Snøkrystaller

Fra mn/kjemi/kjemiportal
Hopp til: navigasjon, søk

Snokrystall banner.gif

Innledning


Av Ola Nilsen, Kjemisk institutt, Universitetet i Oslo. [Hjemmeside]

Snokrystall-figur8.jpg

Vann er en forutsetning for liv på jorda, og i nesten alle situasjoner er vi omgitt av vann i en eller annen form. Vann er også den eneste forbindelsen vi alle kjenner i alle de tre aggregattilstandene: gass, væske og fast. Dessuten kan vann være vakkert, enten vi ser det som buldrende fosser, som stille sjøer eller, som vi skal se på her, i form av snøkrystaller.

Hver vinter dukker snøkrystallene opp, hvilket kan være til stor glede, men også forargelse. Ser vi nøye på dem ser vi at alle er forskjellige, men likevel med mange fellestrekk. Her skal vi se litt på hvorfor snøkrystallene er så like og likevel varierer så mye i form.


Hva er en krystall?

Snøkrystall Figur1.jpg


Fig. 1. Et ordnet indre fører også til en ordnet fasade. Dersom en krystall er bygget opp av heksagonale enheter vil en fasade slik som vist til høyre gi en lavere energi enn den til venstre. Den sistnevnte har en mye mer uordnet fasade.



Før vi ser nærmere på snøkrystallene bør vi se litt på hva en krystall er. Krystaller er faste forbindelser, men det er slett ikke alle faste forbindelser som er krystaller. Det som skiller krystaller fra andre forbindelser er at det eksisterer et indre ordnet mønster. Atomene eller molekylene som krystallen består av sitter i et regelmessig mønster. For å beskrive detaljene i en krystall så behøver en bare å beskrive den minste enheten som mønsteret består av og så beskrive hvordan disse enhetene er stablet. Dette blir omtrent på samme måte som med gulvfliser. Det finnes mange faste forbindelser hvor den indre oppbygningen ikke danner et ordnet mønster, to eksempler er glass og tre. En stein vil derimot ofte bestå av en mengde med små krystaller.

Et ordnet mønster gir en ordnet ”fasade”. Atomene/molekylene ordner seg i et regelmessig mønster fordi dette er en gunstig måte å spare energi på. På samme måte som systemet sparer energi ved at den indre strukturen ordnes, så sparer systemet også energi ved at overflaten danner et regelmessig mønster. Når overflaten er så ordnet som mulig vil krystallen få plane flater og spisse kanter. Dersom en krystall hadde hatt form som en kule, så ville store deler av overflaten hatt liten grad av orden, se Fig. 1. Den indre strukturen i krystallen er på denne måten med på å forme flatene som dannes. Fig. 1. Et ordnet indre fører også til en ordnet fasade. Dersom en krystall er bygget opp av heksagonale enheter vil en fasade slik som vist til høyre gi en lavere energi enn den til venstre. Den sistnevnte har en mye mer uordnet fasade.

Hvordan dannes snøkrystaller?

Snøkrystallen vokser når vann setter seg utenpå en allerede eksisterende krystall. På den måten kan de molekylene som allerede sitter i krystallen lede de nyankommne inn på rett plass slik at orden oppretholdes. Det å danne den første lille krystallen er ofte vanskelig fordi det mangler noe som kan fungere som en mal for hvordan vannmolekylene skal ordne seg. Den første krystallen vil derfor ofte dannes ved at vannmolekyler avsettes på faste forurensninger i luften. Dersom det ikke finnes partikler som vannmolekylene kan sette seg på må et stort antall vannmolekyler komme sammen og orientere seg som i en iskrystall. Sannsynligheten for at dette skal skje i ren atmosfære er så liten at selv om luften inneholder små væskedråper, vil disse først fryse til is når temperaturen blir – 40 °C. Krystalliseringen kan hjelpes ved å tilsette forurensinger, og spesielt virksomme er disse dersom de har et mønster som minner om iskrystallenes. For is fungerer dette fint ved å drysse ut pulver av sølvjodid over underkjølte skyer.

Når så den første lille krystallen er dannet, blir det neste spørsmålet hvorfor de vokser slik de gjør?

Det magiske tallet er seks

Alle snøkrystaller er ”seks-kantede”. Johannes Kepler (1611) prøvde i sin tid å forklare formen til snøkrystallene ut fra at de bestod av tett sammenpakkede bitte små iskuler (se Fig. 2a.). En slik pakking av små iskuler kan forklare hvorfor krystallene har sekskantet form, men vi vet nå at snøkrystallen ikke er bygget opp av små iskuler. I våre dager har vi byttet ut iskulene med små sekskantede prismer som er stablet tett inntil hverandre, se Fig. 2b. Iskrystallen består selvfølgelig ikke av slike prismer heller, men av vannmolekyler. Måten vannmolekylene er bundet sammen på er vist i Fig. 3. De danner sekskantede ringer som danner innmaten i prismene i Fig. 2b. At snøkrystallene blir sekskantede er nesten litt tilfeldig. Ved høyere trykk dannes is med annen symmetri enn den heksagonale vi er så kjennt med, og noen av de andre høytrykksformene ville kunne gitt firkantede snøkrystaller.

