Ingen snefnug er helt ens

Sveden løber, ryggen værker, og du lader atter sneskovlen synke dybt ned i det hvide og kolde stads, som er dalet ned fra himlen. Men kigger du nærmere på det, du skovler væk, kan det være, at du helt glemmer at arbejde.

Vi dekorerer med dem om vinteren, som neonlys eller papirfigurer, fordi vi synes de er kønne. Snekrystaller har fascineret mennesker i umindelige tider, og i flere hundrede år har forskere forsøgt at forklare hvorfor de bliver som de bliver.

ComputermodelHvert enkelt lille snefnug bærer nemlig på en sammensat fysik, som styrer iskrystallernes vækst og udvikling under forskellige vejrforhold.

Nu har to amerikanske forskere fremstillet en computermodel, som leverer realistiske tredimensionelle snekrystaller, som de kalder 'snowfakes'.

Snefnugsmodeller har en lang historie. Bag dem ligger der en undren over naturens mønstre, og en søgen efter simple principper som kan skabe dem.

»Der findes ikke to snefnug som er helt ens, men de kan være utrolig ensartede,« siger Janko Gravner, professor i matematik ved 'University of California Davis'.

Sammen med David Griffeath fra University of Wisconsin-Madison har han lavet en computermodel som bruger 24 timer på at skabe én krystal, mens det samme kan ske på 10 minutter der ude i luften.

»Det de har lavet, er utrolig smukt,« siger Ola Nilsen fra Kemisk institut ved Universitetet i Oslo. Han går meget op i snekrystaller, men kun på hobbybasis, som han selv siger. Egentlig arbejder han med tynde film, og hvordan man kan opbygge materialer atomlag for atomlag.

»I is som system finder man næsten alle vækstmekanismer i et og samme materiale. Dette giver en stor frihed og variation. Snekrystaller er forbløffende forskellige,« siger han.

Nilsen påpeger at de amerikanske forskere har benyttet en allerede kendt fremgangsmåde, men at detaljeringsgraden er langt højere.

Snefnug vokser fra vanddamp omkring en eller anden slags partikel i luften, for eksempel et lille støvkorn.

Vandmolekylerne i iskrystaller placerer sig i et bestemt mønster, nemlig i sekskantede prismer.

Formen på en blyant er et eksempel på en rigtig lang sekskantet prisme.

Dette er grunden til, at alle snekrystaller har seks arme, og at vinklen mellem to arme altid er på 60 grader. Derfor er Nilsen heller ikke synderligt imponeret over formen på mange af de snekrystaller vi dekorerer med.

»Disney bruger næsten kun otte-armede snekrystaller. Andre steder finder man fem-armede snekrystaller. Du finder endog nogle med fem arme på forsiden, og otte arme på bagsiden. Helt utroligt!« siger han.

Vandrende vandmolekylerNår den første lille vanddråbe har krystalliseret sig et sted måske 20 kilometer oppe i luften, kan den vokse og blive større ved at vandmolekyler i den omliggende luft rammer overfladen og fæstner sig.

Vandmolekylerne fæstner sig imidlertid ikke præcis der, hvor de rammer overfladen på krystallen. De vandrer nemlig rundt til de finder en plads de synes om. Kanter og hjørner giver for eksempel flere bindinger til krystallen end på en plan overflade. Således opstår der en orden på krystallens overflade, og der dannes en sekskant.

Men hvordan opstår stjerneformen? En krystal som vokser, opbruger vandmolekylerne lige omkring sig. Hjørnerne på krystallen stikker altid længst ud og får dermed større tilgang af nye vandmolekyler end resten af krystallen. Hjørnerne vokser derfor hurtigere, og danner efterhånden krystallens arme.

Armene har også hjørner, som atter igen vil vokse hurtigere end overfladerne, og dermed dannes der forgreninger på krystal-armene når forholdene er gunstige for det.

Ved høj luftfugtighed dannes snekrystaller med meget komplicerede arme. Ved lav luftfugtighed vokser krystallen så langsomt, at vandmolekylerne også får tid til at fæstne sig midt på overfladerne. Dette giver prismelignende snekrystaller uden arme.

Når vi laver dekorationer med form som et snekrystal, er de som regel symmetriske. De fleste snekrystaller er imidlertid ikke helt symmetriske.

»Det er de symmetriske krystaller vi samler på, fordi det er dem vi synes er pæne,« siger Nilsen.

Snefnugssymmetrien kan alligevel være forbløffende. Hvorfor bliver armene så ensartede? Tidlige teorier gik ud på at de seks arme kommunikerede med hinanden, men dette er videnskaben gået bort fra.

