Schneekristalle erstmals physikalisch erklärt

Forschern glückt Wachstums-Simulation am Computer

Schneekristalle: Spiegel von Feuchte und Kälte der Luft (Bild: Libbrecht 2005)

Regensburg/London (pte003/07.03.2012/06:10) Das bisherige Rätsel, nach welchen physikalischen Grundgesetzen sich Schneekristalle bilden, scheint gelöst. Forschern der Universität Regensburg http://uni-regensburg.de und vom Londoner Imperial College http://imperial.ac.uk ist es gelungen, am Computer das Wachstum der filigran verästelten Sechseck-Kristalle, von denen keiner dem anderen bis ins Detail gleicht, zu simulieren.

Temperatur und Luftfeuchte bestimmen

"Schneekristalle entstehen, wenn sich an kleinen Verschmutzungen in der Luft feinste Wasserdampf-Wolken anlagern und dort gefrieren", erklärt Studienleiter Harald Garcke im pressetext-Interview. Ab einer kritischen Größe beginnt der Sinkflug durch die Atmosphäre. Dabei schießen typische "Finger" des Kristalls heraus, die immer wieder neue Seitenarme bilden und so zu feinen geometrischen Schneesternen wachsen, den sogenannten "Dendriten".

Dieses Ergebnis kommt jedoch nur unter sehr spezifischen Voraussetzungen zustande, wobei besonders die Temperatur der einzelnen Luftschichten sowie die Sättigung des Wasserdampfes eine Rolle spielen. In allen anderen Fällen bilden sich weniger spektakuläre Formen wie Plättchen, Prismen, hohle Säulen, Stäbchen oder Nadeln. "Selbst winzige Veränderungen in der Umgebung beeinflussen die Kristallform erheblich", betont Garcke.

Briefe aus dem Himmel

Diese in höchstem Maße komplexen Verhältnisse an der Eis-Luftgrenze sind auch der Grund dafür, dass bisher eine Simulierung des Wachstums vieler Kristallformen selbst mit Computerhilfe nicht möglich war. Nun gelang dies den Forschern, indem sie die bisherigen Näherungswerte noch deutlich verfeinerten. Somit sind nun auch Vorhersagen möglich, wie schnell die Kristallspitze im Verhältnis zur Sättigung des gefrierenden Wasserdampfes wächst.

Obwohl dieses Wissen vor allem ästhetischen Aspekten nutzt, gibt es auch neue Einblicke in gewissen Forschungsgebieten: Das Phänomen des Kristallwachstums spielt in der Halbleitertechnologie eine Rolle, in der Solarindustrie sowie bei der Erstarrung klassischer Werkstoffe wie Eisenlegierungen oder Schmelze. Zudem lässt sich nun aus der Schneekristall-Form auf meteorologische Bedingungen der Entstehung und im Wachstum schließen. "Schneekristalle sind Briefe aus dem Himmel", formulierte dies der japanischer Physiker Ukichiro Nakaya.

Originalveröffentlichung unter http://arxiv.org/abs/1202.1272
Schneekristall-Sammlung unter http://snowcrystals.com

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