Dersom en krystall hadde bestått av så få prismer som den i Fig. 2b, ville den vært forsvinnende liten. Det er omtrent 1.300.000 prismer langs en enkelt arm på en snøkrystall som er 1 mm, og ikke 17 som i figuren.

Snøkrystall Figur2.jpg

Fig. 2. Til venstre vises en illustrasjon på hvordan Kepler tenkte seg at snøkrystallene er bygget opp ved pakking av kuler. Til høyre er den moderne modellen på oppbygning hvor kulene er byttet ut med sekskantede prismer. Dette er igjen en forenkling.


Snøkrystall Figur3.jpg

Fig. 3.Plasseringen av vannmolekylene i de heksagonale prismene som bygger opp strukturen til høyre i Fig. 2. De røde kulene er oksygen og de hvite er hydrogen.

Hvordan vokser en snøkrystall?

En snøkrystall starter ofte livet sitt som en veldig liten vanndråpe. Dersom temperaturen er under null grader Celsius kan dråpen krystallisere og danne et lite, sekskantet prisme. Denne lille krystallen vokser seg større ved at vannmolekyler i luften rundt treffer overflaten og blir sittende på denne.

Dersom vanmolekylene hadde festet seg og forblitt akkurat der de traff overflaten hadde det blitt dannet krystaller omtrent som den i Fig. 4. Denne minner ikke om en snøkrystall da den er veldig porøs og tilsynelatende uten noen bestemt form. Grunnen til at dette ikke skjer, er at vannmolekylene ikke blir sittende der de først treffer overflaten. Selv om temperaturen er under frysepunktet vil molekylene vandre rundt på overflaten til de finner en mer gunstig plass. På den måten forblir også overflaten ordnet. Kanter og kroker på overflaten er egnede steder til å feste seg da vannmolekylet der kan danne flere bindinger til krystallen enn på en plan overflate, Fig. 5. Mange av molekylene som setter seg på krystallen vil ramle av overflaten før de finner en slik gunstig plass.

Snøkrystall Figur4.jpg

Fig. 4.Slik forestiller en seg at en snøkrystall vil bli seendes ut dersom vannmolekylene ble sittende på den plassen de først traff. Bildet er et todimensjonalt snitt. (fra Ref. [G]).
Snøkrystall Figur5.jpg

Fig. 5.Vannmolekylene beveger seg på overflaten inntil de finner en gunstig plass å feste seg på. Det er mer gunstig for en ny enhet å sette seg i et hjørne da det vil dannes flere bindinger til krystallen enn om den skulle satt seg midt på en flate.

Hvorfor dannes stjerner?

Når en krystall vokser bruker den opp vannmolekylene i luften omkring. Derfor dannes det en sone med mindre luftfuktighet i umiddelbar nærhet av krystallen. Etterhvert som krystallen blir større blir det kortere vei fra hjørnene på krystallen til områder med høyere luftfuktighet enn det er fra midten av sideflatene, se Fig. 6. Siden hjørnene på den måten får større tilgang på vannmolekyler enn sideflatene, vil de vokse raskere, og danne ”armer” på krystallen. Dette gir enda tregere vekst av flatene fordi hjørnene ”stjeler” det meste av vannet i lufta omkring. Etter som armene blir store vil hjørnene på disse også kunne begynne å vokse raskere enn flatene på armene. På denne måten dannes nye armer. Dette fører til at den opprinnelige armen blir seende ut som et lite tre, og derfor kalles denne vekstformen for dendrittisk, etter det greske ordet for tre.

Når luftfuktigheten er høy blir det dannet snøkrystaller med meget kompliserte armer. Dette er fordi armene og sidearmene vokser meget raskt og på den måten skjermer resten av krystallen, slik at kjernen nesten ikke vokser. Ved lav luftfuktighet vokser krystallen så langsomt at vannmolekylene også får tid til å finne områder midt på flatene. Dette gir prismelignende krystaller uten armer.

Når luftfuktigheten hverken er spesielt høy eller lav så vil det kunne dannes kanter langs omkretsen i stedet for armer. Dette er en mellomting mellom prismevekst og dendrittisk vekst, og kalles for Hoppers vekst, (Fig. 7).

De karakteristiske snøkrystallene, med sterkt forgrenede armer, dannes som sagt ved relativt høy luftfuktighet, men hvorfor blir alle armene sende like ut, slik vi f.eks. ser i Fig. 8?.

Tidlige teorier gikk ut på at det ble sendt et form for signal gjennom krystallen når en ny arm ble dannet slik at det samme skjedde på hvert hjørne. Andre teorier gikk ut på at vannmolekylene i luften mellom armene ble orientert av armene og på den måten førte informasjon gjennom luften. En har nå gått bort fra disse forklaringene.

