Kristallisation bei Schneeflocken
 

Hallo, ich bin neu hier.

Ich habe mich schon des Öfteren gefragt, warum Schneeflocken immer symmetrisch kristallisieren. Die wachsen ja von einem Kristallisationskeim nach außen. Woher weiß ein Wassermolekül auf Ast A, wo es sich anlagern muss um bei Millionen von möglichen Mustern die Symmetrie nicht zu verletzen? Sind da womöglich Quantenphänomene im Spiel und das Wassermolekül ist auf allen 6 Ästen gleichzeitig anwesend um zu gucken was die anderen so bauen??

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Hallo Deuterium,

ich kann Dir da momentan leider nur einen Zeitungsartikel anbieten: https://www.welt.de/wissenschaft/umw...s-Schnees.html . Die Form des Wassermoleküls spielt also eine wichtige Rolle. Darüberhinaus wird es vermutlich recht schnell kompliziert, weil es so viele verschiedene Schneeflocken gibt.

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Das hat mit der Kristallstruktur des Wassermoleküls zu tun. Genauso wie Zucker immer dieselbe Form hat in Kristalliner Form, hat dies auch Wasser. Dabei Strukturieren sich die Moleküle in einer Warben ähnlichen Form. Diese Form bildet sich mit dem Ausweiten der Schneeflocke immer weiter aus.
Diese Art des Aufbaus ist bei Schneeflocken leicht zu erkennen. Hingegen gibt es auch andere Kristalline Strukturen, die ähnliche Muster zeigen. Bergkristalle als Beispiel sind immer mit sechs kanten. Diese liegt an der Molekülstruktur. Wichtig für die Symmetrie einer Schneeflocke ist die Art, wie sie entsteht. Sie kann sich gleichmäßig in alle Richtungen ausbreiten und kriegt von allen Seiten neues Material. Dies ist bei Bergkristallen teilweise anderes. Sie wachsen durch den starken Einfluss der Schwerkraft und die "Nahrung" in anders verteilt.

Im Grunde dürfte es, das so weite erklären denke ich.

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Was soll das sein?

Bitte benutze bei Erklärungen gebräuchliche Begriffe, sonst versteht niemand, was gemeint ist.

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Ja, hier passiert vor aller Augen ein Wunder, das noch niemand bewusst wahrgenommen hat. Meiner Ansicht nach kann das nur ein makroskopisches Quantenphänomen sein wenn alle Wassermoleküle über die makroskopische Form der Schneeflocke bescheid wissen und sich bei jedem Unikat auf ihrem Ast passend anlagern.

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Die Antwort hier scheint mit erheblich plausibler. Quanteneffekte können unter solchen Bediungungen nicht auf diesen Längen arbeiten. Die Arme wachsen also deswegen gleich, weil sie gleichen Bedingungen ausgesetzt sind, nicht, weil sie irgendwie voneinander wissen.

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Im Normalfall ist das eigentliche gebräuchlich. Die Wasser kann bei einer ausreichend niedrigen Temperatur auskristallisieren. In dem Fall befindet sich das Molekül in einer Position zu den anderen, dass sie eine kristalline Struktur entsteht. In dem Fall kann man auch von der Kristallstruktur von Wassermolekülen sprechen.
Was besonders faszinierend an der Struktur ist, dass die Moleküle, eine bestimmte Position annehmen. Sie bilden Hohlräume aus, wodurch Eis auch um ein vielfaches leichter ist als Wasser, aufgrund des höheren Volumens.

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Ich habe das ja so ziemlich genau finde ich, in meinem Beitrag erwähnt. Dabei habe ich versucht den genauen Aufbau der Kristalle unter Anderen zu beschreiben und so ich konnte zu vermitteln. Fand Wasser als Stoff schon immer sehr interessant. Sei es in flüssiger Form, gasförmig oder sogar in Form von Eis 7.
Zur kleinen Erläuterung: Eis 7 ist sehr heiß und nur in fester Form aufgrund enormen Drucks. Das ist ein Äußerst faszinierender Stoff.

