5. – 13. Schuljahr

Hans Joachim Schlichting

Schneeflocken geheimnisvolle Schönheiten des Winters

Wie man bereits aus einem alten Kinderlied weiß, kommen die Schneeflocken aus den Wolken und haben einen langen Weg hinter sich. Ihre Entstehungs- bzw. Lebensspanne ist im Wesentlichen auf diesen Fall aus den Wolken beschränkt. Keine Flocke gleicht der anderen. Aber in ihrer Vielfalt haben alle Flocken eines gemeinsam: eine sechseckige Grundstruktur. Sehr selten findet man 3- oder 12-zählige Kristalle; aber niemals 4- oder 8-zählige.
Wassermoleküle und Sechseckigkeit
Kein Geringerer als Johannes Kepler untersuchte bereits im Jahre 1610 in einem Aufsatz „Über die sechszackige Schneeflockeinsbesondere die Hexagonalität. Später schwärmte René Descartes über die Struktur der kleinen eisigen Kristalle: „Das waren kleine Klingen aus Eis, ganz glatt, intensiv poliert, ganz durchsichtig, ungefähr von der Stärke eines Blatts ziemlich dicken Papiers, [] aber so perfekt in Sechsecke tailliert und deren sechs Seiten so gerade waren, die sechs Winkel so gleich, dass es den Menschen unmöglich ist, etwas so Exaktes zu machen. (Übers. HJS)
Die Ursache dieser sechszähligen Symmetrie liegt in der Form des Kristallgitters, in der sich die Wassermoleküle aufgrund der Struktur ihrer chemischen Bindungen anordnen. Dabei entstehen Schichten aus Hexagonen. Diese Symmetrie überträgt sich auf alle Schnee- und Eiskristalle.
Modellversuch
Wie es im Prinzip zu solchen hexagonalen Kristallen kommt, kann man sich mit einem einfachen Modell veranschaulichen: Dazu setzt man kleine Styroporkugeln nicht zu weit voneinander entfernt wahllos auf eine Wasseroberfläche. Da die Natur bestrebt ist, so viel Oberflächenenergie wie möglich an die Umgebung abzugeben und die Oberflächenenergie proportional zur Fläche ist, die von den Kugeln eingenommen wird, sind diese bestrebt, eine möglichst kleine Oberfläche zu besetzen. Das erreichen sie, wenn sie möglichst eng zusammenrücken, was meist zu einer hexagonalen Ordnung führt (s. Abb. 2 ).
Ganz analog verhalten sie die Wassermoleküle. Sobald sich einige von ihnen zu einem rauen Minikristall zusammengefunden haben, werden herandriftende Wasserdampfmoleküle in die Stufen und Lücken der Oberflächen eingebaut. Denn hier ist die Anziehungskraft aufgrund mehrerer benachbarter Moleküle am größten. An die glatten Oberflächen lagern sich Moleküle daher mit geringerer Wahrscheinlichkeit an. Die Kristalle wachsen an den rauen Stellen schneller als an den glatten (s. Abb. 3 ).
Schließlich bleiben nur noch glatte Flächen zurück und bestimmen die Form des wachsenden Kristalls. Trotz der geringen Reichweite der molekularen Kräfte wird auf diese Weise eine langreichweitige Anordnung realisiert. Die Geometrie der Moleküle bestimmt also die Geometrie des makroskopischen Kristalls.
Formenreichtum durch Zufall und Notwendigkeit
Mit diesen Wachstumsprinzipien kann man die Entstehung hexagonaler Prismen mit zwei basalen und sechs prismatische Facetten erklären. Die Frage, wie sich diese Grundstruktur in den individuellen Eiskristallen niederschlägt und wie es zu der enormen Vielfalt der Eiskristalle kommt, ist damit aber noch nicht beantwortet.
Einer der Pioniere der Schneeflockenforschung, der Japaner Ukichiro Nakaya, entdeckte in den 1930er-Jahren, dass die Morphologie der Eiskristalle sehr stark von den Wachstumsbedingungen, insbesondere von der Temperatur und der Feuchte abhängt. Beispielsweise fand er heraus, dass bei einer Temperatur von 2 °C vorwiegend dünne plattenartige Kristalle entstehen. Bei 5 °C sind es vor allem dünne Nadeln und bei 15 °C dominieren erneut die Platten. Schließlich ergibt sich bei Temperaturen unterhalb von 25 °C eine Mischung aus dicken Platten und säulenartigen Formen.
Der ornamentale Detailreichtum der Kristallformen hängt sehr stark von der Feuchte ab, also von der Konzentration von Wasserdampf. Je größer die Feuchte und damit das Angebot an „Bausteinen ist, desto...

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