Hva er snøkrystaller?

Hva er egentlig en krystall? Krystaller er faste forbindelser, og det som skiller krystaller fra andre faste forbindelser, er at det eksisterer et indre ordnet mønster av atomer eller molekyler. For å beskrive detaljene i en krystall, behøver en bare å beskrive den minste enheten som mønsteret består av og så beskrive hvordan disse enhetene er stablet. Dette blir omtrent på samme måte som med gulvfliser.

Et ordnet indre gir en ordnet ”fasade”. Atomene/molekylene ordner seg i et regelmessig mønster fordi dette er en gunstig måte å spare energi på. På samme måte som systemet sparer energi ved at den indre strukturen ordnes, sparer systemet også energi ved at overflaten danner et regelmessig mønster. Når overflaten er så ordnet som mulig, vil krystallen få plane flater og spisse kanter. Dersom en krystall hadde hatt form som en kule, ville store deler av overflaten hatt liten grad av orden. (Fig. 1). Den indre strukturen i krystallen er på denne måten med på å forme flatene som dannes.

Fig. 3a:

Fig. 3b: Plasseringen av vannmolekylene i de heksagonale prismene som bygger opp strukturen nederst i Fig. 2. De røde kulene symboliserer oksygen og de hvite hydrogen.

Det magiske tallet seks

Alle snøkrystaller er ”sekskantede”. Astronomen og matematikeren Johannes Kepler (1571-1630) prøvde i sin tid å forklare formen til snøkrystallene ut fra at de bestod av tett sammenpakkede, bitte små iskuler (Fig. 2a). En slik pakking av små iskuler kan forklare hvorfor krystallene har sekskantet form, men vi vet nå at snøkrystallen ikke er bygd opp av kuler. I våre dager har vi byttet ut iskulene med små sekskantede prismer som er stablet tett inntil hverandre (Fig. 2b). Iskrystallen består selvfølgelig ikke av slike prismer heller, men av vannmolekyler (Fig. 3). De danner sekskantede ringer som danner innmaten i prismene i Fig. 2b.

At snøkrystallene blir sekskantede, er nesten litt tilfeldig. Ved høyere trykk dannes is med annen symmetri enn den heksagonale vi er så kjent med, og noen av de andre høytrykksformene ville kunne gitt firkantede snøkrystaller.

Dersom en krystall hadde bestått av så få prismer som den i Fig. 2b, ville den vært forsvinnende liten. Det er omtrent 1 300 000 prismer langs en enkelt arm på en snøkrystall som er en millimeter, og ikke 17 som i figuren.

Fig. 4: Slik forestiller en seg at en snøkrystall vil bli seende ut dersom vannmolekylene ble sittende på den plassen de først traff. Bildet er et to-dimensjonalt snitt (fra Ref. [ D ]).

Slik vokser krystallen

En snøkrystall starter ofte livet sitt som en veldig liten vanndråpe. Dersom temperaturen er under null grader Celsius, kan dråpen krystallisere og danne et lite, sekskantet prisme. Denne lille krystallen vokser seg større ved at vannmolekyler i luften rundt treffer overflaten og blir sittende på denne.

Dersom vannmolekylene hadde festet seg og forblitt akkurat der de traff overflaten, hadde det blitt dannet krystaller omtrent som den i Fig. 4. Denne minner ikke om en snøkrystall da den er svært porøs og tilsynelatende uten noen bestemt form. Grunnen til at dette ikke skjer, er at vannmolekylene ikke blir sittende der de først treffer overflaten. Selv om temperaturen er under frysepunktet, vil molekylene vandre rundt på overflaten til de finner en mer gunstig plass. På den måten forblir også overflaten ordnet. Kanter og kroker på overflaten er egnede steder til å feste seg, da vannmolekylet der kan danne flere bindinger til krystallen enn på en plan overflate ( Fig. 5 ). Mange av molekylene som setter seg på krystallen, vil ramle av overflaten før de finner en slik gunstig plass.

Hvorfor stjerne?

Når en krystall vokser, bruker den opp vannmolekylene i luften omkring. Derfor dannes det en sone med mindre luftfuktighet i umiddelbar nærhet av krystallen. Etter hvert som krystallen blir større, blir det kortere vei fra hjørnene på krystallen til områder med høyere luftfuktighet enn det er fra midten av sideflatene ( Fig. 6 ). Siden hjørnene på den måten får større tilgang til vannmolekyler enn sideflatene, vil de vokse raskere og danne ”armer” på krystallen. Dette gir enda tregere vekst av flatene fordi hjørnene ”stjeler” det meste av vannet i luften omkring. Ettersom armene blir store, vil hjørnene på disse også kunne begynne å vokse raskere enn flatene på armene. På denne måten dannes nye armer. Dette kalles dendrittisk vekst etter det greske ordet for tre.

Fig. 8: Eksempel på en meget symmetrisk og pen snøkrystall (Ref. [ B ]).

