Sneeuw bestaat uit fijne ijskristallen en is de meest voorkomende vorm van vaste neerslag.
Kristalvorming
Er ontstaat sneeuw wanneer de fijnste druppels supergekoeld water zich ophopen op kristallisatiekernen (bijvoorbeeld stofdeeltjes) in de wolken en daar bevriezen. Dit proces begint echter pas bij temperaturen onder −12 ° C, waarbij water bij temperaturen tot −48 ° C bij afwezigheid van kristallisatiepartijen vloeibaar kan blijven. De resulterende ijskristallen, kleiner dan 0,1 mm, vallen door toenemende massa naar beneden en blijven groeien vanwege het verschil in dampdruk tussen ijs en onderkoeld water. De waterdamp in de lucht wordt ook gesublimeerd, dus gaat het rechtstreeks in ijs en draagt zo bij aan de kristalgroei. De bekende zeshoekige vormen worden gevormd. Door de speciale structuur van de watermoleculen zijn alleen hoeken van exact 60 ° of 120 ° mogelijk.
De verschillende stengelvormen van de sneeuwkristallen zijn afhankelijk van de temperatuur – bloedplaatjes of prisma’s vormen zich bij lagere temperaturen en zesarmige dendrieten (ijssterren, sneeuwsterren) bij hogere temperaturen. Luchtvochtigheid heeft ook invloed op de kristalgroei. Wanneer sneeuwkristallen ontstaan, neemt ook de temperatuur in de wolk toe, want als ze bevriezen, geven de kristallen warmte af (kristallisatiewarmte), terwijl ze warmte opnemen als ze verdampen.
Als de thermiek hoog is, bewegen de kristallen verschillende keren verticaal door de atmosfeer van de aarde, waardoor ze gedeeltelijk worden gesmolten en opnieuw kunnen kristalliseren. Dit doorbreekt de regelmaat van de kristallen en vormt complexe gemengde vormen van de basisvormen. Ze hebben een ongelooflijk grote verscheidenheid aan vormen. Wilson A. Bentley had al vanaf 1885 meer dan 5000 verschillende sneeuwkristallen gefotografeerd. Volgens de laatste stand van de techniek was Johann Heinrich Ludwig Flögel de eerste persoon die in 1879 foto’s maakte van sneeuwkristallen. De kans is groot dat er nooit twee complexe sneeuwkristallen zijn geweest die exact hetzelfde waren. De reden hiervoor zijn de zeer grote combinatiemogelijkheden van veel individuele kenmerken. Een sneeuwvlok bevat ongeveer 1018 watermoleculen, waaronder ongeveer 1014 deuteriumatomen. Zelfs in het zichtbare gebied van een lichtmicroscoop is het gemakkelijk om honderd kenmerken te onderscheiden die op verschillende locaties kunnen worden gevormd. In combinatie zijn er veel mogelijke variaties, daarom zijn de mogelijke vormen van complexe kristallen extreem talrijk, veel groter dan het aantal atomen in de ruimte.
Net zo verbazingwekkend als de verscheidenheid aan waargenomen vormen is de uitgesproken symmetrie, die sommige sneeuwkristallen een hoge mate van zelfovereenkomstigheid geeft en ze een voorkeursvoorbeeld van fractale geometrie maakte (Koch-curve). De verschillende vertakkingen groeien soms in een exemplaar op een vergelijkbare manier en blijkbaar met een vergelijkbare snelheid, zelfs als de punten waarop ze blijven groeien vaak enkele millimeters van elkaar verwijderd zijn. Een mogelijke poging om dit uit te leggen, waarbij over deze afstand geen interactie wordt verondersteld, is om aan te geven dat de groeiomstandigheden op verschillende vergelijkbare kiemplaatsen aan de uiteinden soms behoorlijk vergelijkbaar zijn. Asymmetrische en vormloze sneeuwvlokken komen echter veel vaker voor dan mooie, symmetrische sneeuwvlokken. De regelmatig verschijnende vormen worden echter vaker gefotografeerd en afgebeeld.
De grootste complexiteit van de sneeuwkristallen is duidelijk wanneer de luchtvochtigheid hoog is, omdat hierdoor nog meer delicate structuren kunnen groeien. Bij zeer lage temperaturen zijn de ijskristallen niet alleen kleiner en eenvoudiger, ze sneeuwen ook minder dan bij temperaturen net onder het vriespunt, aangezien de lucht dan nauwelijks vocht bevat.
