Ukichiro Nakaya

Dem japanischen Physiker und Glaziologen Ukichiro Nakaya (1900-1962) gelang es erstmals am 12. März 1936, künstlichen Schnee unter Laborbedingungen herzustellen. Seine Liebe zum Schnee stellte sich eher zufällig ein: Eigentlich erhielt der Kernphysiker Nakaya eine Professur an der Universität Hokkaido, jedoch der Mangel an Ausstattung und der Reichtum an Schnee ließen ihn ein neues Forschungsobjekt finden: Schnee.

Erst durch die labortechnischen Möglichkeiten, Wachstumsbedingungen für Schneekristalle gezielt zu steuern, konnte Nakaya die Morphologie der Kristalle in Abhängigkeit von zwei Faktoren beschreiben. Durch die Beeinflussung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit (in diesem Fall eine Übersättigung, damit der Wasserdampf direkt in die feste Form übergehen kann) konnte er verschiedene Ausbildungen in Form eines Diagramms darstellen, des sog. Nakaya-Diagramms. Es verlangte dem japanischen Wissenschaftler einige Experimentierfreude ab, einen geeigneten Kristallisationskeim zu finden: Zuerst ließ Nakaya den künstlichen Schnee an einer Leine aus einem Baumwollfaden wachsen, dann aus einem Wollfaden, bis sich schließlich ein winziges Stück Kaninchenhaar als geeignetes Initium für die Kristallbildung erwies.

Ukichiro Nakaya in seinem Labor

„Briefe aus dem Himmel“

Nakaya stellte fest, dass bei niedriger Luftfeuchtigkeit und niedrigen Temperaturen flache Plättchen entstehen, während bei zunehmender Temperatur hexagonale Prismen wachsen. In dem „mittleren“ Temperaturbereich zwischen -10 und -20 Grad Celsius entstehen bei geringer Luftfeuchtigkeit dickere Plättchen, bei etwas mehr Luftfeuchtigkeit dünnere Plättchen und schließlich bei hoher Luftfeuchtigkeit dendritische Sterne, deren Verzweigungsfreude an den Armen mit der Luftfeuchtigkeit zunimmt. Zwischen -5 und -10 Grad lassen sich bei geringer Luftfeuchte hexagonale solide Prismen erzeugen, die sich bei steigender Luftfeuchtigkeit zu hohlen Säulen und schließlich langen Nadeln ausformen. Bei hoher Temperatur zwischen 0 und -5 Grad bilden sich mit zunehmender Luftfeuchtigkeit zuerst dicke Plättchen, dann flache und endlich Dendriten.

Durch die Erkenntnisse Nakayas lassen sich anhand der äußeren Gestalt der Schneekristalle deren Entstehungsbedingungen ablesen. Nakaya nannte daher die Schneekristalle „Briefe aus dem Himmel“.

Nakaya-Diagramm

Mit diesem Wissen war es Nakaya möglich, die morphologische Vielfalt der Schneekristalle in einer Systematik mit 40 Grundformen und Unterarten zu ordnen. Stark von Wilson Bentley beeinflusst, fertigte er über 3.000 Fotografien an. Erst 1954 publizierte Nakaya seine aufsehenerregende Entdeckung.

Später verlegte sich Nakaya wissenschaftlich auf den Bereich der Glaziologie. Auf dem Campus der Hokkaido Universität wurde zu seinen Ehren ein hexagonales Steinmonument aufgestellt. Seine Laborausstattung wird in dem Institute for Low Temperature Science aufbewahrt.

Inschrift: Birthplace of the first Artificial snow crystal. 12th March 1936. Quelle: By 禁樹なずな (Own work) [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], via Wikimedia Commons

Literatur:

• Charlie Englisch: Das Buch vom Schnee. 2009 Berlin.
• Harald Garcke: Kepler, Kristalle und Computer. Mathematik und numerische Simulationen helfen Kristallwachstum zu verstehen. In: Blick in die Wissenschaft 24 (= 20. Jahrgang, 2011). S. 12-20.
• Max. J. Kobbert: Diamant und Schneekristall. Faszinierende Welt der Kristalle mit über 400 Farbaufnahmen und in 3D. München 2016.
• Ukichiro Nakaya: Snow Crystals: Natural and Artificial. Cambridge 1954.
• Wikipedia Artikel „Ukichiro Nakaya“: https://en.wikipedia.org/wiki/Ukichiro_Nakaya
• Zu den Themen: snow crystal branching (Bildung von Verzweigungen) http://www.snowcrystals.com/branching/branching.html und snow crystal sharpening (Nadeln) http://www.snowcrystals.com/sharpening/sharpening.html : Kenneth Libbrecht

Bildnachweis:

• Labor Nakaya; Nakaya-Diagramm: Mit freundlicher Genehmigung von Kenneth Libbrecht. http://www.snowcrystals.com/morphology/morphology.html
• Nakaya-Monument: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Birthplace_of_the_first_Artificial_snow_crystal.JPG