Schneeflocken sind alle sechseckig und jede ist einzigartig. Warum? | Acht Geschichten von Weisen

Das Phänomen, dass Wasser bei 0 °C gefriert, liegt daran, dass das Wasser schmutzig ist, mit anderen Substanzen in Kontakt gekommen ist oder dass das Wasser turbulent ist.

Verfasst von Cao Zexian (Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Ein auffälliges Merkmal der Erde, das sie von anderen Planeten unterscheidet, ist, dass 70 % ihrer Oberfläche mit Wasser bedeckt sind. Geht man davon aus, dass die gesamte Erdoberfläche gleichmäßig mit Wasser bedeckt ist, läge die durchschnittliche Wassertiefe bei bis zu 2.700 Metern. Die physikalischen Bedingungen auf der Erdoberfläche sind gerade richtig, damit die festen, flüssigen und gasförmigen Phasen des Wassers in einer Ecke koexistieren können (das heißt, die Temperatur-Druck-Bedingungen auf der Erdoberfläche liegen genau in der Nähe des Tripelpunkts des Wassers!). Diese Eigenschaft ist von größter Bedeutung für das Verständnis der Entstehung des Lebens auf der Erde und der vom Menschen geschaffenen Physik (Abbildung 1). Bitte bedenken Sie, dass alle Eigenschaften des Wassers anormal sind und nicht mit dem gesunden Menschenverstand beurteilt werden können. Was die feste Phase des Wassers betrifft, so gibt es bei großen Eisblöcken 16 bekannte kristalline Phasen, von denen drei tatsächlich leichter sind als flüssiges Wasser. Glücklicherweise ist das in der Natur häufig vorkommende Eis relativ gesehen leichter als Wasser. Wäre das nicht der Fall, hätte man keine Chance, auf einem Fluss Schlittschuh zu laufen, es sei denn, der Fluss wäre vom Grund her komplett zugefroren. Die homogene Keimbildungstemperatur von Wasser beträgt übrigens etwa 232 K (minus 41°C). Mit anderen Worten: Das Phänomen, dass Wasser bei 0 °C gefriert, liegt daran, dass das Wasser schmutzig ist, mit anderen Substanzen in Kontakt gekommen ist oder dass das Wasser turbulent ist. Zur festen Phase des Wassers gehören auch kleine Partikel, die nicht so gut kristallisiert sind, wie beispielsweise Reif (Raureif), Schnee, Hagel, Graupel, Schneeregen usw. Schnee ist unter ihnen der Schönste und im Chinesischen gibt es dafür den Begriff „Schneeflocke“. Wie viele Menschen wurden von den fallenden Schneeflocken inspiriert?

Abbildung 1. Typisches Bild auf der Erdoberfläche: Feste, flüssige und gasförmige Phasen des Wassers koexistieren auf kleinem Raum

Schneeflocken sind im Allgemeinen flockenförmig, millimetergroß und mit bloßem Auge sichtbar. Ein Merkmal von Schneeflocken ist, dass verschiedene Schneeflocken im Allgemeinen sechseckig sind. Während der Westlichen Han-Dynastie in meinem Land sagte Han Ying in „Han Shi Waizhuan“, dass „die meisten Blüten von Pflanzen und Bäumen fünf Blütenblätter haben, nur Schneeflocken haben sechs.“ Die erste Hälfte dieses Satzes ist falsch, die zweite Hälfte jedoch richtig. In der späteren Literatur wird der Begriff „sechsblättrige Schneeflocke“ häufig erwähnt, aber der Begriff „sechsblättrige Schneeflocke“ ist eigentlich sehr vage. Was genau ist die Six-Out-Methode? Wir können weiter fragen: Warum?

Der erste Mensch, der nachweislich die Form von Schneeflocken und ihren Entstehungsmechanismus erforschte, war der deutsche Wissenschaftler Johannes Kepler (1571–1630). Er hinterließ uns die drei Gesetze der Planetenbewegung und galt als jemand, der einen Blick auf das Geheimnis Gottes erhascht hatte, denn er erklärte: „Ich bin euch Menschen überlegen.“ Bereits 1611 veröffentlichte Kepler ein 24-seitiges Büchlein „De Nive Sexangula“ (Abbildung 2), in dem er versuchte, die sechseckige Form von Schneeflocken anhand eines Stapelmodells aus kleinen Kugeln zu erklären. Das Aufeinanderstapeln kleiner Kugeln reicht sicherlich nicht aus, um die sechseckige Form von Schneeflocken zu erklären. Keplers Buch schuf jedoch den Präzedenzfall für die Verwendung des Ball-Stacking-Modells zum Verständnis der Atomstruktur von Materie, insbesondere von Kristallen. Man kann sagen, dass Keplers Forschungen den Grundstein für die Kristallographie legten – es stellte sich heraus, dass die geometrische Form von Kristallen durch die Stapelung kleiner Kugeln erklärt werden kann. Darüber hinaus warf Keplers Forschung ein wichtiges mathematisches Problem auf, das heute als Keplers Vermutung bekannt ist: Für identische Kugeln ist die hexagonal dichteste Kugelpackung die dichteste Packungsmethode. Keplers Einfluss auf die Kristallographie war so groß, dass 1981 jemand eine klassische Arbeit mit dem Titel „Pentagonal Snowflake“ schrieb, die auf der „Hexagonal Snowflake“ basierte (Alan L. Mackay, De Nive Quinquangula, Krystallografiya, Vol. 26, 910-919 (1981)). 1984 wurden Quasikristalle mit fünffacher Symmetrie entdeckt.

