Der Winter ist da – und mit ihm eine spannende Gelegenheit für Naturforscher: Was ist eigentlich Schnee? Finde es selbst heraus – ein USB-Mikroskop am Laptop liefert die Antwort!

Dieser Artikel enthält Links aus dem Amazon-Partnerprogramm (gekennzeichnet mit (*)-(*) ) – euch kosten sie nichts, mir bringen sie vielleicht etwas für meine Arbeit ein. Das verwendete Mikroskop und der Molekülbaukasten sind Privatanschaffungen und gehören zu meinem persönlichen Inventar.

„Die Inuit kennen 40 verschiedene Wörter für ‚Schnee'“, erklärt Smilla Jaspersen in dem Film „Fräulein Smillas Gespür für Schnee“. Diese Aussage hat einen Mythos geschaffen, welcher darin wurzelt, dass in den Inuit-Sprachen eine Unzahl verschiedener Vor- und Nachsilben an gerade einmal zwei Grundwörter gehängt werden können, um die verschiedenen Erscheinungsformen von Schnee zu beschreiben. Im Deutschen verwenden wir dafür zusammengesetzte Wörter: Papp- und Pulverschnee, Schneematsch – und schliesslich Schneeflocken.

All diese Wörter, ob Inuit oder Deutsch, beschreiben den weissen Stoff, der im Winter vom Himmel fällt und uns ebenso pulvrig weich wie eishart begegnen kann. Aber woraus besteht Schnee eigentlich? Klar – aus gefrorenem Wasser. Aber warum erscheint uns dieses gefrorene Wasser so anders als das massive, harte Eis, das beim Erstarren eines Gewässers entsteht?

Die Antwort findest du, wenn du dir Schnee einmal ganz aus der Nähe ansiehst – durch ein Mikroskop.

Dies ist ein Versuch für draussen – im Garten oder auf dem Balkon oder unterwegs während eines Winterspaziergangs, wenn du jemanden hast, der dein Equipment trägt!

Wetter- und andere notwendige Rahmenbedingungen

Schnee lässt sich nur im Winter mikroskopieren – wenn es welchen hat. Wer das Glück hat im Hochgebirge zu sein, findet dort auch in den Herbst und Frühling hinein mitunter Schnee.

Für die einfache Untersuchung von Schnee unter dem USB-Mikroskop ist Schneefall bei einer Lufttemperatur von 0°C oder besser etwas darunter optimal. Ein offener Unterstand (zum Beispiel der Balkon der Nachbarn oben, ein Vordach oder eine Schutzhütte für Wanderer) schützt die Elektronik und dich vor dem Eingeschneitwerden.

Geräte/Hilfsmittel

• Kamera-Mikroskop mit USB-Kabel zum Anschluss an einen Computer ((*)eine grosse Auswahl gibt es zum Beispiel hier(*) )
• Laptop mit USB-Port, Treibern zum Mikroskop sowie Software zur Bild- und optional Video-Erfassung
• Petrischale oder Uhrglas
• Dunkle Unterlage (wenn du ein Handmikroskop ohne eigene Auflagefläche für Objektträger benutzt)
• Evtl. Spatel, flacher Löffelstiel oder/und Pinzette
• Gefrierfach
• Warme Kleidung, optional heisser Tee

Warum kein optisches Mikroskop?

Um Schneeflocken betrachten zu können, ohne dass sie sofort schmelzen, muss das Mikroskop auf den Gefrierpunkt (0°C) oder besser noch weiter abgekühlt werden. Glas, aus welchem die Linsen optischer Mikroskope bestehen, gerät durch starke Temperaturänderungen schnell unter Spannung und kann Risse bekommen oder brechen. Deshalb besteht die Gefahr, dass beim Abkühlen und Wiederaufwärmen eines optischen Mikroskops die Linsen beschädigt werden – das ist besonders dann ärgerlich, wenn es sich um ein teures Gerät handelt!

Wer dennoch mit einem optischen Mikroskop im Warmen arbeiten möchte, kann vorgekühlte Objektträger mit einem durchsichtigen, in der Kälte härtenden Lack bestreichen und Schneeflocken darauf fallen lassen. Nach dem Aushärten des Lacks kann der Abdruck der Flocken im Lack im Warmen mikroskopiert und dauerhaft aufbewahrt werden.

