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10/12/2006

Is it "global warming" or "new ice-age"?

For me this is a new record - first snowfall on October 12th. It lasted only 15 minutes, and it didn't stick either, but it was definitely real snow.

Just the other day we heard the weather forecast, and didn't really believe it was actually going to snow. Snow in October was last recorded in Fort Wayne in 1942. So, is that good or bad? Like always, it's good for some people, and bad for others.  

 

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Schnee entsteht, wenn sich in den Wolken feinste Tröpfchen unterkühlten Wassers an Kristallisationskeimen (zum Beispiel ein Staubteilchen) anlagern und dort gefrieren. Dieser Prozess setzt jedoch in der Regel erst bei Temperaturen unter -10 °C ein, wobei noch bis -40 °C auch flüssiges Wasser existiert. Die dabei entstehenden Eiskristalle, weniger als 0,1 mm groß, fallen durch zunehmendes Gewicht nach unten und wachsen durch den Unterschied des Dampfdrucks zwischen Eis und unterkühltem Wasser weiter an. Auch resublimiert der in der Luft enthaltene Wasserdampf, geht also direkt in Eis über und trägt damit zum Kristallwachstum bei. Es bilden sich die bekannten sechseckigen Formen aus. Wegen der besonderen Struktur der Wassermoleküle sind dabei nur Winkel von 60° bzw. 120° möglich.

Die unterschiedlichen Grundformen der Schneekristalle hängen von der Temperatur ab – bei tieferen Temperaturen bilden sich Plättchen oder Prismen aus, bei höheren Temperaturen sechsarmige Dendriten (Sterne). Auch die Luftfeuchtigkeit beeinflusst das Kristallwachstum.

Herrscht eine hohe Thermik, so bewegen sich die Kristalle mehrfach vertikal durch die Atmosphäre, wobei sie teilweise aufgeschmolzen werden und wieder neu kristallisieren können. Dadurch wird die Regelmäßigkeit der Kristalle durchbrochen und es bilden sich komplexe Mischformen der Grundformen aus. Sie weisen eine verblüffend hohe Formenvielfalt auf, so dass landläufig behauptet wird, es gäbe keine zwei identischen Schneekristalle. Über 6.000 verschiedene Kristallformen wurden 1962 von Bentley und Humphreys gezählt. Wenn sich Schneekristalle bilden, steigt in der Wolke auch die Temperatur, denn beim Gefrieren geben die Kristalle Wärme ab, während sie beim Verdampfen Wärme aufnehmen.

Ebenso verblüffend wie die beobachtete Formenvielfalt ist ihre ausgeprägte Symmetrie, die Schneekristallen eine hohe Selbstähnlichkeit verleiht und sie zu einem Vorzugsbeispiel der fraktalen Geometrie werden ließ (Koch-Kurve). Die verschiedenen Verästelungen wachsen in einem Exemplar stets in derselben Weise und offenbar mit ähnlicher Geschwindigkeit, auch wenn ihre Spitzen, an denen sie weiter wachsen, oft mehrere Millimeter auseinander liegen. Ein möglicher Erklärungsversuch, der ohne Annahme einer Wechselwirkung über diese Entfernung hinweg auskommt, besteht in dem Hinweis, dass die Wachstumsbedingungen an verschiedenen vergleichbaren Keimstellen an den Spitzen zu gleichen Zeitpunkten sicherlich immer recht ähnlich sind. Eine detaillierte Darstellung zu diesem Thema findet sich in einem am Schluss des Artikels angegebenen Weblink.

Die größte Komplexität der Schneekristalle zeigt sich bei einer hohen Luftfeuchtigkeit, da diese auch noch filigraneren Strukturen das Wachsen ermöglicht. Bei weniger als -30 °C schneit es meist nicht mehr, da die Luft dann zu trocken ist, um noch Schneekristalle zu bilden. Es können allerdings unter Umständen Wolken mit bereits augebildeten Schneekristallen durch Advektion herangeführt werden. Derartige Schneewolken sind grundsätzlich dunkel, denn je größer die Wolke, desto größer ist auch die Feuchtigkeit. Somit lässt die Wolke weniger Licht durch und wird dunkler.
Liegt die Lufttemperatur nahe am Gefrierpunkt, so werden die einzelnen Eiskristalle durch kleine Wassertropfen miteinander verklebt und es entstehen an einen Wattebausch erinnernde Schneeflocken. In starken Schauern kann es allerdings auch bei Temperaturen um 5 Grad oder noch etwas darüber schneien. Andererseits kommt es vor, dass auch bei unter Null Grad Regen fällt, dann als gefrierender Regen. Für diesen Effekt wird in manchen Medien der irreführende Begriff Blitzeis verwendet (mit der Wettererscheinung Blitz hat gefrierender Regen aber nichts zu tun). Diese Komponenten hängen von Struktur und Schichtungsstabilität der oberen und unteren Luftschichten, von geographischen Einflüssen sowie Wetterelementen wie zum Beispiel Kaltlufttropfen ab. Bei tiefen Temperaturen bilden sich nur sehr kleine Flöckchen, der so genannte Schneegriesel.

Schneeflocken enthalten bis zu 95 % Luft. Die Luft sorgt für eine geringe Dichte der Schneeflocke, weswegen sie mit Geschwindigkeiten von etwa 0,2 m/s herunterfällt, also verhältnismäßig langsam.

