Warum zwei Schneeflocken nie identisch sein können – jedenfalls fast nie
Eiskristalle sind einzigartig. Zwar lassen sich gewisse Ähnlichkeiten feststellen – so gibt es etwa Säulen, Plättchen oder sechsarmige Sterne –, doch nie findet man zwei, die genau gleich aussehen. Schneeflockenexperten erklären, warum.
Keine Schneeflocke gleicht der anderen – das bestätigen auch Wissenschaftler. Schuld daran sind die einzigartigen Entstehungsbedingungen der kleinen Eiskristalle auf ihrem Weg zur Erde. Dabei gibt es etliche variable Einflüsse wie die Temperatur oder Schwankungen der Luftfeuchtigkeit. Genaue Wiederholungen sind in der Natur also äußerst unwahrscheinlich.
Die sechseckige Symmetrie von Eiskristallen kommt durch die molekulare Struktur von Wasser zustande. Je nach Umweltbedingungen entstehen daraus unterschiedliche Kristalltypen: sechseckige Säulen, dünne Plättchen, lange Nadeln oder filigrane, sternförmige Gebilde mit sechs Armen, sogenannte Dendriten. Trotz der gemeinsamen Grundstruktur entwickeln sich Schneeflocken äußerst individuell.
Die Form wird letztlich durch Temperatur und Luftfeuchtigkeit während des Wachstums bestimmt, wobei schon minimale Schwankungen in den verschiedenen Luftschichten das Kristallwachstum verändern, sagt der renommierte Schneeflockenforscher und ehemalige Caltech-Professor Kenneth Libbrecht, der zahlreiche Publikationen zur Entstehung von Eiskristallen veröffentlicht hat. Da eine Schneeflocke auf ihrem Weg zur Erde ständig neue Bedingungen durchläuft, entstehen komplexe geometrische Muster.
Wann welche Formen entstehen
Welche Umweltbedingungen welche Kristallformen begünstigen, wurde im sogenannten Nakaya-Diagramm systematisch dargestellt, benannt nach dem japanischen Physiker Ukichiro Nakaya, der es in den 1930er-Jahren entwickelte, nachdem er als Erster künstliche Schneekristalle im Labor gezüchtet hatte. Das Diagramm zeigt, bei welchen Temperaturen und Feuchtigkeitswerten bestimmte Kristalltypen entstehen.
So bilden sich bei etwa minus zwei Grad Celsius eher dünne Plättchen, während bei rund minus fünf Grad nadelförmige Kristalle dominieren. Bei sehr niedrigen Temperaturen, etwa minus 15 Grad, entstehen häufig stark verzweigte, sternförmige Schneeflocken. Das gilt jedoch nur für konstante Bedingungen.
In der Erdatmosphäre sind stabile Bedingungen jedoch praktisch nicht gegeben, erklärt Schneeflockenexperte Libbrecht. Jede Schneeflocke legt ihren eigenen Weg durch turbulente Luftschichten zurück, wodurch sie ein individuelles Wachstum durchläuft. Selbst zwei Kristalle, die nahe beieinander entstehen, erleben leicht unterschiedliche Temperatur- und Feuchteverläufe.
Duplikate aus dem Labor
Unter Laborbedingungen sehe die Sache aber anders aus, so Libbrecht. Wissenschaftler können heute nahezu identische Schneeflocken erzeugen. In speziellen Glaskammern mit stabil kontrollierter Temperatur und Luftfeuchtigkeit wird feuchte Luft auf eine kalte Oberfläche geleitet, auf der sich die Eiskristalle bilden.
Durch die technische Steuerung der Bedingungen wachsen die Kristalle in sehr ähnlichen, nahezu identischen Mustern. Die Designer-Snowflakes stellen jedoch künstliche Ausnahmen dar und entsprechen keineswegs der Natur, gibt Libbrecht zu.
Die Aussage, dass keine Schneeflocke der anderen gleicht, behält also im natürlichen Umfeld ihre Gültigkeit. Sie verweist auf die enorme Komplexität scheinbar einfacher Naturphänomene – und darauf, wie sensibel physikalische Prozesse auf kleinste Veränderungen reagieren.
Quellenhinweis:
Libbrecht, K. (2022): Snow Crystals. A Case Study in Spontaneous Structure Formation. Princeton University Press.
Libbrecht, K. (2021): Snow Crystals. Princeton University Press. Preprint.