Die große Schneeflockentheorie

Schnee im zentralen Teil Russlands ist in diesem Winter nicht genug. An einigen Stellen fiel er natürlich, aber im Januar war mit etwas mehr Frost und Schnee zu rechnen. Das matte Grau und der unangenehme Matsch machen es schwierig, die Freude am üblichen Winterspaß zu spüren. Daher schlägt Cloud4Y vor, unserem Leben etwas Schnee hinzuzufügen, indem wir über ... Schneeflocken sprechen.

Es wird angenommen, dass es nur zwei Arten von Schneeflocken gibt. Und einer der Wissenschaftler, der manchmal als „Vater“ der Schneeflockenphysik bezeichnet wird, hat eine neue Theorie, die den Grund dafür erklärt. Kenneth Libbrecht ist eine erstaunliche Person, die bereit ist, das sonnenverwöhnte Südkalifornien mitten im Winter zu verlassen, um nach Fairbanks (Alaska) zu gelangen, eine warme Jacke anzuziehen und mit einer Kamera und einem Stück Schaum in den Händen auf einem gefrorenen Feld zu sitzen.

Warum? Er sucht nach den funkelndsten, texturiertesten und schönsten Schneeflocken, die die Natur erzeugen kann. Ihm zufolge bilden sich die interessantesten Muster in der Regel an den kältesten Orten - den berüchtigten Fairbanks und im schneebedeckten Norden von New York. Der beste Schnee, den Kenneth jemals beobachtet hat, war in Cochrane, einem Ort im Nordosten Ontarios, wo ein leichter Wind Schneeflocken umkreiste, die vom Himmel fielen.

Von den Elementen fasziniert, studiert Libbrecht mit der Sturheit eines Archäologen seine Schaumstoffplatte. Wenn es dort etwas Interessantes gibt, wird sich der Look sicherlich bemerkbar machen. Wenn nicht, wird der Schnee vom Brett gewischt und alles beginnt von vorne. Und es dauert Stunden.

Libbrecht ist Physiker. Durch einen lustigen Zufall hat sein Labor am California Institute of Technology die innere Struktur der Sonne erforscht und sogar fortschrittliche Instrumente zur Detektion von Gravitationswellen entwickelt. In den letzten 20 Jahren war die wahre Leidenschaft von Libbrecht der Schnee - nicht nur sein Aussehen, sondern auch das, was ihn so aussehen lässt. "Die Frage, welche Gegenstände vom Himmel fallen, wie das passiert und warum sie so aussehen, quält mich die ganze Zeit", gibt Kenneth zu.



Die Physiker wussten lange genug, dass man unter den vielen winzigen Schneekristallen zwei vorherrschende Typen unterscheiden kann. Einer von ihnen ist ein flacher Stern mit sechs oder zwölf Strahlen, von denen jeder mit schwindelerregend schöner Spitze verziert ist. Die andere ist eine Art Miniatursäule, die manchmal zwischen flachen "Kappen" eingeklemmt ist und manchmal einem normalen Bolzen ähnelt. Diese Formen können bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit beobachtet werden, aber der Grund für die Bildung der einen oder anderen Form war ein Rätsel. Die jahrelange Beobachtung von Libbrecht half, den Kristallisationsprozess von Schneeflocken besser zu verstehen.

Libbrechts Arbeit in diesem Bereich hat dazu beigetragen, ein neues Modell zu entwickeln, das erklärt, warum Schneeflocken und andere Schneekristalle das bilden, woran wir gewöhnt sind. Nach seiner im Oktober 2019 im Internet veröffentlichten Theorie beschreibt es die Bewegung von Wassermolekülen in der Nähe des Gefrierpunkts (Kristallisation) und wie durch spezifische Bewegungen dieser Moleküle eine Reihe von Kristallen entstehen kann, die sich unter verschiedenen Bedingungen bilden. In seiner 540-seitigen Monografie beschreibt Libbrecht alles Wissen über Schneekristalle.