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Ja, das ist eine mögliche Ursache die einem als erstes in den Sinn kommt, die aber bei näherer Betrachtung unplausibel ist. An windstillen Wintertagen fallen Schneeflocken im Zentimeterabstand zu Boden, was laut Autor ausreicht, um Millionen verschiedener Formen hervorzubringen, da in diesem Abstand die Umweltbedingungen immer verschiedenartig sind. Im Millimeterbereich innerhalb der Schneeflocke soll jedoch IMMER ein symmetrischer Kristall entstehen, weil hier die Umweltbedingungen im millionstelgradbereich exakt identisch sind. Das würde einen perfekten Bruch im Übergang von Zentimeter auf Millimeterebene erfordern, der in der analogen Natur nicht zu beobachten ist und sich vom Autor in seiner Erklärungsnot aus den Fingern gesaugt wurde.
Aufgrund dieses perfekten Bruchs erscheint mir ein unbekanntes Quantenphänomen als die einzige Erklärung.

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Dass die Kristalle zueinander unterschiedlich aussehen, hat einen anderen Grund, als warum sie immer Symmetrisch sind.
Erst einmal, wie entsteht eine Schneeflocke. Ein Staubkörnchen ist die Grundlage. Um dieses bilden sich Kristalle aus Wassereis. (Wichtig ist zu sagen Wassereis, weil auf anderen Planeten kann es auch Methaneis z. B. sein)
Dieser kleine Kristall wächst und bewegt sich frei. Kann sich als frei ausbreiten. Auf Grunde der molekularen Struktur eine wickelt sich die Schneeflocke zu allen Seiten gleich aus. Andere Schneeflocken haben zwar eine gleiche Molekülstruktur, aber wie die genau Form ist, ist Zufall.
Das ist nichts Quantenmechanisches oder so. Die Molekülstruktur sagt nur, dass die Schneeflocke Symmetrisch sein muss. Anders als bei beispielsweise Zucker. Beim Zucker ist jedes Stück gleich geformt, weil die molekulare Struktur es so vorschreibt.

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Viele interessante Fragen! (die sollten mal sortiert werden)


Für einige davon hat die Mathematik bzw "Chaosforschung" Hinweise auf Antworten.

Iterative Wachstumsvorgänge sind sehr stark von den Anfangsbedingungen abhängig. Zwei Vorgänge, wie das Wachstum zweier Schneeflocken, mit ähnlichen ("exakt identisch" gibt es nicht) Anfangsbedingungen kann zunächst sehr ähnlich sein und dann relativ plötzlich unterschiedliche Richtungen nehmen. Vermutlich meinst du das mit "perfekten Bruch". Die Ursache dafür kann man in den nichtlinearen Eigenschaften der Gleichungen wiederfinden.


Links (unter Vorbehalt, habe nur quergelesen):

https://www.scinexx.de/news/technik/...per-mausklick/

https://www.zeit.de/1997/03/Mathematik_der_Kristalle

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Wenn iterative, nichtlineare Vorgänge beim Wachstum eine Rolle spielen, dann ist das symmetrische Wachstum auf Millimeterebene unerklärlich außer es ist ein Quanteneffekt. Es findet ein Übergang von "nie identische Form" zu "immer identische Form" statt.

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Sorry, das geht mir langsam in die falsche Richtung. Dieser "Bruch" ist deine Erfindung, den gibt es nicht. Den Autoren des Beitrags zu unterstellen, sie hätten sich den aus den Fingern gesaugt, weil sie die richtige Erklärung nicht kennen, ist nicht ok. Und deswegen ein Quantenphänomen zu postulieren kommt mir wiederum sehr an den Haaren herbeigezogen vor. Als ob das Ergebnis für dich von vornherein feststünde und du es jetzt nur noch vor "Angriffen" verteidigen wolltest.

Zu deinem "Bruch": Schneeflocken entstehen nicht in Sekundenbruchteilen, sondern über einen längeren Zeitraum. Über diesen Zeitraum ändern sich die Bedingungen ständig. Auf den paar Millimetern der Flocke sehr homogen, so dass zu einer bestimmten Zeit an jedem Ort fast identische Bedingungen herrschen. Eine zweite, ursprünglich benachbarte Flocke hingegen wird sich nach dieser Zeit ganz woanders befinden und unter anderen Bedingungen wachsen. Da gibt es keinen Bruch, wir reden nicht von 5 mm und 10 mm, sondern von 5 mm und vielleicht 50 m Skalenunterschied.

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Ja, das ist ein gutes Argument. Bei allein 5000 verschiedenen Grundformen ist aber eine hohe Empfindlichkeit gegenüber den Ausgangsbedingungen zu erwarten. Wie erklärst du dir, dass trotzdem nur symmetrische Formen beobachtet werden, obwohl es doch bestimmt auch manchmal Turbulenzen im Millimeterbereich geben müsste, die dann unsymmetrisches Wachstum zeigen müssten? Weitere Faktoren der Unregelmäßigkeit sind Wind und Windschatten beim Aufwind, die Schwerkraft sowie die Sonneneinstrahlung.

