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Schnee

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Wenn weißer Schnee in Farben funkelt

schneefunkeln_dscf9606abrvH. Joachim Schlichting. Spektrum der Wissenschaft 3 (2017), S. 54 – 55

Ein jedes Stückgen Eis, ein jeder kleiner Hügel
Schien recht ein klarer Sonnen-Spiegel

Barthold Heinrich Brockes (1680–1747)

Einzelne Eiskristalle sind durchsichtig. Gerade diese Eigenschaft lässt Schnee weiß erscheinen – und unter den richtigen Bedingungen sogar bunt glitzern. Weiterlesen

Das rettende Netz

schneegriesel_dsc08637rvNach einigen Tagen mit Temperaturen über 0 °C, zieht wieder kältere Luft ein. In ihrem monochromen Grau in Grau sieht die Welt sehr schneeträchtig aus. Einige Schneegriesel schweben vom Himmel herab. Man sieht sie nicht aber man spürt sie als winzige Kryopiekser, wenn sie beim Schmelzen der Haut gewissermaßen punktförmig die dazu nötige Wärme entziehen. Weiterlesen

La belleza cristalina de los copos de nieve

schneefall_img_0280Schlichting, H. Joachim. Investigación y Ciencia 2 (2017)

¿Qué procesos determinan la estructura de estas maravillas de la naturaleza?

Desde un punto de vista puramente físico, el hielo y la nieve no son más que agua en estado sólido. Pero ¿qué aspectos nos aclara esta afirmación? Ni siquiera proporciona respuesta a la pregunta, tan simple como evidente, sobre el origen de la exuberante diversidad de formas que presentan los copos de nieve. ¿Cómo pueden el agua y el vapor amorfos dar lugar a estas bellezas cristalinas?

Tal y como nos recuerda una antigua canción infantil alemana, los copos de nieve caen de las nubes y recorren un largo camino. Si los tomamos con una mano enguantada para que no se derritan de inmediato, constataremos que, aunque es cierto que no hay dos copos iguales, todos ellos comparten una misma estructura hexagonal básica. Muy de cuando en cuando encontramos cristales de tres o de doce lados, pero nunca de cuatro u ocho. Siglos antes de nuestra era, el sabio chino T’ang Chin lo explicaba así: «Dado que el seis es el verdadero número del agua, cuando el agua se congela en flores, estas han de tener seis puntas».
En nuestra cultura, la estructura hexagonal de los copos de nieve no comenzó a suscitar interés hasta 1611, con el ensayo de Johannes Kepler Sobre el copo de nieve hexagonal. René Descartes también se maravillaba en su Meteoros, de 1637, de que los cristales de hielo siempre cumplieran ese principio estructural: «Eran pequeñas placas de hielo, muy planas, muy pulidas, muy transparentes, con un espesor como el de una hoja de papel algo gruesa, […] pero tan perfectamente talladas en hexágonos, con los seis lados tan rectos y los seis ángulos tan iguales, que para el hombre sería imposible hacer algo tan exacto». Con todo, los principios de crecimiento de los copos de nieve solo han comenzado a entenderse en las últimas tres décadas, gracias a disciplinas como la geometría fractal y a la mejora en nuestra comprensión de los procesos de autoorganización de sistemas de muchas partículas.

Hexágonos en la naturaleza
Las estructuras hexagonales no son nada inusuales en el mundo natural. Si colocamos varias bolitas de poliestireno del mismo tamaño sobre la superficie del agua y no demasiado lejos unas de otras, observaremos que se acercan entre sí y se juntan en pequeñas balsas con una disposición hexagonal. La razón es la tendencia de todo sistema a ceder tanta energía al entorno como sea posible. Las bolas de poliestireno lo logran formando estructuras hexagonales: si cada una se rodea de otras seis esferas, ocuparán la menor extensión de agua posible y minimizarán de este modo la energía superficial. Un principio de autoorganización similar puede aplicarse a las moléculas de agua. Estas también se unen para adoptar la configuración de menor energía posible, y también en este caso el resultado es una red cristalina con simetría hexagonal… (Weiter)