Anleitung (für das Vorgehen mit dem USB-Mikroskop)

Dieses Experiment muss gut vorbereitet werden. Wenn im Wetterbericht Kälte und Schneefall angekündigt werden, stelle das Mikroskop einige Stunden vor dem Experimentieren nach draussen unter einen Unterstand. Ich habe hierbei einen Baumwollbeutel über das Gerät gestülpt, um es vor Schneeverwehungen und all zu neugierigen Vögeln zu schützen. Lege die Petrischale, Spatel oder/und Pinzette in einer geschlossenen Gefrierdose zeitgleich ins Gefrierfach (ein gutes Gefrierfach kühlt auf bis zu -20°C, also in der Regel deutlich weiter als die Luft draussen, was sehr nützlich sein wird).

Wenn es dann schneit (oder ganz frischer Schnee gefallen ist), ziehe dich warm und baue den Laptop unter dem Unterstand auf. Hole die Dose mit den Werkzeugen aus dem Gefrierfach (öffne sie erst draussen in der Kälte, damit die Petrischale nicht beschlägt!).

Schalte das Mikroskop ein und starte die Software zur (Live-)Bild- oder/und Videoerfassung.

Ab jetzt sollte alles möglichst zügig gehen.

Halte die Petrischale mit zwei Fingern an den Rändern in den fallenden Schnee und fange ein paar Flocken. Wenn es nicht mehr schneit, kannst du mit dem Spatel oder der Pinzette vorsichtig ein paar frisch gefallene Flocken von der Umgebung (Boden, Pflanzen,…) in die Schale befördern.

Platziere die Schale unter dem Kameraobjektiv, wähle eine passende Vergrösserungsrate und stelle das Bild scharf. Mache nun zügig Aufnahmen von allen Ansichten, die dir gefallen. Dazu kannst du die Schale vorsichtig hin- und herschieben, drehen, oder zwischendurch neue Flocken fangen. Wenn du die Schale dabei mit der Pinzette greifst, wird sie weniger schnell warm, als wenn du sie mit der Hand berührst.

Petrischale mit Schneeflocken unter dem USB-Mikroskop

Die regelmässige Struktur der Schneekristalle ist am Rand einzelner Flocken, wo sich die Kristalle möglichst nicht überlappen, am klarsten sichtbar!

Schneeflocken bestehen aus sternförmigen Kristallen: Zu dicht beieinander erscheinen sie noch nicht ganz klar

Mein Mikroskop hat einen drehbaren Objekt-Teller mit Motor und Beleuchtungsmöglichkeit von unten. Beides habe ich nicht genutzt und dennoch festgestellt, dass das Gerät im Betrieb genug Wärme abgibt, um die Schneeflocken nach wenigen Minuten zu schmelzen. Wenn du wie ich eine Software zur Videoerfassung hast, kannst du dies nutzen, um den Schmelzvorgang aufzuzeichnen.

Wissenswertes: Geheimnisse der Schneeflocken

Für die Jüngeren: Warum Schnee unter den Schuhen knirscht

Das Mikroskop enthüllt: Schneeflocken sind wunderschöne Sterne mit sechs Zacken – aus hartem, kaltem Eis! Und bis sich eine dicke Schneeschicht gebildet hat, sammeln sich sehr sehr viele dieser Sterne am Boden an. Dabei landen sie kreuz und quer aufeinander, wie sie gerade fallen, und werden von ihrem eigenen Gewicht ineinander geschoben.

Schneekristall-Sterne zu einer Flocke verworren

Hast du schon einmal genau zugehört, was passiert, wenn du viele Legosteine – oder die Schmucksterne vom Weihnachtsbaum – zusammen in eine flache Schachtel legst und mit der Hand hindurchstreichst? Es raschelt und klappert! Und wenn du ein wenig von oben darauf drückst (vorsichtig – du willst die Legos oder den Christbaumschmuck ja nicht kaputt machen!) – dann knirscht es, wenn die Teile aneinander reiben.

Schneeflocken zwar sehr viel kleiner, aber genauso fest wie Legosteine. So reiben auch sie aneinander, wenn man sie zusammendrückt. Ausserdem gehen sie – weil sie so klein sind – noch viel schneller als Legosteine kaputt, wenn man darauf tritt.

Die aneinander reibenden und zerbrechenden winzigen Schneekristalle unter unseren Schuhen sind also die Ursache für das herrliche Knirschen, wenn wir durch frischen Schnee laufen!

Für die Älteren: Kristallstruktur von Wasser

Die wunderschönen Schneekristalle, die das Mikroskop uns enthüllt, sind erstaunlich symmetrisch. Tatsächlich lassen sich durch einen perfekt geformte Schneestern drei Achsen legen, die den Kristall in sechs praktisch identische Teile zerlegen. Und jedes dieser Teile passt genau in einen Winkel von 60°! Dieser Winkel, oder auch sein Doppel, 120°, wiederholt sich ausserdem in der filigranen Struktur dieser Teile immer und immer wieder.