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Nö, Nichtlinearität und Unterschiede in den Anfangsbedingungen kann ein Grund für Unähnlichkeit in Entwicklungsvorgängen sein. Der Umkehrschluss 'wenn nichtlinear, dann nichtähnlich' stimmt nicht unbedingt. Edit: Insbesondere dann nicht, wenn äussere, regulierede Faktoren, wie z.B. die genannte Struktur der Wassermoleküle, unzukommen.

Ich bezog mich auch auf die Unterschiedlichkeit ganzer Schneeflocken und nicht auf die Symmetrie der Arme.

Inzwischen habe ich aber glaube ich verstanden, dass du mit 'perfekter Bruch' etwas anderes meintest.

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Es ist leicht einfach zu sagen, es würde an Quanteneffekten liegen. Allerdings gibt es keinerlei Verbindung zwischen Quanten und dem Aufbau einer Schneeflocke, die relevant sein könnte. Damit meine ich, dass das gesamte Phänomen alleine durch die Moleküle erklärt werden kann.
Mit der Quantenmechanik werden Eigenschaften von Atomen z. B. untersucht. Das betrifft vor allem Änderungen innerhalb des Atoms. Hingegen ist die Ausbildung Kristalliner Strukturen oberhalb diesem Bereich und ein einbeziehen der Quantenphysik ist dabei zur Erklärung nicht notwendig. Man könnte es sogar als hinderlich für das Verständnis werten. Nicht alles ist unglaublich kompliziert und hat direkt mit dem Kleinsten uns bekannten Teilchen zu tun.

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Ein Wassermolekül ist von den Bindungskräften her betrachtet primitiv wie ein Legobaustein. Diese Primitivität kann die komplexen Kristallstrukturen nicht hervorbringen, ausschlaggebender Faktor müssten dann die Umweltbedingungen sein. Die sind aber innerhalb des Kristalls nicht gleich, es gibt Mikroturbulenzen, bei Sonneneinstrahlung ist die sonnenzugewandte Seite wärmer als die sonnenabgewandte Seite, bei Wind und Windschatten verhält es sich ähnlich, die Schwerkraft drückt die oben befindlichen Wassermoleküle Richtung Kern, die unten befindlichen Richtung Kristallspitze. Trotzdem findet der perfekte Bruch statt. Auch wenn die Skalen 50 Meter und 5 Millimeter sind, wie "Ich" schon ganz richtig bemerkt hat und nicht Zentimeter und Millimeter sollte es diesen perfekten Bruch auch beim Faktor 10.000 nicht geben, er ist klar beobachtbar ein Fakt, auch wenn "Ich" das nicht wahrhaben möchte weil ihm die Richtung nicht passt, in die es dann gehen würde.

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Kannst du diesen „Bruch“ nochmal präzisieren?

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Bevor ich antworte, umschreibe bitte ausführlich, um weitere Mißverständnisse zu vermeiden, was du mit diesem "perfekten Bruch" meinst.

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Moleküle sind alles andere als primitiv. Es sind unglaublich interessante Strukturen die viel hervor bringen können. Sie können auch im großen die selben Strukturen ausbilden. Dazu gibt es in der Natur mehr als genug Beispiele. Von Kandiszucker bis zu riesenkristallen die man hunderte Meter unter der Erdoberfläche gefunden hat.

Kristalle sind fasziniert. Sie schaffen es in einer immer gleichen Form aus den Molekülen zu entstehen. Dabei hat es nichts mit Quanteneffekten zu tun. Es ist keine Zauberei und nichts was unerklärlich wäre. In einem Kristall richten sich die Teilchen immer an den den anderen aus, weil sie anders nicht passen. Dadurch kommen die formen zu standen. Egal ob eine Schneeflocke 1mm oder 100meter Durchmesser hat.

Was zu beachten ist, Schneeflocken werden nicht sehr groß. So können die enden nicht so extrem umweltschwankungen ausgesetzt sein. Sie kristallisiert gleichmäßig aus. Hingegen eine hundert Meter Flocke konnte unsymmetrisch sein, weil sie zum Beispiel auf der einen Seite leicht an schmilzt oder so.