Snekrystallerne er små. Når et snefnug daler ned, kan det passere gennem luftlag med forskellig luftfugtighed og temperatur, men fordi det er så lille, vil armene på krystallen hele tiden have de samme forhold, og dermed vokse ensartet.

Søjler og nåleDet klassiske snefnug er fladt og stjerneformet, men der findes også mange snekrystaller, som er formet som lange søjler eller tynde nåle.

Dette hænger sammen med, at siderne på det sekskantede snekrystal har lidt andre egenskaber end toppen og bunden. Vandmolekylerne har forskellig evne til at fæstne sig på de to flader, og dette forandrer sig med temperaturen.

Fra 0 til minus 4, og fra minus 10 til omtrent minus 25 grader celsius, er det lettere for vandmolekylerne at fæstne sig på sidefladerne end på toppen og bunden. Under disse forhold dannes der altså plader.

Ved andre temperaturer foretrækker vandmolekylerne top- og bundfladerne, og der dannes søjleformede snekrystaller.

UnikkeSneen, som daler, vil passere gennem forskellige luftlag, og det er denne rejse som gør at hver og en af dem er forskellige.

Ingen af dem har været igennem den samme rejse fra de blev dannet til de lander på din hånd.

Formen på snekrystallen afspejler alle de miljøforandringer, den har været igennem og kan faktisk fortælle meget om forholdene oppe i atmosfæren.

I forbindelse med Polaråret, har den amerikanske rumfartsorganisation NASA startet Global Snowflake Network.

Den som ønsker det kan registrere formen på de snefnug som falder i deres nærområde, og sende informationen ind til NASA via nettet. Informationen kan bidrage til at spore snevejr globalt.

Der findes så mange forskellige snekrystaller, at der er udarbejdet et særskilt klassificeringssystem. I dag indeholder dette system 80 forskellige snekrystals-klasser.

ForenklingI en enkelt snekrystal kan der være op til en milliard milliarder vandmolekyler. Det er mere end, hvad modellerne kan klare i dag.

»Det er for mange til, at vi kan spore hvert enkelt af dem, så vi har foretaget en tilnærmelse og delt rummet op i mikroskopiske 'klumper' på nogle få mikrometer,« siger Gravner.

»For en matematiker er snefnug en meget interessant udfordring, siden de ikke kan modelleres ved at følge hvert enkelt vandmolekyle, og den traditionelle tilnærmelse indenfor fysikken har fejlet,« siger han.

Gavner og Griffeath sammenlignede de snefnug de genererede i computeren med en samling af 8.000 fotografier af snekrystaller taget af fysikeren Ken Libbrecht fra California Institute of Technology.

Det lykkedes for computermodellen at reproducere alle de 80 forskellige klasser af snekrystaller, og selve vækstprocessen i computeren ligner de snefnug som fremdyrkes i Libbrechts laboratorium.

Alligevel forstår forskerne ikke fuldt ud sammenhængen mellem vejrforhold ude i virkeligheden, og de parametre de har benyttet i deres computermodel.

»Dette overrasker mig ikke. Verden udenfor modellen indeholder også forureningskilder som kan bidrage kraftigt til vækstmekanismerne,« siger Nilsen.

Selv om det er let at forstå, hvordan snekrystallernes væsen i sig selv kan sætte gang i forskertrangen hos en videnskabsmand, kan der også komme noget nyttigt ud af denne forskning.

Krystalvækst er en milliardindustri, og meget af dynamikken har den til fælles med væksten af snekrystaller. Mange metal-legeringer krystalliserer på lignende måder, og forskerne tror deres simuleringsmetode også kan benyttes her.

»Faktisk er krystallerne i en pose sukker og i saltet hjemme i dit køkken blevet optimeret gennem lignende forskning,« siger Nilsen.

Indenfor nano-teknologien er der mange som er optaget af hvordan kemiske og biologiske processer kan danne små strukturer af sig selv. IBM har for eksempel allerede benyttet denne type teknologi til at fremstille hurtigere og mere effektive chips.

Lidt paradoksalt er det måske, at alle disse strukturer er unikke i naturen, mens forskerne som arbejder med at bruge dem i industrien, helst vil fremstille produkter som er helt ens.

Til trods for nytteværdien, er det nok først og fremmest forskerens fascination som driver denne type grundforskning.

»Snefnug er selvfølgelig fascinerende objekter, siden en stor variation i form er et resultat af relativt simple underliggende principper. Sådanne forbindelser har altid optaget matematikere,« siger Gavner.

»Jeg er interesseret i snekrystaller mest af alt fordi de er flotte. Jeg har den samme fascination for livløse materialer som gror, som andre har for blomster der gror,« siger Nilsen.

© forskning.no. Oversat af Johnny Oreskov