Abbildung 2 Keplers Buch „Hexagonale Schneeflocke“ und das darin enthaltene Kugelstapelmodell

Um die Form von Schneeflocken und ihre Entstehung zu verstehen, muss man zunächst wissen, wie Schneeflocken tatsächlich aussehen. Allerdings ist es selbst im kalten Norden Chinas schwierig, die Form von Schneeflocken zu beobachten und aufzuzeichnen, da die Schneeflocken sehr klein sind (Millimetergröße) und schnell schmelzen. Obwohl in der Literatur unserer Vorfahren der Ausdruck „sechs Blütenblätter einer Schneeflocke“ vorkommt, ist es schwierig, anderen zu vermitteln, wie eine Schneeflocke tatsächlich aussieht. Wenn wir über Schneeflocken sprechen wollen, müssen wir sie zuerst zeichnen und fotografieren. Das erste Foto einer Schneeflocke soll 1879 vom Deutschen Johann Heinrich Ludwig Flögel (1834-1918) aufgenommen worden sein (Abbildung 3).

Abbildung 3. Foto von Schneeflocken, aufgenommen von Frog im Jahr 1879

Derjenige, der das Fotografieren von Schneeflocken zu seinem Beruf machte, war der Amerikaner Wilson Alwyn Bentley (1865–1931) (Abbildung 4). Bentley wurde 1865 in der Kleinstadt Jericho im US-Bundesstaat Vermont geboren, einem berühmten Schneegürtel mit einer jährlichen Schneefallmenge von bis zu 300 cm. Als er 15 war, bekam Bentley von seiner Mutter ein kleines Mikroskop als Geburtstagsgeschenk. Dieser ganz normale Akt der Wärme in der Familie wurde zu einem bedeutenden Ereignis in der Geschichte der Wissenschaft. Bentley fotografiert gern und der starke Schneefall in seiner Heimatstadt weckte seine große Neugier. Irgendwann verspürte er den brennenden Wunsch, die Schneeflocken zu fotografieren. Im Jahr 1885 befestigte der 19-jährige Bentley ein Mikroskop an einer Kamera und machte am 15. Januar sein erstes persönliches Schneeflockenfoto (Abbildung 5). Offensichtlich ist Bentleys Foto der Schneeflocken von viel höherer Qualität als Frogs vorheriges Foto. Eine der Bedeutungen von Bentleys Schneeflockenfotos besteht darin, dass sie das Feld der Mikroskopfotografie eröffneten. Heute ist die Technologie der Mikroskopfotografie so weit fortgeschritten, dass sie atomare Bilder auflösen kann, was die Entwicklung der modernen Wissenschaft und Technologie enorm fördert.

Abbildung 4. Der amerikanische Farmer und Fotograf Bentley fotografiert Schneeflocken

Abbildung 5. Bentleys erstes Schneeflockenfoto

Nachdem ihm das erste Schneeflockenfoto gelungen war, wuchs Bentleys Faszination für das Fotografieren von Schneeflocken noch mehr. Bentley wurde oft dabei beobachtet, wie er im Schnee stand, fallende Schneeflocken mit Federn oder Samt auffing und die Proben vorsichtig unter das Mikroskop einer Kamera legte, die ebenfalls im Freien aufgestellt war. Bentley hat mehr als 5.000 Schneeflockenfotos gesammelt und dabei die Kunst der Schneeflockenfotografie perfektioniert. Die zweite Bedeutung von Bentleys Schneeflockenfotos besteht darin, dass sie das Interesse der Menschen am Studium von Schneeflocken geweckt haben. In seinem 1931 erschienenen Buch „Schneekristalle“ zeigte er über 2.500 Fotos von Schneeflocken mit Spitzenmustern. Die Schneeflockenfotos, die immer hexagonal symmetrisch waren, aber unterschiedliche Stile aufwiesen, faszinierten die Menschen sehr (Abbildung 6).

Abbildung 6. Bentleys Buch „Snow Crystal“ und die Schneeflocken verschiedener Formen, die er fotografiert hat.

Bentley fiel bei seinen Fotografien auf, dass Schneeflocken zwar im Allgemeinen sechseckig sind, er jedoch nie zwei identische Fotos gemacht hatte – jede einzelne Schneeflocke ist einzigartig. Die Vorstellung, dass jede Schneeflocke anders ist, überzeugt möglicherweise nicht jeden. Schließlich ist die Anzahl der fotografierten Schneeflocken sehr begrenzt und auch die Definition von „anders“ ist vage. Aber es ist unglaublich, dass Schneeflocken so viele verschiedene bekannte Formen annehmen können und dabei ihre hexagonale Symmetrie beibehalten. Bentley schrieb emotional: „Unter dem Mikroskop habe ich festgestellt, dass Schneeflocken eine unglaubliche Schönheit haben. Es wäre schade, wenn diese Schönheit nicht gesehen und mit anderen geteilt werden könnte. Jeder Kristall ist ein herausragendes Design, und keine zwei gleichen sich. Sobald die Schneeflocke schmilzt, ist das Design für immer verschwunden.“ Stellen Sie sich vor, wie viele Schneeflocken auf die Erde gefallen sind, aber nur wenige wurden aufgezeichnet. Es ist schade.