Sechs spitze Sterne

Sie wissen natürlich, dass es unmöglich ist, zwei identische Schneeflocken zu sehen (außer im Ursprungsstadium). Diese Tatsache hängt damit zusammen, wie sich Kristalle am Himmel bilden. Schnee ist eine Ansammlung von Eiskristallen, die sich in der Atmosphäre bilden und ihre Form behalten, wenn sie alle zusammen auf die Erde fallen. Sie bilden sich, wenn die Atmosphäre kalt genug ist, um zu verhindern, dass sie verschmelzen oder schmelzen und sich in nassen Schnee oder Regen verwandeln.

Obwohl viele Temperaturen und Luftfeuchtigkeitswerte in einer einzelnen Wolke aufgezeichnet werden können, sind diese Variablen für eine einzelne Schneeflocke konstant. Deshalb wächst eine Schneeflocke oft symmetrisch. Andererseits ist jede Schneeflocke Wind, Sonnenlicht und anderen Faktoren ausgesetzt. Tatsächlich ist jeder Kristall dem Chaos der Wolke ausgesetzt und nimmt daher verschiedene Formen an.

Laut einer Studie von Libbrecht wurde 135 v. Chr. Die früheste Reflexion über diese empfindlichen Formen verzeichnet. in China. "Blumen von Pflanzen und Bäumen sind in der Regel fünfzackig, aber Schneeblumen sind immer sechszackig", schrieb Han Yin, ein Wissenschaftler. Und der erste Wissenschaftler, der herausfinden wollte, warum dies passiert, war wahrscheinlich Johannes Kepler, ein deutscher Wissenschaftler.

1611 überreichte Kepler seinem Schutzpatron, Kaiser Rudolf II., Ein Neujahrsgeschenk: eine kleine Abhandlung mit dem Titel „Auf sechseckigen Schneeflocken“.

„Ich überquere die Brücke voller Schande - ich habe dich ohne ein Neujahrsgeschenk zurückgelassen! Und hier bietet sich mir eine gute Gelegenheit! Wasserdampf, der sich von der Kälte im Schnee verdickt, lässt Schneeflocken auf meine Kleidung fallen, alle als eine, sechseckig, mit flauschigen Strahlen. Ich schwöre Herkules, das Ding, das kleiner als jeder Tropfen ist, eine Form hat, dem Liebhaber des Nichts als lang ersehntes Neujahrsgeschenk dienen kann und eines Mathematikers würdig ist, der nichts hat und nichts empfängt, da er vom Himmel fällt und das Bild eines sechseckigen Sterns verbirgt! “

„Es muss einen Grund geben, warum der Schnee die Form eines sechseckigen Sterns hat. Das kann kein Unfall sein “, war sich Johannes Kepler sicher. Vielleicht erinnerte er sich an einen Brief seines Zeitgenossen Thomas Harriot, eines englischen Wissenschaftlers und Astronomen, der es auch schaffte, als Navigator für den Entdecker Sir Walter Raleigh zu arbeiten. Um 1584 suchte Harriot nach dem effizientesten Weg, Kanonenkugeln auf den Decks von Raleighs Schiffen zu stapeln. Harriot entdeckte, dass sechseckige Muster der beste Weg zu sein schienen, um Kugeln anzuordnen, und er diskutierte dieses Thema in Keplers Korrespondenz. Kepler fragte sich, ob so etwas in den Schneeflocken geschah und dank welchem ​​Element diese sechs Strahlen erschienen und gehalten wurden.


Man kann sagen, dass dies ein erstes Verständnis der Prinzipien der Atomphysik war, das erst nach 300 Jahren diskutiert wird. In der Tat neigen Wassermoleküle mit ihren zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoff dazu, sich zu hexagonalen Anordnungen zu verbinden. Kepler und seine Zeitgenossen erkannten nicht einmal, wie wichtig dies war.