Når luftfuktigheten er høy, blir det dannet snøkrystaller med meget kompliserte armer. Dette er fordi armene og sidearmene vokser meget raskt og på den måten skjermer resten av krystallen, slik at kjernen nesten ikke vokser. Ved lav luftfuktighet vokser krystallen så langsomt at vannmolekylene også får tid til å finne områder midt på flatene. Dette gir prismeliknende krystaller uten armer.

Når luftfuktigheten verken er spesielt høy eller lav, vil det kunne dannes kanter langs omkretsen i stedet for armer. Dette er en mellomting mellom prismevekst og dendrittisk vekst og kalles for Hoppers vekst ( Fig. 7 ).

De karakteristiske snøkrystallene, med sterkt forgrenede armer, dannes altså ved relativt høy luftfuktighet, men hvorfor ser alle armene like ut, slik vi for eksempel ser i Fig. 8. Den mest trolige forklaringen på hvorfor armene er like, er faktisk allerede nevnt. Men før vi går videre med denne forklaringen, bør vi kanskje slå i hjel myten om at alle snøkrystaller er så symmetriske. Det er lett å finne snøkrystaller hvor ikke alle armer er like, men de fleste som tar bilder av krystaller, synes de er penere når alle armene er like. Derfor finnes det mange flere fotografier av meget symmetriske krystaller enn av dem som er mindre symmetriske.

Ofte er imidlertid snøkrystallene forbløffende symmetriske, og grunnen til at de kan bli slik, er at de er så små. Selv om luftfuktighet og temperatur kan variere mye i luftlagene som snøkrystallen daler ned gjennom, er krystallen så liten at alle armene ”føler” den samme temperaturen og luftfuktigheten. Derfor vokser alle armene like fort, og når forholdene på én arm er slik at det er gunstigere å dele seg enn å fortsette å vokse, ”føler” de andre armene akkurat de samme forholdene. Derfor dannes nye armer samtidig ( Fig. 6 ).

Temperaturen avgjør

Det er ikke bare luftfuktigheten som bestemmer krystallenes utseende og hvor hurtig de vokser, temperaturen er også meget viktig. Snøkrystaller som vokser ved ulike temperaturer, får forskjellig utseende.

Fig. 9a:

Fig. 9b: Vannmolekylene danner forskjellig arrangement på topp- (venstre) og sideflatene (høyre) til snøkrystallene. Dette fører til at veksten er forskjellig på disse flatene, og former fra tynne plater til lange nåler kan dannes.

Det finnes snøkrystaller som er flate plater og de som er lange søyler. Årsaken til dette er at vannmolekylene på sideflatene til en snøkrystall er ordnet på en annen måte enn de på topp- og bunnflaten (Fig. 9). Disse to settene med flater har derfor litt forskjellige egenskaper. Dette fører til at vannmolekylene har forskjellig evne til å sette seg på de to typene flater. Denne festeevnen endrer seg med temperatur slik at det i temperaturintervallene 0 til –4 °C og –10 til –25 °C er lettere for vannmolekylene å feste seg på sideflatene enn på topp– og bunnflaten, og det dannes plater. Ved andre temperaturer er det lettere for vannmolekylene å sette seg på topp– eller bunnflaten enn på sideflatene. Snøkrystallene vil da bli mer eller mindre søyleformede.

Hvorfor forskjellige?

Det heter seg at det ikke finnes to helt like snøkrystaller. Dette er nok riktig for krystaller som er dannet i naturen, men lager vi krystallene i laboratoriet, vil vi kunne få dem like hver gang. Grunnen til at snøkrystallene i naturen blir forskjellige, er at ingen av dem har vært igjennom akkurat den samme turen fra de ble dannet for eksempel 20 kilometer over bakken. På veien ned blir snøkrystallen blåst rundt og kommer inn i luft med forskjellig luftfuktighet og temperatur. Selv svært små forskjeller i temperatur og luftfuktighet under veksten fører til at krystallene blir ulike.

Formen som krystallen har når den når bakken, gjenspeiler derfor alle miljøforandringene den har vært igjennom. Derfor kan den i prinsippet fortelle hvordan temperatur og luftfuktighet endres i atmosfæren, ja, den fungerer nærmest som en ferdskriver som registrerer endringer i luftfuktighet og temperatur.

Hvordan overmetning av vann og temperatur er med på å forme de snøkrystallene som dannes (Ref [ C ]) Fig. 10

Nå gjenstår det bare å gå ut og nyte naturen. Snøkrystallene er lette å observere dersom de samles på et kaldt tøystykke som ull eller en fleecegenser og så studeres med lupe. Lykke til!

Referanser [ A ] W. Tape, Atmospheric Halos, Antarctic Research Series, Vol. 64 (American Geophysical Union, 1994). [ B ] A Drop of Water, by Walter Wick (Scholastic, 1997). [ C ] Y. Furukawa, Chemie in unserer Zeit, Vol. 31 (1997). 1 [ D ] Islands of Truth: a Mathematical Mystery Cruise, by I. Peterson (W.H. Freeman and Company, 1990).