Wie bilden sich Schneeflocken?

Wenn Wassertröpfchen in den Wolken gefrieren, entstehen winzige Eiskristalle. Diese können zu stattlichen Schneeflocken heranwachsen – wenn die richtigen Bedingungen herrschen.

Die Entstehung von Schneeflocken beginnt mit winzigen Eispartikeln, die in den Wolken auf zweierlei Weise entstehen können. In sehr kalter Luft kann reiner Wasserdampf direkt zu Eispartikeln gefrieren. Dazu muss die Temperatur allerdings extrem niedrige Werte annehmen, nahe minus 40 Grad Celsius. Wesentlich typischer ist daher ein anderer Prozess, bei dem Staubpartikel eine zentrale Rolle spielen – und davon gibt es in der Luft meist eine ganze Menge.

Einzelne Wassermoleküle lagern sich an die Staubkörnchen an und bei Temperaturen unter null Grad Celsius entstehen winzige unterkühlte Tröpfchen. Kühlt die Luft weiter ab, gefrieren die unterkühlten Wolkentröpfchen zu Eiskristallen. Zunächst sind sie nur wenige Mikrometer groß und weisen fast immer eine sechseckige Form auf: Es handelt sich um hexagonale Plättchen oder Säulen. Das liegt an der dominierenden Kristallstruktur von Eis – die Wassermoleküle sind hexagonal angeordnet. Dabei befinden sich die Sauerstoffatome jeweils an den Ecken eines Sechsecks, und Wasserstoffbrücken verbinden sie mit den anderen Wassermolekülen.

Nach und nach lagern sich immer mehr Wassermoleküle an die Kristalle an und lassen diese wachsen, insbesondere an den Kanten. Wegen der hexagonalen Eisstruktur bilden sich auf diese Weise die für Schneekristalle typischen „Äste“. In künstlerischen Darstellungen sehen sie absolut identisch aus, was jedoch nicht der Realität entspricht. Stattdessen findet man leicht asymmetrisch geformte Schneekristalle.

Schneekristallformen

Trotzdem ähneln sich die sechs Äste stark. Das liegt daran, dass die äußeren Bedingungen – die über das Eiswachstum entscheiden – für alle Äste identisch sind. Vor allem die Temperatur und Feuchtigkeit der Luft, in der ein Schneekristall heranwächst, beeinflussen seine spätere Form. Zum Beispiel bilden sich bei Temperaturen nahe minus zwei Grad Celsius hexagonale Plättchen, die mit zunehmender Feuchte immer komplexere Verästelungen ausbilden. Ähnlich verhält es sich mit Schneekristallen bei minus 15 Grad Celsius. Dann entstehen besonders formschöne Exemplare. Bei Temperaturen um minus sieben Grad Celsius hingegen entwickeln sich vorwiegend Eissäulen, -nadeln oder -prismen.

Wie sich die Formen von Schneekristallen im Detail entwickeln, ist nach wie vor Gegenstand der Forschung. Das liegt unter anderem daran, dass die veränderliche Oberfläche der Kristalle einen sehr subtilen Einfluss auf das Eiswachstum ausübt. Diese Prozesse lassen sich nur schwer beobachten oder berechnen. Außerdem ist ein Schneekristall auf seinem Weg durch die Wolken oft höchst unterschiedlichen Temperatur- und Feuchtigkeitswerten ausgesetzt. Dadurch können sehr komplexe kristalline Formen entstehen.

Mehr weiß man dagegen über die durchschnittliche Größe von Schneekristallen – typischerweise erreichen sie einen Durchmesser von wenigen Millimetern. Je größer sie werden, desto schneller fallen sie vom Himmel hinab. Das führt unweigerlich zu Kollisionen. Verhaken sich mehrere Kristalle, bilden sie Schneeflocken, was besonders leicht bei Temperaturen nahe null Grad Celsius passiert. Denn dann ist der Schnee recht feucht.

Schneeflocken können so groß wie Walnüsse werden, ohne auseinanderzufallen. Es wurden zwar auch schon größere Flocken beobachtet, aber bei deren Entstehung herrschten extrem windarme und feuchte Bedingungen. Und solche Bedingungen treten nur sehr selten auf.