Ondanks vierhonderd jaar onderzoek heeft sneeuw nog steeds niet al zijn geheimen prijs gegeven. Sneeuw vertelt een verhaal over de atmosferische condities waaronder ijskristallen zijn gevormd.
Laten we eerst een misverstand uit de weg helpen: het zijn geen sneeuwvlokken die u op de kleuterschool uitknipte. Sneeuwvlokken zijn een rommeltje: samengesmolten conglomeraten van vaak duizenden individuele ijskristallen waarvan het welhaast onmogelijk is ze uit elkaar te peuteren. Ligt de temperatuur van de lucht boven de –10°C, dan klonteren vallende ijskristallen al samen. De grootste sneeuwvlokken ontstaan rond het vriespunt. Nee, uw knipsels stelden sneeuwkristallen voor!
Hooke’s tekeningen: Robert Hooke tekende alles wat hij voor zijn microscoop kreeg. Zo ook deze sneeuw of ijskristallen (we gebruiken deze woorden door elkaar) uit 1665.
Tien tegen één dat de uitgeknipte kristallen geen zes- maar achttallige symmetrie hadden. Dat vouwde gemakkelijker. Van regelmatige drie- en zeshoeken had u nog nooit gehoord. Hoeken van 30°, 60° en 90° waren u onbekend. U knipte fantasiekristallen. In dit nummer krijgt u een herkansing! Zelfgeknipte sneeuwkristallen zijn bedrieglijk van eenvoud, maar voor hen die het willen zien, geven ze een goed inzicht in de manier waarop sneeuw via de ingewikkelde fysica van bevriezende waterdamp wordt gevormd.
http://www.youtube.com/watch?v=d9sirSAtHEg
Op een sneeuwdag in Praag raakte Johannes Kepler (1571-1630) in de ban van de vraag waarom sneeuwvlokken altijd zeshoekig zijn. Geertje Dekkers legt op Wetenschap101 uit hoe deze observatie naadloos pastte in Keplers ideeën over de goddelijke geometrie van de kosmos.
Johannes Kepler heeft al in 1611 oog voor de zestallige symmetrie van ijskristallen. In zijn De Nive Sexangula Stellata (Over de Zeshoekige Sneeuwvlok) vraagt hij zich af waarom sneeuwkristallen altijd een zestallige ofwel hexagonale symmetrie hebben. Hij vermoedt dat het te maken heeft met bollen die je dicht opstapelt, en dan ook zo’n structuur te zien geven. Hij realiseert zich dat hij aan het begin van de 17e eeuw niet over de middelen beschikt om dit interessante vraagstuk op te lossen. Drie eeuwen moet de wereld op het antwoord wachten, wat komt met de röntgenkristallografie, die in detail de fijnstructuur van watermoleculen in ijskristallen laat zien.
Een andere zeventiende-eeuwer die gefascineerd raakt door de structuur van ijskristallen, is de microscopist Robert Hooke. In 1665 neemt Hooke schetsen van sneeuwkristallen op in zijn Micrographia. Niet onvermeld mag de Amerikaanse boer en microfotograaf Wilson A. Bentley (1865-1931) blijven. Hij fotografeert zo’n vijfduizend ijskristallen, waarvan hij de tweeduizend mooiste publiceert.
Waarom is elk sneeuwkristal uniek?
De rijkvertakte sneeuw- of ijskristallen uit de plaatjesboeken – ook die van Bentley – zijn eigenlijk karikaturen van de werkelijkheid. Ze zijn net zo min representatief voor hét sneeuwkristal als Arnold Schwarzenegger is voor dé man. De vertakkingen heten dendrieten, naar het Griekse woord dendros voor boom; ze ontstaan alleen maar bij zeer bepaalde atmosferische condities. Anders ontstaan er sterren, zeshoekige platen, kolommetjes, naalden of zelfs hagelstenen.
De zeshoekige symmetrie van losse sneeuwkristallen is het gevolg van de rangschikking van watermoleculen in een regelmatig zestallig patroon. Kepler vermoedde al zoiets. Deze kristalvorm leidt tot een zo klein mogelijke vormingsenergie van het kristal. Andere ijskristalstructuren zijn wel mogelijk, maar alleen bij zeer lage temperaturen of zeer hoge drukken.