Manchmal ist eine einfache Erklärung die beste. Und es lasst sich alles erklären, auch ohne großes Geheimnis von Quanteneffekten.

Und zu diesem ominösen "perfekten Bruch" finde ich nur einen Film auf goggle. So etwas wie einen perfekten Bruch habe ich auch seit dem ich mich mit Kristallen beschäftige, nie gehört. Aber hier vielleicht nochmal ein kleiner Hinweis wie Kristalle entstehen und warum sie wie geformt sind und so weiter: https://www.mineralienatlas.de/lexik...stalle?lang=de

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Es werden nicht nur symmetrische Formen beobachtet.
Sorry, das reicht jetzt. Beweis durch Behauptung ist nicht zulässig, und wenn ich dir widerspreche, dann nicht deswegen, weil ich eine Tatsache "nicht wahrhaben will". Sondern weil deine Behauptung m. E. unwahr ist.

Und damit das wieder auf den Boden der Tatsachen zurückkommt, ist es jetzt deine Aufgabe, diesen "perfekten Bruch" ausreichend genau zu definieren, zu belegen und nachzuweisen, dass er nicht verträglich mit der Standardhypothese ist, das homogene Wachstum von Schneekristallen sei durch die homogenen Umweltbedingungen bedingt.

Oder, alternativ, du erkennst die Tatsachen an, dass weder alle Schneekristalle perfekt noch die Umweltbedingungen verschiedener Kristalle sehr ählich sind. Womit jede Grundlage wegfällt, die Standarderklärung abzulehnen und stattdessen eine derart gewagte Hypothese wie makroskopische Quantenkorrelationen einzuführen.

Hier noch eine Website von Leuten, die etwas davon verstehen. Mit Bildern exakt identischer Kristalle, die es nach deiner Hypothese nicht geben dürfte. Und mit Bildern nicht exakt symmetrischer Kristalle, die nach deiner Behauptung auch nicht existieren.

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Mein Verständnis dieses Ausdrucks ist:
Kristalle seien in sich perfekt symmetrisch (Größenskala: ~5 mm), benachbarte Kristalle (Abstand: ~ cm) in sich wieder perfekt symmetrisch, aber jeder komplett anders. Das widerspräche der "Nullhypothese", dass die Symmetrie der Kristalle durch homogene Umweltbedingungen entsteht, weil nicht einzusehen ist, dass innerhalb von 5 mm perfekte Gleichheit herrscht, die Bedingungen einen Zentimeter weiter aber komplett anders sind. Es gebe also einen abrupten Übergang zwischen absolut homogenen Bedingungen auf 5 mm Länge und absolut unterschiedlichen Bedingungen auf ein paar cm Länge. Das ist der "Bruch", und der wäre in der Tat nicht erklärbar.

Nur sind Schneeflocken nicht alle perfekt symmetrisch, es gibt also schon auf der Skala von 5 mm Inhomogenitäten. Und benachbarte Schneeflocken, wenn sie denn mehrere Stunden zu Entstehen brauchen, sind bestimmt mal hunderte Meter voneinander entfernt gewesen. Dass sie unterschiedlich sind, ist also eh klar. Damit gibt es keinen solchen abrupten Übergang und also keine Notwendigkeit, die Nullhypothese abzulehnen.

Obendrauf kommt noch die Tatsache, dass verschiedene Schneeflocken, die man unter identischen Bedingungen wachsen lässt, auch identisch aussehen. Das widerlegt die hier vorgeschlagene alternative Erklärung, dass Quanteneffekte jedem Kristall eine einzigartige symmetrische Struktur gäben

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Naja eben! Das Wassermolekül bringt ja auch nicht die komplexe Kristallstruktur hinein, sondern den Anteil der relativen Einfachheit und Gleichförmigkeit der Symmetrie der Kristallstruktur.

Für die komplexe Kristallstruktur ist zuallererst der physikalische Wachstumsvorgang zuständig. Genauer, der rekursive Vorgang der Angliederung der Moleküle. Viele sich wiederholende Einzelschritte, die als Ganzes etwas Komplexes ergeben. Gesteuert durch etliche Faktoren wie Umgebungsbedingungen und die Beschaffenheit der Wassermoleküle.

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Ja, das ist exakt das was ich meine, danke für deine Mühe, du bist wirklich ein guter Analytiker. Da muss ich jetzt nochmal darüber nachdenken.

