Stimmt es, dass „keine zwei Schneeflocken genau gleich sind“? Warum um alles in der Welt?

Es ist die Jahreszeit, in der im ganzen Land mit Schneefall zu rechnen ist. Hat es bei Ihnen geschneit?

Der fallende Schnee rieselte herab und erinnerte mich an die tiefgründige Frage von Xie An, einem berühmten Beamten der Östlichen Jin-Dynastie, die im Shishuo Xinyu festgehalten ist: „Wie sieht der fallende weiße Schnee aus?“

Seit der Antike verwenden die Menschen gerne schöne Worte, um Schnee zu beschreiben. Schneeflocken sind wie Salz, Zucker, Gänsefedern ...

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Wenn Sie genau hinschauen, werden Sie feststellen, dass die meisten Schneeflocken sechs Blütenblätter haben.

Haben alle Schneeflocken sechs Blütenblätter? Warum nimmt Schnee beim Fallen diese Form an? Gibt es zwei identische Schneeflocken? Dies beginnt mit dem Entstehungsprozess von Schneeflocken.

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Schneeflockenbildung:

Das "Rennen" zwischen den Haupt- und Nebenachsen von Eiskristallen

Schon in der Westlichen Han-Dynastie fasste es jemand folgendermaßen zusammen: „Die meisten Pflanzenblüten haben fünf Blütenblätter, Schneeflocken jedoch sechs.“

Mithilfe moderner Fototechnologie können wir heute beobachten, dass Schneeflocken in den unterschiedlichsten Formen vorkommen, die meisten jedoch sechs Blütenblätter haben.

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Das Wesentliche an Schneeflocken sind Eiskristalle, feste Hydrate, die durch Kondensation und Wachstum von Wasserdampf auf Eiskeimen entstehen. Sie sind das notwendige Medium für die Bildung von Schneeflocken und können als junge Schneeflocken angesehen werden.

Während die Eiskristalle wachsen, bilden sich verschiedenste Schneeflocken.

Es gibt ein Sprichwort: „Es ist nicht kalt, wenn es schneit, aber es ist kalt, wenn der Schnee schmilzt.“ Das bedeutet, dass die Feuchtigkeit in der Luft Wärme abgibt, wenn es kalt wird und zu Eiskristallen kondensiert, während der Schnee Wärme aufnimmt und sich in Wasser verwandelt, wenn er schmilzt. Daher ist die Temperatur beim Schneefall höher als beim Schmelzen des Schnees.

Schneeflocken entstehen nicht von selbst aus dem Nichts. Sie sind auf winzige, für das bloße Auge unsichtbare Staubpartikel in der Luft unterhalb der Stratosphäre angewiesen, die als ihre „Kristallkerne“ dienen.

Der Kristallkern ist eine bei niedrigeren Temperaturen gebildete Materialgruppe mit etwas Staub als Zentrum sowie gasförmigen Wassermolekülen. Wie ein Magnet kann es die umgebenden gasförmigen Wassermoleküle kontinuierlich ansaugen.

Lassen Sie die Wassermoleküle Schicht für Schicht darum kondensieren, weiter wachsen und fest werden, wodurch der Phasenwechsel abgeschlossen wird.

Es gibt zwei Trends in der Form des Kristallkernwachstums: Einer ist ein langer und dünner hexagonaler Säulenkristall, manchmal hat er zwei spitze Enden, wie eine Nadel, die wir „Nadelkristall“ nennen;

Der andere Typ besteht aus sehr dünnen, sechseckigen Plättchen, die aussehen, als wären sie mit einem Messer aus Bleistiftspänen geschnitten worden.

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Warum wächst der Kristallkeim in zwei verschiedene Richtungen? Dies geht auf die Struktur von Eiskristallen zurück.

Wie alle anderen Kristalle haben Eiskristalle die grundlegende Eigenschaft, regelmäßige geometrische Formen zu haben.

Um die Bestimmung der Positionen der Kristallkanten auf dem Kristall zu erleichtern, wählen wir künstlich eine Koordinatenachse nach bestimmten Regeln aus und nennen sie Kristallachse.

Es gibt einen Kristalltyp namens hexagonales System, der vier Kristallachsen hat, nämlich eine vertikale Achse und drei horizontale Achsen.

Ähnlich wie die Kristalle, die wir in Museen sehen, gehören auch Eiskristalle zum hexagonalen Kristallsystem und besitzen ebenfalls vier Kristallachsen, die sich in drei Nebenkristallachsen und eine Hauptkristallachse unterteilen.

