Standort: science.ORF.at / Meldung: "Wie Dreiecksflocken entstehen"

Dreieckige Schneeflocken.

Wie Dreiecksflocken entstehen

Schneeflocken sollten aufgrund der Form des Wassermoleküls eine sechsteilige Symmetrie aufweisen. Gar nicht so selten tanzen jedoch auch dreieckige Flocken durch die Luft. Ein US-Physiker hat nun eine Erklärung dafür gefunden.

Physik 09.12.2009

Die Sterne des Herrn Thoureau

"Wir angefüllt mit kreativem Genie ist die Luft, die das erzeugt! Ich würde es kaum mehr bewundern, wenn echte Sterne fielen und an meinem Mantel hängen blieben." Das "kreative Genie", von dem der amerikanische Autor Henry David Thoureau sprach, ist das Wasser: seit Jahrhunderten intensiv erforscht und dennoch voller Geheimnisse - nicht zuletzt in Bezug auf die Formenvielfalt der Schneeflocken, von denen man bekanntlich sagt, dass keine der anderen gleicht. Der US-Physiker und Schneeforscher Kenneth Libbrecht sagt: Das stimmt tatsächlich.

Kondensieren und Frieren

Schneekristalle wachsen dann, wenn atmosphärischer Wasserdampf abkühlt - und zwar so rasch, dass er die flüssige Phase mehr oder weniger überspringt und sofort fest wird. Die dafür notwendigen meteorologischen Konstellationen sind im Wesentlichen bekannt. Schneeflocken bilden sich dann, wenn feuchte Luftmassen zusammenstoßen, warme Luft aufsteigt, sich schließlich abkühlt.

Dadurch kondensiert der Wasserdampf zu feinsten Wassertröpfchen - allerdings nur, wenn es auch genügend Kondensationskeime in der Luft gibt. Diese Rolle übernehmen in der Regel feine Staubteilchen. Ist ein Tröpfchen einmal durch weiteres Absinken der Temperatur gefroren, läuft die Sache wie von selbst. Weitere Tröpfchen lagern sich an, gefrieren, es treten neue Tröpfchen hinzu usw. usf.

Physik der Formen

Damit ist aber noch nicht erklärt, warum die Schneeflocken in so vielen verschiedenen Formen auftreten, vom klassischen dendritischen Wuchs bis hin zu Prismen, Plättchen und nadelförmigen Strukturen. Eine erste physikalische Ordnung in das (scheinbare) Chaos der Formen hat der japanische Physiker Ukichiro Nakaya in den 1930er Jahren gebracht. Und zwar durch Versuche im Labor. Er ließ Schneeflocken unter variierenden Bedingungen wachsen und fand heraus, dass der Prozess offenbar von zwei Hauptfaktoren abhängig ist, Temperatur und Luftfeuchte.

Nakaya-Diagramm: schneeflockenform in Abhängigkeit von Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Ukichiro Nakaya

Das Nakaya-Diagramm.

Bei relativ trockener Luft bilden sich eher Prismen und Plättchen, bei stark übersättigter Luft indes entstehen vor allem jene Flocken, die man aus jedem Kinderbuch kennt: sechs symmetrisch angeordnete Äste, an denen wiederum feine Ästchen sprießen. Nakaya hat seine Ergebnisse in eine berühmte Grafik übertragen, die jeder Forscher kennt, der sich für Schneeflocken und die dahinter stehende Physik interessiert.

Dreiecke sind stabiler

Die Studie "Aerodynamical Effects in Snow Crystal Growth" ist auf dem Preprintserver "arXiv" erschienen (arXiv:0911.4733v1).

Eine Flockenform sucht man im Nakaya-Diagramm allerdings vergeblich: Dreiecke. Prismenförmige Schneekristalle geben nämlich bisweilen Teile ihrer Symmetrie auf und bilden längere und kürzere Seiten aus. Manchmal setzt sich dieser Trend bis ins Extrem fort und es entstehen dreieckige Flocken, die mit den klassisch-hexagonalen nur mehr sehr entfernte Ähnlichkeit haben.

Dreieckige Schneeflocken.

Kenneth Libbrecht

Schneeflocken mit Dreieckstendenz.

Kenneth Libbrecht hat nun eine Erklärung dafür gefunden. Wie er in einer aktuellen Studie schreibt, hängen Wachstum und Form einer Schneeflocke von zwei Prozessen ab. Zum einen die Diffusion von Wassermolekülen in der Luft, zum anderen molekulare Dynamiken auf der Kristalloberfläche. Offenbar sind letztere für die Entstehung der Dreiecksform verantwortlich; eine Schlüsselrolle dürfte in diesem Zusammenhang die Aerodynamik spielen, schreibt Libbrecht - sie beeinflusst die Art und Weise, wie sich Wassermoleküle auf der Oberfläche des Kristalls anlagern.

Der US-Physiker hat durchgerechnet, wie kleine Störungen der Anlagerung die Form verändern. Hexagonale Kristalle sind demnach gegenüber solchen Störungen relativ anfällig, ihre Form verändert sich so gut wie jedes Mal, wenn der Prozess von seinem Idealpfad abweicht. Nicht so die dreieckigen Kristalle.

Sie zeigen laut Libbrechts Formeln eine außerordentliche Robustheit gegenüber Störungen. Mit anderen Worten: Dreiecke bleiben Dreiecke, weil sie so etwas wie ein Tal in der Energielandschaft der Schneeflockenformen bilden. Das erklärt auch, warum sie relativ häufig sind.

Robert Czepel, science.ORF.at

Mehr zu diesem Thema: