Lille snøfnugg

Snøflakets intrikate og vakre symmetri har en egen evne til å pirre nysgjerrigheten. Hvordan blir snøkrystallene til? Fortsatt forstår vi dem ikke helt.
5.2 2008 05:00

Klikkbart bilde til bildeviser

Svetten renner, ryggen verker, og du lar snøskuffa pløye ned i det hvite og kalde som har lavet ned fra himmelen. Titter du nærmere på det du skuffer vekk, kan det hende at du glemmer bort hele jobben.

Vi dekorerer vinteren med dem, som neonlys eller papirfigurer, fordi vi synes de er fine. Snøkrystallene har fascinert menneskene i uminnelige tider, og i flere hundre år har forskere forsøkt å forklare hvorfor de blir som de blir.

Datamodell

Hvert enkelt lite snøflak bærer nemlig på en sammensatt fysikk som styrer iskrystallenes vekst og utvikling i forskjellige værforhold.

Nå har to amerikanske forskere laget en datamodell som leverer realistiske tredimensjonale snøkrystaller, som de kaller “snowfakes”.


“Et snøflak vokser frem - i en datamodell.”

Snøflakmodellene har en lang historie. Bak dem ligger en undring over naturens mønster, og en søken etter enkle prinsipper som kan skape dem.

- Det finnes ikke to snøflak som er helt like, men de kan være veldig like, sier Janko Gravner, professor i matematikk ved University of California Davis.

Klikkbart bilde til bildeviser

Sammen med David Griffeath ved University of Wisconsin-Madison har han laget en datamodell som bruker 24 timer på å lage én krystall, mens det kan skje på 10 minutter der ute i lufta.

- Det de har gjort er utrolig vakkert, sier Ola Nilsen ved Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo. Han er opptatt av snøkrystaller, men på hobbybasis, som han sier selv. Egentlig jobber han med tynne filmer, og hvordan bygge materialer opp atomlag for atomlag.

- Is som system viser nesten alle vekstmekanismer i ett og samme materiale. Dette gir en stor frihet og variasjon. Snøkrystallene er fantastisk forskjellige, sier han.

 

Nilsen påpeker at de amerikanske forskerne har brukt en kjent fremgangsmåte, men at detaljnivået er overlegent.

Tallet er seks

Snøflak vokser fra vanndamp rundt en eller annen slags partikkel i luften, for eksempel et lite støvkorn.

Vannmolekylene i iskrystaller plasserer seg i et bestemt mønster, nemlig i sekskantede prismer.

En blyant er et eksempel på et veldig langt sekskantet prisme.

Dette er grunnen til at alle snøkrystaller har seks armer, og at vinkelen mellom to armer alltid er 60 grader. Nilsen er derfor ikke spesielt imponert over formen på mange av snøkrystallene vi dekorerer vinteren med.

- Disney bruker nesten bare åttetallige snøkrystaller. På Karl Johans gate i Oslo og Gardermoen flyplass finner du bare femarmede snøkrystaller. På Tveita har dekorasjonene fem armer på forsiden, og åtte armer på baksiden. Helt utrolig! sier han.

Vandrende vannmolekyler

Når den første lille vanndråpen har krystallisert seg et sted kanskje 20 kilometer oppe i lufta, kan den vokse og bli større ved at vannmolekyler i lufta rundt treffer overflaten og fester seg.

Vannmolekylene fester seg imidlertid ikke akkurat der de treffer overflaten på krystallen. De vandrer nemlig rundt til de finner en plass de liker. Kanter og kroker gir for eksempel flere bindinger til krystallen enn på en plan overflate. Slik blir det en orden i krystallens overflate, og det dannes en sekskant.

Men hvordan oppstår stjerneformen? En krystall som vokser, bruker opp vannmolekylene i de nærmeste omgivelsene. Hjørnene på krystallen stikker alltid lengst ut og får da bedre tilgang på vannmolekyler enn resten av krystallen. Hjørnene vokser derfor raskere, og danner etter hvert krystallens armer.


“Denne snøkrystallen er dyrket frem i laboratoriet til Kenneth G. Libbrecht ved Caltech.”

Armene har også hjørner, som i sin tur vil vokse raskere enn flatene, og dermed dannes forgreninger på krystallarmene når forholdene ligger til rette for det.

