Meteorologie Schneeflöckchen, Weißröckchen...

Sand und Sterne sind beliebt, wenn dem massenhaften Auftreten unserer Spezies poetisch Ausdruck verliehen werden soll: "Deine Nachkommen will ich segnen und mehren wie die Sterne am Himmel und wie den Sand am Ufer des Meeres" spricht Gott zu Abraham (Gen 22,17). Dabei hätte ein anderes, dem Mann aus Ur in Chaldäa allerdings weniger geläufiges Schüttgut der Natur ein noch passenderes Bild abgegeben: Schneekristalle.

Etwa zehn hoch 21 dieser Gebilde, so hat der amerikanische Atmosphärenphysiker John Hallet einmal ausgerechnet, produziert ein 1.000 Kilometer großes Tiefdruckgebiet in mittleren Breiten. Schon zehn solcher Schneegestöber produzieren etwa so viele Kristalle, wie es Sterne im sichtbaren Universum gibt. Doch anders als im Fall der Sterne sind unter all diesen Kristallen keine zwei, die das Auge nicht mit einer einfachen Lupe auseinanderhalten könnte. Die Anzahl der makroskopisch unterscheidbaren Möglichkeiten, zu denen sich Wassermoleküle in einem mittelgroßen Schneekristall zusammenlagern können, schätzte Hallet auf eine unvorstellbare Zahl: eine eins mit fünf Millionen Nullen. So viele Kristalle müßten erst entstehen, bevor sich die Bildung eines ganz bestimmten Kristalls mit einiger Wahrscheinlichkeit wiederholt. Da in der gesamten Erdgeschichte erst etwa 10 hoch 35 Schneekristalle gefallen sind, dürfte dergleichen noch nie passiert sein.

5.381 Kristalle photographiert

So ist denn auch jeder der 5.381 Schneekristalle, die Wilson Bentley (siehe Link) im Laufe seines Lebens photographierte - und von dem diese Seite eine Auswahl aus seiner Ausbeute im Jahre 1902 zeigt - ein einmaliges Einzelstück. Keines davon findet sich so noch einmal, in keinem Skigebiet der Erde. Dennoch hält sich diese unglaubliche Formenvielfalt an ganz bestimmte Grundmuster: Neben den bekannten Sternen mit baumartig verzweigten Armen (den sogenannte Dendriten) gibt es hexagonale Plättchen, Prismen, Nadeln und mancherlei Kombinationen davon.

Fast alle sind sie mehr oder weniger sechseckig. Es ist diese Symmetrie, welche die Formenvielfalt der Schneepartikel einschränkt, ihnen die blinde Zufälligkeit nimmt und damit erst einen ästhetischen Reiz verleiht. Wie in allen anderen kristallinen Stoffen verdankt sie sich der Struktur ihrer Moleküle: Im Eis formen Wassermoleküle ein hexagonales Gitter. Doch wenn sich die Sechseckigkeit des Schnees auf die Form des H2O-Moleküls zurückführen läßt - was steckt dann hinter all den anderen Formen? Was entscheidet darüber, ob so ein Kristall Plättchen oder Dendrit wird und wie genau seine Verzweigungen laufen? Die Molekularstruktur allein und die ewigen Naturgesetze, die sie regieren, sind es jedenfalls nicht.

Ursachenforschung in den 30ern

Die Erforschung der Ursachen für die geradezu biologisch anmutenden Formenfülle der Schneekristalle begann erst in den dreißiger Jahren, als es dem Japaner Ukichiro Nakaya zum ersten Mal gelang, diese Gebilde im Labor wachsen zu lassen. Dennoch versteht man Kristallwachstum im allgemeinen und das von Schneekristallen im besonderen bis heute nur in groben Zügen. Klar ist jedoch: Schneekristalle ähneln uns Menschen tatsächlich mehr als Sterne und Sandkörner, schöpfen sie doch ihre Individualität aus ihrer je eigenen Geschichte.

Bereits Nakaya hatte festgestellt, daß die Form der Kristalle entscheidend davon abhängt, bei welcher Temperatur und bei welchem Grad an Übersättigung der Luft mit Wasserdampf sie wachsen (siehe Graphik oben). Denn Schneekristalle sind keine gefrorenen Regentropfen, sondern kristallisieren direkt aus der Luftfeuchtigkeit aus. Dazu bedarf es neben Minusgraden zwei weiterer Faktoren: Die Luft muß mit Wasserdampf übersättigt sein und es muß Kristallisationskeime (etwa Staubkörner) geben, um die Sammlung der Wassermoleküle einzuleiten. Dann beginnt dort ein Schneekristall seine Existenz als winziges sechseckiges Prisma.