Nog steeds wordt er – met name in enkele Amerikaanse laboratoria – onderzoek gedaan naar de vorming van sneeuwkristallen. Alle geheimen heeft sneeuw nog niet prijs gegeven, maar de ontwikkelingen gaan de laatste jaren snel. Tegenwoordig worden sneeuwkristallen bestudeerd door ze in het laboratorium onder gecontroleerde omstandigheden te laten groeien. Zo is men erachter gekomen dat de diverse kristalgroeivormen voornamelijk worden gecontroleerd door de temperatuur en de hoeveelheid vocht in een wolk tijdens de kristalgroei.
Morfologiediagram voor de vorming van ijskristallen in lucht: Naarmate de omstandigheden zoals temperatuur en luchtvochtigheid in een wolk veranderen, worden andere kristalstructuren gevormd. Hoe hoger de luchtvochtigheid, hoe sneller de groei. Kenneth Libbrecht, Caltech
Het morfologie-diagram geeft enkele voorbeelden van kristalvormen die onder de diverse condities worden gevormd. Waarom verschillende structuren bij verschillende temperaturen groeien, hebben de sneeuwfysici nog steeds niet begrepen. Zelfs aan een eenvoudig molecuul als water valt nog het een en ander te ontdekken! Elk atmosferisch kristal blijkt het product van een wankel evenwicht tussen de juiste temperaturen, de hoeveelheid waterdamp die wordt aangevoerd, tijd en beweging. Atmosfeeronderzoekers proberen de recepten te vertalen met behulp van labwerk, computermodellen en atmosferisch onderzoek met vliegtuigen. Dat gebeurt uit meer dan nieuwsgierigheid. Kortelings is men erachter gekomen dat ijskristallen een belangrijk deel uitmaken van processen in de atmosfeer. Wellicht geven ze ooit nog het antwoord op de vraag waar de klimaatveranderingen vandaan komen.
Het begint allemaal met een minuscuul stofdeeltje als kristallisatiekern, ook wel ‘ent’ genoemd: zout, zand, kleideeltjes, vulkanisch as, industrieel stof. IJsvormende kernen gedragen zich verrassenderwijs zeer verschillend. Zilverjodide, gebruikt als kunstmatige kristallisatiekern vanuit vliegtuigen om regen- of sneeuwbuien te initiëren, zet het kristallisatieproces al bij –4°C op gang, de kleisoort kaoliniet bij –9°C, vulkanisch as bij –13°C en de kleisoort vermiculiet pas bij –15°C! Dat maakt duidelijk dat diverse soorten atmosferische vervuiling het klimaat in verschillende mate beïnvloeden.
Een nieuw sneeuwkristal wordt door de wind door de wolken geblazen, waarbij voortdurend de omstandigheden veranderen. Het sneeuwkristal wordt als het ware heen en weer geblazen door het morfologiediagram. Warmer, kouder, meer of minder vocht, botsingen met soortgenoten, samenklonteren tot sneeuwvlokken. Dan weer zijn de omstandigheden voor naaldvorming gunstiger, en dan weer komen platen of boomstructuren (dendrieten) eerder in aanmerking. Elke individuele tocht door de wolken leidt zo tot een uniek individueel sneeuwkristal.
Boomstructuren groeien sneller: Wanneer de omstandigheden geschikt zijn voor groei van dendrieten (boomstructuren), is de aanvoerweg van waterdamp naar de zes hoekpunten korter dan naar de platte vlakken. De groeiende uitsteeksels ‘stelen’ het water als het ware weg uit de lucht, waardoor de groei van de platte vlakken afneemt. Voor alle zes hoekpunten zijn de groeiomstandigheden in principe precies gelijk.
Competitie om waterdamp, daar gaat het om bij groeiende sneeuwkristallen. De theorie van Bergeron-Findeisen verklaart het proces waarbij neerslagdeeltjes worden gevormd in gemengde wolken, bestaande uit ijskristallen en onderkoelde waterdruppeltjes. De theorie is gebaseerd op het feit dat verzadigde waterdamp boven ijs een lagere druk heeft dan waterdamp boven onderkoeld water bij dezelfde temperatuur.
Lucht verzadigd met waterdamp boven water bij –10ºC heeft bijvoorbeeld een vochtgehalte van 121% ten opzichte van lucht verzadigd met waterdamp boven ijs bij dezelfde temperatuur. Kortweg: lucht boven ijs is droger dan lucht boven water bij dezelfde temperatuur. Als beide soorten deeltjes aanwezig zijn en er is voldoende water, dan zullen de ijskristallen groeien ten koste van de verdampende vloeistofdruppeltjes.
