Je leest:

Sneeuwkenners aan de bal

Sneeuwkenners aan de bal

Auteur: | 25 januari 2004

Iedereen die een sneeuwbal maakt, brengt een ingewikkeld natuurkundig proces op gang. Zo ingewikkeld zelfs dat beroemde geleerden er ruzie over hadden. Pas halverwege de twintigste eeuw werd het raadsel eindelijk opgelost.

Niets is zo teleurstellend als in een witte wereld te ontwaken en rachter te komen dat de sneeuw niet goed genoeg blijft plakken om er sneeuwballen of sneeuwpoppen van te maken. Soms kleven de vlokken zo goed vast, dat achter elkaar ballen kunnen worden gekneed voor een sneeuwballengevecht. Maar soms is de sneeuw zo rul en los, dat een bal al uit elkaar valt nog voordat hij is gegooid. Met zulke sneeuw kunnen ook geen sneeuwpoppen worden gerold. Hooguit kan er iemand mee worden ingepoederd.

Waarom blijft sommige sneeuw wel plakken, en andere niet? Een van de eersten die zich dat serieus afvroeg, was de Britse natuurkundige Michael Faraday. Faraday genoot reeds grote bekendheid door zijn ontdekking van benzeen en onderzoekingen op het gebied van elekriciteit en magnetisme. Naar hem genoemd is onder andere de voor elektromagnetische velden afschermende ‘kooi van Faraday’. Maar ook zulke beroemde geleerden blijven in wezen kleine kinderen. Steeds willen ze het fijne weten van allerlei voor hen nog onbegrijpelijke zaken. Zo zien we in de winter van 1859/60 Faraday op 68-jarige leeftijd weer spelen in de sneeuw.

Faraday wist al uit zijn jeugd hoe je een knoertharde sneeuwbal kunt kneden. De temperatuur van de sneeuw moet dan niet veel lager zijn dan de smelttemperatuur van ijs. Ook moeten de sneeuwvlokken ‘dampig’ aanvoelen. Alleen als de temperatuur rond 0oC schommelt, voldoet sneeuw aan die vereisten. Ze kan dan goed in elkaar worden geperst. Maar als de temperatuur ver beneden het vriespunt ligt? Dan lukt dat niet. In Faradays eigen woorden: “Twee stukken vochtig ijs vriezen aan elkaar vast. Vandaar de eigenschap van nattige sneeuw om tot een sneeuwbal te kunnen worden samengeperst. Een effect, dat volledig ontbreekt bij koude, droge sneeuw.”

de Britse natuurkundige Michael Faraday (1791 – 1867)

Zou het echt te maken hebben met een laagje vocht rond de sneeuwkristallen? Opeens raakte Faraday geïnteresseerd. Hij herinnerde zich dat een paar jaar eerder twee hoogleraren zich ook al eens hadden beziggehouden met het probleem van ‘regelatie’, of herbevriezing. Dat waren de gletsjerdeskundige James Forbes uit Edinburgh en de bekende natuurkundige James Thompson uit Belfast. Volgens Forbes ging het om de afkoeling van omringend vocht door ijs. Volgens Thompson ging het echter om de druk die op sneeuw wordt uitgeoefend. Door drukverhoging wordt de temperatuur waarbij water bevriest immers verlaagd. De buitenste laagjes van ijskristallen zouden dus smelten tijdens het kneden. Als tijdens het loslaten van de handen de druk weer verminderde, zou dat smeltwater herbevriezen.

Knerpende sneeuw

Sneeuwkristallen ontstaan bij diepe koude, door de condensatie van onderkoelde waterdamp rond microscopisch kleine kristallisatiekernen (stof, luchtverontreiniging, stuifmeel, minuscule zoutkristallen en zelfs bacteriën). Meestal klonteren de kristallen samen tot vlokken. Het aantal kristallen per vlok kan, afhankelijk van de temperatuur en luchtvochtigheid, oplopen tot enkele duizenden. Gemiddeld gaat het echter om enkele tientallen kristallen per vlok. Allen bij zeer hevige vrieskou, in de noordelijke poolstreken of op Antarctica, vallen de kristallen afzonderlijk.

De diameter van sneeuwvlokken is ook weer afhankelijk van de temperatuur. Bij +2 oC vallen vlokken van 1 cm, bij -1 oC vlokken van 4 cm en bij -6 oC weer vlokken van 1 cm. De grootste, ooit in Siberië waargenomen vlokken hadden een diameter van 12 cm.

Wanneer het heeft gesneeuw, is dat niet alleen te zien, maar ook te horen. Sneeuw dempt het geluid buiten drastisch. Bij het betreden van sneeuw is een karakteristiek knerpend geluid te horen. De toon daarvan is hoger naarmate de sneeuw kouder is. Een Poolse sneeuwonderzoeker, A.B. Dobrowolski, kon op grond van die toonhoogte temperaturen tussen -2 en -20 oC schatten met een nauwkeurigheid van 2 graden.

