Posts Tagged ‘winter’

Winterpret en wetenschap

januari 27, 2009

Het winterse weer voorspelt wolken zwanger van sneeuw, en tovert prachtige patronen op de vensters. Maar wat zijn sneeuwvlokken precies, en hoe ontstaan ijskristallen? En waarom zijn ze zo mooi? De wonderen der winter worden hieronder kristalhelder uitgelegd!

Potloden uit diamant

Hagelstenen, sneeuwvlokken en ijskristallen zijn verschillende verschijningsvormen van… gewoonweg water. In zijn meest elementaire vorm is water een molecule die bestaat uit een zuurstofatoom (O), omringd door twee waterstofatomen (H), wat de chemische formule H2O verklaart. Door deze watermoleculen op verschillende manieren te stapelen, neemt het water telkens een andere gedaante aan, zoals je ook met identieke legoblokjes heel uiteenlopende vormen kunt bouwen. Zo zijn bijvoorbeeld houtskool, grafiet (waaruit potloden zijn gemaakt) en zelfs diamant verschillende verschijningsvormen van hetzelfde chemisch element, namelijk koolstof.

Watermoleculen in een ijskristal groeperen zich in zeshoekige structuren, zoals getoond in onderstaande figuur. Iedere rode bol stelt een zuurstofatoom voor, terwijl de grijze staafjes waterstofatomen zijn. De natuur geeft de voorkeur aan de zeshoekige vorm, omdat deze stapeling van watermoleculen de laagste energie vergt. Ter vergelijking: ijzeratomen staplen zich in kubusvorm tot een kristal, zoals het atomium (sterk vergroot) laat vermoeden.

kristalstructuur

Vlokken vertakken tot dendrieten

Indien regen bevriest vormt het hagel, een hoogst hinderlijke neerslag. Indien echter waterdamp condenseert tot ijskristallen, leidt dit tot sneeuw, en navenante winterpret. Terwijl de sneeuwvlokjes vallen, botsen zij met elkaar en groeperen ze zich tot meer complexe structuren. Door het chaotisch en willekeurig samensmelten van elementaire kristallen worden dendrieten gevormd, met een beeldschone en supersymmetrische structuur.

De vorm van de vertakkingen is onder meer afhankelijk van de luchtdruk, de temperatuur en de luchtvochtigheid. Deze uiterst complexe structuren kunnen mathematisch beschreven worden door de al even ingewikkelde fractaaltheorie.

Dendrieten kennen talloze verschijningsvormen

Dendrieten kennen talloze verschijningsvormen

Tweelingvlokken bestaan niet

Wiskundigen kunnen bewijzen dat het aantal mogelijke combinaties dermate groot is dat wellicht nog nooit twee identieke sneeuwvlokken zijn gevormd. Je kunt dat een beetje vergelijken met het aantal combinaties waarmee je tien jurken in een garderobe kunt hangen: voor de eerste jurk heb je tien mogelijkheden, bij de tweede blijven nog negen keuzes, voor de derde slechts acht resterende opties, enz… In totaal zijn er meer dan drie miljoen mogelijkheden voor slechts tien kledingsstukken! Als je bedenkt dat zelfs een relatief eenvoudig dendriet een sequentie is van honderden kleine vlokjes, wordt al gauw duidelijk dat het aantal mogelijke vormen schier onbegrensd is.

Kortom: sneeuw is gecondenseerde waterdamp en bestaat uit ijskristallen, die kunnen vertakken tot dendritische structuren met een adembenemende schoonheid. Dit verklaart waarom een warme winternacht kan uitmonden in een boeket van ijsbloemen…

© 2009 – Labo Vekalie

Advertenties