 Schneeflöckchen, Weißröckchen
Die ästhetischen Gebilde aus hauchdünnen Kristallen, inspirierten schon vor Jahrhunderten Dichter und Naturphilosophen. Doch auch moderne Forscher versuchen die natürlichen Baupläne von Schneeflocken zu entschlüsseln, um sie für die moderne Technik nutzbar zu machen.
Von Susanne Heliosch
„Jede Schneeflocke ist von unendlicher Schönheit, die noch vergrößert wird durch das Wissen, dass der Forscher höchstwahrscheinlich niemals eine andere exakt gleiche finden wird“. So äußerte sich der amerikanische Fotograf Wilson Bentley 1922 in der Zeitschrift „Popular Mechanics“. Bentley, der als „Schneeflocken-Mann“ bekannt wurde, hat über 5000 Schneeflocken unter einem gekühlten Mikroskop untersucht und ihre kristallinen Erscheinungsbilder auf fotografischen Platten festgehalten. Er kam zu dem Ergebnis, dass sich keine zwei Flocken gleichen – alles Unikate.
Trotz dieser enormen Formenvielfalt zeichnen sich unter den Eiskristallen ganz bestimmte Grundmuster ab. Das Wissen um das Entstehen und der Erscheinungsform von Schneeflocken ist dem japanischen Nuklearphysiker Ukichiro Nakaya zu verdanken, der in den 30er-Jahren die Erforschung der Formenfülle der Schneekristalle vorantrieb. Nakaya gelang es zum ersten Mal in der Geschichte, die eisigen Gebilde im Labor künstlich wachsen zu lassen. Dabei fand er heraus, dass neben den Minusgraden zwei weitere Wachstumsfaktoren notwendig sind, damit sich eine Schneeflocke bildet: Die Luft muss mit Wasserdampf übersättigt sein und es muss einen Kristallisationskeim geben, um den sich die Schneeflocke aufbauen kann.
„Das Wachstumsgesetz von Kristallen ist immer dasselbe. Es braucht einen Anstoß. Im Fall der Schneeflocke genügt ein in der Atmosphäre umherschwirrendes Staubpartikel als Kristallisationskeim“, erklärt Professor Rolf Jürgen Behm, Leiter der Abteilung Oberflächenchemie und Katalyse an der Universität Ulm. „In der Wolke lagern sich um diesen Keim kleinste Wassertröpfchen an, die kondensieren“, so Behm weiter. Bei Temperaturen zwischen null und minus 40 Grad ordnen sich immer mehr Schneekristalle an den Kern an.
Sinkt die Temperatur in einer Wolke unter 0 Grad, kann mit Schnee gerechnet werden. Ab dem Gefrierpunkt bilden sich statt der Regentropfen winzige Eiskristalle. Sie verhaken sich schrittweise und segeln schließlich als sechseckige Schneekristalle zur Erde. Die interessantesten Kristallformen entstehen bei mittleren Temperaturen zwischen minus 10 und minus 25 Grad Celsius. Je nach Umweltbedingungen entstehen verschiedene Formen, die aber immer sechseckig sind. Sechseckig deshalb, weil die Wassermoleküle im Eis ein hexagonales Gitter bilden.
Von der sechseckige Form der Schneeflocken wusste man bereits im Kaiserreich China schon mindestens seit dem 2. Jahrhundert v. Chr.. Neben den bekannten Sternen, den sogenannten Dendriten, unterscheiden die Fachleute viele Formen, zum Beispiel Plättchen, Nadeln, Bäumchen oder Prismen. Die Geschwindigkeit und die Richtung des Wachstums hängen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit ab.
Anfangs sind die entstehenden Schneekristalle nur einen Zehntel Millimeter groß. Irgendwann sind sie schwer genug, um auf die Erde niederzuschweben. „Auf dem Weg dorthin verändern sie sich laufend, durch die unterschiedlichen Temperaturen und Wasserdampfdichten“, beschreibt Professor Behm. Selten erreicht eines der eisigen Gebilde einen Durchmesser von drei bis vier Zentimetern. Die größte beobachtete Schneeflocke hatte einen Radius von zwölf Zentimetern.
