De dagen worden korter, de nachten langer, de temperatuur daalt. De winter staat voor de deur. Nederland zit weer bij de kachel, te hopen op een Elfstedentocht. Voor het zover is moet het eerst gaan vriezen. En als je dan naar buiten gaat kun je er niet omheen: overal zie je ijskristallen. Hoe ontstaan ze?
Water kan grofweg op twee manieren bevriezen. De eerste is wanneer vloeibaar water bevriest en een mooi glad oppervlak vormt. De tweede is dat waterdamp vanuit de lucht bevriest en er ijskristallen worden gevormd. Dit kan hoog in de atmosfeer gebeuren en dan ontstaat er sneeuw, waarbij ijskristallen aan elkaar plakken tot een vlok.
Bloemen
Bijzonder aan de bevriezing van water vanuit de lucht is dat de kristallen altijd zeshoekige vormen hebben (hoe dit komt, lees je hieronder). Maar ook vlak bij de grond kan waterdamp vanuit de lucht kristallen vormen. Dit noem je ‘rijp’ en levert eveneens hele mooie structuren op. Denk maar aan de ijsbloemen op het raam. Die ontstaan als het heel koud is buiten en er in de kamer geen verwarming aanstaat.
Zo ontstaan ijsbloemen…
1. In de lucht om je heen zit vooral zuurstof (20%) en stikstof (bijna 80%), maar ook een aantal andere gassen in mindere mate, waaronder waterdamp.
2. Omdat al deze moleculen voortdurend in beweging zijn, botsen ze tegen elkaar en tegen alles wat met de lucht in contact staat. Hoe snel de moleculen bewegen, hangt af van de temperatuur – hoe hoger de temperatuur, hoe sneller ze bewegen.
3. Meestal stuiteren de watermoleculen terug als ze ergens tegenaan komen, net als een voetbal tegen de muur. Maar soms blijft het water ‘plakken’, alsof de voetbal met lijm is ingesmeerd.
4. In de zomer ontstaan op die manier waterdruppeltjes tegen bijvoorbeeld een glas met frisdrank. Omdat het glas koud is (van de frisdrank), zal water vanuit de warme lucht – waar het snel beweegt – afremmen wanneer het in de buurt van de koele lucht van de frisdrank komt. Hierdoor ontstaan druppeltjes op het glas: condens.
5. In de winter gebeurt in principe hetzelfde. Het verschil is alleen dat dan het water bevriest als rijp. Dit heeft dezelfde zeshoekige basisvorm als de sneeuwvlokken, maar in plaats van mooie stervormige structuren, krijg je kristallen.
Schatkamers
Een veelgehoorde uitspraak is dat geen twee sneeuwvlokjes er hetzelfde uit zien. Nu is het natuurlijk onmogelijk om alle sneeuwvlokken die ooit gevallen zijn met elkaar te vergelijken, maar je kunt dit wel met wat rekenwerk aannemelijk maken (zie kader hieronder). Voor wie de wiskunde te ver gaat: er zijn enorm veel verschillende mogelijkheden waarop sneeuwvlokken kunnen vertakken. Daardoor is de kans dat er twee exact hetzelfde zijn, astronomisch klein. Elke sneeuwvlok heeft zijn eigen vorm en elke sneeuwvlok ziet er van dichtbij uit als een juweel. Zou het daarom zijn dat de Bijbel spreekt over de ‘schatkameren der sneeuw’ (Job 38:22)?
Geen twee sneeuwvlokken hetzelfde – hoe kan dat?
Neem de eerste tien letters van het alfabet. Op hoeveel verschillende volgordes kun je deze tien letters zetten? Op de eerste plek kunnen 10 verschillende letters staan. Voor de tweede plek zijn er nog maar 9 verschillende over. Voor de derde 8, en zo verder tot alle letters zijn opgeschreven. Het is mogelijk te berekenen hoeveel mogelijkheden er zijn om de letters op te schrijven. Dit doe je door de mogelijkheden per positie met elkaar te vermenigvuldigen. Je hebt dan: 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1 = 3.628.800 verschillende mogelijkheden om de letters op te schrijven. Bij sneeuwvlokken zijn er meer dan 100 verschillende manieren mogelijk waarop de kristallen kunnen groeien. Dit leidt tot 10158 (een 1 met 158 nullen erachter) mogelijkheden. Ter vergelijking, er zijn ‘slechts’ 1088 atomen in het heelal. Er zijn dus 1070 keer meer mogelijkheden om ijskristallen verschillend te maken dan dat er atomen in het universum zijn. Omdat er zoveel verschillende mogelijkheden zijn, kan men dus stellen dat geen twee sneeuwvlokken er hetzelfde uitzien.
Geen evolutie
De ene sneeuwvlok ziet er nog ingewikkelder uit dan de andere. Dit wordt vaak aangevoerd als een argument dat evolutie mogelijk is. Uit wanorde – de losse moleculen in de lucht – wordt zomaar een ordelijke structuur gevormd. Daarom, zo redeneert men, zou ook DNA zichzelf kunnen organiseren. Maar die vergelijking loopt mank. Hier speelt namelijk nog iets anders. In de natuur wordt altijd naar een zo laag mogelijk energieniveau gestreefd. Door de vorming van ijskristallen zijn de positieve en negatieve ladingen in het watermolecuul netjes uitgebalanceerd. Min tegen plus, en plus tegen min. Dit heeft de laagste energie en is dus de meest stabiele vorm. Bij DNA moet je daarentegen juist energie toevoegen om de strengen te vormen. Zonder complexe reparatie-eiwitten en een precies uitgebalanceerde omgeving wil DNA namelijk juist uit elkaar vallen, want dat geeft de laagste energie.
Doe-het-zelf-wetenschap
Onderstaande foto’s zijn gemaakt door Wilson Bentley (1865-1931). Hij had een voorliefde voor wetenschap en bekeek graag alles door zijn moeders microscoop. Vanaf zijn vroege jeugd was hij geïnteresseerd in sneeuwvlokken. Bentley was de eerste persoon die, door simpelweg dingen te proberen erin slaagde om foto’s door een microscoop te maken. Net als Bentley kun je trouwens zelf ook heel gemakkelijk ijskristallen bestuderen. Hiervoor heb je niet veel nodig. Een vergrootglas is genoeg om de kristallen van rijp (bevroren dauw) goed te kunnen zien. En zelfs als het geen koude winter wordt, kun je in de diepvries of het vriesvak van de koelkast vaak mooie rijpformaties zien.
Bewondering
IJskristallen zeggen dus niets over het mogelijk zijn van evolutie. Je kunt ijskristallen dan ook beter bewonderen als een voorbeeld van de grote creativiteit die in de schepping is gelegd.
Dit artikel verscheen eerder in Weet 18 en is geschreven door Gert-Jan van Heugten. Het originele artikel is hier in pdf-formaat te lezen.