Verse sneeuw bestaat voor ongeveer tien procent uit sneeuwkristallen en voor de rest uit lucht. Lucht geleidt de warmte slecht en daardoor is verse, niet samengetrapte sneeuw een uitstekende isolator. Een meterdikke sneeuwlaag beschermt de onderliggende bodem zelfs tegen koude poollucht van -30 tot -40 oC.

In april 1860 hield Faraday een lezing voor de prestigieuze Royal Society. Daar weerlegde hij beide opvattingen. Water, dat in contact is met smeltend ijs, bl¡jft immers tot in lengte van dagen vloeibaar. Er is immers sprake van een uitwisseling van warmte, waarbij zowel ijs als water elkaars temperatuur aannemen. Alleen door een verdere temperatuursdaling kan meer water bevriezen. Evenmin kon er sprake zijn van een aanvriezen door verhoging van de druk tijdens het kneden. Faraday kon dat aantonen met een simpel proefje. Als twee ijsblokjes zonder enige druk onder water tegen elkaar worden gehouden, vriezen ze ogenblikkelijk vast.

Maar wat was dan wél de verklaring? Volgens Faraday ging het om cohesie: de aantrekking tussen ijsdeeltjes onderling. Elk atoom in een vaste stof of vloeistof wordt namelijk aangetrokken door omringende atomen. Alleen buiten die stof bevinden zich geen zelfde atomen. Aan het oppervlak van een stof is er dus een netto aantrekkingskracht, die naar binnen is gericht. Zo ontstaat een ‘oppervlaktespanning’, waardoor een stalen naald kan drijven op het water en sommige insekten ook over water kunnen lopen.

Doordat individuele watermolekulen elkaar aantrekken, ontstaat er aan het oppervlak een soort ‘vliesje’. Sommige insecten en spinnen maken hier handig gebruik van om ‘over het water te lopen’…

Door die oppervlaktespanning hebben stoffen de neiging een zo klein mogelijk oppervlak aan te nemen. Dat is ook de reden dat kleine druppeltjes gemakkelijk samengaan met andere. Want een grotere druppel heeft een relatief klein oppervlak ten opzichte van zijn grotere inhoud. Hetzelfde geldt klaarblijkelijk voor de tegen elkaar gehouden ijsblokjes. Ook daar willen de kristalroosters hun oppervlak verkleinen door aan elkaar te groeien. Het resultaat is dat ze het tussenliggende water wegpersen. Er bevriest dus geen water tussen het ijs!

De proef van Faraday: als twee ijsblokjes onder water tegen elkaar worden gehouden, wordt het water tussen het contactoppervlak weggeperst en vriezen de ijsblokjes aan elkaar vast.

Natuurlijk was Thompson het helemaal niet eens met Faraday. Nog steeds moest het ijs immers eerst ‘nattig’ zijn. En dat kon het alleen maar worden door het uitoefenen van druk! Maar wordt wel zó veel druk tijdens het kneden van een sneeuwbal uitgeoefend? Iedere extra druk van 1 atmosfeer (100 kilopascal) verlaagt het vriespunt van water met 0,0074 oC. Om het vriespunt met slechts 0,1 oC te verlagen, moet dus een extra druk worden uitgeoefend van maar liefst 13,5 atmosfeer! Dat is ruwweg de druk van een mens die met zijn volle gewicht staat op een dubbeltje. Maar zelfs bij relatief ‘warme’ sneeuw met een begintemperatuur van 0 oC is dat een onmogelijke druk om bij het kneden van een sneeuwbal met de handen uit te oefenen.

Thompson had deze berekening ook al uitgevoerd. Maar hij argumenteerde dat de druk lokaal zeer sterk zou kunnen oplopen doordat ze werd geconcentreerd op de kleine ijskristalletjes. Dat leek heel aannemelijk, want dat was in die tijd ook de verklaring die werd gegeven voor het glad worden van sneeuw en ijs bij skiën en schaatsen. Tegenwoordig weten we echter dat dat NIET zo is. Skiërs en schaatsters glijden over sneeuw en ijs door de wrijving. Daardoor smelt het bovenste laagje tijdelijk en wordt sneeuw en ijs nat en glad. Zou ijs alleen maar door de druk van smalle schaatsen smelten, dan zou elke schaatser als hij stilstond ook langzaam maar zeker door het ijs heen zakken!