Die drei Hilfsachsen des Kristalls schneiden sich in einem Winkel von 60° und bilden eine Basisebene, auf der die Hauptachse senkrecht steht. Das folgende Bild kann Ihnen helfen, die Struktur von Eiskristallen zu verstehen:

Kristallachse eines Eiskristalls, Bildquelle: Wikipedia

Wenn Wasserdampf zu Eiskristallen kondensiert und die Hauptachse schneller kondensiert als die Nebenachse und sich sehr lang entwickelt, bilden die Eiskristalle Säulen;

Wenn hingegen die Hauptachse langsamer gefriert als die Nebenachse, erscheinen die Eiskristalle flockig.

Die meisten gewöhnlichen Schneeflocken sind sechseckig, was daran liegt, dass die Wachstumsrate der Eiskristalle entlang der Hauptachse viel langsamer ist als die Wachstumsrate der anderen drei Nebenachsen.

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Kondensation der Hauptachse von Eiskristallen

Beeinflusst durch diese Faktoren

Nachdem wir den Wachstumsmechanismus von Eiskristallen verstanden haben, werfen wir einen Blick auf die Faktoren, die die Wachstumsrate der Schneeflockenachse beeinflussen. Das Wachstum der Hauptachse der Schneeflocke wird hauptsächlich durch Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst.

Erstens beeinflusst die Temperatur die Geschwindigkeit, mit der Eiskristalle kondensieren.

Bei extrem niedrigen Temperaturen haben Eiskristalle keine Chance zu wachsen und es bilden sich sehr kleine Schneekristalle. Einzelne Eiskristalle sind sogar mit bloßem Auge nur schwer direkt zu erkennen.

Bei minus 30 Grad Celsius verdichten sich Eiskristalle zu Nadeln, während bei Temperaturen nahe 0 Grad Celsius die Basis von Schneeflocken meist zu Sechsecken heranwächst.

Zweitens beeinflusst die Luftfeuchtigkeit auch die Kondensationsrate.

Die Luftfeuchtigkeit wird hauptsächlich durch den Wasserdampfgehalt der Wolken bestimmt. Bei geringer Luftfeuchtigkeit wachsen Eiskristalle sehr langsam und nehmen meist drei Grundformen an: Säulenkristalle, Nadelkristalle und Plattenkristalle, wie beispielsweise Flocken und Pulverschneeflocken.

Bei hoher Luftfeuchtigkeit verändern die Eiskristalle beim Wachsen ihre Form und bilden die bekannten sternförmigen Schneeflocken.

Auf diese Weise können wir den Prozess der Schneeflockenbildung verstehen.

Wie bereits erwähnt, entstehen Eiskristalle durch die Kondensation von Wasserdampf in der Luft. Wenn Eiskristalle wachsen, verbrauchen sie den umgebenden Wasserdampf, wodurch die Wasserdampfkonzentration um die Eiskristalle herum abnimmt.

Wasserdampf diffundiert in Richtung der Eiskristalle. Der neue Wasserdampf trifft zunächst auf die Vorsprünge und Ecken der Eiskristalle und kondensiert dort, wodurch die Eiskristalle wachsen und die hervorstehenden Teile nach und nach zu Verästelungen heranwachsen.

Anschließend wuchsen aus dem gleichen Grund neue Äste und Ränder an den Zweigen und Rändern, aus denen sich nach und nach die bekannten sternförmigen Schneeflocken bildeten.

Basierend auf der obigen Theorie sollten die relativen Teile sternförmiger Schneeflocken symmetrisch sein und die Formen und Größen sollten gleich sein.

In der Atmosphäre wachsen Schneeflocken jedoch nicht in der oben beschriebenen geordneten Weise, sondern werden durch Luftströmungen, Luftzusammensetzung usw. beeinflusst, und ihre Form wird nicht so regelmäßig sein.

Darüber hinaus sind Eiskristalle während ihres Entstehungsprozesses in ständiger Bewegung und die Temperatur und Luftfeuchtigkeit, denen sie ausgesetzt sind, ändern sich ständig. Sie wechseln von einer Umgebung, die für die Bildung einer Form geeignet ist, zu einer Umgebung, die für die Bildung einer anderen Form geeignet ist.

Beispielsweise kommen verschiedene Teile einer Schneeflocke mit unterschiedlichen Mengen Wasserdampf in Kontakt. Die Stellen, die mehr Wasserdampf ausgesetzt sind, wachsen schneller, und die Stellen, die weniger Wasserdampf ausgesetzt sind, wachsen langsamer, wodurch verschiedene Schneeflockenformen entstehen.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler durch Experimente gezeigt, dass Eiskristalle, die in einem Vakuumraum mit ausschließlich Wasserdampf gebildet werden, fast alle aus einzelnen dreieckigen Prismen bestehen, was darauf hindeutet, dass auch andere Gase in der Luft die Bildung von Schneeflocken beeinflussen können.

