Was ist das schmutzige Geheimnis von Schnee?

Wie jeder weiß, sind Schneeflocken schön geformte Eiskristalle, welche wiederum aus gefrorenem Wasser oder Wasserdampf entstehen. Aber nicht ausschließlich aus Wasser: Irgendwo im Inneren jeder Schneeflocke gibt es eine winzig kleine Unreinheit, einen mikroskopischen Salzkristall, ein Körnchen Sand, ein Stückchen Ruß. Das ist eine absolut nötige Zutat für die Existenz einer Schneeflocke. Ohne dieses mikroskopische Quäntchen Schmutz, gäbe es keinen Schnee und auch keinen Regen.

Wasserdampf kann von alleine nicht zu Regen oder Eis kondensieren. Was ziemlich sonderbar ist, denn Wassermoleküle mögen einander. Sie ziehen sich an. Wäre das nicht so, gäbe es keine Tropfen. In der Luft prallen Wasserdampf-Moleküle andauernd aneinander und haften zusammen, aber sie lösen sich auch permanent voneinander, weil sie einfach immer in Bewegung sind. Nur wenn sich die Luft bis zu einer bestimmten Temperatur abkühlt, dem Taupunkt, werden sie so langsam, dass sie sich zu winzig kleinen Grüppchen, zu so genannten Clustern, vereinen, welche dann auch zu Schneekristallen frieren können, wenn es noch kälter wird.

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Aber leider ist es nicht so einfach! Eine kleine Ansammlung von Wassermolekülen bildet noch keine Kugel- oder Tropfenform. Diese Cluster sind unregelmäßig, haben „hervorstehende” Moleküle und brechen daher wieder leicht auseinander, auch unterhalb des Tau- und Gefrierpunktes. Erst ab einer kritischen Menge von sage und schreibe 150 Millionen Molekülen ist die Oberfläche dieser Cluster so ausgerundet, so sanft geformt, dass diese Tröpfchen weiter wachsen. Dass sich eine Gruppe von 150.000.000 Wassermolekülen spontan zusammenfindet, ist schlicht unmöglich. Warum das so ist, liegt an den physikalischen und chemischen Details, die zu erklären den Rahmen dieses Artikels sprengen würde. Hier kommen nun die Schmutzpartikel ins Spiel. Man mag es zwar kaum glauben, aber auch in der reinsten Luft schweben Milliarden und Abermilliarden Schmutzteilchen (Sand, Ruß, Salz). Die sind durchschnittlich nicht größer als zwei Mikrometer (0,002 Millimeter), also bei weitem zu klein, um sie mit freiem Auge sehen zu können. Dieser Schmutz dient als Kristallisationskeim, an den sich die kritische Menge an Wassermolekülen anlagern kann. So bildet sich eine kleine Wasserblase rund um das Körnchen. Nun geht es schnell und immer mehr Moleküle können sich an das Tröpfchen heften, bis sich ein richtiger, kleiner Tropfen gebildet hat. Jetzt muss es nur noch kalt genug sein, damit diese Tropfen frieren können und wir haben unseren Schnee.

Wassermoleküle bilden immer sechseckige Eiskristalle

Aber leider ist es nicht so einfach! So wie beschrieben, würden sich nur hässliche Graupel oder Hagelkörner bilden, aber keine zarten Schneeflocken. Die Temperatur und der Luftdruck müssen sich in einem genau abgestimmten Verhältnis befinden, damit die Wassermoleküle schon beim Anlagern an den Kristallisationskeim frieren können. Und dieser Vorgang darf nicht zu rasch geschehen, damit die schönen, sechsstrahligen Schneekristalle gebildet werden können. Wie kommt diese sechseckige Form zustande? Es hat – vereinfacht gesagt – mit der Geometrie der Wassermoleküle zu tun. Wasser, H₂O, besteht aus zwei Wasserstoffatomen (H) und einem Sauerstoffatom (O). Die Wasserstoffatome binden sich jedoch nicht irgendwie an den Sauerstoff, sondern in einem festgelegten, unveränderlichen Winkel.  Sie können sich daher beim Frieren nur in einer bestimmten Anordnung zusammenfügen, und die ist eben immer sechseckig. Anfänglich bilden sich sechseckige Eisplättchen, die man auch Diamantenstaub nennt. Ist es sehr kalt und herrscht nur eine geringe Luftfeuchtigkeit, war es das auch schon. Es schneit kleine, harte Eiskristalle.  Bei ausreichend hoher Luftfeuchtigkeit wachsen an deren Ecken, wo sich besonders leicht weitere Wasserdampfmoleküle anlagern können, die bekannten Strahlen heraus. Und so entstehen die komplexen und beeindruckenden Schneesterne, die wir alle lieben. Sie wachsen immer weiter, bis sie zu schwer werden, um weiterhin in der Luft schweben zu können, und so beginnt es zu schneien. Ob es Eisnadeln, Flocken, Kristalle oder Plättchen schneit, hängt von der Temperatur, dem Luftdruck und von der Luftfeuchtigkeit ab.

Schneekristalle (zum Vergrößern anklicken)

Schluss endlich sind es also kleine Schmutzkörner, die dafür sorgen, dass herrlich lockere Schneeflocken entstehen können, die jedes Herz höher schlagen lassen und den Winter erst zum Winter machen.

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