Auch die weiße Farbe des Schnees liegt ebenfalls darin begründet, dass der Schnee aus Eiskristallen besteht. Jeder einzelne Kristall ist - wie Eis als solches - transparent; das Licht aller sichtbaren Wellenlängen wird an den Grenzflächen zwischen den Eiskristallen und der umgebenden Luft reflektiert und gestreut. Eine ausreichend große Ansammlung von Eiskristallen mit zufälliger Lagebeziehung zueinander führt damit insgesamt zu diffuser Reflexion; Schnee erscheint daher weiß. Ein ähnlicher Effekt ist beispielsweise auch bei Salz beim Vergleich von Pulver und größeren Kristallen zu beobachten.

Die größte je gesehene Schneeflocke hatte einen Durchmesser von zwölf Zentimetern. Meist sind es aber nur fünf Millimeter bei einem Gewicht von 0,004 Gramm. Je höher die Temperatur wird, desto größer werden die Flocken. Wird es wärmer, schmelzen die Kristalle und verkleben zu großen Flocken.

Eine Schneeflocke sinkt mit einer Geschwindigkeit von 0,9 km/h auf die Erde (zum Vergleich: Regen fällt mit 36 km/h). Fällt eine Schneeflocke auf Wasser, dann erzeugt sie aufgrund der in ihr eingeschlossenen Luftblasen einen schrillen hohen Ton mit einer Frequenz von 50 bis 200 Kilohertz, der für Menschen unhörbar, aber dafür unangenehm für viele Fische ist.


Schneekristalle, wie auch alle anderen irregulär geformten Objekte, tendieren dazu, mit ihrer flachesten Seite nach unten zu fallen. Dies erscheint zunächst unlogisch, weil man ja denken würde, dass Objekte sich so orientieren müssten, dass sie sich mit dem geringsten Widerstand durch die Luft bewegen.

Wenn die flache Seite der Schneeflocke exakt parallel zur Fallrichtung wäre (geringster Widerstand), würde sie auch dort bleiben. Allerdings ist es sehr wahrscheinlich, dass sie sich während ihres Falles aufgrund von kleinen Störungen (Turbulenzen) einmal zur Fallrichtung neigt. Somit erfährt die Schneeflocke, aufgrund der sie umströmenden Luft, ein Kräftepaar wegen der grösseren Strömungsgeschwindigkeiten an den äusseren Enden. Dieses Kräftepaar dreht dann die Schneeflocke so, dass ihre flache Seite nach unten Zeigt (Ebene der grössten Ausdehnung der Flocke normal zur Fallrichtung). Dem selben Mechanismus folgen ein fallendes Blatt von einem Baum, ein fallengelassenes Blatt Papier, Rayleighsche Scheibe zur Messung der Schallgeschwindigkeit, etc.

Eine andere Auswirkung von Turbulenzen ist, dass Schneeflocken und andere Objekte dazu tendieren, einander einzuholen. Ein Schneekristall, der in die Wirbelzone einer anderen gerät, kann darin schneller fallen, so dass er mit dieser kollidiert und verklumpt. Der gleiche Effekt wird von Motorradfahrern genutzt, die im Windschatten fahren, und erlaubt Vögeln in V-Formationen energetisch günstiger zu fliegen als alleine. Ob der genannte Effekt der turbulenten Strömung eintritt oder nicht, hängt vom Objekt und dem Medium ab, in dem es sich bewegt. Beispielsweise erzeugen Staubkörner in Luft und Stahlkugeln in Honig in der Regel keine Verwirbelungen.


Schnee schmilzt bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Wassers, also bei 0 °C, aber auch durch Sonnenbestrahlung. Hier ist auch Sublimation möglich, das heißt ein direkter Phasenübergang von Schnee zu Wasserdampf ohne dass der Schnee schmelzen würde. Je trockener die Luft ist, umso weniger schmilzt der Schnee, da der übrige Schnee durch die Sublimationskälte gekühlt wird.

Wegen des hohen Luftgehaltes auch des am Boden verfestigten Schnees bleiben beim Schmelzen der Schneebedeckung die flächenhaften Überschwemmungen aus. Das Wasser, das durch Flüsse abtransportiert wird, kann aber in den Flusstälern zu den bekannten Frühjahrsüberschwemmungen führen, weil der Schnee aus einer sehr großen Fläche taut und sich in den relativ schmalen Flussbetten als Wasser sammelt.


Mit freundlichen Grüßen

Peter Pechstein

Posted by: Peter Pechstein | 10/14/2006

Thanks, Peter for your very interesting information about snowflakes! Especially the detail about *noise* that is annoying for fish.

I love it!

Posted by: Karin | 10/14/2006

Hallo Karin, es hat mich sehr gefreut, Dich über den Schnee aufzuklären. Was macht übrigens jetzt Deine Tochter in München? Hast Du keine Angst, daß Sie dort auf den Strich geht?

Gruss

Peter Pechstein

Posted by: Peter Pechstein | 10/14/2006

Hello Peter,

my daughter is very happy to be back *home* in Munich. She is going to the same school, living in the same neighbourhood, seing her friends every day, and under *lose control* from her dad.

I am not the least worried about her, she is a smart young woman. We *talk* every day, via emails and chat. I call her on the phone at least one hour per week.

To be frank - I am very proud of her! The way she takes her life in her own hands and follows thru with her own plans, that is exactly what I have tried to teach her. It's a pleasure to see the results of my education.

Yours,

Karin

Posted by: Karin | 10/15/2006

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