En vakker snøkrystall! (SnowCrystals.com)
Endelig snø! Her på Østlandet har vi hatt en temmelig snøfri vinter hittil, men de siste dagene har snøen lagt seg som et tykt, hvitt teppe over landskapet. Det er en fryd å stå opp om morgenen og kave seg frem til T-banen. Og så lukten, da dere, av nysnø!
Snøkrystaller av Wilson Bentley (1902). Klikk for større versjon.
Alle lærte vi at «hvert snøfnugg er unikt» da vi var små. Alle har vi fanget små smøfnugg på polvottene og beundret de vakre sekskantede kunstverkene. Men nøyaktig hvorfor er det slik?
Det vil kanskje overraske noen at snøkrystaller er et aktivt forskningsfelt — vi vet faktisk ikke alt som kan vites om disse naturens kunstverk! Faktisk så har forskningen på snøkrystaller svært mange nytteområder. Krystaller generelt er veldig vanlige både i naturen og teknologien, og siden snøkrystallene produseres i så enormt antall og med så enorm variasjon, er de et flott «laboratorium» for fysikere.
Først må vi avlive en vanlig misforståelse: Hver snøkrystall er ikke i prinsippet unik. Det kan skje at to snøkrystaller er så like at man ikke kan se forskjell. Måten krystallene blir dannet gjør at det er en enorm variasjon. Videre er ikke snøkrystaller perfekt symmetriske. Og slett ikke alle snøkrystaller er flate. Se bare her:
Snøkrystall formet som en søyle
For å forstå hvordan snøkrystaller dannes, la oss først stille et enkelt spørsmål: Hva er vann?
Vann er et molekyl (H2O) bestående av tre atomer: Ett oksygenatom (O) og to hydrogenatomer (H). De ordner seg naturlig i en slags Mikke Mus-form, slik:
Denne fremstillingen er en grov forenkling. Hold på hatten og bli med en liten tur dypere inn i vannmolekylet!
Atomer består av en kjerne og ett eller flere elektroner. Tenk på solsystemet: Kjernene er store og tunge som sola, og elektronene er som planeter som svirrer rundt. Men kreftene som får atomet til å henge sammen er elektriske krefter, og ikke gravitasjon. Det indre av H2O kan vi visualisere slik:
Kjernene er røde, og elektronene er blå.
Greia med vann er at det er såkalt polart; O-kjernen har stor ladning og trekker litt mer på elektronene enn H-atomene, og dette gjør at O-delen (hodet til Mikke Mus) blir negativt ladet og H-delene (ørene) positivt ladet. Det magiske med elektrisk ladning er at + og – tiltrekker hverandre, «opposites attract» som det heter. Så vannmolekyler tiltrekker hverandre! Det er kanskje lettere å tenke på Mikke Mus-hodet som en magnet (selv om fysikere mener dette blir sterkt misvisende): To Mikke-Mus-hoder har en tendens til å tiltrekke seg øre-mot-hode, og ikke øre-mot-øre.
Denne polare egenskapen er ganske fantastisk, og er ene og alene grunn til at vann er så utrolig nyttig for oss, både som levende skapninger og i teknologien vi lager.
Og polariteten lager krystaller! Hvorfor det?
Når vann er i flytende form, klistrer H2O-molekyler seg fast til hverandre, men de har ganske stor bevegelsesfrihet. De beveger seg som i en, øh, suppe. Men — når det blir kaldt orker ikke molekylene å bevege seg så mye — de polare kreftene blir relativt sterkere, suppa stivner, og vi får dannet en krystall! Her ser du molekylene i vann (venstre) og is (høyre):
Flytende vann (venstre) og is (høyre)
Vannmolekylene vil altså lage en slags sekskant-struktur — helt av seg selv! Det er kanskje ikke så vanskelig å se hvordan Mikke Mus-hodene kan «pusles» til en slik krystall?
H2O-molkeylet er veldig, veldig lite. Man kan ikke skjelne hvert enkelt Mikke Mus-hode i en virkelig krystall. Synlige men små krystaller ser slik ut:
Enkle krystaller
Nok om atomer og is! Tilbake til snøkrystaller.
