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Thema des Tages

04-12-2020 12:20

Warum Schneekristalle kleine Kunstwerke sind


Pünktlich zum meteorologischen Winteranfang am vergangenen Dienstag
gab es in einigen Regionen des Landes den ersten Schnee. Wussten Sie,
dass jeder einzelne Schneekristall vermutlich einzigartig ist und
keinem anderen gleicht?

Am Dienstag, den 01. Dezember, fiel pünktlich mit Beginn des
meteorologischen Winteranfangs mit einem eher kleinräumigen Tief vor
allem in den westlichen und südwestlichen Landesteilen bis in tiefe
Lagen der erste Schnee, wenngleich die gebildete Schneedecke nur für
wenige Stunden hielt, bevor es ihr mit der einsetzenden Milderung
wieder an den Kragen ging. Aus der Entfernung betrachtet wirkt die
weiße Masse dabei eher gleichförmig. Schaut man jedoch genauer hin,
dann fällt auf, dass eine größere Schneeflocke aus mehreren
zusammengewachsenen filigranen Schneekristallen besteht.

Die Bildung einer Schneeflocke beginnt mit winzigen Eispartikeln, die
in den Wolken auf zweierlei Weise entstehen können. In sehr kalter
Luft kann reiner Wasserdampf direkt zu Eispartikeln gefrieren. Dazu
muss die Temperatur allerdings extrem niedrige Werte annehmen, nahe
minus 40 Grad Celsius. Wesentlich typischer ist daher ein anderer
Prozess, bei dem Staub- oder andere Aerosolpartikel eine zentrale
Rolle spielen. Einzelne Wassermoleküle lagern sich an diese Partikel
an und bei Temperaturen unter 0 Grad Celsius entstehen winzige
unterkühlte Tröpfchen. Kühlt die Luft weiter ab, gefrieren die
unterkühlten Wolkentröpfchen zu Eiskristallen. Zunächst sind sie nur
wenige Mikrometer groß und weisen fast immer eine sechseckige Form
auf. Diese dominierende Kristallstruktur von Eis sorgt für das
Erscheinungsbild von hexagonalen Plättchen oder Säulen. Die Ursache
für diese Strukturen liegt in der hexagonalen Anordnung der
Wassermoleküle. Dabei befinden sich die Sauerstoffatome jeweils an
den Ecken eines Sechsecks, und Wasserstoffbrücken verbinden sie mit
den anderen Wassermolekülen.

Nach und nach lagern sich immer mehr Wassermoleküle an die Kristalle
an und lassen diese wachsen, insbesondere an den Kanten. Wegen der
hexagonalen Eisstruktur bilden sich auf diese Weise die für
Schneekristalle typischen "Äste". In künstlerischen Darstellungen
sehen sie absolut identisch aus, was jedoch nicht der Realität
entspricht. Stattdessen findet man leicht asymmetrisch geformte
Schneekristalle. Trotzdem ähneln sich die sechs Äste stark. Das liegt
daran, dass die äußeren Bedingungen, die über das Eiswachstum
entscheiden, für alle Äste identisch sind.

Die vermutlich bekannteste Veröffentlichung mit mehr als 2400
Fotografien von Schneekristallen lieferte der Amerikaner und
Autodidakt Wilson Bentley in seinem Buch "Snow Crystals" aus dem Jahr
1931. Mit diesem Werk löste er eine Welle der Begeisterung für die
filigranen Schönheiten aus, die bis nach Japan schwappte. So widmete
sich der Physiker Ukichiro Nakaya ab dem Jahr 1933 an der Hokkaido
Universität der eisigen Materie. Er schoss rund 3000 Fotos von
natürlichen Eiskristallen. Anhand ihrer Morphologie - also ihrem
Erscheinungsbild - unterteilte er diese in insgesamt 41 Grundformen
darunter sieben Haupt- und weitere Nebentypen. Nach drei Jahren
Forschung gelang es ihm auch erstmals, künstliche Eiskristalle
wachsen zu lassen. Anhand seiner Ergebnisse stellte er daraufhin ein
grafisches Diagramm zusammen, welches heute noch in der Fachliteratur
als "Nakaya-Diagramm" bekannt ist und in der beigefügten Grafik
(https://t1p.de/1r33) zu finden ist.

Nakaya stellte dabei fest, dass gewisse Beziehungen zwischen der
Gestalt der Schneekristalle und den bei ihrer Entstehung
vorherrschenden atmosphärischen Bedingungen existieren. Vor allem die
Temperatur und Feuchtigkeit der Luft, in der ein Schneekristall
heranwächst, beeinflussen seine spätere Form. Zum Beispiel bilden
sich bei Temperaturen nahe minus zwei Grad Celsius hexagonale
Plättchen, die mit zunehmender Feuchte immer komplexere Verästelungen
ausbilden. Ähnlich verhält es sich mit Schneekristallen bei minus 15
Grad Celsius. Dann entstehen besonders formschöne Exemplare. Bei
Temperaturen um minus sieben Grad Celsius hingegen entwickeln sich
vorwiegend Eissäulen, -nadeln oder -prismen.

Die Feuchtigkeit, also der Wasserdampf, spielt ebenfalls eine
grundlegende Rolle. In Abhängigkeit von Temperatur und Druck kann ein
Luftpaket nur eine bestimmte Menge an Wasserdampf aufnehmen. Erreicht
der Wasserdampf in der Luft die maximale Menge, spricht man von
Sättigung. Bei Übersättigung nimmt die Luft darüber hinaus noch mehr
Wasserdampf auf und es kommt zum Phasenübergang. Dann setzt
Kondensation (von gasförmig zu flüssig) oder Resublimation (von
gasförmig zu fest) ein und es bilden sich Tröpfchen oder
Eiskristalle. Nakaya erkannte, dass mit steigendem Wasserdampfgehalt
der Luft die Komplexität der Struktur der Kristalle zunimmt und diese
somit filigranere Strukturen ausbilden.

Es existieren allerdings viele Misch- oder Übergangsformen. Die
Schneekristalle können durchaus in einer bestimmten Form zu wachsen
beginnen. Auf ihrem Weg zum Boden sind sie jedoch oft höchst
unterschiedlichen Temperatur- und Feuchtigkeitswerten ausgesetzt.
Dadurch wachsen die Schneekristalle mal mehr in die Breite oder mal
filigraner an den Spitzen und können so sehr komplexe kristalline und
individuelle Formen annehmen. Typischerweise erreichen sie einen
Durchmesser von wenigen Millimetern. Je größer die Kristalle werden,
desto schneller fallen diese dem Erdboden entgegen. Das führt
unweigerlich zu Kollisionen. Verhaken sich mehrere Kristalle, bilden
sie Schneeflocken, was besonders leicht bei Temperaturen nahe null
Grad Celsius passiert, denn dann ist der Schnee recht feucht. Die
daraus entstehenden Schneeflocken können durchaus so groß wie
Walnüsse werden, ohne auseinanderzufallen. Bei extrem windarmen und
feuchten Bedingungen wurden auch noch größere Flocken beobachtet (in
der Zunft der Meteorologen oft scherzhaft "Toastbrotflocken"
getauft).

Vielleicht gehen Sie beim nächsten Schneefall auf Ihre ganz eigene
Entdeckungstour und erkunden die in jedem Fall einzigartigen
Schneekristalle!


M.Sc.-Met. Sebastian Altnau
Deutscher Wetterdienst
Vorhersage- und Beratungszentrale
Offenbach, den 04.12.2020

Copyright (c) Deutscher Wetterdienst
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