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Das Geheimnis der kleinen weißen Flocken

Ulrich Weih

Aktualisiert am 29.01.2015Lesedauer: 3 Min.
Filigranes Gebilde: Ein Eiskristall in Nahsicht
Filigranes Gebilde: Ein Eiskristall in Nahsicht (Quelle: Alexey Kljatov)
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Für die Wissenschaft sind es "hochgradig nichtlineare Nichtgleichgewichtsphänomene", für die meisten von uns sind es einfach nur kleine weiße Flocken, die leise zu Boden rieseln und - je nachdem - wunderbare Winterlandschaften zaubern oder für schwierige Verkehrsverhältnisse sorgen. Was aber ist eigentlich Schnee?

Eine mittelgroße Wolkenbank speichert etwa eine Million Tonnen Wasser, alles in Form winziger schwebender Tröpfchen. Wenn die Temperatur unter null Grad sinkt, gefrieren die Wassertröpfchen aber nicht sofort. Sie bleiben flüssig, in einem so genannten unterkühlten Zustand - reines Wasser lässt sich bis auf minus 40 Grad abkühlen, bevor es gefriert.


Was ist Schnee?

Der Fotograf Alexey Kljatov hat Eiskristalle fotografiert. Auf dieser Aufnahme ist sehr gut die sechseckige Grundstruktur zur erkennen.
Auf dieser Aufnahme ist sehr gut die sechseckige Grundstruktur der Eiskristalle zu erkennen. Die räumliche Anordnung der Atome im Wassermolekül lässt nur ein hexagonales Kristallgitter zu.
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Staubpartikel in der Luft bieten dann eine Oberfläche, an der der Gefrierprozess schlagartig einsetzen kann. Mit einem solchen Kondensationskeim erstarren die Wassertröpfchen bereits bei etwa minus sechs Grad. Da jedoch die Staubteilchen unterschiedlich groß sind, gefrieren nicht alle Tröpfchen bei derselben Temperatur.

Dampf wird zu Eis

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Gefriert ein Tröpfchen, so bildet es eine noch größere Oberfläche, an der sofort weiterer Wasserdampf kondensiert. Die Schneeflocke bildet sich im folgenden also hauptsächlich aus Dampf, nicht aus flüssigem Wasser. Der Wasserdampf geht dabei direkt in die Gitterstruktur des Eiskristalls über.

Die räumliche Anordnung der Atome im Wassermolekül bedingt, dass Eis ein hexagonales Kristallgitter besitzt. Daher haben alle Schneeflocken eine sechseckige Grundform. Aus diesen kleinen sechseckigen Plättchen können sechs Hauptäste wachsen, sodass ein sternförmiger Kristall entsteht. Die Winkel zwischen den Ästen betragen also stets 60 Grad.

Keine Flocke gleicht der anderen

Die weitere Struktur der Kristalle hängt sehr stark von der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit ab. Während die Schneeflocke in der Wolke umher wirbelt, ist sie permanent unterschiedlichsten Bedingungen ausgesetzt. Daher ist jeder einzelne Kristall ein völlig individuelles Zufallsprodukt der Luftströmungen.

Auch wenn jedes Kristall einzigartig ist: Seine jeweiligen Äste sind natürlich alle den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, sie wachsen daher synchron. Wissenschaftler unterscheiden rund 80 verschiedene Grundtypen.

Grob vereinfacht lässt sich zusammenfassen, dass bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt, bei etwa minus zwei Grad, dünne, plättchenförmige Kristalle entstehen. Bei minus fünf Grad bilden sich bevorzugt schlanke Nadeln, bei minus 15 Grad wachsen die größten und dünnsten plättchenförmigen Kristalle. Wird es noch kälter - bei Werten unter minus 25 Grad - entstehen kurze Säulen. Die genaue Kristallmorphologie stellt für Wissenschaftler jedoch nach wie vor ein weitgehend ungelöstes Rätsel dar.

Mit anderen Worten: In sehr kalter, wasserdampfarmer Luft entsteht feinkörniger Pulverschnee. Ist es wärmer, fallen große Flocken.

Ein winziger Hauch von Nichts

Am Anfang sind die Eiskristalle nur einen Zehntel Millimeter groß. Wenn sie schließlich schwer genug geworden sind, werden sie von der Schwerkraft aus der Wolke gerissen und fallen zur Erde. Dabei wachsen sie durch die Luftfeuchtigkeit weiter an, häufig kleben auch mehrere Eiskristalle zusammen. Es bilden sich Schneeflocken, die schließlich auch für das menschliche Auge sichtbar sind.

In deutschen Regionen ist eine Flocke durchschnittlich etwa fünf Millimeter groß und 0,004 Gramm schwer. Hochgerechnet bedeutet das: Flauschig-frischer Schnee wiegt pro Kubikmeter etwa 50 Kilogramm, alter, vereister oder feuchter Schnee dagegen bringt es pro Kubikmeter auf 500 bis 600 Kilogramm. Zum Vergleich: Ein Kubikmeter Wasser wiegt eine Tonne.

Der Weg zur Erde

Schnee fällt mit vier Kilometern pro Stunde relativ langsam zu Boden. Zum Vergleich: Regen fällt mit etwa 20 Kilometern pro Stunde. Eine Schneeflocke ist ein paar Minuten unterwegs, bis sie zur Erde gelangt. Entscheidend sind dabei Größe, Gewicht, Aufwinde oder Abwinde und natürlich die Wolkenhöhe. Auch die individuelle Struktur der Flocke hat Einfluss auf den Fallwiderstand und damit die Fallgeschwindigkeit.

Die Eiskristalle haben übrigens keine Farbe, sondern sind durchsichtig. Da sie das Licht jedoch millionenfach reflektieren und brechen, erstrahlt der Schnee weiß.

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Von Philipp Kohlhöfer
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