Je leest:

Sneeuwkristallen betrapt

Sneeuwkristallen betrapt

Auteur: | 9 januari 2003

Wat wit uit de winterhemel dwarrelt, is vaak het onderwerp van intensief speurwerk geweest. Hoe worden sneeuwkristallen gevormd en hoe komt het dat ze zo vaak verschillen? Om dergelijke vragen op te lossen, was het eerst nodig een methode te vinden om ze te vangen.

Als hij ze voor het eerst ziet vallen, springt Charles Knight een gat in de lucht. Wat aanvankelijk heel aarzelend begint als het neerdwarrelen van een fijn, wit poeder, groeit al snel uit tot een echte, gierende sneeuwstorm. De winter is in de Rocky Mountains al een maand geleden begonnen. Maar tot nog toe was er geen sneeuwvlok gevallen. Knight aarzelt dan ook geen moment. Hij rent naar zijn laboratorium, grijpt onderweg naar een dikke jas en bereikt hijgend het vreemde gebouw met een gat in het dak.

“Dat gat zit er niet voor niets, maar dat zul je straks wel zien,” merkt Knight buiten adem op. In de tussentijd zet hij een bivakmuts op en is druk in de weer ondiepe, glazen schaaltjes te vullen met hexaan. Dat is een vloeistof die zich niet met water mengt en die bovendien bij zeer lage temperatuur bevriest. Pas dan valt het op hoe koud het in het laboratorium eigenlijk is. Het is niets anders dan een reusachtige koelcel, waarin de temperatuur constant op -15oC wordt gehouden! Als Knight de schaaltjes voorzichtig onder het gat in het dak plaatst, wacht hij vol spanning tot er een sneeuwvlok in valt. Daarna labelt hij de schaaltjes met datum en tijdstip, en vervangt ze stuk voor stuk. “Zo bewaar is sneeuwvlokken dagenlang,” legt hij – nog steeds minutieus naar de schaaltjes turend – uit. “Op een later tijdstip haal ik ze voorzichtig uit elkaar. Kristal voor kristal, en die fotografeer ik onder een microscoop. Nog vóórdat zo’n sneeuwkristal smelt, is zijn structuur dan voor altijd vastgelegd.”

Foto van een sneeuwkristal (dendriet) gemaakt met een elektronenmicroscoop (vergroting 450×). Rechtsboven in de afbeelding is een lichtmicroscoopopname van eenzelfde soort kristal te zien. Courtesy: Eric F. Erbe / www.anri.barc.usda.gov/emusnow/

Charles Knight is meteoroloog, verbonden aan het National Center for Atmospheric Research in Boulder, Colorado. Al jarenlang probeert hij een verband te zoeken tussen de vorm van een sneeuwkristal, het type weer en het tijdstip van de val uit de wolk. Dat hij daarbij maar stukje bij beetje, winter voor winter, verder komt, deert hem niet. “Uit de structuur van een sneeuwkristal is al voor een groot deel af te leiden onder welke condities de sneeuw is ontstaan,” zegt Knight. “Ook kunnen we ons een tamelijk goede voorstelling maken van de manier waarop het basistype sneeuwwolk zich ontwikkelt. Voor het ontstaan van sneeuw zijn in ieder geval vrieskernen nodig: kernen, waar zich sneeuwkristallen omheen vormen. Dat zijn meestal kleideeltjes of stofjes. Maar het kunnen ook minuscule zoutkristallen uit een woelige branding zijn. Of roet en teer, en zwaveldioxide uit industriële vervuiling of afkomstig van een bosbrand. Zelfs bacteriën kunnen – zo ontdekte Steven Lindow van de Universiteit van Wisconsin eind vorige eeuw – sneeuwbuien veroorzaken. Zo vullen we langzaam maar zeker de hiaten van onze kennis in.”

Sneeuwbuien, ontstaan door het toedoen van bacteriën? Eén van de praktische toepassingen van het onderzoek van sneeuwkundigen als Lindow en Knight is het maken van kunstmatige sneeuw met behulp van bacteriën. Op skipistes gebeurde dat normaal met samengeperste lucht en sterk onderkoelde waterdruppels. Het nadeel daarvan is dat het mengsel eerst tot -10oC moet worden gekoeld voordat de sneeuw zich uitkristalliseert. Maar sinds is ontdekt dat de bacterie Pseudomonas syringae in zijn buitenste membraan een eiwit aanmaakt dat de kristalvorming van ijs bevordert, worden tegenwoordig ook gevriesdroogde bacteriën aan de sneeuwkanonnen toegevoegd. De temperatuur waarbij de kunstmatig opgewekte sneeuw kan worden gemaakt, is daardoor toegenomen tot -3oC. De bacteriën worden onder de handelsnaam Snomax op de markt gebracht. Een gemiddeld wintersportgebied heeft 100 tot 500 kg bacteriën nodig heeft om in één seizoen 400 miljoen liter water om te zetten in kunstmatige sneeuw.