In 1954 bogen twee Japanse natuurkundigen, U. Nakayo en A. Matsumoto, zich opnieuw over de controverse tussen Faraday en Thompson. Zij werkten bij het Lage Temperatuur Instituut van de universiteit van Hokkaido en maakten zeer kleine ijsbolletjes. Als die op elkaar werden gelegd, plakten die nog aan elkaar vast bij -30 oC.

Sneeuwkanon & diepvriesbacteriën: Echte sneeuw onstaat als onderkoelde waterdruppeltjes in wolken bevriezen. Tijdens de val naar het aardoppervlak vormen zich dan door aanvriezing van waterdamp uit de lucht de echte sneeuwkristallen. Kunstmatige sneeuw op skipistes wordt gemaakt door middel van samengeperste lucht en sterk onderkoelde waterdruppels. Door de propeller van een straalmotor wordt zo een nevel weggeblazen waaruit sneeuwkristallen onstaan. Een probleem was altijd dat het lucht/watermengsel eerst tot -10 oC moest worden gekoeld voordat de sneeuw zich uitkristalliseerde. Tegenwoordig worden daarom ook wel gevriesdroogde bacteriën van de soort Pseudomonas syringae aan het mengsel toegevoegd. Die maken in hun buitenste membraan een eiwit aan dat de kristalvorming bevordert. Met deze bacteriën, die onder de naam Snomax op de markt worfden gebracht, ontstaat de kunstmatig opgewekte sneeuw al bij -3 oC. bron afbeelding: How Stuff Works (www.howstuffworks.com)

Nakayo en Matsumoto veronderstelden dat ijs in ieder geval tot die temperatuur wordt omhuld door een quasi-vloeibaar oppervlak. Maar zes jaar later werd dezelfde proef gedaan door Dave Kingery van het assachusetts Institute of Technology. Hij mat hoe snel zulke bolletjes zonder extra druk uit te oefenen met elkaar vergroeiden. Dat bleek uren te duren in plaats van seconden. Bij zulk koud en droogijs ging het dus ook, maar zeer geleidelijk.

Zoals sneeuw- en ijsdeskundigen het zich nú voorstellen, gaat het bij het kneden van een sneeuwbal eigenlijk om een heel ingewikkeld proces. Deels spelen Faraday’s cohesiekrachten een rol. Maar deels ook Thomsons extra drukuitoefening. Want toen Kingery de druk mat die zijn ronde ijsbolletjes door cohesiekrachten op elkaar uitoefenden, bleek die zeer hoog op te kunnen lopen. Alleen smolt het koude ijs ter plekke niet of nauwelijks.

Sneeuwkristallen vriezen aan elkaar vast door sintering. Onder druk van de cohesiekracht tussen twee kristallen verweken de randen van het contactoppervlak. Op die plaatsen zetten zich vrij zwevende ijsdeeltjes af. Het proces verloopt trager naarmate het gezamenlijk oppervlak van de twee kristallen kleiner wordt en de druk langs de rand afneemt.

Wat vermoedelijk wél plaatsvindt, is een zogenaamde sintering: een proces waarbij elkaar rakende ijsoppervlakken door de druk van cohesiekrachten zodanig verweken dat ze aaneenkitten. Een waterlaagje hoeft daarbij geen rol te spelen. Want ook door sublimatie (het direkt overgaan van ijs in waterdamp zonder eerst te smelten) kunnen vrij zwevende ijsdeeltjes uit de onmiddellijke omgeving op de randen van het contactoppervlak worden afgezet (zie illustraties). Bij nattige sneeuw gaat het sinteringsproces echter veel sneller. Er is dan een dun waterlaagje beschikbaar, waardoor ijsdeeltjes veel sneller uit de omgeving kunnen toevloeien.

Bij natte sneeuw verloopt het sinteringsproces veel sneller. In de waterfilm om de sneeuwkristallen zijn ijsdeeltjes opgelost, die – als het water wordt weggeperst – zich langs de randen afzetten.

Blijft alleen de vraag waarom sneeuw van om en nabij 0 oC zo snel tot een bal kan worden gekneed en sneeuw van zeg -5 oC niet. Dat blijkt te maken te hebben met de viscositeit, of stoperigheid van het waterlaagje rondom het ijs. Bij -5 oC is het waterlaagje om sneeuw nog maar vijf micrometer dik. Het is dan al onderkoeld en zo dik vloeibaar geworden dat ijsdeeltjes er niet gemakkelijk meer door bewegen. Met zulke ‘droge’ sneeuw valt dan ook voor een sneeuwballengevecht niets te beginnen!

Sneeuwpret; maar alleen als het niet kouder is dan -5 oC kan er met sneeuwballen worden gegooid.

Literatuur

Frank Riley: A snowball’s chance; New Scientist, 14 januari 1988

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Astronet.
© Astronet, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 25 januari 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.