Sneeuwvlokken
Als de luchttemperatuur dicht bij het vriespunt ligt, worden de individuele ijskristallen aan elkaar gelijmd door kleine waterdruppels en ontstaan sneeuwvlokken die doen denken aan een watje. In droge lucht kan sneeuw gevormd in koudere luchtlagen de aarde nog steeds bereiken als sneeuw, zelfs bij temperaturen rond de 5 ° C, omdat een deel van de vlok sublimeert en de energie die nodig is om het af te koelen de resterende vlok koelt. [8] Aan de andere kant komt het wel eens voor dat de regen onder de 0 ° C komt, dan als ijskoude regen. De term flitsijs wordt in sommige media voor dit effect gebruikt. Deze componenten zijn afhankelijk van de structuur en stratificatiestabiliteit van de bovenste en onderste luchtlagen, van geografische invloeden en weerselementen zoals koude luchtdruppels. Bij lage temperaturen vormen zich slechts zeer kleine vlokken, het zogenaamde sneeuwgrind.
De witte kleur van de sneeuw is te danken aan het feit dat de sneeuw uit ijskristallen bestaat. Elk kristal – ijs als zodanig – is transparant; het licht van alle zichtbare golflengten wordt gereflecteerd en verstrooid op de grensvlakken tussen de ijskristallen en de omringende lucht. Een voldoende grote opeenhoping van ijskristallen met een willekeurige positionele relatie tot elkaar leidt dus in het algemeen tot diffuse reflectie; Sneeuw lijkt daardoor wit. Een vergelijkbaar effect kan ook worden waargenomen bij zout, bijvoorbeeld bij het vergelijken van poeder en grotere kristallen.
De gemiddelde diameter van sneeuwvlokken is ongeveer vijf millimeter, met een gewicht van 4 milligram. Hoe hoger de temperatuur, hoe groter de vlokken, omdat de kristallen ontdooien en dan aan grote vlokken plakken. Het Guinness Book of Records registreert een diameter van 38 cm voor de grootste sneeuwvlok ooit gedocumenteerd.
Als een sneeuwvlok op het water valt, produceert hij een hoog geluid met een frequentie van 50 tot 200 kilohertz die onhoorbaar is voor mensen (echografie). Niet alle onderzoekers op dit onderzoeksgebied hebben dit effect bevestigd.
Sneeuwval
Aangezien sneeuwvlokken een groot oppervlak hebben en daardoor een hoge luchtweerstand, vallen ze relatief langzaam met snelheden van ongeveer 4 km / u – ter vergelijking: matige regen valt rond de 20 km / u, hagel kan veel hogere snelheden bereiken. De snelheid waarmee sneeuwvlokken vallen is grotendeels onafhankelijk van hun grootte, aangezien het oppervlak van de vlokken (bijna) evenredig toeneemt met hun grootte, wat betekent dat de luchtweerstand ongeveer constant blijft. De microplastics in de lucht kunnen door sneeuwval naar de grond worden getrokken.
Zoals alle onregelmatig gevormde objecten, hebben sneeuwkristallen de neiging om met hun platste kant naar beneden te vallen. Op het eerste gezicht lijkt dit misschien onlogisch, omdat objecten eigenlijk bewegen met de minste luchtweerstand. Dit zou inderdaad waar zijn als de platte kant van de sneeuwvlok altijd precies parallel aan de valrichting was gericht. Het is echter zeer waarschijnlijk dat ze door kleine verstoringen (turbulentie) de neiging heeft om in de richting van de val te vallen. Vanwege de lucht die eromheen stroomt, is de sneeuwvlok onderhevig aan een paar krachten (hogere stroomsnelheden aan de randen), die hij zo roteert dat zijn platte kant naar beneden wijst (vlak van de grootste omvang van de vlok normaal naar de valrichting). Hetzelfde mechanisme is van toepassing op een blad dat uit de boom valt, een gevallen blad papier en Rayleigh’s schijf voor het meten van de geluidssnelheid. Kenmerkend voor platte sneeuwvlokken is dan ook de bekende tuimelende val, die een stationaire dans wordt in een geschikte lichte opwaartse stroming, bijvoorbeeld in uitgeademde lucht of op een warme gevel.
Een ander effect van turbulente stroming is dat sneeuwvlokken en andere objecten de neiging hebben om op één lijn te komen en elkaar dan in te halen. Een sneeuwkristal dat achter een ander in de wervelzone terechtkomt, kan er sneller in vallen, zodat het ermee botst en samenklontert, net zoals een fietser in de slipstream achter een ander minder aandrijfkracht nodig heeft om hetzelfde tempo aan te houden. Vogels die in een V-formatie vliegen, gebruiken de opwaartse stroming aan de buitenzijden van de wervels van de persoon die vooruit vliegt om horizontaal te vliegen met minder energie. Als sneeuwdeeltjes echter zo klein zijn als stof, vallen ze in wezen zonder turbulentie in de stroming; het Reynoldsgetal, een product van lengte, snelheid en viscositeit, is dan erg klein, zoals bij stalen balletjes in honing.