Aber wie können aus flüssigem Wasser so unglaublich regelmässige Strukturen entstehen?

Von Molekülen zum Kristall

Schneekristalle bestehen aus Wassermolekülen: Zwei Wasserstoff-Atome sind in einem festgelegten Winkel zueinander an ein Sauerstoff-Atom gebunden. Alle drei Atome bilden ein Wassermolekül. Jedes Wasserstoff-Atom eines Wassermoleküls kann zudem eine weniger feste Bindung, eine „Wasserstoff-Brückenbindung“ zu einem Sauerstoff-Atom eines anderen Wassermoleküls eingehen. Diese Wasserstoff-Brücken führen dazu, dass die Wassermoleküle in einem Eiskristall ganz bestimmte Plätze einnehmen und sich zu einem regelmässigen, sechseckigen Muster anordnen.

Wenn du einen (*)Molekülbaukasten(*) hast, kannst du dieses Muster – das Kristallgitter – nachbauen:

Jeder dieser Bausteine mit vier Enden (für Mathematik-Fans: die Enden sind weitestmöglich voneinander entfernt und weisen auf die Ecken eines Tetraeders) steht dabei für ein Wassermolekül mit dem Sauerstoff-Atom in der Mitte des Bausteins sowie zwei Wasserstoff-Atomen und zwei Ansatzstellen für Wasserstoff-Brücken, für welche die vier Enden stehen.

Wassermolekül-Baustein und Verbindungsstücke aus dem Molekülbaukasten

Jetzt brauchst du noch jede Menge Verbindungsstücke. Ihre Länge ist egal, doch sollten sie alle gleich lang sein. Mit den Verbindungsstücken kannst du nun die Wassermoleküle zu einem Eis-Kristallgitter zusammenfügen.

Dieses Modell besteht aus 92 „Wassermolekülen“ und 120 Verbindungsstücken

Dieses Modell eines Eiskristalls ist ein Ausschnitt aus dem sehr viel grösseren Kristallgitter. An seiner Oberfläche sind überall freie Enden, an die du weitere Wassermoleküle anfügen könntest, so lange du Bausteine hast. Das symmetrische, sechseckige Muster mit seinen 60°- und 120°-Winkeln ist hier schon gut erkennbar.

Die Entstehung von Schneeflocken

In der Luft gibt es nicht nur Wasserdampf und feine Wassertröpfchen, die mitunter Wolken bilden, sondern auch sehr feine Staubkörnchen. Wird es in höheren, wasserhaltigen Luftschichten sehr kalt – mindestens -12°C – schlagen sich Wassermoleküle an der Oberfläche solcher Staubkörnchen nieder und fügen sich zu einem Eis-Kristallgitter wie im Modell oben zusammen.

So kommen viele Wassermoleküle auf engem Raum zusammen: Der noch kleine Eiskristall wird für seine Grösse schwer („er hat eine hohe Dichte“) und beginnt in Richtung Erde zu fallen. Währenddessen werden an die freien „Enden“ der Moleküle an der Kristalloberfläche laufend weitere Wassermoleküle angebaut. In welche Richtungen der Anbau verläuft,  hängt von den Eigenschaften der direkten Umgebung des Kristalls ab: Temperatur, Luftströmungen, die Menge vorhandener Wassermoleküle und viele mehr. Und die sind auf allen Seiten eines bestimmten vereisten Staubkorns gleich – für jede Schneeflocke im wilden Durcheinander der Luft jedoch ein wenig anders.

Schneeflocken wachsen also ausgehend von einem Staubkorn von innen nach aussen. Hier findest du faszinierende Videoaufnahmen vom Wachstum von Schneekristallen.

So wächst jede Schneeflocke von „ihrem“ Staubkorn aus in jede Richtung in der gleichen Weise. Dafür ist es praktisch unmöglich, zwei Schnee-Kristalle zu finden, die sich vollkommen gleichen. Nur die durch das Kristallgitter vorgegebenen Winkel von 60° und 120° finden sich in jeder Schneeflocke wieder. Wenn dann noch mehrere Kristalle ineinander und zusammen wachsen, können schöne Flocken entstehen, die mehrere Zentimeter gross sind.

Die klarsten Bilder einzelner Schnee-Kristalle lassen sich jedoch von kleineren, möglichst wenig verwachsenen Flocken gewinnen.

Und hast du schon einmal Schnee unter dem Mikroskop betrachtet? Oder hast du vor, es zu probieren? Welche Erfahrungen hast du gemacht?

Hast du das Experiment nachgemacht: 

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Wenn etwas nicht oder nur teilweise funktioniert haben sollte, schreibt es in die Kommentare. Ich helfe gerne bei der Fehlersuche!