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Wenn wir von Schneefall sprechen, dann ist die Definition nicht ganz einfach. Wir müssen nämlich zwischen Schnee- oder Eiskristallen einerseits und Schneeflocken andererseits unterscheiden. Eine Schneeflocke, die so anmutig vom Himmel auf die Erde gleitet, besteht aus Tausenden von winzigen Schneekristallen. Ein Schneekristall ist die kleinste Einheit einer Schneeflocke.
Je höher, desto kälter
Schneekristalle entstehen in der freien Atmosphäre beim direkten Übergang von Wasserdampf in feste Eispartikel. Man nennt diesen Übergang in der Physik eine Re-Sublimation oder Deposition. Der umgekehrte Übergang vom festen in den gasförmigen Aggregatszustand wäre eine Sublimation. Zur Deposition braucht es tiefe Temperaturen und geeignete Kristallisationskeime. Steigen wir in der Lufthülle unserer Erde von der Erdoberfläche empor, stellen wir fest, dass die Temperatur mit zunehmender Höhe abnimmt, es also immer kälter wird. Bis an die obere Grenze der wetteraktiven Luftschicht, der Troposphäre, auf circa zehn bis zwölf Kilometern Höhe, kühlt sich die Luft auf minus 55 bis minus 60 Grad Celsius ab.
Irgendwann, auf einer bestimmten Höhe, unterschreiten wir die Nullgradgrenze, das bedeutet aber noch nicht, dass jetzt alle Wasserdampfmoleküle oder ganz feine Wassertröpfchen sofort und spontan zu Eis gefrieren. Im Gegenteil, sie können sich bis auf minus zehn Grad Celsius und mehr unterkühlen, bis sie endlich zu Eiskristallen erstarren.
Vom Boden in die Luft
In unserer Atmosphäre hat es genügend Kristallisationskeime in Form von Salzkristallen aus den Meeren oder Abgas- und Staubpartikel aus Verkehr und Industrie. Diese Partikel, man nennt sie auch Aerosole, können durch Turbulenzen bis in grosse Höhen gelangen und dort eine spontane Kristallisation oder Deposition auslösen.
Die Aerosole wirken dabei wie eine Art Schablone, die den Wassermolekülen die Form und Richtung vorgeben, wie sie gefrieren und sich ausrichten müssen. Zwischen dem Kristallisationskeim und dem unterkühlten Wasserdampf besteht ein kleiner Druckunterschied. Somit wirkt der Keim wie ein Magnet und zwingt die Wassermoleküle, sich an ihm abzusetzen (sich zu deponieren) und zu verfestigen.
Keines wie das andere
Dem amerikanischen Schnee-forscherWilson Bentley gelang es 1885 zum ersten Mal, Schneekristalle unter einem Mikroskop zu fotografieren. Es entstand eine Leidenschaft, die fast 50 Jahre dauerte und mehr als 5000 Bilder von Schneekristallen hervorbrachte. Er stellte dabei fest, dass die Welt der Schneekristalle so vielfältig ist, dass keines einem anderen gleicht. Die Form und Vielfalt der Schneekristalle hängt eben nicht nur von Kristallisationskeimen (Schablonen) und der Lufttemperatur ab.
Ganz wichtige Komponenten sind auch die Luftfeuchtigkeit, der Luftdruck und die Winde. Wenn nun zwei Schneekristalle genau gleich aussehen sollten, dann würde das bedeuten, dass sie zum Zeitpunkt ihrer Entstehung die absolut identischen Ausgangsbedingungen vorfinden müssten. Bei der grossen Dynamik, die in der Atmosphäre herrscht, ist das fast ein Ding der Unmöglichkeit.
Unendliche Variationen
Wenn nämlich ein Eiskristall einmal entstanden ist, dann kann er die Form eines sechsstrahligen Sternes, eines sechseckigen Plättchens, einer sechseckigen Nadel oder Säule annehmen. Diese Variationen hängen im Wesentlichen von der Ausgangstemperatur, der Luftfeuchtigkeit und dem Luftdruck ab. Der Kristall fällt danach in Richtung Erdoberfläche, gerät in Windturbulenzen und wird immer wieder hinauf- und hinuntergetragen. Er durchfliegt verschiedene Temperatur-, Feuchtigkeits- und Luftdruckbereiche, kann also schmelzen und wieder gefrieren, kann sich mit anderen Kristallen verhaken oder an sie anfrieren.
Dabei entstehen dann mit der Zeit aus Tausenden von kleinen Schneekristallen die grossen Schneeflocken, die mit einer durchschnittlichen Fallgeschwindigkeit von zwei bis vier Stundenkilometern herabsegeln.
Erstaunlich ist die Sechseckform, die allen Eispartikeln, ob Sterne, Plättchen, Nadeln oder Säulen, zugrunde liegt. Die Ursache liegt in den Prozessen, die beim Gefrieren des Wassers auf dessen Molekülebene ablaufen. Die leicht gebogenen Wassermoleküle lagern sich im Eis in bestimmten Winkeln von 60 oder 120 Grad aneinander, das gibt dem Kristallgitter eine sechszählige Symmetrie. Diese Symmetrie ist, energetisch gesehen, sehr entspannt. Ein Vier-, Fünf- oder Siebeneck wäre viel «stressiger». Die spannungsarme Sechseckform finden wir in der Natur immer wieder, zum Beispiel auch in den Bienenwaben. Die Natur geht im Allgemeinen mit ihren Kräften haushälterisch um und lässt sich nicht so schnell «stressen», das zeigt sich ganz besonders im grossen Reichtum der Schneekristalle und Schneeflocken.
Mario Slongoist der ehemalige DRS-Wetterfrosch. Einmal im Monat erklärt er in den FN spannende Naturphänomene. Alle Beiträge können unter www.freiburger-nachrichten.ch, Dossier «Wetterfrosch», nachgelesen werden.
Mario Slongo ist ehemaliger DRS-Wetterfrosch. Bild Aldo Ellena/a