Unboxing Schneeflocke:
die Schönheit der Kristalle liegt im Detail
Autor: ©Science Pool, Carola
Dezember 2021
Mit unserem Experiment Kristallblume entdeckt ihr, dass selbst die unterschiedlichsten Kristalle etwas gemeinsam haben. Die Teilchen, aus denen der Kristall besteht, ihre Ionen, Atome oder Moleküle, besitzen eine geordnete Struktur. Diese Struktur findet sich selbst im kleinsten Teil des Kristalls und wiederholt sich durch den ganzen „Kristallkörper“. Diesen „Basisbaustein“ nennt man Elementarzelle.
Einzigartig, aber dennoch gleich
Weltweit sind (derzeit) nur 14 verschiedene Elementarzellenstrukturen bekannt, aus denen alle Arten von Kristallen aufgebaut sind. Der französische Naturforscher Auguste Bravais hat 1848 mathematisch bewiesen, dass nicht mehr als diese 14 unterschiedlichen Strukturen existieren können, zumindest nicht in einer Welt mit drei Dimensionen, so wie unserer.
Schnee, wie du sicher weißt, besteht aus winzig kleinen Eiskristallen. Er entsteht, wenn sich in den Wolken kleinste Tröpfchen kalten Wassers an sogenannten „Kristallisationskeimen“ anlagern und dort gefrieren. So ein Kristallisationskeim kann vieles sein, meist ist es einfach Schmutz, zum Beispiel ein Staubteilchen, an dem sich ein Wassertröpfchen „festhalten“ kann.
Wie genau so ein Schneekristall geformt ist, hängt natürlich von vielen Gegebenheiten ab. Zum Beispiel, wie kalt es gerade ist, ob Wind geht oder eben nicht, wie die Kristallisationskeime beschaffen sind, und von vielem mehr. Daher sieht (fast) keine Schneeflocke so aus, wie eine andere. Theoretisch ist es möglich, dass es von einer Flocke irgendwo irgendwann einmal eine völlig gleiche gibt oder gab, aber wahrscheinlich werden wir das nie erfahren.
Eines ist jedoch bei allen Schneeflocken gleich, nämlich die Grundform. Die Struktur ihrer Elementarzellen ist sechseckig. Diese Form liegt an dem Wassermolekül. Wasser ist eine Verbindung von Wasserstoff und Sauerstoff im Verhältnis 2:1, also zwei Wasserstoffmoleküle sind mit einem Sauerstoffmolekül verbunden. Dieses Sauerstoffatom steht zu den beiden Wasserstoffatomen in einem ganz bestimmten Winkel. Kommen nun mehrere Wasserstoffmoleküle zusammen und frieren, bilden sie ein Kristallgitter aus sechseckigen Waben. Und so kommt es, dass unsere wunderbaren Schneekristalle immer sechs Seitenflächen oder, wie man auch sagen kann, sechs Arme haben!
Kalte Schneeflocken sind plump
So zart die Schneeflocken auch sind, können sich durch die unterschiedlichen Umstände, in denen sie entstehen, feinere oder plumpere Formen bilden. Die Hauptursache dafür liegt im Temperaturunterschied während des Entstehungsprozesses. Überraschend dabei ist, dass wenn es sehr kalt ist, die Formen eher grob werden. Je wärmer die Umgebung aber ist, desto filigraner, feiner und sternförmiger gestalten sich die Kristalle. So weiß man mittlerweile, dass die wohl schönsten Verzweigungen bei um die 0° C entstehen.
Schneeflocken, die sich um biologische Keime bilden, wie zum Beispiel um Pollen, werden größer. Die Pollen haben mehr Volumen und bieten den Flocken mehr Fläche zum Festhalten. Im Guinness-Buch der Rekorde findest du übrigens einen Eintrag über eine „Monster“-Schneeflocke, die tatsächlich einen Durchmesser von 38 cm gehabt haben soll. Der Durchmesser von normalen Schneeflocken misst übrigens meist so um 5 Millimeter.
Schneeflocken machen auf sich aufmerksam
Ob du es glaubst oder nicht, Schneeflocken geben auch Laute von sich. Aber natürlich nicht, weil sie Lebewesen wären – vielmehr hat dieses Geräusch eine physikalische Ursache. In der Schneeflocke werden bei der Kristallisation kleine Luftbläschen eingeschlossen. Fällt die Flocke ins Wasser oder auf einen feuchten Untergrund, können diese Luftbläschen entweichen und geben dabei einen einen schrillen Ton von sich. Da dieser Ton eine Frequenz von 50.000 bis 200.000 Herz aufweist – das ist ein sehr sehr hoher Ton – kann das menschliche Ohr das „Schreien“ der Schneeflocke nicht hören. Einige Tierarten allerdings können dieses Phänomen wahrnehmen, zum Beispiel Meeressäuger und einige wenige Fischarten.
Wenn es schneit, wird alles leiser
Wie wir nun wissen, ist in den winzigen Schneekristallen auch eine Menge Luft eingeschlossen. Tatsächlich besteht eine Schneeflocke zu 90 % aus Luft und nur zu 10 % aus Eiskristallen. Und so klein diese Lufträume in den Flocken auch sind, die Geräusche bzw. der Schall verlaufen sich in ihnen und die Welt um uns herum wird dadurch leiser.
Und vielleicht, wenn es das nächste Mal schneit, siehst du dir die Schneeflocken, die auf dir landen, genauer an und untersuchst selbst ihre ganz einzigartigen Formen! Wir wünschen dir viel Spaß bei deiner Entdeckungsreise durch das Winterwunderland!