Schnee oder nicht Schnee – das ist hier die Frage.

waermeleitung_dsc07715_rvViele Vorgänge laufen im Verborgenen ab. Vielleicht ist es auch ganz gut so, weil wir ansonsten der Komplexität der Welt in noch stärkerer Weise ausgesetzt wären und uns noch mehr bemühen müssten, zu übersehen statt zu sehen. Dieser Gedanke kam mir, als ich gestern auf dem blauen Geländer unserer Eingangstreppe den liegengebliebenen Schnee in regelmäßiger Weise gemustert vorfand. Das Muster war sehr einfach: – – – -; womit ich sagen will, dass ein kurzes Stück Schnee sich mit einem kurzen Stück abwesenden Schnees abwechselte.
Warum schmolz der Schnee in dieser rhythmischen Weise? Das menschliche Vermögen, Muster zu erkennen, sucht sofort nach Verbindungen und entdeckt, dass die Streben des Geländers sich im selben Abstand wiederholen. Solche Übereinstimmungen gibt man nicht sofort auf. In diesem Fall wird man auch sofort fündig. Da das Schmelzen von Schnee auf die Zufuhr von Wärme angewiesen, die umgebende Luft aber offenbar noch zu kalt ist (Das Thermometer zeigt -1 °C an.), kommt nur die Strahlungsenergie der Sonne in Frage. Diese kann zwar auf direktem Wege kaum etwas ausrichten, da das Sonnenlicht weitgehend vom Schnee reflektiert und kaum absorbiert wird. (Das ist ein Grund dafür, dass der Schnee weiß ist.)
Aber indirekt kommt die Wärme dann doch zum Schnee. Indem das blaue  Metallgitter einen Teil der Sonnenenergie aufnimmt und in thermische Energie umwandelt, sich also erwärmt, setzt in dem gut Wärme leitenden Eisen sofort ein Wärmeleitungsvorgang ein, durch den die thermische Energie von den erwärmten zu den kühleren Stellen transportiert wird. Auf diese Weise kommt die Wärme auch zum Handlauf und erwärmt zunächst die Verbindungsstellen. Diese haben nichts Eiligeres zu tun, als dem ohnehin schon kurz vor der Schmelze stehenden Schnee die für den Übergang vom festen in den flüssigen Zustand nötige Energie zur Verfügung zu stellen.
Und ist erst einmal eine Stelle frei geschmolzen, sodass das blaue Metall auch der direkten Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, kommt es zu einer zusätzlichen Energiezufuhr. Die Schneeschmelze kann sich mit dieser Unterstützung ziemlich schnell zu den Seiten ausbreiten. Interessanterweise gefriert das abtropfende Wasser auf dem Boden gleich wieder zu winzigen Eiszapfen. Denn die Tropfen fallen nicht manchmal hier und manchmal dort, sondern bleiben in gewissen Grenzen bei dem einmal eingeschlagenen Weg. Wie es dazu kommt, wäre eine weitere Geschichte.
Damit solche subtilen Vorgänge in der hier geschilderten Weise stattfinden können, müssen die äußeren Bedingungen stimmen. Die Lufttemperatur sollte in der Nähe des Grenzübergangs von Fest nach Flüssig oder umgekehrt sein und es sollte ein deutlicher Unterschied bei der Wechselwirkung des Sonnenlichts mit dem Material – Schnee oder Metall – zur Wirkung kommen. Georg Christoph Lichtenberg würde hier vielleicht sagen: „Auf der Grenze liegen immer die seltsamsten Geschöpfe“. Naja, so seltsam sind die Muster nun auch wieder nicht. Aber sie können immerhin eine längere Geschichte von über 3000 Zeichen erzählen.

 

Schnee ist mehr als gefrorenes Wasser

schnee_tanne_img_6645_rvEs treibt der Wind
im Winterwalde
die Flockenherde wie ein Hirt
und manche Tanne ahnt,
wie balde
sie fromm und lichterheilig wird,
und lauscht hinaus.

Den weißen Wegen
streckt sie die Zweige hin bereit,
und wehrt dem Wind
und wächst entgegen
der einen Nacht der Herrlichkeit.

Rainer Maria Rilke (1875-1926)

Ein erstaunlicher Balanceakt in freier Natur

Eisskulpturen_en_miniatureDieses Foto bekam ich vor ein paar Tagen von einem Kollegen zugesandt. Ich finde es so schön und interessant, dass ich es auch jetzt noch – da ich mit dem Winter bereits abgeschlossen habe – hier zur Kenntnis geben und kurz beschreiben möchte. Zum einen kann ich mich der subtilen Ästhetik der filigranen, im Blau des Himmels leuchtenden Strukturen nicht entziehen, ohne es mit anderen zu teilen. Zum anderen erweist sich das Foto auch physikalisch als äußerst interessant. Weiterlesen

Der Winter ist zurück…

…und zeigt sich von der besten Seite.Der_Winter_ist_zurueck

Schon bei Sonnenaufgang werden die Dämmerungsfarben von den schneebedckten Bäumen weitgehend ungestört reflektiert. Der Schnee ist deshalb weiß, weil er das aus allen Spektralfarben zusammen gesetzte weiße Sonnenlicht weitgehend ungestört (diffus) reflektiert. Das ist bei anderen Oberflächen anders. Die grünen Nadeln der Bäume, absorbieren die Komplementärfarbe und das liegt im Wellenlängenbereich der Rottöne. Deshalb geben sie nur wenig Licht zurück und bleiben auch dort, wo sie vom Sonnenlicht getroffen werden, ziemlich dunkel und unterstreichen durch diesen Kontrast noch den rot aufflammenden Schnee (fast ein Oxymoron).
Der im Schatten liegende Schnee verhält sich entsprechend, indem er das blaue Himmelslicht reflektiert und daher blau aussieht. Oft erkennen wir das nicht, weil unser visuelles System aufgrund der Farbkonstanz die überwiegende Farbe als weiß definieren „möchte“ und damit in der Regel sehr erfolgreich ist. Weiterlesen

Zwischen weißer Pracht und Schmutzskulptur

SchneeskulpturSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 2  (2016), S. 48 – 49

Schneeflächen schmelzen oft ungleichmäßig und hinterlassen zahlreiche Vertiefungen. An den exponierten Stellen wiederum sammeln sich Verunreinigungen. Beide Prozesse hängen eng zusammen.

»Der Schnee ist eine erlogene Reinlichkeit.«
Johann Wolfgang von Goethe (1749 – 1832) Weiterlesen

Eine Bettdecke aus Schnee

SchneebettNicht nur äußerlich ähnelt der Schnee einem dicken Federbett. Luftig und leicht verringert dieses wie jenes die Wärmeleitung. Pflanzen die mit lockerem Schnee bedeckt sind, werden vor schwerem Frost geschützt, ebenso wie Federbetten die vom Körper durch Wärme an die Umgebung abgegebene Energie vermindern. Die Inuit leb(t)en in Iglus, um die isolierende Wirkung des Schnees auszunutzen. Auch wenn der Schnee selbst eine Temperatur unterhalb des Gefrierpunkts hat, sorgen die Lufteinschlüsse dafür, dass nicht die Wärmeleitfähigkeit des gefrorenen Wassers für den Wärmetransport durch den Schnee entscheidend ist, sondern die der Luft und die ist äußerst gering.

Allerding gibt es einen kleinen nicht unwesentlichen Unterschied zwischen Federn (die ebenfalls von der schlechten Wärmeleitfähigkeit der eingeschlossenen Luft profitieren) und Schnee: Schnee schmilzt bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt. Die isolierende Wirkung des Schnees kann also nur bei relativ niedrigen Temperaturen genutzt werden.

Dazu fällt mir ein kleines Rätsel aus Kindheitstagen ein:
Es fällt herab
vom Himmel.
sieht weiß aus
wie ein Schimmel,
ist wie ein Bettchen weich,
zerfließt wie Wasser gleich
und macht dann naß –
was ist das?

Stille Winterstraße

SchneewanderungEs heben sich vernebelt braun
Die Berge aus dem klaren Weiß,
Und aus dem Weiß ragt braun ein Zaun,
Steht eine Stange wie ein Steiß.

Ein Rabe fliegt, so schwarz und scharf,
Wie ihn kein Maler malen darf,
Wenn er’s nicht etwas kann.
Ich stapfe einsam durch den Schnee.
Vielleicht steht links im Busch ein Reh
Und denkt: Dort geht ein Mann.

Joachim Ringelnatz (1883-1934)

Der Wald – eine einzige Nadelarbeit

Schneestickerei„Im Winter bleibt der Wald wie angewurzelt stehen, könnte man sagen, wäre er nicht tatsächlich im Boden verwurzelt. Jede Unebenheit, jedes Relief, jedes Spinnenfädchen hat der Schnee sichtbar gemacht, jedes Ästchen ist weiß überstrichen, lauter winzige Kleinigkeiten sind zum Vorschein gekommen, die das Jahr über verborgen geblieben waren. Ein Baum ist nicht länger ein seitlich von ein paar Ästen verlängerter Stamm, sondern Hunderte zarter Gelenke und strichbreiter weißer, in den grauen Himmel gestickter Äderchen, überhaupt ist der ganze Wald in eine einzige feine Nadelarbeit verwandelt, ein sorgfältig angefertigtes, sauberes Häkeldeckchen, wie man sie sonst nur noch in Großmutters Wäscheschrank oder auf Flohmärkten findet“.

Weber, Anne: Besuch bei Zerberus; Suhrkamp Verlag, 2004

Nix als Schnee – Schnee und Nichts

Schnee_NixSchneeflocken sind kleine Kunstwerke, die jede für sich von einzigartiger Gestalt daherkommen. Lässt man Flocken auf die Hand fallen, um sie in all ihrer Schönheit betrachten zu können, muss man sich beeilen, weil sie in dem Maße verschwindet, wie man die Details aufnimmt. Und eh man sich versieht, ist da nix mehr. Schnee und Nix, vulgo Nichts, liegen also dicht beieinander. Im Lateinischen heißt Schnee „nix“. Diesen wohl eher zufälligen Zusammenhang hat schon im Jahre 1611 Johannes Kepler in einem Begleitbrief zu einem Neujahrsgeschenk an seinen Freund und Mäzen Johan Matthäus Wacker von Wackenfeld angesprochen. Das Geschenk selbst war eine Abhandlung über den sechseckigen Schnee „Strena seu de Nive sexangula“, die eine der ersten Schriften darstellt, in der die hexagonale Struktur der Schneeflocken angesprochen wird. In diesem Brief heißt es: Weiterlesen

Kristallene Schönheiten

SchneeflockenSchlichting, H. Joachim. Spektrum der Wissenschaft 1 (2015), S. 42 – 43

Damit aus Wasser eine Schneeflocke werden kann, müssen verschiedene Wachstumsprinzipien ineinandergreifen.

»… unter den Myriaden von Zaubersternchen …
war nicht eines dem anderen gleich … «
Thomas Mann (1875 – 1955)

Rein physikalisch gesehen sind Eis und Schnee nichts anderes als Wasser, das in den festen Aggregatzustand übergegangen ist, nachdem die Temperatur den Nullpunkt unterschritten hat. Aber was ist damit schon erklärt? Bereits auf die so naheliegende wie simple Frage, woher eigentlich die überbordende Vielfalt von Schneeflockenformen rührt, gibt diese Feststellung keine Antwort. Wie also werden aus amorphem Wasser und Wasserdampf kristallene Schönheiten?