Snøkrystallene blir dannet i skyene. Hvordan skjer dette? Den grunnleggende mekanismen er at krystallene vokser fra ørsmå saker til store kompliserte kunstverk. Nøyaktig hvordan krystallen vokser, og hva slags krystall man ender opp med, avhenger av temperaturen i skya. Sammenhengene her er faktisk ikke så godt forstått vitenskapelig sett! Denne figuren gir en oversikt (klikk for større versjon):
Diagram fra SnowCrystals.com som viser snøkrystallers morfologi -- eller formmangfold.
La oss se på den typiske vokseprosessen for et «arketypisk» snøfnugg, slik som de som dannes rundt -20 grader.
Den typiske snøkrystall-babyen vil se ut som en flat sekskant. Den dannes rett som det er og av seg selv i skya. Så tilsetter man vannmolekyler: Mange Mikke Mus-hoder, som flakser rundt i skya, kommer og spør «kan jeg få være med?» Så fester de seg til krystallen, slik at den blir større. Men — «It’s a trap!» Og så sitter de fast.
Krystallen kan vokse i flere retninger: i tykkelse eller i bredden. Dette avhenger som sagt av temperaturen i skyen. Dette gjør at vi får en helt vanvittig variasjon i form og utseende.
Hvordan får vi kompliserte og vakre snøkrystaller av den «typiske» typen? Man tager en en bitteliten krystall som blir dannet først. Denne flyr rundt i skya og samler «tilhengere».
Så tilsetter vi mange Mikke Mus-molekyler. Krystallen vokser nå langs kantene, siden temperaturforholdene ligger til rette for dette.
Etter hvert vil hjørnene i krystallen «skyte skudd» — små armer. Dette skjer fordi krystallen blir så stor at Mikke Musene ikke kommer godt til overalt. Disse armene kan igjen skyte nye skudd — og så har vi det gående.
Legg merke til at det er ingenting i dette som krever at armene i ett enkelt fnugg er helt like — det er bare veldig sannsynlig at de er ganske like, siden temperaturen bestemmer vokseretningen.
Caltech i USA har en fantastisk guide til snøkrystallenes mangfold! Bildene er intet mindre enn spektakulære. Og du kan laste ned bildene til eget bruk — helt gratis!
Kollokvium 
Hei, jeg trodde at snø krystaller var nødt til å ha små sekskantete partikler (ikke av vann) for å dannes, altså at vannet fester seg på partikkelen for så å fryse. Og at hvis partiklene ikke er der, faller vannet som underkjølt regn. Eller er det sånn at det fryser et par vannpartikler først som så tiltrekker seg fler?
Hei, og takk for kommentaren! Jeg innser at på dette punktet var bloggposten litt vel skissemessig. Så la meg forsøke å forklare.
Det er riktig at det første stadiet i krystalldannelsen er kondensering rundt ørsmå partikler i luften, men disse trenger ikke være sekskantede eller noe som helst. Det er nettopp dette som er skyer: en gigantisk ansamling av bittesmå vanndråper som har kondensert rundt støvpartikler.
Dersom det blir kaldt (ca -10 grader) fryser mini-vanndråpene. (Det er komplisert å forklare hvorfor det ikke skjer allerede ved null grader). Disse bittesmå krystallene er sekskantede! Herfra starter dannelsen av snøkrystaller.
Merk også at det heller ikke blir regn uten partikler som vannet kan kondensere rundt.
Jeg håper dette var noenlunde dekkende svar!
vennlig hilsen
Simen
Hurra, et krystallinnlegg! Men jeg savner en presisering i siste del. Meg bekjent vokser snøkrystaller dendrittisk først som følge av at hjørnene opplever en lokalt høyere overmetning enn det sidekantene ettersom hjørnene stikker lengre inn i det overmettede mediet rundt (lufta). Høyere overmetning resulterer i høyere veksthastighet, noe som at hjørnene vokser før sidekantene. Deretter vil det at vannmolekylene ikke kommer like godt til overalt, forklare hvorfor sekskanten ikke «tettes igjen», men fortsetter å forgreine seg.
Uansett, bra post – fin lesing på en fredag!
Ha en fin dag!