Bildquelle: http://www.snowcrystals.com

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"Starker Schneefall"

So entstand es

Die Formen einzelner Schneeflocken sind bereits unterschiedlich und können beim Fallen zu größeren Schneeflocken verschmelzen.

Dies kann daran liegen, dass durch den Zusammenstoß und die Reibung Wärme entsteht, die sie zusammenklebt, oder dass sich auf den Schneeflocken ein Wasserfilm befindet, der sie aufgrund der Oberflächenspannung zusammenklebt, oder dass die Schneeflocken selbst komplexe Formen und Verzweigungen aufweisen und „Hand in Hand“ miteinander geformt sind.

Die Reise vom Himmel zur Erde ist sehr lang. Unter den richtigen Bedingungen können Schneeflocken nach mehreren Verbindungen und Verschmelzungen sehr groß werden. Was wir „starken Schnee“ und „Weidenkätzchen im Wind“ nennen, entsteht nach mehrfachen Verschmelzungen. Die größte jemals von Menschen beobachtete Schneeflocke hat einen Durchmesser von 38 cm.

Natürlich kann es durch den Klebevorgang dazu kommen, dass einige Schneeflocken brechen und deformierte Schneeflocken entstehen.

Eines muss jedoch beachtet werden: Schneeflocken sind sehr leicht. Fünftausend bis zehntausend Schneeflocken wiegen ein Gramm und sind damit deutlich leichter als Gänsefedern. Die Aussage „starker Schneefall“ ist etwas übertrieben.

Schneeflocken sind kein „schöner Abfall“, sondern sehr nützlich!

Unsere Vorfahren gaben dem Schnee viele schöne Namen, wie etwa „Jadedrache“, „Jadestaub“ und „Silberkastanie“, und drückten damit ihre Liebe zur Schönheit des Schnees aus. Es gibt auch ein landwirtschaftliches Sprichwort: „Bedecken Sie den Weizen im Winter mit drei Lagen Decken und schlafen Sie nächstes Jahr auf gedämpften Brötchen“, das den Beitrag des Schnees zur landwirtschaftlichen Entwicklung beschreibt.

Schneeflocken können nicht nur warm halten, sondern auch Feuchtigkeit für das Wachstum der Pflanzen im kommenden Jahr liefern. Kein Wunder also, dass ihnen der Ruf zugeschrieben wird, „glückverheißender Schnee kündigt eine gute Ernte an“.

Gleichzeitig haben Schneeflocken den Wissenschaftlern auch viel Inspiration gegeben.

Einerseits werden Schneeflocken als „Boten des Himmels“ bezeichnet. Der japanische Physiker Dr. Ukichiro Nakatani fand einst heraus, dass die unterschiedlichen Kristallformen des Schnees von der hohen Lufttemperatur und der Menge an Wasserdampf abhängen, woraus sich auf den Zustand der Atmosphäre schließen lässt.

Andererseits sind Schneeflocken im Wesentlichen Eiskristalle, und die Zerbrechlichkeit und Vergänglichkeit von Eiskristallen macht sie zu einem anspruchsvollen Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen.

Bereits im 17. Jahrhundert begann der deutsche Wissenschaftler und Universalgelehrte Johannes Kepler, über die Struktur von Schneeflocken nachzudenken. Spätere Generationen erforschten weiterhin die Faktoren, die die Form von Eiskristallen beeinflussen, und förderten so die kontinuierliche Weiterentwicklung der Atomphysik.

Bis heute gibt es eine engagierte Forschergruppe, die sich mit der Natur des Eiskristallwachstums beschäftigt.

Obwohl wir die Faktoren, die das Wachstum von Eiskristallen behindern, noch nicht vollständig verstehen, haben entsprechende Untersuchungen zu gewissen Durchbrüchen in der Festkörperphysik geführt.

Darüber hinaus hat es eine positive Rolle bei der Entwicklung von Arzneimittelmolekülen, Halbleiterchips, Solarzellen und zahllosen anderen Anwendungen gespielt, bei denen es um das Wachstum hochwertiger Kristalle geht.

Schneekristall-Wachstumsmodell, Bildquelle: Wikipedia

Die fallenden Schneeflocken sind wie eine Gruppe von Elfen, die der Welt einen einzigartigen Charme verleihen und die Geheimnisse der Natur in sich bergen, die darauf warten, von uns erkundet zu werden.

Produziert von | Wissenschaftspopularisierung China

Autor: Li Zhen, Changchun Institut für Optik, Feinmechanik und Physik, Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften

Produzent｜Computer Network Information Center, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Bibliothek

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