Wir befinden uns in einem Zeitalter, in dem Wissenschaftler die winzig kleinen Teilchen entdecken können, die Atome mit Masse versehen, und einige der tiefsten Geheimnisse der Biologie erforschen, beispielsweise wie Erfahrungen und Erinnerungen durch die Gene eines Organismus weitergegeben werden können.
Es mag daher überraschen, dass wir die Mechanik eines relativ einfachen Naturphänomens immer noch nicht verstehen: Schnee.
Die Bildung von Schneeflocken - im Wesentlichen die eigenwillige Art und Weise, wie Wasser in unserer Atmosphäre kristallisiert - ist ein äußerst komplexer Prozess, der durch wissenschaftliche Formeln noch nicht vollständig beschrieben wurde. "Die Leute denken, dass eine Schneeflocke nur ein gefrorener Regentropfen ist", sagt Caltech-Physikprofessor Kenneth Libbrecht, der sich in den letzten Jahrzehnten mit dem Prozess der Schneeflockenbildung beschäftigt hat. "Aber das ist Graupel, nur kleine Eiswürfel und nicht annähernd so wie eine Schneeflocke."
In Libbrechts Labor wächst beschleunigt eine Schneeflocke
Im Laufe seiner Forschungen hat sich Libbrechts Werk zu Kunst und Wissenschaft entwickelt. Er hat sowohl wissenschaftliche Arbeiten als auch Hunderte von wunderschönen Fotos von natürlichen Schneeflocken (die er in verschiedenen Büchern veröffentlicht und auf US-Briefmarken veröffentlicht hat) produziert und sich auch ausgeklügelte Methoden ausgedacht, um Schneeflocken in einem Labor künstlich zu züchten, um ihre Entstehung im mikroskopischen Detail zu untersuchen.
Aber alles begann, sagt er, mit einer Reise zurück in sein Geburtshaus in North Dakota. "Ich habe meine Familie dort besucht und bin nach draußen gegangen, und da war all dieser Schnee auf dem Boden", sagt er. "Ich dachte plötzlich, 'Warum verstehe ich nicht mehr über diese Schneeflocken?'"
Dies veranlasste Libbrecht dazu, sich in seinem Labor mit der Dynamik der Schneeflockenbildung zu befassen, zwischen der Erforschung esoterischerer Themen wie drehbarer Diodenlaser und dem von Supernovae verursachten Rauschen. "Ich habe festgestellt, dass vieles über Schneeflocken nicht sehr gut verstanden wird und dass Eis ein ziemlich billiges Material ist, mit dem man arbeiten kann", sagt er.
Die Bildung einer einzigen Schneeflocke ist auf molekularer Ebene ein komplexes Ereignis. In der Natur beginnt es, wenn der Wasserdampf einer Wolke zu Wassertröpfchen kondensiert. Selbst bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt bleiben die meisten dieser Tröpfchen in der Regel in flüssiger Form, da sie ein Partikel benötigen, auf dem sie einfrieren können: entweder ein Staubpartikel oder einige Wassermoleküle, die sich in der hexagonalen Matrix angeordnet haben, die das Eis kennzeichnet.
Sobald Tröpfchen auf einem zentralen Teilchen zu kristallisieren beginnen, beschleunigt sich der Prozess jedoch schnell. Wenn ein Kristallkern vorhanden ist, kondensieren die unterkühlten Wassermoleküle in den umgebenden Wassertröpfchen leicht auf dem Kristall und tragen auf geometrisch regelmäßige Weise zu dessen Wachstum bei. Bis der große Kristall (wir nennen ihn eine Schneeflocke) die Wolke verlassen hat, schätzt Libbrecht, dass er das Wasser von ungefähr 100.000 nahe gelegenen Tröpfchen aufgesogen hat.
Das mag einfach klingen, aber wie Libbrecht und andere Wissenschaftler herausgefunden haben, können geringfügige Änderungen der Umstände dieser Kristalle - zum Beispiel der Luftfeuchtigkeit und der Temperatur der Wolke - zu radikal anders aussehenden Flocken führen. Um diese Dynamik besser zu verstehen, musste Libbrecht den tatsächlichen Wachstumsprozess von Schneeflocken beobachten. Ohne sich in eine schwebende Wolke einbetten zu können, entschloss er sich, in seinem kalifornischen Labor eine Methode zum künstlichen Züchten von Schneeflocken zu entwickeln.
"Es ist nicht einfach, einen einzelnen Kristall so wachsen zu lassen, dass er aussieht wie eine Schneeflocke", sagt er. "Wenn Sie Frost wollen - nur ein Bündel von Kristallen, die gleichzeitig wachsen -, ist das ziemlich einfach, aber einzelne Kristalle sind schwieriger."
Der in den letzten Jahren entwickelte Prozess von Libbrecht wird in einer kalten Kammer durchgeführt und dauert insgesamt etwa 45 Minuten. Er beginnt mit einem völlig sauberen Stück Glas und streut viele mikroskopisch kleine Eiskristalle darauf. Mit einem Mikroskop isoliert er einen bestimmten Kristall und bläst dann etwas wärmere feuchte Luft auf das Glas. Der Wasserdampf kondensiert auf dem Impfkristall wie in einer echten Wolke und bildet schließlich eine sichtbare Schneeflocke.
In diesem Prozess hat Libbrecht die Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte ermittelt, die zu den einzelnen Schneeflockentypen führen. "Ich nenne sie" Designer-Schneeflocken ", weil Sie die Bedingungen ändern können, wenn Sie sie anbauen, und vorhersagen können, wie sie aussehen werden", sagt er. Unter anderem hat er festgestellt, dass eine Schneeflocke mit einer dünnen Kante schneller wächst und die Kante noch schärfer wird, was letztendlich zu einer relativ großen Flocke führt. Schneeflocken, die mit stumpfen Kanten beginnen, wachsen jedoch langsamer und bleiben stumpf, was zu blockigen Prismen und nicht zu eleganten Tellern führt.
Als Libbrecht schließlich ein Buch über seine Arbeit veröffentlichen wollte, stellte er fest, dass die meisten Fotos von Schneeflocken veraltet waren, obwohl sie für ihre Zeit gut waren, wie die von Wilson Bentley in den 1930er Jahren. Als Reaktion darauf begann er, sie selbst in hoher Auflösung zu fotografieren, wobei er spezielle Geräte und gelegentlich farbige Lichter verwendete, um den klaren Flocken mehr Farbe und Tiefe zu verleihen.
Was ist mit der allgemeinen Vorstellung, dass keine zwei Schneeflocken gleich sind? "Das fragt mich immer jeder", sagt Libbrecht.
Die Antwort ist, wie sich herausstellt, ein mathematisches Problem. Wenn Sie eine Schneeflocke als zehn Moleküle Wasser definieren, können zwei verschiedene Flocken auf molekularer Ebene identisch sein. Aber für eine Full-Size-Flocke, sagt er, ist es äußerst unwahrscheinlich, dass Sie zwei identische, natürlich vorkommende bestrafen würden - genauso, wie die Wahrscheinlichkeit, dass zwei identische menschliche Fingerabdrücke vorhanden sind, außerordentlich gering ist. "Sobald Sie anfangen, die Dinge noch etwas komplizierter zu machen, wächst die Anzahl der Möglichkeiten astronomisch und die Wahrscheinlichkeit, dass sogar zwei Schneeflocken in der Ferne gleich aussehen, sinkt auf Null", sagt er.