Um jedem ein intuitiveres Verständnis für die Schönheit und Vielfalt der Schneeflocken zu vermitteln, können wir auch noch ein paar weitere Fotos von Schneeflocken hinzufügen, die mit moderner Fototechnologie aufgenommen wurden (Abbildung 7). Wenn Sie immer noch unzufrieden sind, suchen Sie bitte mit Wörtern wie Schneeflocke, Schneeflocke, Schneekristall usw.

Abbildung 7. Mit moderner Technologie aufgenommene Schneeflockenfotos

Der Entstehungsprozess und die Morphologie von Schneeflocken sind noch heute hochaktuelle Themen, die Wissenschaftlern Rätsel aufgeben. Wir dachten, wir könnten mit klareren und schöneren Schneeflockenfotos den Entstehungsprozess von Schneeflocken besser verstehen, doch das Ergebnis ist, dass wir hinsichtlich der atomaren Prozesse und der Thermodynamik des Schneeflockenwachstums noch mehr Verwirrung stiften. Mittlerweile ist bekannt, dass Schneeflocken eine charakteristische Form haben, die in verschiedenen Regionen der Ebene, die durch die beiden Variablen Temperatur und Wasserdampfübersättigung definiert wird (Abbildung 8), in weit auseinander liegenden Regionen jedoch unterschiedliche Morphologien aufweist. Damit Wasser gefriert, müssen einige Wassermoleküle zunächst mikrometergroße Eiskeime bilden, wozu ein Vorkeimbildungsprozess erforderlich ist. An der Bildung von Schneeflocken sollten zwei Prozesse beteiligt sein: Abkühlung der Tröpfchen, Keimbildung und Wachstum. Die endgültige Form der Schneeflocke kann als Dendrit klassifiziert werden. Das aktuelle sogenannte strukturabhängige Anheftungskinetikmodell des Schneeflockenwachstumsmechanismus stellt lediglich eine Verbesserung des vorherigen Kristallwachstumskinetikmodells dar und reicht bei weitem nicht aus, um die Frage der Schneeflockenmorphologie zu beantworten.

Abbildung 8. Phasendiagramm der Schneekristallmorphologie in der Temperatur-Wasserdampf-Übersättigungsebene

Was die Anforderung betrifft, die gesamte Ebene zu kacheln, ist das Sechseck die am besten geeignete Einheit (Motiv) (Abbildung 9), da seine topologische Ladung, d. h. der vom Autor in der Kachelung definierte Wert von V-E+F (V, Anzahl der Scheitelpunkte; E, Anzahl der Kanten; F, Anzahl der Flächen), immer 0 ist. Natürlich stellt diese Tatsache keine zwingende Einschränkung dar, die erfordert, dass der Wassertropfen eine hexagonal symmetrische Scheibe wird.

Abbildung 9. Wabenstruktur. Sechseckige Gitterpflaster sind der Favorit der Natur.

Nach all diesen Gesprächen gibt es immer noch keine überzeugende Antwort auf die Frage, warum Schneeflocken so bezaubernd sind, obwohl jede von ihnen einzigartig ist. Geben Sie nicht den Wissenschaftlern die Schuld. Tatsächlich gibt es nur sehr wenige Probleme, die die Wissenschaftler wirklich verstehen – und auch die Wissenschaftler selbst sind besorgt. Zum Schluss noch ein Tipp zum Fotografieren von Schneeflocken als Trost. Das Erschreckendste am Fotografieren von Schneeflocken ist, dass sie schmelzen, bevor man sie einfangen kann. Um schöne Bilder von Schneeflocken zu machen, wählen Sie Pullover, Seidenstoffe und andere Gegenstände, die eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit haben und kühl genug sind, um die Schneeflocken einzufangen. Fotografieren Sie in einer kalten Umgebung im Freien und verwenden Sie für die Makrofotografie eine mehrfache Vergrößerung. Natürlich sind auch schmelzende Schneeflocken schön (Abbildung 10). Als inverses Problem kann uns der Schmelzprozess von Schneeflocken vielleicht einige Erkenntnisse über den Mechanismus der Schneeflockenbildung liefern.

Abbildung 10. Schneeflocken beginnen zu schmelzen

Hinweise

[1] Cao Zexian, Ein Gedanke ist außergewöhnlich, Foreign Language Teaching and Research Press (2016).

[2] Philip Ball, Über die sechseckige Schneeflocke, Nature 480, 455(2011).

[3]Kenneth G. Libbrecht, Die Physik von Schneekristallen, Reports on Progress in Physics 68, 855(2005).

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