Frühe Molekularstruktur entscheidet

Nach diesem von der Molekularstruktur des Wassers determinierten Embryonenstadium hängt nun alles Weitere davon ab, in welcher Umgebung der Kristall welches Stadium seiner Entwicklung durchläuft - also gewissermaßen von seiner Biographie. Diese aber verläuft für jeden der vom Wind durch die Atmosphäre gewirbelten Kristalle etwas anders. Dabei reichen schon Unterschiede von nur 0,5° C in der Temperatur oder 0,5 Prozent in der Dampfdichte aus, um dem Wachstum eine andere Richtung zu geben. Diese drastische Abhängigkeit des Kristallwachstums von der Umgebung ist einer der wundersamen Eigenschaften des Wassers, die so kein anderer Stoff besitzt. Sie läßt sich vor allen darauf zurückführen, daß die Wassermoleküle über sogenannte Wasserstoffbrücken eng aufeinander einwirken. Dies führt etwa dazu, daß die Moleküle auf der Oberfläche eines Eiskristalls diesem auch dann noch lose verbunden bleiben, wenn die Umgebungstemperatur ihrer Gitterstruktur schon ein Ende bereitet hat.

Vermutlich sind vor allem diese Oberflächenmoleküle für die starke Temperaturabhängigkeit des Schneekristallwachstums verantwortlich. So baumeln bei sehr niedrigen Temperaturen nur wenige von ihnen lose herum. Die Kristallflächen sind glatt und wenig attraktiv für anlagerungsfreudige Dampfmoleküle - der Kristall wächst nur langsam, dafür gleichmäßig, und er behält seine sechseckige Prismenform. Ist die Dampfkonzentration gering, wachsen die Sechsecke eher in die Breite zu Plättchen, ist sie hoch, eher in die Länge. Langsam wächst ein Kristall auch bei Temperaturen oberhalb -10° C, denn dann bedecken ihn die losen Oberflächenmoleküle wie eine dicke Schmelzschicht und legen sich als glatte Haut um den Kristall.

Mittlere Temperaturen liefern die spannendsten Kristalle

Die interessantesten Kristallformen entstehen jedoch bei mittleren Temperaturen, zwischen -10° und -25° C. Unter diesen Bedingungen rauhen sich die Kristalloberflächen durch lokalen Verlust loser Moleküle auf. Die Dampfmoleküle schließen die Lücken, doch viele von ihnen binden sich ebenfalls nur lose und locken damit weitere Artgenossen herbei - die Wachstumsrate steigt steil an. Ab einer gewissen Kristallgröße und bei hoher Luftfeuchtigkeit setzt nun ein weiter Effekt ein: Aus der Zone nahe der Kristallflächen verschwinden die Dampfmoleküle infolge der Anlagerung schneller, als neue heranschweben. Das behindert dort die Anlagerung. Die sechs Ecken des Kristalls allerdings ragen noch in dampfhaltigere Luft, wachsen dadurch weiter und fangen den Flächen noch mehr Dampf weg. Es kommt zu einem selbstverstärkenden Effekt, der sogenannten Mullins-Sekerka-Instabilität, die dafür sorgt, daß bei mäßigen Minusgraden und hoher Luftfeuchte Schneekristalle vor allem dort wachsen, wo sie spitz sind und dadurch jene dendritisch verzweigten Sterne entstehen, die für uns der Inbegriff des Schneekristalls sind.

Reinrassige Dendriten sind dennoch die wenigsten. Die meisten komplexen Kristalle haben ihre wechselvollen Reisen durch die Atmosphäre zu Mischwesen gemacht. Ihrer Schönheit tut das keinen Abbruch, es nötigt die ordnungsliebenden Forscher nur zu sperrigen Klassifikationsschemata wie dem unten gezeigten: 78 Schnee- und Graupelklassen - und stets werden sich Kristalle finden, die in mehr als eine Schublade passen oder in gar keine. Auch hierin gleichen die Schneekristalle uns Menschen, die wir im Laufe unseres Lebens zu Persönlichkeiten werden, die bald zu vielschichtig sind, als daß irgendwelche Typologien unserer letztlich habhaft werden können.