Eigentlich ist Schnee nicht weiß, sondern durchsichtig. Ähnlich einer fein zerstoßenen Glasscheibe, wirkt auch die Masse der Eiskristalle wie eine Schicht aus Millionen Prismen, die das Licht immer wieder zurückwirft und es dadurch weiß erscheinen lässt.
Bereits der Astronom Johannes Kepler (1571-1630) hat sich für die Schneeflocke interessiert und seine Beobachtungen in der Abhandlung „De nive sexangula“ („Vom sechseckigen Schnee“) zusammengefasst. Ging es ihm seinerzeit vorrangig darum, die Natur im Sinne eines philosophischen Erkenntnisinteresses zu begreifen, so richten die heutigen Forscher ihren Blick auf den technischen Nutzen, den sie aus dem Verständnis der natürlichen Baupläne gewinnen können. Wissenschaftler, die sich der Bionik verschrieben haben, jener Disziplin, die Biologie und Technik verknüpft, lenken ihre Aufmerksamkeit schon lange auf den Winterhimmel.
Am Institut für Meteorologie, Kristallographie und Materialwissenschaft der Universität Leipzig wird Schnee beobachtet, um die technische Ausgefeiltheit von Radargeräten zu verbessern. Mit Radargeräten können die Meteorologen mittlerweile Wolken vermessen. Doch die Geräte sind nicht in der Lage die Art des Niederschlages, also ob die Wolke Regen oder Schnee trägt, zu bestimmen. Durch die Ermittlung der Fallgeschwindigkeit des Schnees und durch die Größe der Niederschlagsteilchen können die Forscher die zu erwartenden Niederschlagsmengen berechnen. Die Radargeräte werden mit den Informationen „gefüttert“ und können dadurch meteorologische Messergebnisse besser interpretieren.
Alle Geräusche sind im Schnee leiser. Diesem Schalldämmungs-Effekt sind Forscher des California Institute of Technology in Pasadena auf der Spur. Die Wissenschaft erklärt das Phänomen folgendermaßen: Zwischen den kristallinen Wänden der frostigen Strukturen läuft jeder Ton ständig hin und her. So lange, bis er sich im eisigen Labyrinth verliert. Durch die Schallwellen angeregt mitzuschwingen, verformen sich die hauchdünnen Kristallspitzen und brechen letztendlich auseinander. So wird Lärmenergie in Wärme verwandelt, wodurch sich das Lärmvolumen immer weiter abbaut. Basierend auf diesen Erkenntnissen werden inzwischen Schallschutzwände und Schallschluckdecken entwickelt.
Dass Schneeflocken so langsam und leise auf die Erde schweben, hängt von ihrem hohen Luftanteil von bis zu 95 Prozent ab. Doch für manche Wassertiere ist der auf die Wasseroberfläche auftreffende Schnee alles andere als leise. Das haben Wissenschaftler der John Hopkins University in den USA herausgefunden. Der auf der Wasseroberfläche fallende und schmelzende Schnee erzeugt Töne zwischen 50 und 200 Kilohertz. Für Menschen unhörbar, sind diese Frequenzen aber für viele Wassertiere äußerst geräuschvoll, ja regelrecht mit Lärm verbunden.
Susanne Heliosch
1961 bei Ulm geboren. Studierte Kunstgeschichte, Volkskunde und Religionswissenschaft an der Uni Regensburg. Danach Studium der Empirischen Kulturwissenschaft an der Uni Tübingen. Ausstellungsmacherin und Medienpädagogin beim Rundfunk. Seit 1995 freie Journalistin. Bevorzugt Fragestellungen aus Medizin und Forschung, Natur und Umwelt sowie Themen aus der historischen wie zeitgenössischen Alltagskultur. Verfassen von Auftrags-Biografien.
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