Wie die Physiker sagen, können wir dank der Wasserstoffbindung und der Wechselwirkung der Moleküle untereinander eine offene Kristallstruktur beobachten. Zusätzlich zur Fähigkeit, Schneeflocken zu züchten, macht die hexagonale Struktur das Eis weniger dicht als das Wasser, was einen enormen Einfluss auf die Geochemie, die Geophysik und das Klima hat. Mit anderen Worten, wenn das Eis nicht schwimmen würde, wäre ein Leben auf der Erde unmöglich.

Nach Keplers Abhandlung war das Beobachten von Schneeflocken mehr ein Hobby als eine ernsthafte Wissenschaft. In den 1880er Jahren begann ein amerikanischer Fotograf namens Wilson Bentley, der in der kalten, ewig verschneiten Kleinstadt Jericho (Vermont, USA) lebte, Schneeflocken mit Fototellern zu fotografieren. Es gelang ihm, mehr als 5.000 Fotos zu machen, bevor er an einer Lungenentzündung starb.



Noch später, in den 1930er Jahren, begann der japanische Forscher Ukichiro Nakaya, verschiedene Arten von Schneekristallen systematisch zu untersuchen. In der Mitte des Jahrhunderts züchtete Nakaya im Labor Schneeflocken mit separaten Kaninchenhaaren, die in einem gekühlten Raum platziert wurden. Er fummelte an den Einstellungen für Luftfeuchtigkeit und Temperatur, züchtete die Haupttypen von Kristallen und stellte seinen ursprünglichen Katalog möglicher Formen zusammen. Nakaya entdeckte, dass Sternschneeflocken bei -2 ° C und -15 ° C zur Bildung neigen. Säulen bilden sich bei -5 ° C und bei ca. -30 ° C.

Es ist wichtig zu beachten, dass bei einer Temperatur von etwa -2 ° C dünne plattenförmige Formen von Schneeflocken auftreten, bei -5 ° C dünne Säulen und Nadeln entstehen, wenn die Temperatur auf -15 ° C abfällt, werden sie zu wirklich dünnen Platten und bei einer niedrigeren Temperatur 30 ° C kehren sie zu dickeren Säulen zurück.



Bei niedriger Luftfeuchtigkeit bilden Sternschneeflocken mehrere Zweige und ähneln sechseckigen Platten, bei hoher Luftfeuchtigkeit werden sie jedoch komplizierter und schnüren sich.

Laut Libbrecht wurden die Gründe für das Auftreten verschiedener Formen von Schneeflocken durch die Arbeit von Nakai klarer. Es wurde festgestellt, dass sich Schneekristalle in flache Sterne und Platten verwandeln (anstatt in dreidimensionale Strukturen), wenn die Kanten schnell nach außen wachsen und die Gesichter langsam wachsen. Dünne Säulen wachsen unterschiedlich, mit schnell wachsenden Flächen und langsamer wachsenden Rändern.

Gleichzeitig sind die Hauptprozesse, die beeinflussen, ob eine Schneeflocke ein Stern oder eine Säule wird, unklar geblieben. Vielleicht war das Geheimnis in den Temperaturbedingungen verborgen. Und Libbrecht hat versucht, die Antwort auf diese Frage zu finden.

Schneeflocke Rezept

Gemeinsam mit seinem kleinen Forscherteam versuchte Libbrecht, ein Schneeflockenrezept zu entwickeln. Das heißt, ein bestimmter Satz von Gleichungen und Parametern, die auf einen Computer heruntergeladen und von der KI mit einer Vielzahl von Schneeflocken empfangen werden können.

Kenneth Libbrecht begann seine Forschung vor zwanzig Jahren und lernte die exotische Form von Schneeflocken kennen, die als geschlossene Säule bezeichnet wird. Es sieht aus wie eine Garnrolle oder zwei Räder und eine Achse. Er wurde im Norden des Landes geboren und war schockiert darüber, dass er noch nie eine solche Schneeflocke gesehen hatte.

