Wo ist denn das Wasser unter den gefrorenen Pfützen geblieben?

Birgit Thiess von der AG Wissenschaftskommunikation der Universität Bayreuth, die zusammen mit der Kurier-Redaktion die Serie „Leser fragen Forscher“ aufgelegt hatte, fand in Johannes Lüers. Akademischer Rat an der Abteilung für Mikrometeorologie der Uni Bayreuth, den richtigen Experten. „Diese Frage lässt sich nur durch das einzigartige Verhalten des Stoffes Wasser erklären“, sagt Lüers. „Eine zusätzliche Beobachtung, und zwar die, dass Eis auf dem Wasser schwimmt, führt zur Lösung unser Rätsels.“

Geringere Dichte

Der Grund, warum Eis schwimmt, ist die geringere Dichte des Eises gegenüber der Dichte des Wassers. Das heißt: Das Eis als Festkörper ist leichter als die Flüssigkeit Wasser. „Normalerweise ist das bei fast allen Stoffen auf der Welt umgekehrt“, so Lüers. Der Festkörper ist schwerer als seine flüssige Form, er wird daher versinken. Wasser ist die Ausnahme. Das Eis ist also leichter als das umgebende Wasser. Zudem dehnt sich das Eis aus. Sein Volumen vergrößert sich um bis zu neun Prozent gegenüber dem Volumen des flüssigen Wassers bei gleicher Menge. Durch diese Dichteanomalie erhält das leichtere Eis Auftrieb und schwimmt auf der Wasseroberfläche.

Das bedeutet physikalisch, dass ein Wasserkörper – eine Pfütze, ein Teich, ein Fluss oder das Meer – nur von der Wasseroberfläche aus zufrieren kann. Im Winter, wenn durch frostige Luftmassen das Oberflächenwasser auf null Grad abgekühlt wird, gefriert nur die dünne oberste Wasserschicht spontan zu Eis. „Übrigens“, sagt Lüers, „es gefriert dabei nur das Wasser, aber nicht die im Wasser gelösten Minerale oder Salze. Deswegen ist Eis immer Süßwasser.“

Verhinderter Wärmetransport

Wird immer neue Luftmasse, kälter als das Wasser, durch Wind herantransportiert und deshalb immer mehr Wasser direkt unter der Eisschicht auf unter null Grad abgekühlt, wächst die Eisschicht von unten her an. Doch je dicker die Eisschicht wird, desto mehr wird sie den Wärmetransport aus dem Wasser in die Luft verhindern. Damit kühlt das Wasser unterhalb des Eises nicht weiter aus und somit kann kein neues Eis an der Eisschichtunterseite anwachsen.

Zurück zur Pfütze: Hier ist die Wassermasse sehr gering, die Wassertiefe beträgt nur wenige Zentimeter und auch die Fläche vergleichsweise gering. „Dass heißt, die gesamte Wassermasse der Pfütze kühlt bei entsprechender frostiger Witterung auf einmal auf unter null Grad ab und gefriert als Ganzes“, sagt Lüers. Durch die Volumenausdehnung des Eises kann sich unter entsprechenden Umständen die Eisschicht ver- oder aufbiegen und so von der Unterlage ablösen und es entsteht ein Hohlraum unter dem Eis.

Ein Kompliment für Kurier-Leser Rönsch und seine Frage liefert der Bayreuther Forscher gleich noch mit: „Das hier ist ein wirklich schönes Beispiel, dass sich hinter einer kurzen Frage eine komplexe, aber sehr interessante Welt verbirgt.“

Wenn auch Sie eine Frage haben, die Sie schon immer mal einem Wissenschaftler stellen wollten, senden Sie diese bitte per E-Mail an leserfragenforscher@kurier.tmt.de.

red