Symmetri

Ved høy luftfuktighet dannes snøkrystaller med meget kompliserte armer. Ved lav luftfuktighet vokser krystallen så sakte, at vannmolekylene også får tid til å feste seg midt på flatene. Dette gir prismelignende snøkrystaller uten armer.

Når vi lager dekorasjoner med snøkrystallform, er de som regel symmetriske. De fleste snøkrystallene er imidlertid ikke helt symmetriske.

 

- Det er de symmetriske krystallene vi samler på, fordi det er de vi synes er pene, sier Nilsen.

Snøflaksymmetrien kan likevel være forbløffende. Hvorfor blir armene så like? Tidlige teorier gikk ut på at de seks armene snakket med hverandre, men dette har vitenskapen gått bort fra.

Snøkrystallene er små. Når et snøflak daler ned, kan det passere gjennom luftlag med forskjellig luftfuktighet og temperatur, men fordi det er lite, vil armene på krystallen hele tiden føle de samme forholdene, og vokse likt.

Søyler og nåler

Det klassiske snøflaket er flatt og stjerneformet, men det finnes også mange snøkrystaller som er formet som lange søyler eller tynne nåler.

Dette henger sammen med at sidene på den sekskantede snøkrystallen har litt andre egenskaper enn toppen og bunnen. Vannmolekylene har forskjellig evne til å feste seg på de to flatene, og dette forandrer seg med temperaturen.


“Her kan du se hvilke typer snøflak som dannes ved forskjellig temperatur og luftfuktighet.”

Fra 0 til minus 4, og fra minus 10 til omtrent minus 25 grader celsius, er det lettere for vannmolekylene å feste seg på sideflatene enn på toppen og bunnen. Under slike forhold dannes det altså plater.

Ved andre temperaturer foretrekker vannmolekylene topp- og bunnflatene, og det dannes søyleformede snøkrystaller.


“Når vi tenker på snøkrystaller, ser vi dem gjerne for oss symmetriske, stjerneformede. Her er et par nåler, som faktisk er en av de vanligste typene snøkrystaller.”

Unike

Snøen som daler vil passere gjennom ulike luftlag, og det er denne ferden som gjør at hver og en av dem er forskjellige.

Ingen av dem har vært gjennom den samme reisen fra de ble dannet til de lander på armen din.

Formen på snøkrystallen gjenspeiler alle miljøforandringene den har vært gjennom, og kan faktisk fortelle mye om forholdene oppe i atmosfæren.

I forbindelse med Polaråret, har den amerikanske romfartsorganisasjonen Nasa satt i gang Global Snowflake Network.

Den som ønsker det kan registrere formen på snøflakene som faller i nærområdet, og sende informasjonen inn til Nasa via nettet. Informasjonen kan bidra til å spore snøværet globalt.


“Denne inndelingen i 80 forskjellige typer snøkrystaller, er hentet fra E. R. LaChapelles Field Guide to Snow Crystals fra 1969.”

Det finnes så mange forskjellige snøkrystaller, at det er utarbeidet et eget klassifiseringssystem. I dag inneholder dette systemet 80 forskjellige snøkrystallklasser.

Forenkling

I en enkelt snøkrystall kan det være opp til en milliard milliarder vannmolekyler. Det er mer enn hva modellene kan klare i dag.

- Det er for mange til at vi kan spore hvert av dem, så vi har gjort en tilnærming og delt rommet opp i mikroskopiske klumper på noen få mikrometer, sier Gravner.

 

- For en matematiker er snøflakene en veldig interessant utfordring, siden de ikke kan modelleres ved å følge hvert enkelt vannmolekyl, og den tradisjonelle tilnærmingen innen fysikken har feilet, sier han.

Gavner og Griffeath sammenlignet snøflakene de genererte i datamaskinen med en samling av 8 000 fotografier av snøkrystaller tatt av fysikeren Ken Libbrecht ved California Institute of Technology.

Datamodellen klarer å reprodusere alle de 80 forskjellige klassene av snøkrystaller, og selve vekstprosessen i datamaskinen ligner snøflak som dyrkes i Libbrechts laboratorium.