Zijn er ook gevaren verbonden aan het gebruik van bacteriële sneeuw? Bacteriologen zeggen van niet. Pseudomonas syringae komt zo veelvuldig voor dat gemiddeld 40 organismen van worden aangetroffen in elke kubieke meter lucht op de wereld. Een enkel tomatenblad huisvest soms wel 10 miljard van deze bacteriën. Een studie verricht in opdracht van de Canadese regering wees uit dat als alle Canadese ski resorts gebruik zouden maken van Snomax, het aantal levende bacteriën dat zou vrijkomen niet meer zou zijn dan het gewone aantal op 100 blaadjes van een tomatenveld. Het product wordt daarom nu overal ter wereld toegepast.

Maar nu terug naar de sneeuwkristallen zelf. Want daarvan bestaan zeer veel vormen, waarvan een groot aantal inmiddels fotografisch is vastgelegd. Het leeuwendeel daarvan is zespuntig of zeshoekig, zoals al in de winter van 1610 door de Duitse sterrenkundige Johannes Kepler werd opgemerkt. Floculi sexanguli villosis radiis noemde hij ze: zeshoekige vlokjes, met van haartjes voorziene stralen. Kepler liep in die tijd door de straten van Praag en werd gekweld door de gedachte nog geen passend nieuwjaarsgeschenk voor de keizer, zijn opdrachtgever, te hebben gevonden. Het sneeuwde, en de sneeuwvlokken vielen op Keplers jas. Die zag nu een ideale mogelijkheid zijn verplichting tegenover de keizer na te komen door het aanbieden van een verhandeling over de zeshoekige sneeuwvlok.

Op een sneeuwdag in Praag raakte Johannes Kepler (1571-1630) in de ban van de vraag waarom sneeuwvlokken altijd zeshoekig zijn. Geertje Dekkers legt op Wetenschap101 uit hoe deze observatie naadloos pastte in Keplers ideeën over de goddelijke geometrie van de kosmos.

Keplers idee was dat de regelmatige, zeshoekige vorm van sneeuwkristallen misschien iets te maken kon hebben met andere regelmatige zeshoeken die in de natuur voorkomen. Dat was nog niet eens zo slecht bedacht, want tegenwoordig is bekend dat inderdaad veel kristallen zeshoekige vormen kennen, waaraan de hexagonale (zeshoekige) bolstapeling ten grondslag ligt. Leg in een vlak immers zeven bollen zo dicht mogelijk, en symmetrisch tegen elkaar. Dan is er één bol in het midden, en zijn er zes omheen. Sneeuw heeft echter weinig met bolstapeling te maken. Watermoleculen (H2O) zijn geen bollen. Het zijn eerder driehoekige lichaampjes. Bovendien bestaat er ook sneeuw in de vorm van rechthoekige prisma’s. Al vallen die door hun eenvoudige vorm veel minder op dan het prachtige, zespuntige kristal.

Foto van een sneeuwkristal (zeshoekig plaatje) gemaakt met een elektronenmicroscoop. Courtesy: Eric F. Erbe / www.anri.barc.usda.gov/emusnow/

“Zijt gij doordrongen tot de schatkamers van de sneeuw, en hebt gij de schatkamers van de hagel gezien?” vraagt de Bijbel zich af in Job 38:22. In 1885 was het de Amerikaan Wilson A. Bentley die daadwerkelijk de schatkamers van sneeuw en ijs binnentrad. Hij koppelde zijn camera via een rekbare balg aan een microscoop met een kleine vergrotingsfactor (sneeuwkristallen zijn één tot tien millimeter in doorsnede), en die hele opstelling bracht hij buiten op een beschutte plek. Op een stuk zwart karton ving hij wat vlokken op. Die bracht hij zo snel mogelijk in veiligheid, buiten het bereik van de wind. Met een vergrootglas bekeek hij of er interessante kristallen tussen zaten. Als dat het geval was, peuterde hij met een splinter een exemplaar los, en bracht dat over op een stuk microscopeerglas. Dit werd voor de cameraopstelling geplaatst, met de wolkenlucht als achtergrond. De cameralens werd ongeveer twintig seconden opengezet (in die tijd was de filmgevoeligheid nog minimaal). Zo ontstonden één voor één de fotografische indrukken. Na 45 winters van onafgebroken fotograferen publiceerde Bentley in 1931 zijn klassiek geworden Snow Crystals. In dat boek staan bijna 2500 verschillende sneeuwkristallen.

Wilson A. Bentley bij zijn camera-opstelling voor het fotograferen van sneeuwkristallen.