Den mest trolige forklaringen på hvorfor armene er like, er faktisk allerede nevnt. Men før vi går videre med denne forklaringen, bør vi kanskje slå i hjel myten om at alle snøkrystaller er så symmetriske. Det er lett å finne snøkrystaller hvor ikke alle armer er like, men de fleste som tar bilder av krystaller synes de er penere når alle armene er like. Derfor finnes det mange flere fotografier av meget symmetriske krystaller enn av de som er mindre symmetriske. To eksempler på krystaller som ikke så symmetriske ser vi i Fig. 9.

Ofte er imidlertid snøkrystallene forbløffende symmetriske, og grunnen til at de kan bli slik er at de er så små. Selv om luftfuktighet og temperatur kan variere mye i luftlagene som snøkrystallen daler ned gjennom, er krystallen så liten at alle armene ”føler” den samme temperaturen og luftfuktigheten. Derfor vokser alle armene like fort, og når forholdene på én arm er slik at det er gunstigere å dele seg enn å fortsette å vokse, ”føler” de andre armene akkurat de samme forholdene. Derfor dannes nye armer samtidig, slik som vist i Fig. 6.

Snøkrystall Figur6.jpg

Fig. 6.Armene til en snøkrystall dannes og utvikles ved at hjørnene får større tilgang på vannmolekyler enn flatene. Disse vil igjen hemme vekst av flatene ved at de fysisk skjermer for vannmolekylene utenfra.

Snøkrystall Figur7.jpg

Fig. 7.Snøkrystaller hvor kantene har grodd raskest, kalles også Hoppers vekst, (ref [A]).

Snokrystall-figur8.jpg
Fig. 8.Eksempel på en meget symmetrisk og pen snøkrystall, (ref [B]).

Snøkrystall Figur9.jpg

Fig. 9. Eksempel på ikke så symmetriske snøkrystaller (ref [F]).

Hva med temperaturen?

Det er ikke bare luftfuktigheten som bestemmer krystallenes utseende og hvor hurtig de vokser, temperaturen er også veldig viktig. Snøkrystaller som vokser ved ulike temperaturer får forskjellig utseende.

Det finnes snøkrystaller som er flate plater og de som er lange søyler. Årsaken til dette er at vannmolekylene på sideflatene til en snøkrystall er ordnet på en annen måte enn de på topp og bunnflaten, se Fig. 10. Disse to settene med flater har derfor litt forskjellige egenskaper. Dette fører til at vannmolekylene har forskjellig evne til å sette seg på de to typene flater. Denne festeevnen endrer seg med temperatur slik at det i temperaturintervallene 0 til –4 °C og –10 til –25 °C er lettere for vann molekylene å feste seg på sideflatene enn på topp og bunnflaten. Dette fører til at det dannes plater. Ved andre temperaturer er det lettere for vannmolekylene å sette seg på topp eller bunnflaten enn på sideflatene. Snøkrystallene vil da bli mer eller mindre søyleformede.

Som vi har sett tidligere, se f.eks. Fig. 10., er det lettere for et vannmolekyl å bli sittende på overflaten dersom det er kanter eller ujevnheter på denne. Det viser seg at overflatene til topp og bunnflatene kan være forskjellige fra sideflatene selv om temperaturen er den samme. Den ene overflaten kan være glatt mens den andre er "ru". Glatte flater vokser langsomt fordi det er vanskelig for vannmolekylene å få feste. På ujevne flater har derimot vannmolekylene få problemer med å finne plasser å feste seg. Ytterligere komplisert blir det ved at flatene faktisk kan være delvis smeltet, dvs. ha et tynt lag av vann over seg, selv om temperaturen er under null grader. Dette laget gjør at krystallene vokser uvanlig fort ved temperaturer rett under null.


Snøkrystall Figur10.jpg

Fig. 10. Vannmolekylene danner forskjellig arrangement på topp (øverst) og sideflatene (nederst) til snøkrystallene. Dette fører til at veksten er forskjellig på disse flatene og former fra tynne plater til lange nåler kan dannes.


Snøkrystall Figur11.jpg

Fig. 11.Hvordan overmetning av vann og temperatur er med på å forme de snøkrystallene som dannes. (Ref [C]).


Hvor mange typer snøkrystaller finnes det?

Når det snør er det ofte store snøfnugg som faller ned. Disse består av mange enkeltkrystaller som har festet seg til hverandre. Andre ganger faller det ned en og en krystall, og det er da vi kan finne de fineste krystallene. Under et snøfall kan alle krystallene se ganske like ut. De har f.eks. lange og tynne ”armer”. Ved neste snøfall ser de annerledes ut, kanskje har de nå korte og brede armer. For at meteorologer og andre skal kunne beskrive snøen er det utarbeidet systemer for å klassifisere snøkrystallene. I 1951 delte man krystallene inn i 7 forskjellige klasser, mens 15 år senere ble tabellen utvidet til 80 forskjellige krystallklasser. (Denne tabellen inneholder i tillegg til snøkrystaller også iskrystaller som er dannet på bakken.) Betyr så dette at det bare finnes 80 forskjellige typer snøkrystaller? Nei, dette er bare en kunstig inndeling for å kunne klassifisere og tallfeste snøfallet. I virkeligheten er det glidende overgang mellom alle gruppene, og variasjonsrikdommen er i prinsippet uendelig