Omdat een wolk heel veel kleine onderkoelde waterdruppeltjes bevat, ligt het verzadingsniveau gewoonlijk in de buurt van de grens tussen oververzadiging en onderverzadiging (de dikke lijn in het morfologiediagram). Je zou dus uit het diagram nooit dendrieten – veervormige vertakkingen – kunnen verwachten in natuurlijke sneeuw. Toch zijn die er wel degelijk. De oplossing voor deze lastige vraag is dat de ijskristallen heen en weer worden geblazen. Het effectieve oververzadigingsniveau wordt daardoor verhoogd, tot het punt waar vertakkingen wel kunnen worden gevormd.
Maar waarom zijn die vertakkingen overal in een kristal precies gelijk? Dat heeft met aanvoersnelheid van waterdamp te maken. Aanvoer van vocht is de snelheidsbeperkende stap bij de groei van ijskristallen. De groei van ijskristallen droogt de directe omgeving van de kristallen uit. Het vocht dat nodig is voor continue groei, komt dan van de luchtlaag die een beetje verder weg zit. Hoe dikker de uitgedroogde laag, hoe langer de aanvoer van nieuwe watermoleculen duurt.
Water stelen
Wanneer de omstandigheden geschikt zijn voor groei van dendrieten, is de weg naar de zes hoekpunten korter dan naar de platte vlakken. De groeiende uitsteeksels ‘stelen’ het water als het ware weg uit de lucht, waardoor de groei van de platte vlakken afneemt.
Omdat het kristal van begin af aan symmetrisch is, kent geen enkele vertakking een voorkeur. In het ideale geval zijn voor alle vertakkingen de steeds wisselende omstandigheden gelijk. Verdere vertakkingen treden vaak op gelijke afstanden ten opzichte van het middelpunt op; waarschijnlijk worden ze veroorzaakt door een abrupte toename in de luchtvochtigheid in de reis van het kristal door de wolken. In termen van de geknipte sneeuwkristallen van de kleuterschool: de atmosferische schaar knipt alle zes hoekpunten tegelijkertijd.
Kunstsneeuwkristallen
Diverse onderzoeksgroepen proberen onder kunstmatige condities sneeuwkristallen te kweken. Zo worden in het laboratorium van prof. Kenneth Libbrecht van Caltech de omstandigheden in een wolk nagebootst om morfologie en dynamiek van de vorming van ijskristallen te bestuderen. Temperatuur en luchtvchtigheid kunnen worden veranderd. In eerste instantie werden sneeuwkristallen in een geconditioneerde klimaatkamer op lange ijsnaalden gekweekt.
Het afgelopen jaar heeft Libbrechts groep proeven gedaan in een groeikamer met kunstsneeuwkristallen in vrije val. De kamer is ongeveer 75 cm hoog, en wordt geënt met vlokjes droogijs (vast koolzuur). De kunstsneeuwkristallen krijgen ongeveer twee minuten de tijd om te groeien. Beneden aangekomen vallen ze op een venstertje waar ze worden gefotografeerd.
Dendrietachtig kunstkristal. Een goed voorbeeld van een ontworpen kristal. Het werd gegroeid bij –14°C, dichtbij de dendrietpiek, en bij tamelijk lage oververzadiging. Onder deze omstandigheden ontstonden er onmiddellijk zes boomstructuren. Op verschillende momenten werd de temperatuur gedurende enkele seconden tot –7°C verhoogd, en vervolgens weer teruggebracht tot –14°C. Het kristal meet 1,8 mm. Kenneth Libbrecht, Caltech
Kunstkristal met platen op dendrieten. Dit kristal begon bij –15°C, waar zes onvertakte dendrieten uit de ijsnaald groeiden. Nadat de armen waren ontstaan, werd de temperatuur verhoogd tot –13°C, en de oververzadiging verminderd. Meteen begonnen platen te groeien uit de armen. Juist voor het nemen van de foto was de temperatuur verlaagd tot –15°C, en dendrieten begonnen vanuit de hoekpunten van de zeshoekige platen te groeien. Doorsnee 0,8 mm. Kenneth Libbrecht, Caltech
