Wetter-News: Kein Schneekristall ist wie der andere

Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie Schnee entsteht?

Und warum man nicht bei jedem Schneefall die bekannten Schneekristalle wie im Titelbild dieses Blogs sehen kann?

Grosse Vielfalt an Schneekristallen

Die eingangs gestellten Fragen haben sich Wissenschaftler schon vor mehr als 2000 Jahren gestellt. Vieles, was heute über die Mikrophysik von Schnee bekannt ist, geht auf Forschungsarbeiten des Amerikaners Wilson Bentley und des Japaners Ukichiro Nakaya zurück. Während der Amerikaner erstmals Schneeflocken systematisch fotografierte und dabei feststellte, dass diese je nach Temperatur unterschiedlich aussehen, war es letztlich der Japaner, der in den 1930er Jahren alle möglichen Formen von Schneekristallen akribisch beschreiben konnte.

Auch in diesen Eiskristallwolken (Cirrus uncinus) über dem Guggerenchopf und dem Roggenstock im Hintergrund nehmen die Eiskristalle sechseckige Formen (oft Säulen- oder Plättchenkristalle) ein. (Foto: Unteriberg, U. Graf)

Mit der Hilfe eines Kaninchenhaares konnte er erstmals Schneekristalle künstlich im Labor erzeugen. Dabei fungierte das Kaninchenhaar quasi als Ersatz für den sogenannten Kristallisationskern, der in der Natur z.B. in Form eines winzigen Staub- oder Russpartikels vorkommt. Damit (unterkühltes) Wasser nämlich gefrieren kann, muss es sich quasi an einen solchen Kristallisationskern heften. Ohne Kristallisationskern würde Wasser erst bei etwa -40 Grad und kälter gefrieren.

Wie Nakaya herausfand, sind die Temperatur und das Feuchteangebot in der Luft zwei wesentliche Faktoren, die das Wachstum von Schneekristallen beeinflussen. Das durch ihn entwickelte „Nakaya-Diagramm“, das die kristallinen Grundformen des Schnees in Abhängigkeit der Temperatur und des Feuchteangebots beschreibt, hat heute noch Gültigkeit.

Nakaya-Diagramm. Die verschiedenen Haupttypen der Schneekristalle in Abhängigkeit der Lufttemperatur und des Feuchteangebots (in Form von Übersättigung). Die wunderschönen filigranen Dendriten entstehen vor allem bei einer Temperatur zwischen ca. -10 und -20 Grad und bei grosszügig vorhandener Feuchtigkeit. (Bildquelle: «Schnee», Primus Verlag, Darstellung nach Kenneth G. Libbrecht)

Wenn Sie das nächste Mal also einen filigranen Schneestern sehen, können Sie Temperatur und Feuchteangebot abschätzen, die in der Wolke bei der Entstehung von ebendiesem herrschten.

Die sechseckige Grundstruktur des Schnees

Betrachtet man das Nakaya-Diagramm genauer, fällt auf, dass alle Formen eine sechseckige Struktur aufweisen. Warum?

Schneekristalle bestehen aus gefrorenem Wasser. Ein Wassermolekül (H2O) besitzt negativ und positiv geladene Bereiche, welche die benachbarten Moleküle an- oder abstossen. Die Moleküle ordnen sich dabei immer in einem Winkel von 60 bzw. 120 Grad an, weil diese Anordnung energetisch betrachtet am günstigsten ist. Das ist der Grund, warum Eis- oder Schneekristalle immer eine sechseckige Grundstruktur aufweisen.

Beispiele von verschiedenen Schneekristallen (Dendriten) (Bildquelle: Wikimedia Commons)

Nur eine Grundstruktur – warum dann so viele verschiedene Schneekristalle?

Wenn ein Schneekristall so gross ist, dass er von Auge sichtbar ist (z.B. 1 mm), so besteht er bereits aus einer kaum vorstellbaren Anzahl Wassermolekülen: etwa 100 Trillionen (eine Zahl mit 20 Nullen: 100’000’000’000’000’000’000). Von Auge betrachtet sehen die Schneekristalle durchaus noch identisch aus.

Schneekristall in vollendeter Schönheit. Unvorstellbar, wie viele Wassermoleküle nötig sind, um einen Kristall dieser Grösse entstehen zu lassen. (Bildquelle: A. Burden, unsplash.com)

Betrachtet man sie jedoch mikroskopisch, dann wird es nahezu unmöglich, zwei exakt identische Exemplare zu finden. Das liegt an der schieren Anzahl an vorhandenen Wassermolekülen. Wächst der Schneekristall, haben neue Wassermoleküle, die sich am Schneekristall anlagern, quasi ebenso viele Möglichkeiten, dies zu tun, wie es Wassermoleküle im Schneekristall gibt. Es ist somit eigentlich unmöglich, dass sich alle Wassermoleküle zweimal mit derselben „Reihenfolge“ anordnen. Jede Schneeflocke ist folglich einzigartig.

Ein einzigartiges Prachtexemplar eines Schneekristalls, aufgenommen auf einem vereisten Sonnenscheinautographen am Flughafen Zürich. (Foto: S. Burri)

Links

• Schnee (MeteoSchweiz)
• Material Schnee (SLF Davos)
• Animation eines wachsenden Schneekristalls
• Josué Gehring auf Schneeflockenjagd (Simply Science)
• Snow Crystals (Snowflak Science, englisch)

Ein typischer Schneekristall oder Dendrit. Ein Kunstwerk, wie es nur die Natur erschaffen kann.

Quelle: Bundesamt für Meteorologie MeteoSchweiz /Kein Schneekristall ist wie der andere – MeteoSchweiz (admin.ch)
Titelbild: D. McCoig, unsplash.com