterogenní nukleaci. Voda obsahuje mnoho příměsí které se chovají jako nukleátory. Různé druhy příměsí nukleují vodu při různých teplotách. Cizí příměsi rozdělujeme na vysokoteplotní (jodidy, suchý led, proteiny) nebo nízkoteplotní nukleátory (vápník, sodík, obecně minerály). Ve vodě, kterou používáme k výrobě sněhu (horské potoky a řeky, voda z komunálních vodovodů), se nachází velké množství nízkoteplotních nukleátorů. Nukleační teplota této vody je typicky mezi -10 až -6°C .

Ale pozor! Proč vzniká námraza a náledí při teplotách kolem 0°C ? Proces mrznutí ovlivňuje další jev - totiž druh povrchu (silnice, stromy), na kterém se námraza vytváří. Mezi povrchem a nukleačním bodem dochází k výměně energie, která způsobuje mrznutí při teplotách velmi blízkých 0°C .

Při tvorbě sněhu určuje teplotu přeměny vody v krystalky nukleátor s nejvyšší nukleační teplotou. Pokusy ukázaly, že 95% přírodní neošetřené vody zmrzne při velmi rozdílných teplotách. Průměrná nukleační teplota přírodní vody je -7.7°C . Přidání stejnorodého vysokoteplotního nukleátoru zvýší teplotu mrznutí vody. Se Snomaxem se bod mrznutí vody posouvá na -2.9°C.

Při ochlazování kapiček vody ze sněhového děla se uvolňuje do okolního vzduchu teplo: každý gram vody předá okolnímu vzduchu energii 4.18 J (1 kalorie) při ochlazení o 1°C. Při přeměně skupenství předá navíc každý gram vody energii 334 J (80 kalorií). Tato rychlá přeměna energie zvýší teplotu kapičky vody na 0°C. Teplota se nezmění, dokud kapička bude obsahovat poslední zbytek vody v kapalném stavu. To je důvod, proč si většina lidí myslí, že voda mrzne při 0°C. Pro vyjasnění: voda mrzne při teplotě 0°C nebo nižší, ale pouze za předpokladu, že před byla ochlazena na nukleační teplotu.

Velikost kapiček

Protože je rozložení různých nukleátorů v daném objemu vody náhodné, teplota zmrznutí kapičky vody je ovlivněna velikostí jejího objemu.. Pokud se kapička vody zmenšuje, snižuje se i pravděpodobnost, že bude obsahovat vysokoteplotní nukleátor. Na druhou stranu bude pravděpodobnost přítomnosti vysokoteplotního nukleátoru ve velké kapce výrazně vyšší. Pro výrobu technického sněhu je optimální situace, kdy každá kapička vody za sněhovým dělem obsahuje alespoň jeden vysokoteplotní nukleátor a kdy tedy všechny kapičky zmrznou před přistáním na zemi.

Vztah mezi nukleační teplotou a velikostí kapičky vody vyjadřují dva statisticky ověřené závěry: za prvé, zvětšení objemu kapičky o polovinu zvýší její nukleační teplotu o 0.56°C . Za druhé, zmenšení objemu kapičky o polovinu sníží její nukleační teplotu o 1.67°C . Tyto závěry vycházejí z průměrné velikosti kapiček vody při umělém zasněžování v případě nepřítomnosti vysokoteplotních nukleátorů.

Obrázek ukazuje příklad náhodného rozdělení nukleátorů v kapce vody. Jednotlivá čísla reprezentují nukleační teploty různých příměsí (prach, pyl, drobounké pískové částečky atd.) Velká kapka začne mrznout při -3°C . Rozdělíme-li tuto kapku na dvě menší, při -3°C zmrzne pouze ta polovina, která obsahuje nukleátor s nejvyšší nukleační teplotou, zatímco druhá polovina začne mrznout až při -9°C . Červeně je vždy vyznačen nukleátor s nejvyšší teplotou, který nastartuje mrznutí. Rozdělíme-li dále kapičky na polovinu, při -3°C zmrzne pouze 25% objemu vody!

Podíváme-li se blíže na vztah mezi velikostí kapiček a vypařováním, lze učinit následující závěry:

Vztáhneme-li velikost kapiček k nukleační teplotě, můžeme zlepšit produkci sněhu a účinnost použitím vysokoteplotních nukleátorů spolu s většími kapičkami. Takto nejen že zvýšíme průtok vody, ale též snížíme odpařování a ztrátu drobounkých krystalků termikou nebo větrem - více sněhu dopadne tam, kde ho skutečně potřebujeme. Měření ukázala, že zvýšením objemu proteklé vody o 20% navýšíme objem vyrobeného sněhu až o 40%.

Tyto závěry potvrzují nežádoucí výsledky při přeměně vody na velmi malé kapičky - zejména tam, kde je k dispozici omezené množství vody.

Pochopíme-li vztahy mezi mokrou teplotou, nukleační teplotou a velikostí kapiček vodního spreje, budeme schopni prakticky využívat fyzikálních jevů a následně významně zlepšit účinnost a kvalitu technického zasněžování.

 

klikněte na fotku pro rozbalení galerie