Schneeflocken fallen aus den Wolken und haben einen langen Weg hinter sich, heißt es in einem alten Kinderlied. Wer sie mit der behandschuhten Hand auffängt, so dass sie nicht gleich schmelzen, stellt fest, dass zwar keine Flocke der anderen gleicht, sie aber alle eine sechseckige Grundstruktur gemeinsam haben. Sehr selten findet man drei- oder zwölfzählige Kristalle, aber niemals vier- oder achtzählige. Schon Jahrhunderte vor unserer Zeitrechnung erklärte der chinesische Gelehrte T’ang Chin: „Weil Sechs die eigentliche Zahl des Wassers ist, müssen die Blumen, zu der das Wasser gefriert, sechs Spitzen haben.“

In unserem Kulturkreis erlangt die hexagonale Struktur der Schneeflocken erst 1610 einige Aufmerksamkeit, nämlich durch Johannes Keplers Aufsatz „Über die sechszackige Schneeflocke“. Auch René Descartes bewundert in seinen „Météores“ (1637), wie Eiskristalle stets das Strukturprinzip der Hexagonalität einhalten: „Das waren kleine Klingen aus Eis, ganz glatt, intensiv poliert, ganz durchsichtig, ungefähr von der Stärke eines Blatts ziemlich dicken Papiers, (…) aber so perfekt in Sechsecke tailliert und deren sechs Seiten so gerade waren, die sechs Winkel so gleich, dass es den Menschen unmöglich ist, etwas so Exaktes zu machen.“ Besser verstanden hat man die Wachstumsprinzipien der Schneeflocken aber erst in den letzten drei Jahrzehnten, als Themengebiete wie die fraktale Geometrie und die Selbstorganisation von Vielteilchensystemen aufkamen. …

PDF: Kristallene Schönheiten

Rätselfoto des Monats Februar 2014

097_Abbildung im SchneeWie kommt es zu dieser Abbildung im Schnee?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Blatt als Wärmeabsorber

Stämme mit weißen Streifen

IMG_6649rv„In die Mitte der Stämme hat der Wind senkrecht weiße Streifen gemalt, angewehter Schnee, der nur auf einer Baumseite haftengeblieben ist. So sieht also der Winter aus: eine Verzierung? Eine Markierung? Eine Schrittfederung, eine Blendung, ein gnädiges In-Schweigen-Hüllen der Welt. Auf dem Weg, Eiswasserpfützen, Spuren von Mensch und Tier. Hunde drücken die vier mal fünf kleinen Polster ihrer Pfoten in das weiße Stempelkissen; ihr Urin brennt gelbe Löcher in die makellose Schneedecke. In den Baumkronen hängt zäher Nebel, als sei eine dicke Wolke nach langem Ringen plötzlich der Schwerkraft unterlegen und hier über diesem Wald, in die zum Himmel ausgestreckten, nackten, spitzen Äste wie in eine Nadelkissen abgestürzt. Da hängt sie nun und regt sich nicht, die Vögel sitzen am Boden und ziehen an übriggebliebenen Grashalmen, Stare fliegen auf, in einem Busch ist eine Blaumeise zugange; lauter unruhige, zarte, unauffällige Wunder.“

Weber, Anne; Besuch bei Zerberus; Suhrkamp Verlag, 2004; ISBN: 3-518-41606-5; S. 38

Welche Farbe hat der Schnee?

Farbe_Schnee„Schau mal, Galja! Warum schwimmt dort blauer Schnee?…Schau mal, Galja! Blauer Schnee! Blauer!…!
Die Kinder gerieten in Erregung und liefen feudig: „Blauer Schnee!! Blauer…Blauer Schnee schwimmt!..l.! Weiterlesen

Rätselfoto des Monats Januar 2013

084 SchneeschattenSchneeschmelze unter einer sonnenbeschienenen Pflanze

Welche physikalisch interessanten Phänomen sind zu beobachten und wie kommen sie zustande?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Rästselhafte Girlanden auf Weihnachtsbaumkugeln

Schneemuster auf Pflastersteinen

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 42/1 (2011), S. 47

Fällt Schnee auf ein Steinpflaster, so zeichnet er die Fugen und Steine nach. Doch während er in einem Fall auf den Steinen schmilzt, bleibt er im anderen Fall auf ihnen liegen. Welcher physikalische Mechanismus sorgt für dieses unterschiedliche Verhalten?