Likevel skjønner ikke forskerne seg helt på sammenhengen mellom værforholdene ute i virkeligheten, og parameterne de har lagt inn i sin egen datamodell.

- Dette overrasker meg ikke. Verden utenfor modellen inneholder også forurensninger som kan bidra stort til vekstmekanismene, sier Nilsen.

Skjønnheten og nytten

Selv om det er lett å forstå hvordan snøkrystallenes vesen i seg selv kan sette i gang utforskingstrangen hos en forsker, kan det også komme noe nyttig ut av denne forskningen.

Krystallvekst er en milliardindustri, og her er mye av dynamikken felles med veksten av snøkrystaller. Mange metall-legeringer krystalliserer på lignende måter, og forskerne tror simuleringsmetodene kan benyttes her.

- Faktisk har krystallene i sukkerpakka og bordsaltet ditt hjemme blitt optimalisert gjennom lignende forskning, sier Nilsen.

Innen nanoteknologien er det mange som er opptatt av hvordan kjemiske og biologiske prosesser kan danne små strukturer av seg selv. IBM har for eksempel allerede benyttet denne typen teknologi til å lage raskere og mer effektive databrikker.

Litt paradoksalt er det kanskje at alle disse strukturene er unike i naturen, mens forskerne som jobber med å bruke dem i industrien, helst vil lage produkter som er helt like.


“Det samme datagenererte snøflaket, i to forskjellige fremstillinger.”

Til tross for nytteverdien, er det nok først og fremst forskerens fascinasjon som driver denne typen grunnforskning.

- Snøflakene er selvfølgelig fascinerende objekter, siden en stor variasjon i form resulterer fra relativt enkle underliggende prinsipper. Slike forbindelser har alltid opptatt matematikere, sier Gavner.

- Jeg er interessert i snøkrystaller mest fordi de er pene. Jeg har den samme fascinasjonen for livløse materialer som gror, som andre har for blomster som gror, sier Nilsen.

Referanse:

Janko Gravner og David Griffeath; Modeling snow crystal growth III: three-dimensional snowfakes; foreløpig versjon, november 2007.

Lenker:

Gravner & Griffeath; Gravner-Griffeath Snowfakes
University of California Davis: Math Models Snowflakes
Ola Nilsen: Snøkrystaller
Kenneth G. Libbrecht: SnowCrystals.com
NASA: Global Snowflake Network

Annonse

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.

Studer snøkrystallene selv

Hvorfor ikke ta frem forstørrelsesglasset for å studere snøflakene selv? Litt optikk kan hjelpe mye, og det holder med et billig forstørrelsesglass.

De vakreste snøflakene finnes ikke i alle snøbyger, men med litt tålmodighet vil ett av dem lande på armen din.

Litt mer avanserte snøflakkikkere vil kanskje prøve seg med et mikroskop. Du kan la snøflakene lande på et pappstykke, og når du ser en interessant krystall, kan du løfte den opp med en liten malepensel og legge det på objektglasset.

Det lønner seg å lage en liten papirplattform å legge glasset på, så krystallen ikke smelter i varmen fra lyspæra i mikroskopet.

Dersom snøkrystallene er små, kan du la dem falle direkte på objektglasset.

Kilde: Kenneth G. Libbrecht

Se snøflaket vokse

Ved å følge denne lenken kan du selv se snøflaket over vokse frem i laboratoriet.

Kilde: Kenneth G. Libbrecht

Lag en snøflakfossil

Er du først i gang med et mikroskop for å se på snøkrystallene, kan du også bevare dem ved hjelp av litt superlim.

Du trenger objektglass, dekkglass og superlim av den tyntflytende typen. Når du har kommet deg ut, må glassene kjøles ned så de har samme temperatur som luften.

Så kan du samle snøkrystaller på et stykke papp, og lete etter et vakkert eksemplar. Du plukker det opp med en malerpensel og legger det på ett av objektglassene.

Så slipper du en dråpe superlim på snøkrystallen, og legger dekkglasset over. Her må du være ganske forsiktig så krystallen ikke skades. Putt dette i fryseren i en uke eller to, til limet stivner.

Kilde: Tryggvi Emilsson/Kenneth G. Libbrecht

Annonse

Annonse