Bentley was verre van een theoreticus. Maar aan de hand van zijn werk konden sneeuwkristallen eindelijk in soorten en groepen worden gerubriceerd. Zo blijken bij wolkentemperaturen van 0oC tot -3oC bijna uitsluitend dunne, zeshoekige plaatjes te ontstaan. Bij -3oC tot -5[^ o^]C dwarrelen fijne naaldjes op het aardoppervlak neer. Bij -8oC tot -12oC zien we weer zeshoekige plaatjes. Alleen de sneeuw die geboren wordt bij -12oC tot -16oC is veel uitbundiger van vorm. Zoiets speelt zich meestal af in het voorste front van een sneeuwbui, en dan vallen de prachtigste, langs zes punten vertakte sterren naar beneden. Bij nog lagere temperaturen wordt de relatieve luchtvochtigheid te laag en is er nog maar weinig waterdamp voorhanden om de kristallen te versieren. Van -16oC tot -25oC zien we daarom weer zeshoekige plaatjes, en van -25oC tot -50oC eenvoudige, holle prisma’s. Op Antarctica, waar de temperatuur aan het oppervlak vaak beneden –50oC daalt, zweven in de winter voortdurend ijskolommetjes en – naaldjes door de lucht. Zuidpoolonderzoekers noemen dit gewoonlijk ‘diamantstof’ vanwege de glinstering en vanwege het striemende karakter van de kristalletjes als plotseling de wind opsteekt.

Indeling van de belangrijkste typen sneeuw en hun meteorologisch symbool. klik op afbeelding voor vergroting

Het sterk vertakte kristal hierboven maakte een geleidelijke val en kon daardoor uitgroeien tot een prachtige boomstructuur of dendriet.

Een dun, zeshoekig sneeuwplaatje, onstaan bij een wolkentemperatuur van 0oC tot –3oC.

Elk sneeuwkristal verraadt zijn herkomst door zijn typische structuur.Dit puntige kristal viel door een zeer koude wolk met een sterke thermiek. De vorm veranderde telkens van afgeplat tot naaldachtig.

Elke sneeuwvlok bestaat uit tientallen kristallen. Een sneeuwvlok van 4 cm in doorsnede bevat er zo’n tienduizend. En dan hebben we het nog niet eens over de reuzenvlokken die soms in Siberië vallen. Die hebben doorsneden van zo’n 12 cm! Het wereldrecord staat op naam een vlok die in 1971 in het Siberische Bratsk viel. De vlok had een afmeting van 20 bij 30 centimeter en was dus ongeveer zo groot als een stuk briefpapier van A4-formaat. Vermoedelijk kwam hij die vlok met een plof op de grond.

Kan iedereen sneeuwkristallen uit vlokken halen en die bestuderen? Sneeuwkristallen zijn heel gevoelig voor warmte en smelten bij de geringste aanraking of verkeerde richting van de adem. Vincent J. Schaefer van het Atmospheric Sciences Research Center in Albany, New York, had daar al in 1941 iets op gevonden. Hij gebruikte een één- tot tweeprocents oplossing van polyvinylformal in 1,2 dichloorethyleen en kreeg zo een vloeibare, maar snel uithardende plastic. Sneeuwkristallen die op een microscopeerglaasje met het mengsel werden gelegd en nog met een klein druppeltje ervan werden bedekt, gaven zo een perfecte afdruk. “Gesandwiched tussen de dunne laagjes plastic smolten de kristallen en verdampten toen totaal,” schreef Schaefer. “Zo bleef er een permanente afdruk van hun structuur bewaard. Vanaf dat moment waren de kristallen voor altijd van mij.” Tegenwoordig wordt door sneeuwfotografen ook wel haarlak op aërosolbasis gebruikt, die (afgekoeld op buitentemperatuur) op het glas van een diaraampje wordt gespoten. Als daarop een sneeuwkristal wordt gelegd en vervolgens met nog een laagje haarlak wordt bespoten, krijgen zij eenzelfde resultaat.

Eric Erbe en W.P. Wergin van het Amerikaanse Henry A. WallaceBeltsville Agricultural Research Center-East, Plant Sciences Institute, fotografeerden sneeuwkristallen met een elektronenmicroscoop. Zij legden sneeuwkristallen in hun meest fantastische vormen vast.

Rest nog steeds de vraag waarom sneeuwkristallen voor het merendeel zeshoekig zijn. Daarover zijn de meningen verdeeld. Sommigen wijten het aan de zesvoudige structuur die ontstaat onder invloed van de zuurstofatomen in de watermoleculen. Anderen wijzen erop dat er ook driehoekige kristallen bestaan en dat het sneeuwkristal als gevolg van de drie-atomige opbouw van het watermolecuul in het diepst van zijn wezen drietallig is. In dat geval zouden de zeshoeken en zespunters opgebouwd zijn uit twéé vrieskernen die in een vroeg stadium aan elkaar zijn verkleefd en gezamenlijk verder zijn uitgegroeid. Elke winter weer dwarrelen ze als Siamese tweelingen naar beneden.

Kunstmatige maken van sneeuwkristallen:

Bewaren van sneeuwkristallen:

Dit artikel is een publicatie van Astronet.
© Astronet, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 09 januari 2003

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.