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Bizarr bleibt jedenfalls, dass minimale Änderungen von Temperatur und Luftfeuchtigkeit am Entstehungsort diese Fülle an verschiedenartigen, dabei meist 6fachsymmetrischen Formen hervorbringt. Mein Gefühl sagt mir, dass hier irgendetwas seltsames passiert, ich suche noch nach einer passenden physikalischen Formulierung.

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Also das seltsame was da passiert, wurde jetzt des Öfteren gepostet und geschrieben. Es ist kein Geheimnis dahinter und es ist auch nicht wirklich seltsam. Es ist vor allem faszinierend. Eine spektakuläre Schönheit soweit man es interessant findet.
Wenn man jetzt auf Atomare ebene schaut, wird man auch feststellen, das die Symmetrie dahin ist. Es ist halt nur auf den ersten Blick eine vollkommene Symmetrie erkennbar. Je näher man rangeht um so unsymmetrischer wird die Schneeflocke.

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Man könnte ja annehmen, dass sich öfters Staub- oder Rußteilchen am Kristall anlagern und die Symmetrie sichtbar zerstören wenn das System schon so sensibel reagiert. Aber nein, die machen immer stur ihre 6 sauberen Äste, keine Zwillingsgeburten, keine Krebsgeschwüre. Schließlich sind ja mikroskopisch kleine Partikel ja die ursprünglichen Kristallisationskeime, da reicht schon ein Rußpartikel.

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Die Vielfalt an Formen kann zusätzliche Ursachen haben, warum nicht?

Das ist jetzt nur geraten, aber Grösse und Form des Staubpartikels, an dem sich die ersten Moleküle anlagern, könnte z.B. eine weitere Anfangsbedingung darstellen.


Die Sechseckform ist ziemlich sicher durch die Wassermoleküle bedingt:

https://www.wissen.de/vom-staubkorn-zur-schneeflocke

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Natürlich kann es dazu kommen. Nur macht sich keiner, die mühe sich alle Milliarden Schneeflocken anzuschauen die so am Tag vom Himmel fallen.

https://ws.srf.ch/asset/image/audio/...1407284010.png
Auf diesem Bild sieht man z. B., dass die Schneeflocke schon im Kern keine genaue Symmetrie zeigt. Man schaut halt nur oft so hin, dass man es nicht erkennt.
http://1.bp.blogspot.com/_a7r1oIARaZ.../DSC_0062b.jpg
Das Bild zeigt eine dreiarmige Schneeflocke. Also auch schonmal möglich.

https://i2.wp.com/www.bizonthebrain....fit=1265%2C379
Das sind ein Haufen verformter Schneeflocken.

Und ich weiß nicht was du mit Zwillingen meinst, aber wenn du siamesische Zwillinge meintest, dann kann ich dir versichern, dass es aufgrund des Entstehens der Schneeflocken nicht möglich ist. Kann ja auch nicht zwei Kinder, die nicht verwand sind, als siamesische Zwillinge zur Welt bringen. Die entstehen durch Zellteilung und so. Aber hier sind mal ein paar Bilder von Schneeflocken die gleich aussehen.
http://www.snowcrystals.com/identica...G_0145-A2a.JPG
http://www.snowcrystals.com/identica.../reg2145SC.jpg
http://www.snowcrystals.com/identica.../reg2145SC.jpg
http://www.snowcrystals.com/identica.../1K3A0163a.JPG

Ich denke, damit ist deine These, dass es sowas nicht gibt, wieder legt.

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Hallo - ich habe dazu eine Vermutung das
es mit der Permanenten Orientierungspolarisation der Elektrischen Dipolmomente der Wasserstoffmolekuele und den unterschiedlichen Verunreinigungen des Wassers zusammenhaengen koennte also einen elektromagnetischen Ursprung hat.
Die Wasserqualitaet hat ja eindeutig einen Einfluss auf die Form der Schneeflockenkristalle.
Man muesste wissen oder experimentel herausfinden welche Verunreinigung oder Reinheit zu welcher Kristalform fuehrt.
Schneekanonen erzeugen nur runde Eiskristalle.
Schneeflocken aus reinem destilliertem Wolken-Wasser schoene Formen.
In den Wolken gibt es Elektromagnetische Vorgaenge die die elektrischen Dipolmomente der Wasserstoffmolekuele ausrichten.
Grosse Wasserstoffmolekuele koennten durch ausgerichtete elektrischen Dipolmomente entstehen.
Vermutung!