Er war beeindruckt von den endlosen Formen der Schneekristalle und begann, ihre Natur zu studieren , um ein Labor für das Züchten von Schneeflocken zu schaffen. Die Ergebnisse langjähriger Beobachtungen haben dazu beigetragen, ein Modell zu schaffen, das der Autor selbst als Durchbruch ansieht. Er schlug die Idee der molekularen Diffusion basierend auf der Oberflächenenergie vor. Diese Idee beschreibt, wie das Wachstum eines Schneekristalls von den Anfangsbedingungen und dem Verhalten der Moleküle abhängt, die ihn bilden.



Stellen Sie sich vor, dass sich Wassermoleküle frei befinden, da der Wasserdampf gerade erst zu gefrieren beginnt. Wenn Sie sich in einem winzigen Observatorium befinden und sich diesen Vorgang ansehen, können Sie sehen, wie die Moleküle aus gefrorenem Wasser ein starres Gitter bilden, in dem jedes Sauerstoffatom von vier Wasserstoffatomen umgeben ist. Diese Kristalle wachsen, indem sie Wassermoleküle aus der Umgebungsluft in ihre Struktur einbauen. Sie können in zwei Hauptrichtungen wachsen: nach oben oder nach außen.

Ein dünner flacher Kristall (lamellenförmig oder sternförmig) entsteht, wenn sich die Kanten schneller bilden als die beiden Seiten des Kristalls. Ein wachsender Kristall breitet sich nach außen aus. Wenn seine Flächen jedoch schneller wachsen als seine Kanten, wird der Kristall höher und bildet eine Nadel, eine hohle Säule oder einen Stab.


Ein weiterer Moment. Beachten Sie das dritte Foto von Libbrecht im Norden Ontarios. Dies ist ein Kristall mit geschlossener Säule - zwei Platten, die an den Enden eines dicken säulenförmigen Kristalls angebracht sind. In diesem Fall ist jede Platte in ein Paar viel dünnerer Platten unterteilt. Schauen Sie sich die Ränder genauer an, Sie werden sehen, wie die Platte in zwei Teile geteilt ist. Die Kanten dieser beiden dünnen Platten sind ungefähr so ​​scharf wie eine Rasierklinge. Die Gesamtlänge der Eissäule beträgt ca. 1,5 mm.

Gemäß dem Libbrecht-Modell setzt sich Wasserdampf zuerst an den Ecken des Kristalls ab und breitet sich dann entlang der Oberfläche entweder zum Rand des Kristalls oder zu seinen Flächen aus (diffundiert), wodurch der Kristall nach außen oder oben wächst. Welcher dieser Prozesse „gewinnt“, hängt hauptsächlich von der Temperatur ab.

Es ist zu beachten, dass das Modell semi-empirisch ist. Das heißt, es ist teilweise so konstruiert, dass es dem entspricht, was gerade passiert, und nicht, um die Prinzipien des Schneeflockenwachstums zu erklären. Instabilitäten und Wechselwirkungen zwischen unzähligen Molekülen sind zu komplex, um sie vollständig aufzudecken. Es bleibt jedoch zu hoffen, dass die Ideen von Libbrecht als Grundlage für ein umfassendes Modell der Eiswachstumsdynamik dienen, das mit detaillierteren Messungen und Experimenten detailliert werden kann.

Denken Sie nicht, dass diese Beobachtungen für einen engen Kreis von Wissenschaftlern von Interesse sind. Ähnliche Fragen stellen sich in der Festkörperphysik und auf anderen Gebieten. Medikamentenmoleküle, Halbleiterchips für Computer, Solarzellen und viele andere Industrien setzen auf hochwertige Kristalle, und ganze Gruppen arbeiten daran, sie zu züchten. Die von Libbrecht geliebten Schneeflocken können also der Wissenschaft zugute kommen.

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